Digitale Werkzeuge in der Schule/Unterwegs in 3-D – Punkte, Vektoren, Geraden und Ebenen im Raum/Ebenen im Raum: Unterschied zwischen den Versionen
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< Digitale Werkzeuge in der Schule | Unterwegs in 3-D – Punkte, Vektoren, Geraden und Ebenen im Raum
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Zeile 9: | Zeile 9: | ||
==Die Parameterform und die Punktprobe== | ==Die Parameterform und die Punktprobe== | ||
{{Box| | {{Box|Merksatz: Die Parameterform|Eine Ebene <math>E</math> ist bestimmt durch einen Punkt <math>A</math> und zwei Vektoren <math>\vec {u} \neq \vec{o}</math> und <math>\vec{v} \neq \vec{o}</math>, die nicht parallel zueinander sind. | ||
[[Datei:Darstellung- Ebene in Parameterform .jpg|mini|Ebene E]] | |||
Diese Ebene <math>E</math> kann wie folgt beschrieben werden: <math>E:\vec{x}=\vec{OA}+s \cdot \vec{u} +t\cdot \vec{v} </math> | Diese Ebene <math>E</math> kann wie folgt beschrieben werden: <math>E:\vec{x}=\vec{OA}+s \cdot \vec{u} +t\cdot \vec{v} </math> | ||
Diese Vektorgleichung bezeichnet man als '''Parameterdarstellung/Parametergleichung''' der Ebene <math>E</math> mit den | Diese Vektorgleichung bezeichnet man als '''Parameterdarstellung/Parametergleichung''' der Ebene <math>E</math> mit den Parametern <math>s</math> und <math>t</math>. | ||
Um eine Parameterdarstellung aufzustellen | Um eine Parameterdarstellung aufzustellen, können, statt eines Punktes und zwei Vektoren auch: | ||
* drei Punkte, die nicht alle auf einer Geraden liegen | * drei Punkte, die nicht alle auf einer Geraden liegen, oder | ||
* Gerade und Punkt | * eine Gerade und ein Punkt, der nicht auf der Geraden liegt, oder | ||
* zwei sich schneidende Geraden | * zwei sich schneidende Geraden, oder | ||
* zwei parallele Geraden | * zwei echt parallele Geraden, genutzt werden. | ||
|Merksatz}} | |||
{{Box | 1= Beispiel: Ebenengleichung aus drei Punkten bestimmen | 2= | {{Box | 1= Beispiel: Ebenengleichung aus drei Punkten bestimmen | 2= | ||
Gegeben sind die Punkte <math>A(0 | Gegeben sind die Punkte <math>A(0|1|2)</math>, <math>B(2|0|4)</math>, <math>C(4|8|0)</math>. | ||
Bevor eine Ebenengleichung aufgestellt werden kann, muss ausgeschlossen werden, dass die drei Punkte auf einer Geraden liegen. Da bei den Punkten <math>A</math>, <math>B</math>, <math>C</math> jeweils eine unterschiedliche Koordinate <math>= 0 </math> ist, folgt hier direkt, dass die Punkte nicht auf einer Geraden liegen. | |||
Zum Aufspannen der Ebene wählen wir einen der Punkte als Aufpunkt. Seinen Ortsvektor <math>\vec{OA}</math> verwenden wir als Stützvektor für die Ebene und berechnen von dort aus die zwei Spannvektoren <math>\vec{AB}</math>, <math>\vec{AC}</math> zu den anderen Punkten. | |||
Aus unseren Punkten ergibt sich beispielhaft folgende Ebenengleichung <math>E:\vec{x}=\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix}+s \cdot \begin{pmatrix} 2 \\ {-}1 \\ 2 \end{pmatrix} +t\cdot \begin{pmatrix} 4 \\ 7 \\ {-}2 \end{pmatrix} </math>. | |||
'''<u>Achtung:</u>''' Die Wahl des Aufpunkts und die daraus resultierende Bestimmung der Spannvektoren ist beliebig. Die Parameterform ist daher '''nicht eindeutig'''.| 3=Hervorhebung1}} | |||
{{Box | Aufgabe 1: Aufstellen der Parameterform aus drei Punkten | | |||
Stelle aus den gegebenen Punkten eine Ebenengleichung in Parameterform auf. Achte dabei darauf, zunächst die Bedingung zu prüfen. | |||
a) <math>A(1|{-}3|2)</math>, <math>B(2|2|15)</math> und <math>C({-}4|1|{-}5)</math> | |||
{{Lösung versteckt|1=<math>E:\vec{x}=\begin{pmatrix} 1 \\ {-}3 \\ 2 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 5 \\ 13 \end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix} {-}5 \\ 4 \\ {-}7 \end{pmatrix} </math> | |||
Hinweis: Dies ist nur eine der möglichen richtigen Lösungen.|2=mögliche Lösung anzeigen|3=Lösung verbergen}} | |||
b) <math>P(1|10|7)</math>, <math>Q(12|4|3)</math> und <math>R(2|1|2)</math> | |||
{{Lösung versteckt|1=<math>E:\vec{x}=\begin{pmatrix} 1 \\ 10 \\ 7 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} 11 \\ {-}6 \\ {-}4 \end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix} 1 \\ {-}9 \\ {-}5 \end{pmatrix} </math> | |||
Hinweis: Dies ist nur eine der möglichen richtigen Lösungen.|2=mögliche Lösung anzeigen|3=Lösung verbergen}} | |||
Kannst du hierzu auch jeweils eine zweite Ebenengleichung aufstellen, die die gleiche Ebene beschreibt? | |||
{{Lösung versteckt|1= weitere mögliche Parameterform zu a) <math>E:\vec{x}=\begin{pmatrix} 2 \\ 2 \\ 15 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} {-}1 \\ {-}5 \\ {-}13 \end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix} {-}6 \\ {-}1 \\ {-}20 \end{pmatrix} </math> | |||
weitere mögliche Parameterform zu b) <math>E:\vec{x}=\begin{pmatrix} 12 \\ 4 \\ 3 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} {-}11 \\ 6 \\ 4 \end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix} {-}10 \\ {-}3 \\ {-}1 \end{pmatrix} </math>|2=mögliche Lösungen anzeigen|3=Lösung verbergen}} | Arbeitsmethode | Farbe={{Farbe|orange}} }} | |||
{{Box | Aufgabe 2: Fehlersuche |Furkan und Diego haben versucht zu drei gegebenen Punkten <math>A(5|4|1), B(2|{-}6|3), C(3|0|8)</math> eine Parameterdarstellung einer Ebene aufzustellen. Beurteile inwiefern ihnen das gelungen ist. | |||
[[Datei:Furkans Rechnung.jpg|links|mini|Furkans Rechnung]] [[Datei:Diegos Rechnung.jpg|rechts|mini|Diegos Rechnung]] <br> | |||
{{Lösung versteckt|1= Mögliche Begründungen: Furkans Rechnung ist nicht richtig. Er hat statt der Spannvektoren <math>\vec{AB}</math> und <math>\vec{AC}</math> die Ortsvektoren zu den Punkten <math> B</math> und <math>C</math> angegeben. | |||
Diegos Rechnung ist richtig. Er hat als Stützvektor den Ortsvektor des Punktes <math>C</math> gewählt und als Spannvektoren die Vektoren <math>\vec{CA}</math> und <math>\vec{CB}</math>. Er hätte noch, wie Furkan es gemacht hat, dazuschreiben können, dass es nur eine der möglichen Parameterformen ist. |2= Lösung anzeigen|3=Lösung verbergen}} | |||
| Arbeitsmethode}} | |||
{{Box | Aufgabe 3: Lückentext zur Parameterform | | |||
Bearbeite das folgende Applet. Du kannst damit dein Wissen zur Parameterform einer Ebene überprüfen. | |||
