„Abstand“ – Versionsunterschied
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‘Distanz, Entfernung’ (17. Jh.), ‘das Ablassen, Aufgeben von etw.’ (15. Jh.), Abstand nehmen von etw. ‘auf etw. verzichten’ (19. Jh.). | ‘Distanz, Entfernung’ (17. Jh.), ‘das Ablassen, Aufgeben von etw.’ (15. Jh.), Abstand nehmen von etw. ‘auf etw. verzichten’ (19. Jh.). | ||
[[Kategorie: | ----[[Datei:01 Abstand zweier Punkte.svg|rechts|300px]] | ||
Der '''Abstand''' (auch '''Entfernung''' oder '''Distanz)''' zweier [[Punkt (Geometrie)|Punkte]] ist die [[Länge (Mathematik)|Länge]] der kürzesten Verbindung dieser Punkte. | |||
Im [[Euklidischer Raum|euklidischen Raum]] ist dies die Länge der [[Strecke (Geometrie)|Strecke]] zwischen den beiden Punkten. Der Abstand zweier [[Geometrische Figur|geometrischer Objekte]] ist die Länge der kürzesten Verbindungslinie der beiden Objekte, also der Abstand der beiden einander nächstliegenden Punkte. Werden nicht die einander nächstliegenden Punkte zweier Objekte betrachtet, so wird dies explizit angegeben oder ergibt sich aus dem Zusammenhang, wie beispielsweise der Abstand der geometrischen Mittelpunkte oder der [[Geometrischer Schwerpunkt|geometrischen Schwerpunkte]]. | |||
Die [[Metrischer Raum|Metrik]] ist der Teil der Mathematik, der sich mit der Abstandsmessung beschäftigt. | |||
Der ''Abstand'', die ''Entfernung'', die ''Distanz'' zwischen zwei Werten einer Größe oder zwischen zwei [[Zeitpunkt]]en wird bestimmt, indem man den Absolutbetrag ihrer [[Subtraktion|Differenz]] bildet, das heißt, indem sie voneinander abgezogen werden und vom Ergebnis der Absolutbetrag gebildet wird. Der gemessene Abstand ist unabhängig vom gewählten [[Referenzpunkt]] des [[Koordinatensystem]]s, nicht aber von dessen Skalierung ''(siehe auch [[Maßstabsfaktor]])''. | |||
In der [[Beobachtende Astronomie|beobachtenden Astronomie]] wird der scheinbare Abstand am Himmel zwischen zwei Himmelsobjekten als ''[[Winkelabstand]]'' angegeben. | |||
Der Abstand zweier [[Mengentheorie|Mengen]] im euklidischen Raum (oder allgemeiner in einem [[Metrischer Raum|metrischen Raum]]) kann über die [[Hausdorff-Metrik]] definiert werden. | |||
== Euklidischer Abstand == | |||
{{Hauptartikel|Euklidischer Abstand}} | |||
Der Abstand zweier Punkte <math>A</math> und <math>B</math> auf einer Geraden mit den Koordinaten <math>a</math> bzw. <math>b</math> ist der Absolutbetrag <math>|a-b|</math>. Dieser Betrag lässt sich auch schreiben als | |||
:<math>d(A,B)=\sqrt{(a-b)^2}</math>. | |||
Sind zwei Punkte der Ebene in kartesischen Koordinaten <math>A=(a_1, a_2)</math> und <math>B=(b_1, b_2)</math> gegeben, so beträgt der Abstand zwischen <math>A</math> und <math>B</math> nach dem [[Satz des Pythagoras]]<ref name=":0">{{Literatur |Autor=[[Andreas Filler]] |Titel=Elementare Lineare Algebra |Reihe=Mathematik Primarstufe und Sekundarstufe I + II |Verlag=Spektrum Akademischer Verlag |Ort=Heidelberg |Datum=2011 |ISBN=978-3-8274-2412-9 |Seiten=55}}</ref> | |||
:<math> d(A,B) = \sqrt{(a_1-b_1)^2+(a_2-b_2)^2}</math>. | |||
Für zwei Punkte <math>A = (a_1, a_2 , a_3)</math> und <math>B = (b_1, b_2, b_3)</math> des (dreidimensionalen) Raumes ist<ref name=":0" /> | |||
:<math> d(A,B) = \sqrt{(a_1-b_1)^2+(a_2-b_2)^2+(a_3-b_3)^2}</math>. | |||
Dieser Abstandsbegriff wird für höherdimensionale Räume in sinnfälliger Weise verallgemeinert, indem man für zwei Punkte <math>A = ( a_1 , \dotsc, a_n) \in \R^n</math> und <math>B = ( b_1 , \dotsc, b_n )\in \R^n</math> den (euklidischen) Abstand zweier Punkte definiert als<ref>{{Literatur |Autor=[[Otto Forster]], Florian Lindemann |Titel=Analysis 2 |Auflage=12. |Verlag=Springer Spektrum |Ort=Wiesbaden |Datum=2025 |ISBN=978-3-658-45811-9 |Seiten=7}}</ref> | |||
