13.4.1 Koordinatengeometrie im Raum - Ebenen - Normalenform, Matheübungen

Ebene durch drei Punkte, Punkt auf Ebene, besondere Lage zum Koordinatensystem, gegenseitige Lage Ebene - Gerade, gegenseitige Lage Ebene - Ebene - Lehrplan - 30 Aufgaben in 8 Levels

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  • Hilfe speziell zu diesem Zwischenschritt
    Die Beträge der einzugebenden Zahlen ergeben in der Summe 13
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    Zu diesem Aufgabentyp gibt es eine passende Beispiel-Aufgabe:
  • Hilfe zum Thema
    Ist eine Ebene durch drei Punkte A, B, C eindeutig definiert (d.h. die Punkte dürfen nicht alle auf einer Geraden liegen), so kann man einen der Punkte als Aufpunkt und das Vektorprodukt zweier Verbindungsvektoren als Normalenvektor für ihre Gleichung in Normalenform verwenden.
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Aufgabe

Aufgabe 1 von 3 in Level 4
  • Ebene durch drei Punkte.
  • Zwischenschritte aktiviert
    • Gib für die Ebene E, die durch die drei Punkte A(2|5|1), B(3|2|1) und C(4|9|4) geht, eine Gleichung in Normalenform (Koordinatendarstellung) an.
    E:
     
    9x
    1
    +
     ▉ 
    x
    2
    −
     ▉ 
    x
    3
    −
    		 ▉ 
    =
    0
    Schritt 1 von 4
    AB
    =
     
       
     
    AC
    =
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Stoff zum Thema (+Video)
Welche Komponenten sind für die Normalengleichung einer Ebene notwendig?
#687
Die allgemeine Normalengleichung der Ebene erhält man aus einem Normalenvektor und einem Aufpunkt P.
Beispiel
Die Ebene E besitzt den Normalenvektor
 
n
=
−
1
−
1
4
 
und enthält den Punkt P(0|2|0).
Wie überprüft man, ob ein Punkt P in einer Ebene E in Koordinatenform liegt?
#608
Um zu überprüfen, ob der Punkt P(p1 | p2 | p3) in der Ebene E: n1 x1 + n2 x2 + n3 x3 + n0 = 0 enthalten ist, setze P in E ein, d.h. überprüfe die Aussage n1 p1 + n2 p2 + n3 p3 + n0 = 0 auf Richtigkeit.
Wie erkennt man, ob eine Ebene E in Koordinatenform durch den Ursprung geht oder zu einer Achse bzw. Ebene parallel ist?
#609
E: n1 x1 + n2 x2 + n3 x3 + n0 = 0 ist
  • Ursprungsebene (d.h. enthält den Ursprung des Koordinatensystems) genau dann, wenn n0 = 0.z.B. 3x1 + 2x2 − x3 = 0 [keine Konstante am Ende].
  • parallel zur x1-Achse genau dann, wenn n1 = 0.z.B. 2x2 − x3 + 5 = 0 [x1 kommt nicht vor].
  • parallel zur x1 x2-Ebene genau dann, wenn n1 = n2 = 0.z.B. 2x3 + 3 = 0 [x1 und x2 kommen nicht vor].
Für die anderen Koordinatenachsen und -ebenen analog.
Wie leitet man die Normalenform einer Ebene aus drei gegebenen Punkten ab?
#610
Ist eine Ebene durch drei Punkte A, B, C eindeutig definiert (d.h. die Punkte dürfen nicht alle auf einer Geraden liegen), so kann man einen der Punkte als Aufpunkt und das Vektorprodukt zweier Verbindungsvektoren als Normalenvektor für ihre Gleichung in Normalenform verwenden.
Beispiel
Gib für die Ebene E, die durch die drei Punkte A(2|2|-2), B(3|-3|-5) und C(5|-3|4) geht, eine Gleichung in Normalenform (Koordinatendarstellung) an.
Wie wandelt man die Koordinatengleichung einer Ebene in eine Parametergleichung um?
#1455

Gegeben ist eine Koordinatengleichung einer Ebene:

\[ a x_1 + b x_2 + c x_3 + d = 0 \]

Vorgehen zum Umformen in die Parametergleichung

  1. Aufpunkt bestimmen:
    Gesucht ist ein beliebiger Punkt \( P \) der Ebene.

    Tipp: Man kann zwei Koordinaten (z.B. \( x_1 \) und \( x_2 \)) gleich 0 setzen und die dritte mithilfe der Gleichung bestimmen.


  2. Normalenvektor ablesen: \[ \vec{n}=\begin{pmatrix}a\\ b\\ c\end{pmatrix} \]

  3. Richtungsvektoren bestimmen:
    Gesucht sind zwei linear unabhängige Vektoren \( \vec{v} \) mit \[ \vec{n}\circ\vec{v}=0 \] also Lösungen der Gleichung \[ a \cdot v_1 + b \cdot v_2 + c \cdot v_3 = 0 \]

    Tipp: Man kann eine Koordinate (z.B. \( v_3 \)) gleich 0 setzen und die beiden anderen mithilfe der Gleichung bestimmen. Für den zweiten Richtungsvektor wählt man eine andere Koordinate als 0.