{{LearningApp|app=19928923|width=90%|height=500px}} | |||
| Arbeitsmethode | Farbe={{Farbe|orange}} }} | |||
===Die Punktprobe=== | |||
{{Box|Merksatz: Die Punktprobe| | |||
Setzt man in die Ebenengleichung in Parameterform für die Variablen <math>s</math> und <math>t</math> Zahlen ein, erhält man den Ortsvektor zu einem Punkt in der Ebene. | |||
Möchte man wissen, ob ein Punkt <math>P</math> in der Ebene liegt, kann man umgekehrt den Ortsvektor <math>\vec{OP}</math> für den Vektor <math>\vec{x}</math> einsetzen und ein lineares Gleichungssystem aufstellen. | |||
Ist das Gleichungssystem eindeutig lösbar, so liegt der Punkt in der Ebene. | |||
|Merksatz}} | |||
{{Box | 1= Beispiel: Punktprobe | 2= | |||
Liegt der Punkt <math>A({-}1|1|{-}1)</math> in der Ebene <math>E:\vec{x}=\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix}+s \cdot \begin{pmatrix} {-}2 \\ 0 \\ 3 \end{pmatrix} +t\cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 4 \end{pmatrix} </math>? | |||
Wenn ja, dann müsste der zu <math>A</math> gehörende Ortsvektor <math>\vec{OA} = \begin{pmatrix} {-}1 \\ 1 \\ {-}1 \end{pmatrix}</math> die Ebenengleichung erfüllen, d.h. es müsste ein Paar reeller Zahlen <math>s,t</math> geben, für die gilt: | |||
<div align="center"><math>\vec{OA}=\vec{p}+s \cdot \vec{u}+t \cdot \vec{v}</math></div> | |||
<div align="center"><math>\begin{pmatrix} {-}1 \\ 1 \\ {-}1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix}+s \cdot \begin{pmatrix} {-}2 \\ 0 \\ 3 \end{pmatrix} +t\cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 4 \end{pmatrix} </math></div> | |||
Die Vektorgleichung ist gleichbedeutend mit dem System der Koordinatengleichungen | |||
<div align="center"><math>\left\vert\begin{alignat}{7} | |||
1 &&\; + \;&& ({-}2)s &&\; + \;&& 0t &&\; = \;&& {-}1 \\ | |||
2 &&\; + \;&& 0s &&\; + \;&& 1t &&\; = \;&& 1\\ | |||
0 &&\; + \;&& 3s &&\; + \;&& 4t &&\; = \;&& {-}1 | |||
\end{alignat}\right\vert</math></div> | |||
Dieses LGS könnt ihr mit dem Taschenrechner lösen. | |||
<div align="center"><math>\left\vert\begin{alignat}{7} | |||
\;&& s &&\; = \;&& 1 \\ | |||
\;&& t &&\; = \;&& {-}1\\ | |||
\;&& 0 &&\; = \;&& 0 | |||
\end{alignat}\right\vert</math></div> | |||
Das LGS ist eindeutig lösbar, das heißt der Punkt <math>A</math> liegt in der Ebene <math>E</math>.| 3=Hervorhebung1}} | |||
{{Box | Aufgabe 4: Punktprobe | | |||
Gegeben ist die Ebene <math>E</math> mit | |||
<math>E:\vec{x}=\begin{pmatrix} 2 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 3 \\ 5 \end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix} 2 \\ {-}1 \\ 1 \end{pmatrix} </math> | |||
'''a)''' Liegt der Punkt <math>A (7|5|{-}3)</math> in der Ebene? | |||
'''b)''' Liegt der Punkt <math>B (7|1|8)</math> in der Ebene? | |||
{{Lösung versteckt|1= | |||
Es gilt: <math>E:\begin{pmatrix} 7 \\ 5 \\ {-}3 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 2 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 3 \\ 5 \end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix} 2 \\ {-}1 \\ 1 \end{pmatrix} </math> | |||
Daraus ergibt sich das folgende Gleichungssystem: | |||
<div align="center"><math>\left\vert\begin{alignat}{7} | |||
7 &&\; = \;&& 2 &&\; + \;&& 1r &&\; + \;&& 2s \\ | |||
5 &&\; = \;&& 0 &&\; + \;&& 3r &&\; - \;&& 1s\\ | |||
{-}3 &&\; = \;&& 1 &&\; + \;&& 5r &&\; + \;&& s | |||
\end{alignat}\right\vert</math></div> | |||
Dieses LGS hat keine Lösung (Hinweis: dies könnt ihr handschriftlich oder mit dem Taschenrechner feststellen). | |||
Der Punkt <math>A</math> liegt also nicht in der Ebene <math>E</math>.|2=Lösung zu a) anzeigen|3=Lösung verbergen}} | |||
{{Lösung versteckt|1= | |||
Es gilt: <math>E:\begin{pmatrix} 7 \\ 1 \\ 8 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 2 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 3 \\ 5 \end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix} 2 \\ {-}1 \\ 1 \end{pmatrix} </math> | |||
Daraus ergibt sich das folgende Gleichungssystem: | |||
<div align="center"><math>\left\vert\begin{alignat}{7} | |||
7 &&\; = \;&& 2 &&\; + \;&& 1r &&\; + \;&& 2s \\ | |||
1 &&\; = \;&& 0 &&\; + \;&& 3r &&\; - \;&& 1s\\ | |||
8 &&\; = \;&& 1 &&\; + \;&& 5r &&\; + \;&& s | |||
\end{alignat}\right\vert</math></div> | |||
Dieses LGS hat die Lösung <math>r=1</math> und <math>s=2</math> (Hinweis: dies könnt ihr handschriftlich oder mit dem Taschenrechner feststellen). | |||
Der Punkt <math>B</math> liegt also in der Ebene <math>E</math>.|2=Lösung zu b) anzeigen|3=Lösung verbergen}} | Arbeitsmethode | Farbe={{Farbe|orange}} }} | |||
{{Box | Aufgabe 5: Kirchturm | | |||
Das Dach einer Kirche hat die Form einer geraden quadratischen Pyramide mit einer Höhe von <math>12</math> m. | |||
<math>A(0|0|0)</math> sind die Koordinaten einer Ecke der Grundfläche des Daches. Die diagonal gegenüberliegende Ecke <math>C</math> der Grundfläche hat die Koordinaten <math>C(6|6|0)</math>. | |||
'''a)''' Bestimme die Koordinaten der fehlenden Eckpunkte <math>B</math> und <math>D</math>, sowie der Dachspitze <math>S</math>. Stelle die Ebenengleichung der Ebene <math>E</math> auf, in der die Punkte <math>B</math>, <math>C</math> und <math>S</math> liegen. | |||
{{Lösung versteckt|1= | |||
Die Punkte haben die folgenden Koordinaten: | |||
Punkt <math>B (6|0|0)</math>, | |||
Punkt <math>D (0|6|0)</math> und | |||
Punkt <math>S (3|3|12)</math>. | |||
Die Koordinaten des Punktes <math>S</math> kannst du bestimmen, da die Spitze senkrecht über dem Mittelpunkt der Grundfläche der Pyramide steht. Die <math>x_1</math>-Koordinate kann somit durch <math>\vec{OA} + \frac{1}{2} \cdot \vec{AB}</math> berechnet werden und die <math>x_2</math>-Koordinate durch <math>\vec{OA} + \frac{1}{2} \cdot \vec{BC}</math>. Alternativ könntest du auch die <math>x_1</math>- und die <math>x_2</math>-Koordinate mithilfe der Diagonalen, also <math>\vec{OA} + \frac{1}{2} \cdot \vec{AC}</math> berechnen. Die <math>x_3</math>-Koordinate ergibt sich aus der Höhe des Kirchturms. | |||
Eine mögliche Parameterform der Ebene wäre: <math>E: \vec{x}=\begin{pmatrix} 6 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}+s \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 6 \\ 0 \end{pmatrix} +t\cdot \begin{pmatrix} {-}3 \\ 3 \\ 12 \end{pmatrix}</math> | |||