[[Datei:01-Abstand zweier Punkte.svg|mini|hochkant=1.3|Der Abstand zweier Punkte in der Ebene]] | |||
: <math> d(A,B) = \sqrt{\sum_{i=1}^n (a_i-b_i)^2}</math>. | |||
Der Abstand eines Punkts von einer [[Gerade]]n oder einer ebenen Fläche ist sein Abstand zum [[Fußpunkt]] des darauf gefällten [[Lot (Mathematik)|Lots]], der von einer gekrümmten Linie ist stets ein Abstand von einer ihrer [[Tangente]]n. | |||
Berechnungsmöglichkeiten für die Abstände von Punkten zu Geraden oder Ebenen sind in der [[Formelsammlung analytische Geometrie]] aufgeführt. | |||
=== Abstand in der Ebene === | |||
==== Abstand zwischen Punkt und Gerade ==== | |||
[[Datei:01 Abstand Ebene Punkt-Gerade.svg|mini|hochkant=1.3|Beispiel: Abstand <math>d(P,g)</math> zwischen Punkt <math>P</math> und Geraden <math>g</math> in der Ebene.]] | |||
Unter dem Abstand eines Punktes <math>P</math> von einer Geraden <math>g</math> versteht man die Länge des Lots von <math>P</math> auf <math>g</math>. Der Abstand eines Punktes von einer Geraden ist also die kleinste Entfernung, die ein Punkt der Geraden von diesem Punkt haben kann.<ref>{{Literatur |Autor=Harald Scheid, Wolfgang Schwarz |Titel=Elemente der Geometrie |Auflage=4. |Verlag=Spektrum Akademischer Verlag |Ort=Heidelberg |Datum=2007 |ISBN=978-3-8274-1697-1 |Seiten=9}}</ref> | |||
In der analytischen Geometrie lässt sich der Abstand zwischen einem [[Punkt (Geometrie)|Punkt]] <math>P(x_0, y_0)</math> und einer [[Gerade|Geraden]] <math>g</math> mit der [[Allgemeine Koordinatenform#Allgemeine Koordinatenform einer Geradengleichung|Koordinatengleichung]] <math> ax + by + c = 0</math> berechnen als | |||
:<math>d(P,g)= \frac{|ax_0 + by_0 + c|}{\sqrt{a^2 + b^2}}</math>. | |||
Der Punkt auf der Geraden <math>g</math>, der <math> (x_0, y_0)</math> am nächsten liegt, hat die [[Koordinatensystem|Koordinaten]] | |||
:<math>\left(x = \frac{b(bx_0 - ay_0) - ac}{a^2 + b^2},\; y = \frac{a(-bx_0 + ay_0) - bc}{a^2 + b^2}\right)</math> | |||
Wenn die Gerade <math>g</math> durch die Punkte <math> (x_1, y_1)</math> und <math> (x_2, y_2)</math> verläuft, ist | |||
:<math> a = y_2 - y_1</math> | |||
:<math> b = x_1 - x_2</math> | |||
:<math> c = x_2y_1 - x_1y_2</math> | |||
Diese Werte können in die [[Formel|Formeln]] eingesetzt werden.<ref>Wolfram MathWorld: [https://mathworld.wolfram.com/Point-LineDistance2-Dimensional.html Point-Line Distance--2-Dimensional]</ref> | |||
'''Beispiel''' | |||
Eingesetzte Werte für Gerade <math>g</math>: <math>a = -3,\;b = 4,\; c = 10</math> und für Punkt <math>P:\; x_0 =4,\; y_0 = 6</math> | |||
:<math>d(P,g) = \frac{(-3) \cdot 4 + 4 \cdot 6 + 10}{\sqrt{(-3)^2 + 4^2}} = \frac{22}{5} = 4{,}4\;</math> | |||
=== Abstand im dreidimensionalen Raum === | |||
Für die Konstruktion des Abstandes bedarf es als zusätzliches Hilfsmittel einer [[Dynamische Geometrie|Dynamischen-Geometrie-Software (DGS).]] | |||
==== Abstand zwischen Punkt und Gerade ==== | |||
Der Abstand zwischen dem [[Punkt (Geometrie)|Punkt]] <math> P_0 = (x_0, y_0, z_0)</math> und der [[Gerade|Geraden]] <math>g</math>, die durch die Punkte <math> P_1 = (x_1, y_1, z_1)</math> und <math>P_2 = (x_2, y_2, z_2)</math> verläuft, beträgt mit den Ortsvektoren <math>\vec{p}_0, \;\vec{p}_1,\;\vec{p}_2</math>: | |||
:<math>d(P_0,g)= \frac{\left|(\vec{p}_2 - \vec{p}_1) \times (\vec{p}_1 - \vec{p}_0)\right|}{\left|\vec{p}_2 - \vec{p}_1\right|} = \frac{\left|(\vec{p}_0 - \vec{p}_1) \times (\vec{p}_0 - \vec{p}_2)\right|}{\left|\vec{p}_2 - \vec{p}_1\right|}</math><ref>Wolfram MathWorld: [https://mathworld.wolfram.com/Point-LineDistance3-Dimensional.html Point-Line Distance--3-Dimensional]</ref> | |||
