Abstand zweier Punkte,

ist die Länge der kürzesten Verbindung von

nach
Der Abstand, auch die Entfernung oder die Distanz zweier Punkte ist die Länge der kürzesten Verbindung dieser Punkte.
Im euklidischen Raum ist dies die Länge der geradlinigen Strecke zwischen den beiden Punkten. Der Abstand zweier geometrischer Objekte ist die Länge der kürzesten Verbindungslinie der beiden Gegenstände, 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 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
Im kartesischen Koordinatensystem berechnet man den Abstand (euklidischer Abstand) zweier Punkte mit Hilfe des Satzes von Pythagoras:
Der Abstand zweier Punkte in der Ebene
-
[1]
Für die Ebene (
):

Für den dreidimensionalen Raum (
):
-
[2]
Der Abstand eines Punkts von einer Geraden oder einer ebenen Fläche ist der Abstand vom 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
Beispiel: Abstand

zwischen Punkt

und Geraden

in der Ebene.
Der Abstand zwischen dem Punkt
und der Geraden
mit der Koordinatenform
beträgt:

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.[3]
Beispiel
Eingesetzte Werte für Gerade
:
und für Punkt
-
[LE]
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 Vektoren
:
-
[4]
Beispiel
Beispiel: Abstand

zwischen Punkt

und Geraden

im Raum.
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:
-
[5]
Beispiel
Beispiel: Konstruktion des Abstandes

zwischen zwei windschiefen Geraden

und

im Raum.
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 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:
-
[A 1]
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:
-
[6][A 2]
Dabei steht
für das Kreuzprodukt,
für das Skalarprodukt und
für den Betrag des Vektors.
Beispiel
Beispiel: Konstruktion des Abstandes

zwischen dem Punkt

und der Ebene

im Raum.
Konstruktion des Abstandes
[7]
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 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

Einheiten hat.
Die sogenannte Manhattan-Metrik ist eine Metrik, in der den Abstand
zwischen zwei Punkten
und
als die Summe der absoluten Differenzen ihrer Einzelkoordinaten definiert wird:[8]

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
Die zwei Punkte mit dem kleinsten Abstand sind rot markiert.
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
- ↑ a b Um eine Doppelbezeichnung der Konstante
zu vermeiden wurde mit passendem Vorzeichen
gewählt. - ↑ Im Gegensatz zur Formel aus dem englischen Sprachraum wurde für den Abstand die Bezeichnung
anstatt
gewählt.
Einzelnachweise
- ↑ Petra Stein, Sven Vollnhals: 3.5.1 Spezialfälle der Minkowski-Metrik: Das euklidische Distanzmaß. 3.5 Distanz- und Ähnlichkeitsmaße für metrische Variablen. In: Grundlagen clusteranalytischer Verfahren. Universität Duisburg-Essen, 1. April 2011, S. 15, abgerufen am 19. Oktober 2018.
- ↑ Klaus Hefft: 9.1.3 Euklidischer Raum. 9.1 Dreidimensionaler euklidischer Raum. In: MATHEMATISCHER VORKURS zum Studium der Physik. Universität Heidelberg, 8. Juli 2018, abgerufen am 19. Oktober 2018.
- ↑ 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. Mathematik für Maschinenbauer, Bauingenieure und Umwelttechniker I. Ruhr-Universität Bochum, Dezember 2006, S. 37―39, abgerufen am 22. Mai 2021.
- ↑ Wolfram MathWorld: Taxicab Metric