Spurpunkte und besondere Lage

Trace points and special position

Mathematik Klasse 13 18 Aufgaben
GeometrieEbenenAnalytische GeometrieSpurpunkte

Aus der Koordinatenform einer Ebene lassen sich ihre Lage und ihre Schnittpunkte mit den Koordinatenachsen ablesen: Fehlt eine Koordinate, ist die Ebene zu der Achse parallel, fehlen zwei, zu einer Koordinatenebene; die Spurpunkte S₁(d/n₁ | 0 | 0), S₂(0 | d/n₂ | 0), S₃(0 | 0 | d/n₃) liefern das Spurdreieck zum Zeichnen. Umgekehrt führen drei Spurpunkte zur Koordinatenform. Räumt aus, eine fehlende Koordinate als „Achse ist Normale“ zu lesen, für einen Spurpunkt d oder n₁ statt d/n₁ zu nehmen oder Achsenabschnitte als Koeffizienten einzusetzen. Bereitet die Skizze von Ebenen, ihre Schnittgeraden mit den Koordinatenebenen und die Lage zu Geraden vor.

Besondere Lage aus der Gleichung

Fehlt in der Koordinatenform eine Koordinate, ist der Normalenvektor n in dieser Richtung 0: Er steht senkrecht auf der zugehörigen Achse, die Ebene ist zu dieser Achse parallel. So ist 2x₂ + x₃ = 4 parallel zur x₁-Achse. Fehlen zwei Koordinaten, ist die Ebene zu einer Koordinatenebene parallel: x₃ = 3 liegt waagerecht über dem Boden, parallel zur x₁x₂-Ebene. Ist d = 0, geht die Ebene durch den Ursprung; fehlt dabei eine Koordinate, enthält sie die zugehörige Achse. Ein Vielfaches der Gleichung beschreibt dieselbe Ebene: 4x₂ + 2x₃ = 8 ist 2x₂ + x₃ = 4.

Gezeigt ist a·x₁ + 2x₂ + x₃ = 4, die rosa Kante liegt bei x₂ = 0. Ändere a: Wie verläuft die Kante, wenn x₁ aus der Gleichung verschwindet (a = 0)?

Spurpunkte

Die Punkte, in denen eine Ebene die Koordinatenachsen schneidet, heißen Spurpunkte. Auf der x₁-Achse sind x₂ = x₃ = 0: Aus 2x₁ + 2x₂ + x₃ = 4 folgt 2x₁ = 4, also S₁(2 | 0 | 0). Ebenso S₂(0 | 2 | 0) und S₃(0 | 0 | 4): die drei Befestigungspunkte des Segels.

Umgekehrt findet man die Gleichung aus den Spurpunkten: Für S₁(a | 0 | 0), S₂(0 | b | 0), S₃(0 | 0 | c) gilt x₁/a + x₂/b + x₃/c = 1; mit dem Hauptnenner multipliziert entsteht die Koordinatenform. Das Dreieck der Spurpunkte gibt ein gutes Bild der Ebene. Bei einer Ebene parallel zu einer Achse fehlt der zugehörige Spurpunkt.

Verschiebe die Spurpunkte. Welche Koeffizienten gehören zu S₁(2 | 0 | 0), S₂(0 | 2 | 0), S₃(0 | 0 | 4)?
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Welche der Ebenen ist parallel zur x₂-Achse?

  • ● x₁ + 3x₃ = 6
  • ○ x₁ + 3x₂ = 6
  • ○ x₂ + 3x₃ = 6
In x₁ + 3x₃ = 6 fehlt x₂: Der Normalenvektor (1; 0; 3) steht senkrecht auf der x₂-Achse. In den anderen Gleichungen fehlt x₃ (parallel zur x₃-Achse) beziehungsweise x₁ (parallel zur x₁-Achse).
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

Die Ebene 2x₂ + x₃ = 4 ist parallel zur x₁-Achse.

✓ Wahr
Der Normalenvektor (0; 2; 1) hat die Komponente 0 in x₁-Richtung und steht damit senkrecht auf der x₁-Achse. Die Ebene verläuft in x₁-Richtung unverändert.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Welche Gleichung gehört zur gezeichneten Ebene?