'''Beispiel''' | |||
[[Datei:01 Abstand Raum Punkte-Gerade.png|mini|hochkant=1.5|Beispiel: Abstand <math>d(P_0,g)</math> zwischen Punkt <math>P_0</math> und Geraden <math>g</math> im Raum.]] | |||
Konstruktion des Abstandes <math>d(P_0,g)</math>. | |||
Gegeben sind die Koordinaten der Punkte <math>P_1 = \left(3{,}5 \left| 2{,}5 \right| 0\right)</math> und <math>P_2 = \left(-1 \left| 7\right| 0\right)</math>, durch die die Gerade <math>g</math> verläuft, und der Punkt <math>P_0 = \left(5 \left| 6 \right| 3{,}5\right)</math>. | |||
Nach dem Einzeichnen der Geraden <math>g</math> durch <math>P_1</math>, <math>P_2</math> und dem Punkt <math>P_0</math> werden die [[Vektor#Definition|Verbindungsvektoren]] <math>\vec{p}_1,\;\vec{p}_2</math> und <math>\vec{p}_0</math> eingezeichnet. Eine abschließend errichtete [[Orthogonalität|Senkrechte]] auf die Gerade <math>g</math> durch Punkt <math>P_0</math> liefert den Abstand <math>d(P_0,g) = 4{,}974\ldots\;</math>[LE]. | |||
'''Nachrechnung''' | |||
Diese Werte in die Formel eingesetzt, ergeben | |||
:<math>d(P_0,g)= \frac{\left|(\vec{p}_2 - \vec{p}_1) \times (\vec{p}_1 - \vec{p}_0)\right|}{\left|\vec{p}_2 - \vec{p}_1\right|} | |||
= \frac{\left|\begin{pmatrix} -4{,}5 \\ 4{,}5 \\ 0 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} -1{,}5 \\ -3{,}5 \\ -3{,}5 \end{pmatrix}\right|}{\left|\begin{pmatrix} -4{,}5 \\ 4{,}5 \\ 0 \end{pmatrix}\right|} | |||
= \frac{\left|\begin{pmatrix} -15{,}75 \\ -15{,}75 \\ 22{,}5 \end{pmatrix}\right|}{\left|\begin{pmatrix} -4{,}5 \\ 4{,}5 \\ 0 \end{pmatrix}\right|} | |||
</math> | |||
:<math>= \frac{\left| \sqrt{(-15{,}75)^2 + (-15{,}75)^2 + 22{,}5^2} \right|}{\left| \sqrt{(-4{,}5)^2 + 4{,}5^2 + 0^2} \right|} | |||
= 4{,}974\ldots\; | |||
</math>[LE]. | |||
==== Abstand zwischen zwei windschiefen Geraden ==== | |||
{{Hauptartikel|Windschiefe}} | |||
Zwei windschiefe Geraden (<math>g_1,\;g_2 </math>), wobei die eine durch die Punkte <math>P_1 = (x_1, y_1, z_1)</math> und <math> P_2 = (x_2, y_2, z_2)</math> und die andere durch die Punkte <math> P_3 = (x_3, y_3, z_3)</math> und <math> P_4 = (x_4, y_4, z_4)</math> verläuft, haben mit den Vektoren <math>\vec{p}_1,\;\vec{p}_2,\;\vec{p}_3,\;\vec{p}_4</math> folgenden Abstand: | |||
:<math>d(g_1,g_2)= \frac{\left|(\vec{p}_3 - \vec{p}_1) \cdot ((\vec{p}_2 - \vec{p}_1) \times (\vec{p}_4 - \vec{p}_3))\right|}{\left|(\vec{p}_2 - \vec{p}_1) \times (\vec{p}_4 - \vec{p}_3)\right|}</math><ref>Wolfram MathWorld: [https://mathworld.wolfram.com/Line-LineDistance.html Line-Line Distance]</ref> | |||
'''Beispiel''' | |||
[[Datei:01 Abstand Raum Gerade-Gerade.png|mini|hochkant=1.5|Beispiel: Konstruktion des Abstandes <math>d(g_1,g_2)</math> zwischen zwei windschiefen Geraden <math>g_1</math> und <math>g_2</math> im Raum.]] | |||
Konstruktion des Abstandes <math>d(g_1,g_2)</math> mithilfe einer Hilfsebene. | |||
Gegeben seien die Koordinaten der vier Punkte <math>P_1 = \left(3{,}5 \left| 2{,}5 \right| 0\right),\;P_2 = \left(-1 \left| 7\right| 0\right),\;P_3 = \left(5 \left| 6 \right| 3{,}5\right)</math> und <math>P_4 = \left(0{,}2 \left| 2{,}5 \right| 6\right).</math> | |||