|2=Lösung |3=Lösung verbergen}} | |||
{{Lösung versteckt|1=Falls du noch weiter üben willst, kannst du auch die Ebenengleichungen der übrigen Dachseiten und der Grundfläche bestimmen. |2=Sprinteraufgabe |3=Sprinteraufgabe verbergen}} | |||
'''b)''' Der Naturschutzbund NABU hat bei verschiedenen Störchen Peilsender am Fuß angebracht, die dauerhaft den Standort der Tiere übermitteln. Sie haben für einen der Störche die Koordinaten <math>(4{,}5| 4{,}5| 6)</math> übermittelt. Befindet sich der Storch in der Ebene <math>E</math>? | |||
Beurteile, ob der Storch auf dem Dach sitzt. | |||
{{Lösung versteckt|1= | |||
Um herauszufinden, ob die übermittelten Koordinaten in der Ebene liegen, kannst du eine Punktprobe durchführen. | |||
<div align="center"><math>\begin{pmatrix} 4{,}5 \\ 4{,}5 \\ 6 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 6 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}+s \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 6 \\ 0 \end{pmatrix} +t\cdot \begin{pmatrix} {-}3 \\ 3 \\ 12 \end{pmatrix} </math></div> | |||
Für das zugehörige Gleichungssystem ergibt sich: | |||
<div align="center"><math>\left\vert\begin{alignat}{7} | |||
6 &&\; + \;&& 0s &&\; + \;&& ({-}3)t &&\; = \;&& 4{,}5 \\ | |||
0 &&\; + \;&& 6s &&\; + \;&& 3t &&\; = \;&& 4{,}5\\ | |||
0 &&\; + \;&& 0s &&\; + \;&& 12t &&\; = \;&& 6 | |||
\end{alignat}\right\vert</math></div> | |||
Aus der ersten und dritten Gleichung folgt <math>t=0{,}5</math>. Aus der zweiten Gleichung folgt dann durch Einsetzen von <math>t=0{,}5</math>: <math>s=0{,}5</math>. | |||
Das Gleichungssystem ist daher eindeutig lösbar und der Storch befindet sich in der Ebene. | |||
Da es sich bei dem Dach um einen begrenzten Teil der Ebene handelt, muss zunächst betrachtet werden, für welche Werte von <math>s,t</math> der Storch sich auf dem Dach befände. Da die Spannvektoren bereits jeweils die Strecke zu den äußersten Punkten der Ebene beschreiben und diese durch eine Gerade, in dem Fall der Dachkante, verbunden sind, muss gelten: <math>s+t\le1</math>. In dem Fall also: <math>0{,}5+0{,}5=1</math>. Der Punkt liegt also genau auf der Kante und somit sitzt der Storch auf dem Dach. | |||
Alternativ könnte man es sich geometrisch veranschaulichen, beispielsweise mithilfe von GeoGebra: | |||
[[Datei:Geogebra Lösung Aufgabe Storch.jpg|zentriert|rahmenlos|100%]] | |||
|2=Lösung |3=Lösung verbergen}} | |||
| Arbeitsmethode | Farbe={{Farbe|grün|dunkel}} }} | |||
{{Box | Aufgabe 6: Wiederholung zur Parameterform | | |||
Wenn du deine bisher gesammelten Kenntnisse noch einmal wiederholen möchtest, kannst du das hiermit machen: | |||
Betrachte diese Aufgabe allerdings als Zusatzaufgabe. | |||
{{LearningApp|app=20418376|width=100%|height=500px}} | |||
| Arbeitsmethode | Farbe={{Farbe|orange}} }} | |||
{{Box | Aufgabe 7: Ein U-Boot taucht auf | | |||
In einem Koordinatensystem mit der Einheit m befindet sich ein U-Boot im Punkt <math> A({-}6713 | 4378 | {-}256) </math> und taucht auf einem Kurs in Richtung des Vektors <math>\vec{u}=\begin{pmatrix} 63 \\ {-}71 \\ 8 \end{pmatrix} </math> nach oben auf. In welchem Punkt <math>P</math> erreicht das U-Boot die Meeresoberfläche, wenn es seinen Kurs beibehält? | |||
{{Lösung versteckt|1= Betrachte vereinfachend die Meeresoberfläche als <math>x_1x_2</math>-Ebene.|2=Tipp anzeigen|3=Tipp verbergen}} | |||
== | {{Lösung versteckt|1= Betrachtet man, wie im Tipp angegeben, die Meeresoberfläche als <math>x_1x_2</math>-Ebene, so ist also der Schnittpunkt mit der <math>x_1x_2</math>-Ebene gesucht. | ||
Um die Lösung zu erhalten kann also für <math>\vec{x}</math> den Vektor <math> \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ 0 \end{pmatrix}</math> einsetzen. Berechnet man mithilfe der dritten Zeile den Parameter, ergibt sich aus | |||
<math>0 = {-}256+r \cdot 8</math> das Ergebnis <math>r=32</math>. Damit lassen sich im Anschluss die fehlenden Koordinaten berechnen. | |||
Es ergibt sich insgesamt als Lösung: | |||
<math>\vec{OP} \colon =\begin{pmatrix} {-}6713 \\ 4378 \\ {-}256 \end{pmatrix} + 32 \cdot \begin{pmatrix} 63 \\ {-}71 \\ 8 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} {-}4697 \\ 2106 \\ 0 \end{pmatrix} </math> | |||
Also taucht das U-Boot im Punkt <math>P ({-}4697 | 2106 | 0)</math> auf. |2=Lösung anzeigen|3=Lösung verbergen}} | Arbeitsmethode}} | |||
{{Box | Merksatz: | ==⭐ Geradlinig begrenzte Flächen== | ||
{{Box|Merksatz: Geradlinig begrenzte Flächen| | |||
Nicht immer ist es ausreichend zu wissen, ob ein Punkt in einer Ebene liegt. Betrachtet man Sachaufgaben, so ist häufig eine begrenzte Fläche gegeben, die als Ebene modelliert wird. Die Ebene ist also in der Realität beschränkt. Dabei muss dann zunächst untersucht werden, durch welche Werte der Parameter die Fläche begrenzt wird. Es bietet sich häufig an, dafür die Eckpunkte zu betrachten. Stellt man fest, dass ein zu untersuchender Punkt in der Ebene liegt, muss im zweiten Schritt daher untersucht werden, ob die berechneten Parameter im „erlaubten Bereich“ liegen. | |||
|Merksatz}} | |||
{{Box | Aufgabe 8: Dachfläche |In der Skizze ist das Dach eines Hauses zu sehen. Die im Bild sichtbare Dachfläche liegt in einer Ebene, zu der in einem räumlichen Koordinatensystem der Punkt <math>A (0|9|4)</math> und die Richtungsvektoren <math>\vec{u}=\begin{pmatrix} 0 \\ {-}2 \\ 0 \end{pmatrix}</math> und <math>\vec{v}=\begin{pmatrix} {-}2 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix}</math> gehören (Angaben in m). | |||
Die Dachfläche misst <math>9</math>m mal <math>7</math>m. | |||
'''a)''' Bestimmen Sie eine Parametergleichung für die Ebene, in der die Dachfläche liegt. | |||
{{Box | Aufgabe 9: Aufstellen von Normalen- und Koordinatenform | | '''b)''' Man kann alle Punkte der Dachfläche beschreiben, indem man die Parameter für die Ebene einschränkt. Führen Sie dies durch. | ||
'''c)''' Geben Sie die Koordinaten aller Eckpunkte der Dachfläche an. Bestimmen Sie außerdem drei Punkte, die außerhalb der Dachfläche, aber in derselben Ebene wie die Dachfläche liegen. | |||