  4. Parametergleichung aufstellen: \[ E: \vec{x}=\overrightarrow{OP}+r\cdot \vec{v_1}+s\cdot \vec{v_2} \]
Beispiel
Gib eine Parametergleichung zu der folgenden Koordinatengleichung einer Ebene an:

\(E: 5x_1-1x_2+17x_3-2=0\)

Wie bestimmt man die Lage einer Geraden zu einer Ebene und findet einen Schnittpunkt?
#613

Eine Gerade g und eine Ebene E sind genau dann parallel, wenn der gegebene Richtungsvektor von g und der gegebene Normalenvektor von E senkrecht zueinander sind.

Abgesehen davon kann man die gegenseitige Lage von E und g einschließlich des evtl. vorhandenen Schnittpunkts S wie folgt ermitteln:

  1. Setze g in E ein, d.h. ersetze x1, x2 und x3 in der E-Gleichung durch die entsprechenden Zeilen aus dem g-Gleichungssystem.
  2. Löse die entstehende Gleichung, wenn möglich, nach λ auf und setze das Ergebnis in die g-Gleichung für λ ein.
  3. Fasse zu einem Vektor zusammen, das Ergebnis entspricht S.
Eine Schnittpunkt liegt nur dann vor, wenn sich der zweite Schritt "problemlos" durchführen lässt. Andernfalls sind g und E parallel, und zwar
  • echt parallel, wenn das Auflösen nach λ zu einer falschen Aussage wie z.B. "0 = 1" führt.
  • unecht parallel (E enthält g), wenn sich eine wahre Aussage wie z.B. "0 = 0" ergibt.
Beispiel
E
:
x
1
+
5x
2
−
3x
3
+
9
=
0
g
:
X
=
1
−
2
0
+
λ
 
4
1
3
h
:
X
=
0
−
1
3
+
λ
 
2
−
3
1
Überprüfe die Lage der Ebene E zu den Geraden g und h und bestimme, falls vorhanden, den jeweiligen Schnittpunkt.
Wie bestimmt man die Lage und Schnittgerade zweier Ebenen in Normalenform?
#611
Sind zwei Ebenen E und F jeweils durch eine Gleichung in Normalenform gegeben, so ermittelt man ihre Lage zueinander und die evtl. Schnittgerade wie folgt:
  • Vergleiche zuerst die Normalenvektoren beider Ebenen: sind sie linear abhängig, so sind E und F parallel. Lässt sich zudem die Gleichung von E durch Äquivalenzumformung (Multiplikation mit geeignetem Faktor auf beiden Seiten) in die Gleichung von F überführen, so sind E und F sogar identisch.
  • Andernfalls schneiden sich E und F. Eine Gleichung in Parameterform für die Schnittgerade s erhält man so:
    1. Setze z.B. x1 = λ.
    2. Löse z.B. die Gleichung von E nach x2 auf und setze das Ergebnis in die Gleichung von F ein. So erhältst du eine Gleichung der Sorte x3 = ....λ....
    3. Setze dieses Ergebnis in E ein und du du erhältst schließlich x2=...λ...
    4. Schreibe die Ergebnisse für x1, x2 und x3 untereinander und forme daraus "Ortsvektor + λ · Richtungsvektor".
Beispiel
E
:
x
1
−
2x
3
+
3x
3
−
5
=
0
F
:
2x
1
−
2x
2
+
x
3
−
1
=
0
G
:
−
3x
1
+
6x
2
−
9x
3
+
10
=
0
Überprüfe die Lage der Ebene E zu den Ebenen F und G und bestimme, falls vorhanden, die Gleichung der jeweiligen Schnittgerade in Parameterform.
Wie bestimmt man die Lage und Schnittgerade zweier Ebenen, wenn eine in Parameterform und die andere in Normalenform gegeben ist?
#612
Ist die Ebene E durch eine Gleichung in Normalenform und die Ebene F durch eine Gleichung in Paramterform gegeben, so ermittelt man ihre Lage zueinander und die evtl. Schnittgerade wie folgt:
  1. Setze F in E ein, d.h. ersetze x1, x2 und x3 in der E-Gleichung durch die entsprechenden Zeilen des F-Gleichungssystems.
  2. Löse die entstehende λ,μ-Gleichung, wenn möglich, z.B. nach μ auf und setze das Ergebnis in die F-Gleichung für μ ein.
  3. Fasse zu "Ortsvektor + λ · Richtungsvektor" zusammen.
Eine Schnittgerade liegt nur dann vor, wenn sich der zweite Schritt "problemlos" durchführen lässt. Andernfalls sind die Ebenen parallel, und zwar
  • echt parallel, wenn das Auflösen nach λ zu einer falschen Aussage wie z.B. "0 = 1" führt.
  • identisch, wenn sich eine wahre Aussage wie z.B. "0 = 0" ergibt.
Beispiel
E
:
x
1
+
5x
2
+
13x
3
−
2
=
0
F
:
X
=
1
2
−
3
+
λ
 
1
0
2
+
μ
 
1
−
1
1
G
:
X
=
0
−
1
3
+
λ
 
2
−
3
1
+
μ
 
5
−
1
0
Überprüfe die Lage der Ebene E zu den Ebenen F und G und bestimme, falls vorhanden, die Gleichung der jeweiligen Schnittgerade in Parameterform.