Nach dem Einzeichnen der Geraden <math>g_1</math> durch <math>P_1</math>, <math>P_2</math> und <math>g_2</math> durch <math>P_3</math>, <math>P_4</math> werden zunächst die [[Vektor#Definition|Verbindungsvektoren]] <math>\vec{p}_1,\;\vec{p}_2\;\vec{p}_3</math> und <math>\vec{p}_4</math> eingezeichnet. Für das Bestimmen der Hilfsebene wird eine Parallele zu <math>g_2</math> durch <math>P_1</math> gezogen und anschließend der Punkt <math>A</math> beliebig auf der Parallele markiert. Mithilfe der somit gegebenen drei Punktes <math>A, P_1</math> und <math>P_2</math> wird die Ebene <math>E</math> generiert. Es folgt das Fällen des Lots vom Punkt <math>P_3</math> auf die Ebene <math>E</math> mit Fußpunkt <math>B</math> und eine Parallele zu <math>g_2,</math> die <math>g_1</math> in <math>C</math> (rot) schneidet. Abschließend liefert die Parallele zu <math>\overline{P_3B}</math> ab dem Punkt <math>C</math> bis zur Geraden <math>g_2</math> den Schnittpunkt <math>D</math> und somit den Abstand: <math>d(g_1,g_2) = 4{,}605\ldots\;</math>[LE]. | |||
'''Nachrechnung''' | |||
Diese Werte eingesetzt in die Formel ergeben | |||
:<math>d(g_1,g_2) = \frac{\left|(\vec{p}_3 - \vec{p}_1) \cdot ((\vec{p}_2 - \vec{p}_1) \times (\vec{p}_4 - \vec{p}_3))\right|}{\left|(\vec{p}_2 - \vec{p}_1) \times (\vec{p}_4 - \vec{p}_3)\right|} | |||
= \frac{\left|\begin{pmatrix} 1{,}5 \\ 3{,}5 \\ 3{,}5 \end{pmatrix} \cdot \left(\begin{pmatrix} -4{,}5 \\ 4{,}5 \\ 0 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} -4{,}8 \\ -3{,}5 \\ 2{,}5 \end{pmatrix}\right)\right|}{\left|\begin{pmatrix} -4{,}5 \\ 4{,}5 \\ 0 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} -4{,}8 \\ -3{,}5 \\ 2{,}5 \end{pmatrix}\right|} | |||
= \frac{\left|\begin{pmatrix} 1{,}5 \\ 3{,}5 \\ 3{,}5 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 11{,}25 \\ 11{,}25 \\ 37{,}35 \end{pmatrix}\right|}{\left|\begin{pmatrix} 11{,}25 \\ 11{,}25 \\ 37{,}35 \end{pmatrix}\right|} | |||
</math> | |||
:<math>= \frac{\left| 186{,}975 \right|}{\left| \sqrt{11{,}25^2 + 11{,}25^2 + 37{,}35^2} \right|} | |||
= 4{,}605\ldots\; | |||
</math>[LE]. | |||
==== Abstand zwischen Punkt und Ebene ==== | |||
Der Abstand zwischen dem [[Punkt (Geometrie)|Punkt]] <math> P_0 = (x_0, y_0, z_0)</math> und der [[Ebene (Mathematik)|Ebene]] <math>E</math> mit der [[Koordinatenform#Allgemeine Koordinatenform einer Ebenengleichung|Koordinatenform]] <math> ax + by + cz - f = 0</math><ref group="A" name="Konstante f">Um eine Doppelbezeichnung der Konstante <math>d</math> zu vermeiden wurde mit passendem Vorzeichen <math>-f</math> gewählt.</ref> beträgt: | |||
:<math>\;\;(1)\;\;d(P_0,E)= \frac{|ax_0 + by_0 + cz_0 - f|}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}</math><ref group="A" name="Konstante f" /> | |||
Für die einzusetzenden Werte gilt: | |||
:<math>\;\begin{align} | |||
&\left(2\right)a=y_1z_2 - y_2z_1 + y_2z_3 - y_3z_2 + y_3z_1 - y_1z_3 \\ | |||
&\left(3\right)b=z_1x_2 - z_2x_1 + z_2x_3 - z_3x_2 + z_3x_1 - z_1x_3 \\ | |||
&\left(4\right)c=x_1y_2 - x_2y_1 + x_2y_3 - x_3y_2 + x_3y_1 - x_1y_3 \\ | |||
&\left(5\right)f=x_1y_2z_3 - x_1y_3z_2 + x_2y_3z_1 - x_2y_1z_3 + x_3y_1z_2 - x_3y_2z_1 \\ | |||
\end{align}</math> | |||
Wenn drei Punkte <math> P_1 = (x_1, y_1, z_1)</math>, <math>P_2 = (x_2, y_2, z_2)</math>, <math> P_3 = (x_3, y_3, z_3)</math> gegeben sind, die eine Ebene <math>E</math> bestimmen (siehe [[Dreipunkteform]]) dann lässt sich der Abstand mithilfe der Vektoren <math>\vec{p}_1,\;\vec{p}_2,\;\vec{p}_3</math> mit folgender [[Formel]] berechnen: | |||
:<math>\;\;(6)\;\;d(P_0,E)= \left| \frac{(\vec{p}_2 - \vec{p}_1) \times (\vec{p}_3 - \vec{p}_1)}{\left|(\vec{p}_2 - \vec{p}_1) \times (\vec{p}_3 - \vec{p}_1)\right|} \cdot (\vec{p}_0 - \vec{p}_1) \right|</math><ref>Wolfram MathWorld: [https://mathworld.wolfram.com/Point-PlaneDistance.html Point-Plane Distance]</ref><ref group="A">Im Gegensatz zur Formel aus dem englischen Sprachraum wurde für den Abstand die Bezeichnung <math>d</math> anstatt <math>D</math> gewählt.</ref> | |||
Dabei steht <math> \times</math> für das [[Kreuzprodukt]], <math> \cdot</math> für das [[Skalarprodukt]] und <math> \left| \quad \right|</math> für den [[Vektor#Länge/Betrag eines Vektors|Betrag des Vektors]]. | |||