{{Lösung versteckt|1= Eine Parametergleichung für die Ebene lautet: <math>E: \vec{x} = \begin{pmatrix} 0 \\ 9 \\ 4 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ {-}2 \\ 0 \end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix} {-}2 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix}</math>|2=Lösung zu a) anzeigen |3=Lösung verbergen}} | |||
{{Lösung versteckt|1= <math>|\begin{pmatrix} 0 \\ {-}2 \\ 0 \end{pmatrix}| = 2</math> ; <math> |\begin{pmatrix} {-}2 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix}| = \sqrt{8}</math> | |||
Für die Parameter gilt: <math>0 \le r \le 4{,}5</math> und <math>0 \le s \le \frac{7}{\sqrt{8}}</math> | |||
Die Punkte der Dachfläche können beschrieben werden durch die Parameterdarstellung <math>E: \vec{x} = \begin{pmatrix} 0 \\ 9 \\ 4 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ {-}2 \\ 0 \end{pmatrix}+s\cdot \begin{pmatrix} {-}2 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix} ; 0 \le r \le 4{,}5 ; 0 \le s \le \frac{7}{\sqrt{8}}</math>|2=Lösung zu b) anzeigen |3=Lösung verbergen}} | |||
{{Lösung versteckt|1= <math>\vec{OB} = \begin{pmatrix} 0 \\ 9 \\ 4 \end{pmatrix}+0 \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ {-}2 \\ 0 \end{pmatrix}+\frac{7}{\sqrt{8}}\cdot \begin{pmatrix} {-}2 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix}</math> also <math>B ({-}4{,}95|9|8{,}95)</math> | |||
<math>\vec{OC} = \begin{pmatrix} 0 \\ 9 \\ 4 \end{pmatrix}+4{,}5 \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ {-}2 \\ 0 \end{pmatrix}+\frac{7}{\sqrt{8}}\cdot \begin{pmatrix} {-}2 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix}</math> also <math>C ({-}4{,}95|0|8{,}95)</math> | |||
<math>\vec{OD} = \begin{pmatrix} 0 \\ 9 \\ 4 \end{pmatrix}+4{,}5 \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ {-}2 \\ 0 \end{pmatrix}+0\cdot \begin{pmatrix} {-}2 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix}</math> also <math>D (0|0|4)</math> | |||
Punkte, die außerhalb der Dachfläche liegen: | |||
z.B.: | |||
<math>r=5, s=4 </math> <math>P_1({-}8|{-}1|12)</math> | |||
<math>r={-}1, s={-}1</math> <math>P_2(2|11|2)</math> | |||
<math>r={-}1, s=0 </math> <math>P_3(0|11|4)</math>|2=Lösung zu c) anzeigen |3=Lösung verbergen}} | Arbeitsmethode}} | |||
==⭐ Normalenvektor== | |||
{{Box | Merksatz: Normalenvektor | | |||
Ein Normalenvektor ist ein Vektor, der senkrecht (orthogonal) auf einer Ebene steht, das heißt, dass er orthogonal zu allen Spannvektoren der Ebene ist. | |||
Er wird üblicherweise mit dem Buchstaben <math> \vec{n} </math> bezeichnet. | |||
Alle Normalenvektoren einer Ebene sind Vielfache voneinander. [[Datei:Bildschirmfoto 2021-04-20 um 01.18.48.png|rahmenlos|225x225px]]| Merksatz}} | |||
{{Box | Verfahren: Berechnung des Normalenvektors | | |||
Du benötigst für die Berechnung zwei Gleichungen. Die erste Gleichung erhältst du durch das Skalarprodukt des ersten Spannvektors mit dem Normalenvektor <math> \begin{pmatrix} n_1 \\ n_2 \\ n_3 \end{pmatrix} </math>, das du gleich Null setzt. | |||
Um die zweite Gleichung zu erhalten führst du diesen Schritt nun mit dem zweiten Spannvektor durch. | |||
Diese zwei Gleichungen können auf diese Weise aufgestellt werden, da <math> \vec{n} </math> orthogonal auf der Ebene steht. Daher wissen wir, dass <math> \vec{n} </math> orthogonal auf den beiden Spannvektoren steht. Außerdem ist bekannt, dass das Skalarprodukt von zwei orthogonalen Vektoren gleich Null ist. | |||
Im Folgenden bilden diese beiden Gleichungen ein Gleichungssystem. | |||
Für das Gleichungssystem gibt es mehrere Lösungsmöglichkeiten. Löse es, indem du eine der drei Unbekannten beliebig wählst und die anderen beiden Unbekannten berechnest. | |||
Wichtig: Das <math>n</math>, das du frei wählst, muss in beiden Gleichungen enthalten sein. | | |||
{{Lösung versteckt|1= Stehen für eine willkürliche Festlegung mehrere Unbekannte zur Auswahl, so wähle am Besten diejenige mit dem betragsmäßig größten Koeffizienten in der Gleichung und setze sie gleich eins.|2=Tipp |3=Tipp verbergen}} | Merksatz}} | |||
{{Box | ⭐Aufgabe 9: Normalenvektor berechnen | | |||
Gegeben seien die Ebenengleichung in Parameterform | |||
a) <math>E_1 \colon \vec{x}=\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix} +s \cdot \begin{pmatrix} 2 \\ 2 \\ {-}1 \end{pmatrix} </math> | |||
b) <math>E_2 \colon \vec{x}=\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 7 \end{pmatrix}+r \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ {-}4 \end{pmatrix} +s \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ {-}2 \end{pmatrix} </math> | |||
Berechne einen Normalenvektor der Ebene. | |||
{{Lösung versteckt|1= <div align="center"><math> \begin{pmatrix} n_1 \\ n_2 \\ n_3 \end{pmatrix} \ast \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix} = 0 </math> und <math> \begin{pmatrix} n_1 \\ n_2 \\ n_3 \end{pmatrix} \ast \begin{pmatrix} 2 \\ 2 \\ {-}1 \end{pmatrix} = 0 </math></div> <br> | |||
Wir erhalten ein lineares Gleichungssystem mit zwei Gleichungen und drei Unbekannten. Da mehr Unbekannte vorliegen als Gleichungen, ist das LGS nicht eindeutig lösbar! | |||
<div align="center"><math>\left\vert\begin{alignat}{7} | |||
1n_1 &&\; + \;&& 2n_2 &&\; + \;&& 1n_3 &&\; = \;&& 0 \\ | |||
2n_1 &&\; + \;&& 2n_2 &&\; + \;&& 1n_3 &&\; = \;&& 0\\ | |||
\end{alignat}\right\vert</math></div> <br> | |||
Es gibt hier zwei Berechnungsmöglichkeiten - per Hand oder per Taschenrechner. Wollt ihr das Gleichungssystem per Hand lösen, würde es sich in diesem Fall anbieten Gleichung '''I''' und '''II''' zu addieren, damit <math>n_3</math> wegfällt. Wir erhalten mit | |||
<div align="center"><math>\begin{align} | |||
& & 3n_1 + 4n_2 &= 0 & &\mid -4n_2\\ | |||
\Leftrightarrow & & 3n_1 &= -4n_2 & &\mid :(-4)\\ | |||
\Leftrightarrow & & -\tfrac{3}{4}n_1 &= n_2 | |||
\end{align}</math></div> | |||
den allgemeinen Normalenvektor in Abhängigkeit von <math>n_1</math>: | |||
<div align="center"><math> \vec{n} = \begin{pmatrix} n_1 \\ \tfrac{{-}3}{4} n_1 \\ \tfrac{1}{2} n_1 \end{pmatrix} </math></div> | |||
Für einen speziellen Normalenvektor wählen wir für <math>n_1</math> eine beliebige Zahl aus. Die wählen wir so, dass insgesamt ganzzahlige Zahlen raus kommen. Wenn <math>n_1 = 4</math> ist, dann folgt für <math>n_2 = 3</math> und für <math>n_3 = 2</math> . | |||