  • ● 2x₂ + x₃ = 4
  • ○ x₂ + 2x₃ = 4
  • ○ x₁ + 2x₂ + x₃ = 4
Die Ebene schneidet die x₂-Achse bei 2 und die x₃-Achse bei 4: 2 · 2 = 4 und 1 · 4 = 4. Sie ist parallel zur x₁-Achse, also fehlt x₁. Bei x₂ + 2x₃ = 4 wären die Achsenabschnitte vertauscht.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Welche der Ebenen ist parallel zur x₁x₂-Ebene, dem Boden?

  • ● x₃ = 3
  • ○ x₁ = 3
  • ○ x₁ + x₂ = 3
In x₃ = 3 kommt nur x₃ vor: waagerecht in der Höhe 3. x₁ = 3 ist parallel zur x₂x₃-Ebene, x₁ + x₂ = 3 steht senkrecht auf dem Boden (parallel zur x₃-Achse).
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Welche Gleichung hat die gezeichnete Ebene?

  • ● x₃ = 3
  • ○ x₁ = 3
  • ○ x₂ = 3
Die Fläche liegt waagerecht und schneidet die x₃-Achse bei 3, also x₃ = 3. x₁ = 3 und x₂ = 3 wären senkrechte Wände in x₁- beziehungsweise x₂-Richtung.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Welcher Punkt ist der Spurpunkt von E: 2x₁ + 3x₂ + 6x₃ = 12 mit der x₂-Achse?

  • ● S₂(0 | 4 | 0)
  • ○ S₂(0 | 12 | 0)
  • ○ S₂(0 | 3 | 0)
Auf der x₂-Achse ist x₁ = x₃ = 0: 3x₂ = 12, also x₂ = 4. S₂(0 | 12 | 0) übernimmt d, S₂(0 | 3 | 0) den Koeffizienten von x₂ ohne durch ihn zu teilen.
Wahr / Falsch #7 15s ▶ Testen

Die Ebene 4x₁ + x₂ + 2x₃ = 8 schneidet die x₃-Achse im Punkt (0 | 0 | 4).

✓ Wahr
Auf der x₃-Achse gilt x₁ = x₂ = 0: 2x₃ = 8, also x₃ = 4.
Multiple Choice #8 20s ▶ Testen

Eine Ebene schneidet die Achsen in S₁(3 | 0 | 0), S₂(0 | 6 | 0) und S₃(0 | 0 | 2). Welche Koordinatenform hat sie?

  • ● 2x₁ + x₂ + 3x₃ = 6
  • ○ 3x₁ + 6x₂ + 2x₃ = 6
  • ○ 2x₁ + x₂ + 3x₃ = 1
x₁/3 + x₂/6 + x₃/2 = 1, mit 6 multipliziert 2x₁ + x₂ + 3x₃ = 6; jeder Spurpunkt erfüllt sie. In 3x₁ + 6x₂ + 2x₃ = 6 sind die Achsenabschnitte als Koeffizienten eingesetzt (S₁ ergäbe 9 ≠ 6), bei „= 1“ wurde nicht mit dem Hauptnenner multipliziert.
Multiple Choice #9 20s ▶ Testen

Welche Gleichung gehört zur gezeichneten Ebene?

  • ● 3x₁ + 6x₂ + 2x₃ = 12
  • ○ 4x₁ + 2x₂ + 6x₃ = 12
  • ○ 3x₁ + 6x₂ + 2x₃ = 6
Die Ebene schneidet die Achsen bei 4, 2 und 6. Für 3x₁ + 6x₂ + 2x₃ = 12 gilt 3 · 4 = 12, 6 · 2 = 12 und 2 · 6 = 12. Bei 4x₁ + 2x₂ + 6x₃ = 12 wurden die Achsenabschnitte als Koeffizienten benutzt, bei „= 6“ passt kein Spurpunkt.
Mittel
Zahleneingabe #1 15s ▶ Testen

Die Ebene 5x₁ + 2x₃ = 10 hat einen Normalenvektor (n₁; n₂; n₃). Wie groß ist n₂?