'''Beispiel''' | |||
[[Datei:01 Abstand Raum Punkt-Ebene.png|mini|hochkant=1.5|Beispiel: Konstruktion des Abstandes <math>d(P,E)</math> zwischen dem Punkt <math>P</math> und der Ebene <math>E</math> im Raum.]] | |||
Konstruktion des Abstandes <math>d(P,E)</math><ref>{{Internetquelle |autor=R. Verfürth |url=https://www.ruhr-uni-bochum.de/num1/files/lectures/MBBI1.pdf#page=37&zoom=auto,-13,632 |titel=I.5.7. Parameterfreie Darstellungen einer Ebene.; Beispiel I.5.6. |titelerg=Mathematik für Maschinenbauer, Bauingenieure und Umwelttechniker I |hrsg=Ruhr-Universität Bochum |datum=2006-12 |seiten=37―39 |format=PDF |abruf=2021-05-22}}</ref> | |||
Gegeben seien die Koordinaten der drei Punkte der Ebene <math>E\;</math> mit <math>A = \left(1 \left|0 \right|0\right),\;B = \left(2 \left| 1\right|1\right),\;C = \left(3 \left|0 \right|2\right)</math> sowie des außerhalb liegenden Punktes <math>P = \left(4\left|5 \right|-3\right).</math> | |||
Nach dem Eintragen der Punkte <math>A,\;B</math> und <math>C</math> sowie des außerhalb liegenden Punktes <math>P,</math> kann die Ebene <math>E: 2x-2z-2=0</math> generiert werden. Anschließend fällt man das Lot vom Punkt <math>O</math> des [[Koordinatensystem|Koordinatenursprungs]] auf die Ebene <math>E</math> mit dem Fußpunkt <math>D.</math> Durch die Punkte <math>O</math> und <math>D</math> verläuft auch der, aus der Parameterdarstellung von <math>E</math> ermittelbare, [[Normalenvektor]] mit <math>\vec n = \left(2 \left|0 \right|-2\right).</math> Abschließend liefert die Parallele zu <math>\overline{OD}</math> ab dem Punkt <math>P</math> bis zur Ebene <math>E</math> den Abstand: <math>d(P,E) = 3 \cdot \sqrt{2}\; = 4{,}2426\ldots\;</math>[LE]. | |||
'''Nachrechnung''' | |||
Ermittlung der einzusetzenden Werte für Formel <math>(1)</math> | |||
:<math>\;\begin{align} | |||
&\left(2\right)a=0\cdot 1 - 1\cdot 0 + 1\cdot 2 - 0\cdot 1 + 0\cdot 0 - 0\cdot 2 = 2 \\ | |||
&\left(3\right)b=0\cdot 2 - 1\cdot 1 + 1\cdot 3 - 2\cdot 2 + 2\cdot 1 - 0\cdot 3 = 0 \\ | |||
&\left(4\right)c=1\cdot 1 - 2\cdot 0 + 2\cdot 0 - 3\cdot 1 + 3\cdot 0 - 1\cdot 0 = -2\\ | |||
&\left(5\right)f=1\cdot 1\cdot 2 - 1\cdot 0\cdot 1 + 2\cdot 0\cdot 0 - 2\cdot 0\cdot 2 + 3\cdot 0\cdot 1 - 3\cdot 1\cdot 0 = 2 \\ | |||
\end{align}</math> | |||
Diese Werte eingesetzt in <math>(1)</math> ergeben schließlich | |||
:<math>\;\;(1)\;\;d(P_0,E)= \frac{|2 \cdot 4 + 0 \cdot 5 + (-2) \cdot (-3) - 2|}{\sqrt{2^2 + 0^2 + (-2)^2}} = 3 \cdot \sqrt{2}\; = 4{,}2426\ldots\;</math>[LE]. | |||
Das Ergebnis gleicht dem des Beispiels. | |||
== Andere Definitionen == | |||
Die Definition des [[Euklidischer Abstand|euklidischen Abstands]] kann mithilfe von [[Metrik (Mathematik)|Metriken]] verallgemeinert werden. Der euklidische Abstand ist der [[Euklidische Norm|euklidischen Norm]] (2-Norm) eines [[Vektorraum|Vektorraums]], z. B. des [[Dreidimensional|dreidimensionalen]] [[Euklidischer Raum|euklidischen Raums]], zugeordnet, siehe [[Metrischer Raum#Beispiele|Metrischer Raum - Beispiele]]. | |||
=== Manhattan-Metrik === | |||
{{Hauptartikel|Manhattan-Metrik}} | |||
[[Datei:Manhattan distance.svg|mini|Die Linien in rot, blau und gelb sind drei Beispiele für die Manhattan-Metrik zwischen den zwei schwarzen Punkten (je 12 Einheiten lang). Die grüne Linie stellt zum Vergleich den euklidischen Abstand dar, der eine Länge von <math>6 \sqrt{2} \approx 8{,}5</math> Einheiten hat.]] | |||