Daraus folgt für den speziellen Normalenvektor <math> \vec{n} = \begin{pmatrix} 4 \\ -3 \\ 2 \end{pmatrix} </math> |2=Lösung zu a) anzeigen|3=Lösung verbergen}} | |||
{{Lösung versteckt|1= Mit demselben Verfahren wie bei Teilaufgabe a) ergibt sich für diese Ebene folgender Normalenvektor: | |||
<div align="center"><math> \vec{n} = \begin{pmatrix} 4n_3 \\ 2n_3 \\ n_3 \end{pmatrix} </math></div> und mit <math>n_3=1</math> der spezielle Normalenvektor <math> \vec{n} = \begin{pmatrix} 4 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix} </math> |2=Lösung zu b) anzeigen|3=Lösung verbergen}} | Arbeitsmethode | Farbe={{Farbe|orange}} }} | |||
==⭐ Normalenform und Koordinatenform von Ebenengleichungen== | |||
{{Box | |||
|Merksatz: Normalen- und Koordinatenform | |||
|Bisher wurde eine Ebene mithilfe eines Aufpunkts <math>A</math> und zwei Spannvektoren <math>\vec{u}</math> und <math>\vec{v}</math> beschrieben. Eine andere Möglichkeit ist, sie durch einen Aufpunkt <math>A</math> und einen Normalenvektor <math>\vec{n}</math> zu beschreiben. Damit erhält man die '''Normalenform''' der Ebene. Sie hat die Form <math>E\colon (\vec{x}-\vec{OA}) \ast \vec{n}=0</math>. | |||
Alternativ lässt sich jede Ebene <math>E</math> ebenfalls beschreiben durch eine '''Koordinatenform''' der Form <math>E\colon ax_1+bx_2+cx_3=d</math>. Dabei muss mindestens einer der Koeffizienten <math>a, b, c</math> ungleich null sein. Die Koordinatenform erhält man aus der Normalenform durch Ausmultiplizieren und Berechnen von <math>d</math> durch <math>d = \vec{OA} \ast \vec{n}</math> | |||
Ist <math>E\colon ax_1+bx_2+cx_3=d</math> eine Koordinatenform der Ebene <math>E</math>, so ist <math>\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix}</math> ein Normalenvektor dieser Ebene. | |||
|Merksatz | |||
}} | |||
{{Box | ⭐Aufgabe 10: Aufstellen von Normalen- und Koordinatenform | | |||
Eine Ebene durch <math>P(4|1|3)</math> hat den Normalenvektor <math>\vec{n}=\begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 5 \end{pmatrix}</math> | Eine Ebene durch <math>P(4|1|3)</math> hat den Normalenvektor <math>\vec{n}=\begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 5 \end{pmatrix}</math> | ||
'''a)''' Gebe eine Normalengleichung der Ebene an. | '''a)''' Gebe eine Normalengleichung der Ebene an. | ||
{{Lösung versteckt|1=<math>E | {{Lösung versteckt|1=<math>E\colon \Biggl[\vec{x}-\begin{pmatrix} 4 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}\Biggr] \ast \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 5 \end{pmatrix}=0</math> .|2=mögliche Lösung anzeigen|3=mögliche Lösung verbergen}} | ||
'''b)''' Bestimme aus der Normalengleichung eine Koordinatengleichung der Ebene | '''b)''' Bestimme aus der Normalengleichung eine Koordinatengleichung der Ebene. | ||
{{Lösung versteckt|1= Mit dem Normalenvektor <math>\vec{n}=\begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 5 \end{pmatrix}</math> ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ansatz: <math>E\colon 2x_1-x_2+5x_3=d</math> mit <math>d=\vec{OP} \ast \vec{n}</math>. | |||
Das heißt um <math>d</math> zu bestimmen, berechnet man das Skalarprodukt von <math>\begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 5 \end{pmatrix}</math> und <math>\begin{pmatrix} 4 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}</math>. Man erhält <math>d=22</math>. | |||
Lösung: <math>E\colon 2x_1-x_2+5x_3=22</math> | |||
|2=mögliche Lösung anzeigen|3=mögliche Lösung verbergen}} | |||
'''c)''' Liegt der Punkt <math>A(1|1|1)</math> in der Ebene? | '''c)''' Liegt der Punkt <math>A(1|1|1)</math> in der Ebene? | ||
{{Lösung versteckt|1=Eine Punktprobe mithilfe der Koordinatenform einer Ebenengleichung führt man durch, indem man die Koordinaten für die Parameter <math>x_1, x_2, x_3</math> in die Gleichung einsetzt und kontrolliert, ob die Aussage wahr ist.|2=Tipp zu c) |3=Tipp verbergen}} | |||
{{Lösung versteckt|1=<math>2 \cdot 1 - 1 \cdot 1 + 5 \cdot 1=6 \neq 22</math>. Der Punkt <math>A</math> liegt nicht in der Ebene.|2=Lösung anzeigen|3=Lösung verbergen}} | |||
| Arbeitsmethode|Farbe={{Farbe|orange}}}} | |||
{{Box | ⭐Aufgabe 11: Aufstellen der Normalenform- und Koordinatenform | | |||
Bestimme für die Ebene in der Abbildung eine Gleichung in der Normalenform. | |||
[[Datei:Ebene E.png|mini|Ebene E]] | |||
Zusatz: Bestimme auch die Koordinatengleichung der Ebene. | |||
{{Lösung versteckt|1= mögliche Lösung: <math>Q(2|1|3)</math> ist der Aufpunkt. Den Normalenvektor berechnen wir mithilfe des Punktes <math>P({-}1|2|{-}3)</math>. Damit ist <math>\vec{n}=\vec{QP}</math>, d.h. <math>\vec{n}=\begin{pmatrix} -3 \\ 1 \\ -6 \end{pmatrix}</math>. | |||
Normalengleichung: <math>E\colon =\Biggl[\vec{x}-\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}\Biggr] \ast \begin{pmatrix} -3 \\ 1 \\ -6 \end{pmatrix}=0</math> | |||
Die Koeffizienten der Koordinatengleichung können wir dem Normalenvektor entnehmen. | |||
Ansatz der Koordinatengleichung: <math>E\colon {-}3x_1+x_2-6x_3=d</math> mit <math>d=\vec{OQ} \cdot \vec{n}</math>. Um <math>d</math> zu bestimmen, berechnet man also das Skalarprodukt von <math>\begin{pmatrix} -3 \\ 1 \\ -6 \end{pmatrix}</math> mit <math>\vec{OQ}=\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}</math> und erhält <math>{-}3 \cdot 2 + 1 \cdot 1 + ({-}6) \cdot 3 = {-}23</math>. | |||
Koordinatengleichung: <math>E\colon {-}3x_1+x_2-6x_3={-}23</math>|2=mögliche Lösung anzeigen|3=mögliche Lösung verbergen}} | |||
| Arbeitsmethode | Farbe={{Farbe|orange}} }} | |||
==⭐Überführung der Parameterform in die Koordinatenform== | |||
{{Box | 1= Beispiel: Von der Parameter- zur Koordinatenform einer Ebenengleichung | 2= Wir suchen die Koordinatengleichung der Ebene <math>E: \vec{x} = \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 5 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \end{pmatrix}+ t \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ -3 \\ 4 \end{pmatrix}</math>. | |||
Ein Normalenvektor <math>\vec{n}</math> muss zu den Spannvektoren <math>\begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \end{pmatrix}</math> und <math>\begin{pmatrix} 1 \\ -3 \\ 4 \end{pmatrix}</math> orthogonal (senkrecht) sein, also ist | |||
Hieraus folgt: | |||