✓ Antwort: 0
x₂ kommt nicht vor, also ist der Koeffizient und damit n₂ = 0. Die Ebene ist parallel zur x₂-Achse.
Zahleneingabe #2 20s ▶ Testen

Die Ebene 4x₂ = 12 schneidet die x₂-Achse. Welche x₂-Koordinate hat der Schnittpunkt?

✓ Antwort: 3
Aus 4x₂ = 12 folgt x₂ = 3: Die Ebene ist parallel zur x₁x₃-Ebene und schneidet die x₂-Achse in (0 | 3 | 0).
Zahleneingabe #3 20s ▶ Testen

Berechne die x₁-Koordinate des Spurpunkts S₁ der Ebene 5x₁ + 2x₂ + x₃ = 20.

✓ Antwort: 4
x₂ = x₃ = 0 gibt 5x₁ = 20, also x₁ = 4.
Zahleneingabe #4 20s ▶ Testen

Eine Ebene 2x₁ + 4x₂ + x₃ = d hat die Spurpunkte S₁(4 | 0 | 0), S₂(0 | 2 | 0) und S₃(0 | 0 | 8). Bestimme d.

✓ Antwort: 8
S₁ einsetzen: 2 · 4 = 8. Zur Probe S₂: 4 · 2 = 8 und S₃: 1 · 8 = 8.
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Die Ebene 3x₁ + b·x₂ + 2x₃ = 6 soll parallel zur x₂-Achse sein. Bestimme b.

✓ Antwort: 0
Parallel zur x₂-Achse heißt: x₂ fehlt, der Normalenvektor (3; b; 2) muss auf (0; 1; 0) senkrecht stehen. 3 · 0 + b · 1 + 2 · 0 = 0 gibt b = 0.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Die Ebene a·x₁ = 6 schneidet die x₁-Achse im Punkt (3 | 0 | 0). Bestimme a.

✓ Antwort: 2
Einsetzen von x₁ = 3: a · 3 = 6, also a = 2. Die Ebene x₁ = 3 ist parallel zur x₂x₃-Ebene.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Ein Sonnensegel liegt in der Ebene 5x₁ + 4x₂ + 2x₃ = 20 (Längeneinheit 1 m). In welcher Höhe x₃ liegt sein Befestigungspunkt auf der x₃-Achse?

✓ Antwort: 10
Auf der x₃-Achse ist x₁ = x₂ = 0: 2x₃ = 20, also x₃ = 10. Der Spurpunkt ist S₃(0 | 0 | 10).
Zahleneingabe #4 30s ▶ Testen

Eine Ebene hat die Spurpunkte S₁(6 | 0 | 0), S₂(0 | 3 | 0) und S₃(0 | 0 | 2). Ihre Koordinatenform lautet x₁ + b·x₂ + c·x₃ = d. Bestimme c.

✓ Antwort: 3
S₁ einsetzen: d = 6. S₃: c · 2 = 6, also c = 3. (S₂: b · 3 = 6 gibt b = 2.)
KI-bewertete Rechnung #5 240s ▶ Testen

Gegeben ist die Ebene E: 2x₁ + 3x₂ + 4x₃ = 12. Berechne die Spurpunkte S₁, S₂ und S₃, zeichne das Spurdreieck in ein Schrägbild des Koordinatensystems und begründe, ob E zu einer Koordinatenachse oder Koordinatenebene parallel ist. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: S₁: x₂ = x₃ = 0, 2x₁ = 12, S₁(6 | 0 | 0). S₂: x₁ = x₃ = 0, 3x₂ = 12, S₂(0 | 4 | 0). S₃: x₁ = x₂ = 0, 4x₃ = 12, S₃(0 | 0 | 3). Skizze: Achsenkreuz mit x₁ nach vorn, x₂ nach rechts, x₃ nach oben, die drei Punkte auf den Achsen bei 6, 4 und 3 verbunden. Alle drei Koeffizienten sind ungleich 0: keine Koordinate fehlt, also ist E weder zu einer Achse noch zu einer Koordinatenebene parallel (jede Achse wird geschnitten).
Zwei Koordinaten 0 setzen und durch den Koeffizienten teilen; fehlt keine Koordinate, gibt es keine Parallelität zu einer Achse.