Die sogenannte Manhattan-Metrik ist eine [[Metrischer Raum|Metrik]], in der der Abstand <math>d</math> zwischen zwei [[Punkt (Geometrie)|Punkten]] <math>A</math> und <math>B</math> als die [[Summe]] der [[Absolutbetrag|absoluten]] [[Subtraktion|Differenzen]] ihrer Einzel[[koordinaten]] definiert wird:<ref>Wolfram MathWorld: [https://mathworld.wolfram.com/TaxicabMetric.html Taxicab Metric]</ref> | |||
: <math> | |||
d(A,B) = \sum_{i} \left|A_i - B_i\right| | |||
</math> | |||
Die Manhattan-Metrik ist die von der [[Summennorm]] (1-Norm) eines [[Vektorraum|Vektorraums]] erzeugte Metrik. | |||
Weil die Wege zwischen zwei Punkten immer [[rechtwinklig]] entlang den horizontalen und vertikalen Linien (Straßen) verlaufen, aber nicht durch die quadratischen „Gebäudeblöcke“, ist der Abstand zwischen zwei Punkten nicht kleiner und im Allgemeinen größer als der [[Euklidischer Abstand|euklidischen Abstand]]. Der Abstand zwischen zwei Punkten mit ganzzahligen [[Koordinatensystem|Koordinaten]] (Kreuzungen) ist immer eine [[ganze Zahl]]. | |||
So ist beispielsweise in der nebenstehenden Grafik die Manhattan-Metrik in einem [[Zweidimensional|zweidimensionalen]] [[Raum (Mathematik)|Raum]], sodass sich | |||
: <math>d(A,B) = \left|A_1 - B_1\right| + \left|A_2 - B_2\right| = \left|0 - 6\right| + \left|0 - 6\right| = \left|-6\right| + \left|-6\right| = 12</math> | |||
ergibt, wobei <math>A = (A_1,A_2) = (0,0)</math> und <math>B = (B_1,B_2) = (6,6)</math> die schwarz markierten Punkte sind. | |||
== Abstandsmessung auf gekrümmten Flächen == | |||
Auf der [[Kugeloberfläche]] wird der Abstand entlang von [[Großkreis]]en bestimmt und im [[Gradmaß]] oder [[Bogenmaß]] angegeben. Zur Berechnung des Abstandes siehe [[Orthodrome]]. | |||
Auf dem [[Erdellipsoid]] oder anderen [[Konvexe Menge|konvexen]] Flächen benutzt man die [[geodätische Linie]] oder den [[Normalschnitt]]. | |||
In der [[Geodäsie]] und den [[Geowissenschaften]] spricht man eher von Distanz oder Entfernung, die metrisch angegeben wird. | |||
== Dichtestes Punktpaar == | |||
[[Datei:Closest pair of points.svg|mini|Die zwei Punkte mit dem kleinsten Abstand sind rot markiert.]] | |||
{{Hauptartikel|Dichtestes Punktpaar}} | |||
Das Problem des dichtesten Punktpaares (''englisch'' closest pair of points problem) ist die Suche nach den zwei am dichtesten beieinander liegenden [[Punkt (Geometrie)|Punkten]] in einer [[Ebene (Mathematik)|Ebene]]. Gegeben ist eine beliebige [[Menge (Mathematik)|Menge]] von Punkten in der Ebene und gesucht sind zwei dieser Punkte, sodass der [[Euklidischer Abstand|euklidische Abstand]] minimal ist. Ein ähnliches Problem ist die Suche nach den zwei am weitesten voneinander entfernten Punkten in der Ebene, also den zwei Punkten mit dem maximalen [[Euklidischer Abstand|euklidischen Abstand]]. | |||
Der [[Brute Force|Brute-force]]-Algorithmus berechnet die Abstände zwischen allen möglichen Punktpaaren und wählt das Punktpaar mit dem kleinsten Abstand aus. Die [[Laufzeit (Informatik)|Laufzeit]] des [[Algorithmus]] ist quadratisch und liegt in <math>O(n^2)</math>. Ein [[Teile und herrsche (Informatik)|Divide-and-conquer]]-Algorithmus hat eine [[Laufzeit (Informatik)|Laufzeit]], die in <math> O(n \cdot \log n) </math> liegt. | |||
== Siehe auch == | |||
* [[Entfernungsmaß]] | |||
* [[Entfernungsmessung]] | |||
* [[Geodätische Distanz]] | |||
== Weblinks == | |||
{{Commonscat|Distance between two points|Abstand|audio=0|video=0}} | |||
{{Wiktionary|Abstand}} | |||
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Version vom 30. Juni 2025, 11:43 Uhr
ab + Stand | Abstände, Abständen,
‘Distanz, Entfernung’ (17. Jh.), ‘das Ablassen, Aufgeben von etw.’ (15. Jh.), Abstand nehmen von etw. ‘auf etw. verzichten’ (19. Jh.).

Der Abstand (auch Entfernung oder Distanz) zweier Punkte ist die Länge der kürzesten Verbindung dieser Punkte.