<div align="center"><math>\left\vert\begin{alignat}{7} | |||
n_1 &&\; - \;&& n_2 &&\; + \;&& 0n_3 &&\; = \;&& 0 \\ | |||
n_1 &&\; - \;&& 3n_2 &&\; + \;&& 4n_3 &&\; = \;&& 0\\ | |||
\end{alignat}\right\vert</math></div> | |||
Es gibt auch hier zwei Berechnungsmöglichkeiten - per Hand oder per Taschenrechner. Willst du das Gleichungssystem per Hand lösen kannst du in der ersten Gleichung auf beiden Seite <math>+n_2</math> rechnen und erhält <math>n_1 = n_2</math>. Das Ergebnis für <math>n_1</math> setzt du in die zweite Gleichung ein und berechnest so <math>n_3</math> in Abhängigkeit von <math>n_2</math> und erhälst: | |||
<div align="center"><math>\begin{align} | |||
& & {-}2n_2 + 4n_3 &= 0 & &\mid +2n_2\\ | |||
\Leftrightarrow & & 4n_3 &= 2n_2 & &\mid :4\\ | |||
\Leftrightarrow & & n_3 &= \tfrac{1}{2} n_2 | |||
\end{align}</math></div> | |||
Durch Einsetzen der berechneten, von n_2 abhängigen Werte in die zweite Gleichung erhalten wir auch n_3 und damit den allgemeinen Normalenvektor in Abhängigkeit von <math>n_2</math>: | |||
<div align="center"><math> \vec{n} = \begin{pmatrix} n_2 \\ n_2 \\ \tfrac{1}{2} n_2 \end{pmatrix} </math></div> | |||
Wählt man z.B. <math>n_2=2</math>, so erhält man <math>n_1=2</math> und <math>n_3=1</math> und damit <math>\vec{n}=\begin{pmatrix} 2 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix}</math>. | |||
Ansatz für die Koordinatengleichung: <math>E:2x_1+2x_2+x_3=d</math>. | |||
Das <math>d</math> berechnen wir mithilfe des Normalenvektors und dem Ortsvektor des Aufpunktes, d.h. es ist <math>d=\vec{n} \ast \vec{OA}</math>: | |||
<math>2 \cdot 2 + 2 \cdot 1 + 1 \cdot 5=12</math>. | |||
Koordinatengleichung: <math>E:2x_1+2x_2+x_3=12</math> | |||
| 3=Hervorhebung1}} | |||
{{Box | ⭐Aufgabe 12: Koordinatengleichung aus Parametergleichung | | |||
Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene <math>E\colon \vec{x} = \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 3 \\ 0 \end{pmatrix}+ t \cdot \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}</math>. | |||
{{Lösung versteckt|1=Ein Normalenvektor <math>\vec{n}</math> muss zu den Spannvektoren orthogonal (senkrecht) sein. | |||
Also ist <math>\begin{pmatrix} n_1 \\ n_2 \\ n_3 \end{pmatrix} \ast \begin{pmatrix} 1 \\ 3 \\ 0 \end{pmatrix}=0</math> und <math>\begin{pmatrix} n_1 \\ n_2 \\ n_3 \end{pmatrix} \ast \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}=0</math>. | |||
Hieraus folgt das Gleichungssystem | |||
<div align="center"><math>\left\vert\begin{alignat}{7} | |||
1n_1 &&\; + \;&& 3n_2 &&\; + \;&& 0n_3 &&\; = \;&& 0 \\ | |||
{-}2n_1 &&\; + \;&& 1n_2 &&\; + \;&& 3n_3 &&\; = \;&& 0\\ | |||
\end{alignat}\right\vert</math></div> | |||
Es gibt auch hier zwei Berechnungsmöglichkeiten - per Hand oder per Taschenrechner. Wollt ihr das Gleichungssystem per Hand lösen, geht ihr vor wie schon in den vorherigen Aufgaben. Dazu formt ihr die erste Gleichung um und erhaltet: | |||
<div align="center"><math>\begin{align} | |||
& & 1n_1 + 3n_2 &= 0 & &\mid -3n_2\\ | |||
\Leftrightarrow & & n_1 &= -3n_2 | |||
\end{align}</math></div> | |||
Durch Einsetzen der berechneten, von <math>n_2</math> abhängigen Werte in die zweite Gleichung erhalten wir auch <math>n_3</math> und damit den allgemeinen Normalenvektor in Abhängigkeit von <math>n_2</math>: | |||
<div align="center"><math> \vec{n} = \begin{pmatrix} {-}3n_2 \\ n_2 \\ -\tfrac{7}{3} n_2 \end{pmatrix} </math></div> | |||
Für einen speziellen Normalenvektor wählen wir für <math>n_2</math> eine beliebige Zahl aus. Die wählen wir so, dass insgesamt ganzzahlige Zahlen raus kommen. Wenn <math>n_2 = {-}3</math> ist, dann folgt für <math>n_1 = 9</math> und für <math>n_3 = 7</math> . | |||
Daraus folgt für den speziellen Normalenvektor <math> \vec{n} = \begin{pmatrix} 9 \\ -3 \\ 7 \end{pmatrix} </math> | |||
Das <math>d</math> berechnen wir mithilfe des Normalenvektors und dem Ortsvektor des Aufpunktes, d.h. es ist <math>d=\vec{n} \ast \vec{OA}</math>: | |||
<math>9 \cdot 2 - 3 \cdot 1 + 7 \cdot 2=29</math> | |||
Koordinatenform der Ebenengleichung: <math>9x_1 - 3x_2 + 7x_3=29</math> | |||
|2=mögliche Lösung anzeigen|3=mögliche Lösung verbergen}} | |||
| Arbeitsmethode | Farbe={{Farbe|orange}} }} | |||
{{Box | ⭐Aufgabe 13: Parameter-, Normalen- und Koordinatengleichung | | |||
Die Ebene <math>E</math> ist durch die drei Punkte <math>A(7|2|{-}1)</math>, <math>B(4|1|3)</math>, <math>C(1|3|2)</math> festgelegt. Bestimme eine Parametergleichung, eine Normalengleichung und eine Koordinatengleichung der Ebene <math>E</math>. | |||
{{Lösung versteckt|1= Zum Aufstellen einer möglichen Parametergleichung wählen wir beispielsweise den Punkt <math>A</math> als Aufpukt. Die Richtungsvektoren können beispielsweise berechnet werden durch <math>\vec{AB}</math> als ersten Richtungsvektor und <math>\vec{AC}</math> als zweiten. Somit setzt sich die Ebenengleichung wie folgt zusammen: | |||
<math>E\colon \vec{x} = \vec{OA} + s \cdot \vec{AB} + t \cdot \vec{AC}</math>. | |||
Damit ergibt sich: | |||
<math>E\colon \vec{x} = \begin{pmatrix} 7 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} -3 \\ -1 \\ 4 \end{pmatrix}+ t \cdot \begin{pmatrix} -6 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}</math> | |||
|2=mögliche Lösung (Parameterform) anzeigen|3=mögliche Lösung verbergen}} | |||
{{Lösung versteckt|1= | |||
Da ein Normalenvektor <math>\vec{n}</math> zu den Spannvektoren orthogonal (senkrecht) sein muss gilt | |||
<math>\begin{pmatrix} n_1 \\ n_2 \\ n_3 \end{pmatrix} \ast \begin{pmatrix} -3 \\ -1 \\ 4 \end{pmatrix}=0</math> und <math>\begin{pmatrix} n_1 \\ n_2 \\ n_3 \end{pmatrix} \ast \begin{pmatrix} -6 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix}=0</math>. | |||
Hieraus folgt das Gleichungssystem | |||
<div align="center"><math>\left\vert\begin{alignat}{7} | |||
{-}3n_1 &&\; - \;&& 1n_2 &&\; + \;&& 4n_3 &&\; = \;&& 0 \\ | |||
{-}6n_1 &&\; + \;&& 1n_2 &&\; + \;&& 3n_3 &&\; = \;&& 0\\ | |||
\end{alignat}\right\vert</math></div> | |||
Um das Gleichungssystem per Hand zu lösen, behalten wir die erste Gleichung bei und ersetzen die zweite durch die Summe der beiden Gleichungen wodurch wir folgendes Gleichungssystem erhalten: | |||
<div align="center"><math>\left\vert\begin{alignat}{7} | |||
{-}3n_1 &&\; - \;&& 1n_2 &&\; + \;&& 4n_3 &&\; = \;&& 0 \\ | |||
{-}9n_1 &&\; + \;&& 0n_2 &&\; + \;&& 7n_3 &&\; = \;&& 0\\ | |||
\end{alignat}\right\vert</math></div> | |||
Zur Berechnung eines allgemeinen Normalenvektors formen wir die zweite Gleichung um und erhalten: | |||
<div align="center"><math>\begin{align} | |||
& & {-}9n_1 + 7n_2 &= 0 & &\mid -7n_2\\ | |||
\Leftrightarrow & & {-}9n_1 &= {-}7n_3 & &\mid :{-}7\\ | |||
\Leftrightarrow & & \tfrac{9}{7}n_1 &= n_3 | |||
\end{align}</math></div> | |||
Durch Einsetzen von <math>n_3=\tfrac{9}{7}n_1</math> in die erste Gleichung erhalten wir auch <math>n_2</math> als von <math>n_1</math> abhängigen Wert mit <math>n_2=\tfrac{15}{7}</math>. Damit ergibt sich der allgemeine Normalenvektor: | |||
<div align="center"><math> \vec{n} = \begin{pmatrix} n_1 \\ \tfrac{15}{7} n_1 \\ \tfrac{9}{7} n_1 \end{pmatrix} </math></div> | |||
Für einen speziellen Normalenvektor wählen wir für <math>n_1</math> eine beliebige Zahl aus. Die wählen wir so, dass insgesamt ganzzahlige Zahlen raus kommen. Wenn <math>n_1 = {-}7</math> ist, dann folgt für <math>n_2 = {-}15</math> und für <math>n_3 = {-}9</math> . | |||
Daraus folgt für den speziellen Normalenvektor <math> \vec{n} = \begin{pmatrix} -7 \\ -15 \\ -9 \end{pmatrix} </math>. | |||
Außerdem nutzen wir <math>A</math> als Aufpunkt und erhalten somit: | |||
<math>E\colon \Biggl[\vec{x}-\begin{pmatrix} 7 \\ 2 \\ -1 \end{pmatrix}\Biggr] \cdot \begin{pmatrix} -7 \\ -15 \\ -9 \end{pmatrix}=0</math> | |||
|2=mögliche Lösung (Normalenform) anzeigen|3=mögliche Lösung verbergen}} | |||
{{Lösung versteckt|1= | |||
Wir nutzen den eben berechneten Normalenvektor auch zum Aufstellen der Koordinatenform. | |||
Das <math>d</math> berechnen wir mithilfe des Skalarprodukts des Normalenvektors mit dem Orstvektor des Aufpunktes, d.h. es ist <math>d=\vec{n} \ast \vec{OA}</math>: | |||
<math>(-7 \cdot 7) + ((-15) \cdot 2) + ((-9) \cdot (-1)) =-70</math> | |||
Damit ergibt sich folgende Koordinatengleichung: | |||
<math>E:-7x_1-15x_2-9x_3=-70</math> | |||
|2=mögliche Lösung (Koordinatenform) anzeigen|3=mögliche Lösung verbergen}} | |||
| Arbeitsmethode}} | | Arbeitsmethode}} | ||
{{Lösung versteckt|1= | ==⭐Arbeiten mit den unterschiedlichen Ebenengleichungen== | ||
{{Box | ⭐Aufgabe 14: Modellierung eines Tisches (Koordinaten- und Normalenform) | | |||
Ein Tischfuß zeigt von einem Punkt <math>P(4|5|0)</math> des Fußbodens aus nach oben, die Tischplatte ist <math>8</math> Längeneinheiten vom Boden entfernt. Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene, in der die Tischplatte liegt. | |||
Zusatz: Gebe auch die Normalenform an. | |||
{{Lösung versteckt|1= <math>T(4|5|8)</math> ist der Punkt, in dem das Tischbein auf die Tischplatte trifft, liegt somit in der Ebene der Tischplatte und könnte beim Aufstellen der Normalen- oder Parametergleichung der Ebene als Aufpunkt genutzt werden. | |||
Den Normalenvektor, dessen Einträge wir als Koeffizienten der Koordinatengleichung der Ebene nutzen, berechnen wir nach dem gleichen Verfahren wie bereits in der vorherigen Aufgabe durch die Berechnung von <math>\vec{TP}</math>. | |||
Das heißt, wir erhalten für den Normalenvektor: <math>\begin{pmatrix} 4 \\ 5 \\ 0 \end{pmatrix}-\begin{pmatrix} 4 \\ 5 \\ 8 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ -8 \end{pmatrix}</math> | |||
Das <math>d</math> berechnen wir mithilfe des Normalenvektors und dem Ortsvektor des Aufpunktes, d.h. es ist <math>d=\vec{n} \ast \vec{OT}</math>: | |||
<math>0 \cdot 4 + 0 \cdot 5 + ({-}8) \cdot 8={-}64</math>. | |||
Koordinatengleichung: <math>E:{-}8x_3={-}64</math> | |||
Normalengleichung: <math> E\colon \Biggl[\vec{x}-\begin{pmatrix} 4 \\ 5 \\ 8 \end{pmatrix}\Biggr] \ast \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ -8 \end{pmatrix}=0</math> |2=Lösung anzeigen|3=Lösung verbergen}} | |||
| Arbeitsmethode}} | |||
{{Box | Aufgabe | {{Box | ⭐Aufgabe 15: Marktplatzaufgabe (Koordinatenform) | | ||
Die folgende Abbildung zeigt eine Karte des Marktplatzes in Bremen mit dem Rathaus, dem Dom und weiteren sehenswürdigen Gebäuden. | |||
[[Datei:Abbildung des Martkplatzes.jpg|mini|Abbildung des Marktplatzes ]] | |||
Legt man ein Koordinatensystem mit dem Koordinatenursprung in der Mitte des Marktplatzes, sodass die <math>x_1</math>-Achse nach Süden, die <math>x_2</math>-Achse nach Osten und die <math>x_3</math>-Achse senkrecht in den Himmel zeigt. | |||
Vor dem Rathaus nimmt die Höhe des Marktplatzes nach Südwesten leicht ab. Dieser schräge Teil des Marktplatzes soll durch eine Ebene <math>E\colon \vec{x} = \begin{pmatrix} 42 \\ 20 \\ 1 \end{pmatrix} + s \cdot \begin{pmatrix} 28 \\ 24 \\ 0 \end{pmatrix}+ t \cdot \begin{pmatrix} -21 \\ 10 \\ 0{,}5 \end{pmatrix}</math> beschrieben werden. | |||
Vor dem Rathaus nimmt Höhe des Marktplatzes nach Südwesten leicht ab. Dieser schräge Teil des Marktplatzes soll durch eine Ebene <math>E | |||
'''a)''' Berechne einen möglichen Normalenvektor der Ebene E. | '''a)''' Berechne einen möglichen Normalenvektor der Ebene E. | ||
'''b)''' Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E | {{Lösung versteckt|1=Ein Normalenvektor <math>\vec{n}</math> muss zu den Spannvektoren orthogonal (senkrecht) sein. | ||
Also ist <math>\begin{pmatrix} n_1 \\ n_2 \\ n_3 \end{pmatrix} \ast \begin{pmatrix} 28 \\ 24 \\ 0 \end{pmatrix}=0</math> und <math>\begin{pmatrix} n_1 \\ n_2 \\ n_3 \end{pmatrix} \ast \begin{pmatrix} -21 \\ 10 \\ 0{,}5 \end{pmatrix}=0</math>. | |||
Hieraus folgt das Gleichungssystem: | |||
<div align="center"><math>\left\vert\begin{alignat}{7} | |||
28n_1 &&\; + \;&& 24n_2 &&\; + \;&& 0n_3 &&\; = \;&& 0 \\ | |||
{-}21n_1 &&\; + \;&& 10n_2 &&\; + \;&& 0{,}5n_3 &&\; = \;&& 0\\ | |||
\end{alignat}\right\vert</math></div> | |||
Es gibt auch hier zwei Berechnungsmöglichkeiten - per Hand oder per Taschenrechner. Wollt ihr das Gleichungssystem per Hand lösen, geht ihr vor wie schon in Aufgabe 9 "Normalenvektor berechnen". Dazu formt ihr die erste Gleichung um und erhaltet: | |||
<div align="center"><math>\begin{align} | |||
& & 28n_1 + 24n_2 &= 0 & &\mid -24n_2\\ | |||
\Leftrightarrow & & 28n_1 &= -24n_2 & &\mid :(-24)\\ | |||
\Leftrightarrow & & -\tfrac{28}{24}n_1 &= n_2\\ | |||