Im euklidischen Raum ist dies die Länge der Strecke zwischen den beiden Punkten. Der Abstand zweier geometrischer Objekte ist die Länge der kürzesten Verbindungslinie der beiden Objekte, also der Abstand der beiden einander nächstliegenden Punkte. Werden nicht die einander nächstliegenden Punkte zweier Objekte betrachtet, so wird dies explizit angegeben oder ergibt sich aus dem Zusammenhang, wie beispielsweise der Abstand der geometrischen Mittelpunkte oder der geometrischen Schwerpunkte.
Die Metrik ist der Teil der Mathematik, der sich mit der Abstandsmessung beschäftigt.
Der Abstand, die Entfernung, die Distanz zwischen zwei Werten einer Größe oder zwischen zwei Zeitpunkten wird bestimmt, indem man den Absolutbetrag ihrer Differenz bildet, das heißt, indem sie voneinander abgezogen werden und vom Ergebnis der Absolutbetrag gebildet wird. Der gemessene Abstand ist unabhängig vom gewählten Referenzpunkt des Koordinatensystems, nicht aber von dessen Skalierung (siehe auch Maßstabsfaktor).
In der beobachtenden Astronomie wird der scheinbare Abstand am Himmel zwischen zwei Himmelsobjekten als Winkelabstand angegeben.
Der Abstand zweier Mengen im euklidischen Raum (oder allgemeiner in einem metrischen Raum) kann über die Hausdorff-Metrik definiert werden.
Euklidischer Abstand
Der Abstand zweier Punkte und auf einer Geraden mit den Koordinaten bzw. ist der Absolutbetrag . Dieser Betrag lässt sich auch schreiben als
- .
Sind zwei Punkte der Ebene in kartesischen Koordinaten und gegeben, so beträgt der Abstand zwischen und nach dem Satz des Pythagoras[1]
- .
Für zwei Punkte und des (dreidimensionalen) Raumes ist[1]
- .
Dieser Abstandsbegriff wird für höherdimensionale Räume in sinnfälliger Weise verallgemeinert, indem man für zwei Punkte und den (euklidischen) Abstand zweier Punkte definiert als[2]

- .
Der Abstand eines Punkts von einer Geraden oder einer ebenen Fläche ist sein Abstand zum Fußpunkt des darauf gefällten Lots, der von einer gekrümmten Linie ist stets ein Abstand von einer ihrer Tangenten.
Berechnungsmöglichkeiten für die Abstände von Punkten zu Geraden oder Ebenen sind in der Formelsammlung analytische Geometrie aufgeführt.
Abstand in der Ebene
Abstand zwischen Punkt und Gerade

Unter dem Abstand eines Punktes von einer Geraden versteht man die Länge des Lots von auf . Der Abstand eines Punktes von einer Geraden ist also die kleinste Entfernung, die ein Punkt der Geraden von diesem Punkt haben kann.[3]
In der analytischen Geometrie lässt sich der Abstand zwischen einem Punkt und einer Geraden mit der Koordinatengleichung berechnen als
- .
Der Punkt auf der Geraden , der am nächsten liegt, hat die Koordinaten
Wenn die Gerade durch die Punkte und verläuft, ist
Diese Werte können in die Formeln eingesetzt werden.[4]
Beispiel
Eingesetzte Werte für Gerade : und für Punkt
Abstand im dreidimensionalen Raum
Für die Konstruktion des Abstandes bedarf es als zusätzliches Hilfsmittel einer Dynamischen-Geometrie-Software (DGS).
Abstand zwischen Punkt und Gerade
Der Abstand zwischen dem Punkt und der Geraden , die durch die Punkte und verläuft, beträgt mit den Ortsvektoren :
Beispiel

Konstruktion des Abstandes .
Gegeben sind die Koordinaten der Punkte und , durch die die Gerade verläuft, und der Punkt .
Nach dem Einzeichnen der Geraden durch , und dem Punkt werden die Verbindungsvektoren und eingezeichnet. Eine abschließend errichtete Senkrechte auf die Gerade durch Punkt liefert den Abstand [LE].
Nachrechnung
Diese Werte in die Formel eingesetzt, ergeben
- [LE].
Abstand zwischen zwei windschiefen Geraden
Zwei windschiefe Geraden (), wobei die eine durch die Punkte und und die andere durch die Punkte und verläuft, haben mit den Vektoren folgenden Abstand:
Beispiel

Konstruktion des Abstandes mithilfe einer Hilfsebene.
Gegeben seien die Koordinaten der vier Punkte und
Nach dem Einzeichnen der Geraden durch , und durch , werden zunächst die Verbindungsvektoren und eingezeichnet. Für das Bestimmen der Hilfsebene wird eine Parallele zu durch gezogen und anschließend der Punkt beliebig auf der Parallele markiert. Mithilfe der somit gegebenen drei Punktes und wird die Ebene generiert. Es folgt das Fällen des Lots vom Punkt auf die Ebene mit Fußpunkt und eine Parallele zu die in (rot) schneidet. Abschließend liefert die Parallele zu ab dem Punkt bis zur Geraden den Schnittpunkt und somit den Abstand: [LE].
Nachrechnung
Diese Werte eingesetzt in die Formel ergeben
- [LE].