\Leftrightarrow & & -\tfrac{7}{6}n_1 &= n_2 | |||
\end{align}</math></div> | |||
Durch Einsetzen der berechneten, von <math>n_1</math> abhängigen Werte, in die zweite Gleichung erhalten wir auch <math>n_3</math> und damit den allgemeinen Normalenvektor in Abhängigkeit von <math>n_1</math>: | |||
<div align="center"><math> \vec{n} = \begin{pmatrix} n_1 \\ \tfrac{{-}7}{6} n_1 \\ -\tfrac{196}{3} n_1 \end{pmatrix} </math></div> | |||
Für einen speziellen Normalenvektor wählen wir für <math>n_1</math> eine beliebige Zahl aus. Die wählen wir so, dass insgesamt ganzzahlige Zahlen raus kommen. Wenn <math>n_1 = 6</math> ist, dann folgt für <math>n_2 = {-}7</math> und für <math>n_3 = 392</math> . | |||
Daraus folgt für den speziellen Normalenvektor <math> \vec{n} = \begin{pmatrix} 6 \\ -7 \\ 392 \end{pmatrix} </math> | |||
|2=mögliche Lösung anzeigen|3=mögliche Lösung verbergen}} | |||
'''b)''' Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene <math>E</math> | |||
{{Lösung versteckt|1=<math>E\colon 6x_1-7x_2+392x_3=504</math> .|2=mögliche Lösung anzeigen|3=mögliche Lösung verbergen}} | |||
Vor dem Rathaus steht das Denkmals „Roland von Bremen“ mit standhaftem Blick auf dem Dom. Sein Fußpunkt ist <math>R(-30|20|z)</math>. Er wurde genau vertikal, d.h. senkrecht auf der <math>x_1x_2</math>-Ebene errichtet. | Vor dem Rathaus steht das Denkmals „Roland von Bremen“ mit standhaftem Blick auf dem Dom. Sein Fußpunkt ist <math>R(-30|20|z)</math>. Er wurde genau vertikal, d.h. senkrecht auf der <math>x_1x_2</math>-Ebene errichtet. | ||
'''c)''' | '''c)''' Bestimme <math>z</math> derart, dass <math>R</math> in der Ebene liegt. | ||
{{Lösung versteckt|1= | |||
<div align="center"><math>\begin{align} | |||
& & 6 \cdot ({-}30) - 7 \cdot 20+392z &= 504 & & \\ | |||
\Leftrightarrow & & {-}320+392z &= 504 & &\mid +320\\ | |||
\Leftrightarrow & & 392z &= 824. & &\mid :392\\ | |||
\Leftrightarrow & & z &\approx 2{,}1020 | |||
\end{align}</math></div> | |||
.|2=mögliche Lösung anzeigen|3=mögliche Lösung verbergen}} | |||
| Arbeitsmethode}} | | Arbeitsmethode}} | ||
{{Box | Aufgabe | {{Box | ⭐Aufgabe 16: Schattenwurf (Gerade und Ebene in Koordinatenform) |Ein Baum mit dem Fußpunkt <math>F({-}2|1|0)</math> und der Spitze <math>S({-}2|1|15)</math> wird von der Sonne bestrahlt, deren Sonnenstrahlen parallel zum Vektor <math>\begin{pmatrix} 4 \\ 5 \\ 7 \end{pmatrix}</math> verlaufen. Der Baum wirft einen Schatten auf einen Hang, der durch die Ebene <math>E\colon x_1+2x_2+x_3={-}6</math> beschrieben wird. | ||
Wo liegt der Schattenpunkt T der Baumspitze S auf dem Hang und wie lang ist der Schatten des Baumes? | Arbeitsmethode | Farbe={{Farbe|grün|dunkel}} }} | Wo liegt der Schattenpunkt <math>T</math> der Baumspitze <math>S</math> auf dem Hang und wie lang ist der Schatten des Baumes? (Das Ergebnis kann in Metern angegeben werden.) | ||
{{Lösung versteckt|1=Der Schattenpunkt <math>T</math> entspricht dem Schnitt der Ebene <math>E</math> mit der Geraden, die durch <math>S</math> verläuft und den Richtungsvektor der Sonnenstrahlen besitzt. | |||
Geradengleichung: <math>g\colon \vec{x}=\begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ 15 \end{pmatrix}+s \cdot \begin{pmatrix} 4 \\ 5 \\ 7 \end{pmatrix}</math> | |||
Einsetzen der Zeilen der Geradengleichung in die Ebenengleichung: | |||
<math>(-2+4s)+2(1+5s)+(15+7s)=-6.</math> | |||
Durch Umformen und Ausmultiplizieren erhält man: <math>r=-1</math> | |||
Einsetzen von <math>r=-1</math> in die Geradengleichung ergibt den Schnittpunkt <math>T({-}6|{-}4|8)</math>. | |||
Schattenlänge des Baumes: <math>\vert{\vec{FT}}\vert= \vert{\begin{pmatrix} -4 \\ -5 \\ 8 \end{pmatrix}}\vert =\sqrt{16+25+64}=\sqrt{105}</math>. | |||
Damit hat der Schatten des Baumes eine Länge von ca. <math>10{,}25m</math>. | |||
|2=mögliche Lösung anzeigen|3=mögliche Lösung verbergen}} | |||
| Arbeitsmethode | Farbe={{Farbe|grün|dunkel}} }} | |||
{{Box | Aufgabe | {{Box | ⭐Aufgabe 17: Reflexion zur Koordinatenform | | ||
'''a)''' Warum muss bei einer Koordinatengleichung <math>E | '''a)''' Warum muss bei einer Koordinatengleichung <math>E\colon ax_1+bx_2+cx_3=d</math> einer Ebene <math>E</math> mindestens einer der Koeffizienten <math>a, b, c</math> ungleich null sein? | ||
{{Lösung versteckt|1= Wenn <math>a, b, c</math> Null wären, dann wäre der Nullvektor <math>\vec{o}</math> ein Normalenvektor der Ebene. Der Nullvektor kann aber kein Normalenvektor sein. Das liegt daran, dass er die Länge 0 hat und damit nicht orthogonal zu einer Ebene sein kann.|2=Lösung anzeigen|3=Lösung verbergen}} | |||
''' | '''b)''' Begründe: Unterscheiden sich die Koordinatengleichungen der Form <math>E\colon ax_1+bx_2+cx_3=d</math> von zwei Ebenen nur in der Konstanten <math>d</math>, dann sind die Ebenen zueinander parallel. | ||
= | {{Lösung versteckt|1=Wenn sich die beiden Ebenengleichungen nur in <math>d</math> unterscheiden, ist der Vektor <math>\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix}</math> ein Normalenvektor von beiden Ebenen, das heißt er liegt orthogonal zu beiden Ebenen. Damit müssen die Ebenen parallel sein.|2=Lösung anzeigen|3=Lösung verbergen}} | ||
'''c)''' Beurteile: Alle Ebenen, bei denen in der Koordinatengleichung <math>E\colon ax_1+bx_2+cx_3=d</math> die Koeffizienten <math>a</math> und <math>b</math> ungleich Null, aber <math>c=0</math> ist, haben eine Gemeinsamkeit bezüglich ihrer Lage. | |||
{{Lösung versteckt|1=Die Aussage ist wahr, da all diese Ebenen parallel zur <math>x_3</math>-Achse liegen.|2=Lösung anzeigen|3=Lösung verbergen}} | |||
| Arbeitsmethode | Farbe={{Farbe|grün|dunkel}} }}<br /> | |||
{{ | {{Fortsetzung|vorher=zurück zur Kapitelauswahl|vorherlink=Digitale_Werkzeuge_in_der_Schule/Unterwegs_in_3-D_–_Punkte,_Vektoren,_Geraden_und_Ebenen_im_Raum#Kapitelauswahl}} | ||
{{ | {{SORTIERUNG:{{SUBPAGENAME}}}} | ||
[[Kategorie:Digitale Werkzeuge in der Schule]] |
Aktuelle Version vom 23. Juni 2021, 17:33 Uhr
Die Parameterform und die Punktprobe
Die Punktprobe
⭐ Geradlinig begrenzte Flächen
⭐ Normalenvektor
⭐ Normalenform und Koordinatenform von Ebenengleichungen
⭐Überführung der Parameterform in die Koordinatenform
⭐Arbeiten mit den unterschiedlichen Ebenengleichungen