Abstand zwischen Punkt und Ebene
Der Abstand zwischen dem Punkt und der Ebene mit der Koordinatenform [A 1] beträgt:
Für die einzusetzenden Werte gilt:
Wenn drei Punkte , , gegeben sind, die eine Ebene bestimmen (siehe Dreipunkteform) dann lässt sich der Abstand mithilfe der Vektoren mit folgender Formel berechnen:
Dabei steht für das Kreuzprodukt, für das Skalarprodukt und für den Betrag des Vektors.
Beispiel

Konstruktion des Abstandes [8]
Gegeben seien die Koordinaten der drei Punkte der Ebene mit sowie des außerhalb liegenden Punktes
Nach dem Eintragen der Punkte und sowie des außerhalb liegenden Punktes kann die Ebene generiert werden. Anschließend fällt man das Lot vom Punkt des Koordinatenursprungs auf die Ebene mit dem Fußpunkt Durch die Punkte und verläuft auch der, aus der Parameterdarstellung von ermittelbare, Normalenvektor mit Abschließend liefert die Parallele zu ab dem Punkt bis zur Ebene den Abstand: [LE].
Nachrechnung
Ermittlung der einzusetzenden Werte für Formel
Diese Werte eingesetzt in ergeben schließlich
- [LE].
Das Ergebnis gleicht dem des Beispiels.
Andere Definitionen
Die Definition des euklidischen Abstands kann mithilfe von Metriken verallgemeinert werden. Der euklidische Abstand ist der euklidischen Norm (2-Norm) eines Vektorraums, z. B. des dreidimensionalen euklidischen Raums, zugeordnet, siehe Metrischer Raum - Beispiele.
Manhattan-Metrik

Die sogenannte Manhattan-Metrik ist eine Metrik, in der der Abstand zwischen zwei Punkten und als die Summe der absoluten Differenzen ihrer Einzelkoordinaten definiert wird:[9]
Die Manhattan-Metrik ist die von der Summennorm (1-Norm) eines Vektorraums erzeugte Metrik.
Weil die Wege zwischen zwei Punkten immer rechtwinklig entlang den horizontalen und vertikalen Linien (Straßen) verlaufen, aber nicht durch die quadratischen „Gebäudeblöcke“, ist der Abstand zwischen zwei Punkten nicht kleiner und im Allgemeinen größer als der euklidischen Abstand. Der Abstand zwischen zwei Punkten mit ganzzahligen Koordinaten (Kreuzungen) ist immer eine ganze Zahl.
So ist beispielsweise in der nebenstehenden Grafik die Manhattan-Metrik in einem zweidimensionalen Raum, sodass sich
ergibt, wobei und die schwarz markierten Punkte sind.
Abstandsmessung auf gekrümmten Flächen
Auf der Kugeloberfläche wird der Abstand entlang von Großkreisen bestimmt und im Gradmaß oder Bogenmaß angegeben. Zur Berechnung des Abstandes siehe Orthodrome.
Auf dem Erdellipsoid oder anderen konvexen Flächen benutzt man die geodätische Linie oder den Normalschnitt.
In der Geodäsie und den Geowissenschaften spricht man eher von Distanz oder Entfernung, die metrisch angegeben wird.
Dichtestes Punktpaar

Das Problem des dichtesten Punktpaares (englisch closest pair of points problem) ist die Suche nach den zwei am dichtesten beieinander liegenden Punkten in einer Ebene. Gegeben ist eine beliebige Menge von Punkten in der Ebene und gesucht sind zwei dieser Punkte, sodass der euklidische Abstand minimal ist. Ein ähnliches Problem ist die Suche nach den zwei am weitesten voneinander entfernten Punkten in der Ebene, also den zwei Punkten mit dem maximalen euklidischen Abstand.
Der Brute-force-Algorithmus berechnet die Abstände zwischen allen möglichen Punktpaaren und wählt das Punktpaar mit dem kleinsten Abstand aus. Die Laufzeit des Algorithmus ist quadratisch und liegt in . Ein Divide-and-conquer-Algorithmus hat eine Laufzeit, die in liegt.
Siehe auch
Weblinks
Anmerkungen
Einzelnachweise
- ↑ a b Andreas Filler: Elementare Lineare Algebra (= Mathematik Primarstufe und Sekundarstufe I + II). Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2011, ISBN 978-3-8274-2412-9, S. 55.
- ↑ Otto Forster, Florian Lindemann: Analysis 2. 12. Auflage. Springer Spektrum, Wiesbaden 2025, ISBN 978-3-658-45811-9, S. 7.
- ↑ Harald Scheid, Wolfgang Schwarz: Elemente der Geometrie. 4. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-8274-1697-1, S. 9.
- ↑ Wolfram MathWorld: Point-Line Distance--2-Dimensional
- ↑ Wolfram MathWorld: Point-Line Distance--3-Dimensional
- ↑ Wolfram MathWorld: Line-Line Distance
- ↑ Wolfram MathWorld: Point-Plane Distance
- ↑ R. Verfürth: I.5.7. Parameterfreie Darstellungen einer Ebene.; Beispiel I.5.6. (PDF) Mathematik für Maschinenbauer, Bauingenieure und Umwelttechniker I. Ruhr-Universität Bochum, Dezember 2006, S. 37―39, abgerufen am 22. Mai 2021.
- ↑ Wolfram MathWorld: Taxicab Metric