Vom Sonnensegel zur Ebene

Etwas Abwechslung
Nach einigen Wochen unter dem angebrachten Sonnensegel verlangt es Frau Weber nach etwas Abwechslung. Sie findet das (buchstäblich) eintönige Sonnensegel langweilig und schlägt ihrem Mann ein neues Design vor.
Bevor Familie Weber das Sonnensegel abhängt, möchte Herr Weber das Design in seiner Simulation austesten.[br][br]"Und dafür haben wir alles, was wir brauchen!" sagt Herr Weber[br][math]\vec{OA}=\left(\begin{matrix}0\\1\\3\end{matrix}\right),\vec{OB}=\left(\begin{matrix}4\\0\\2\end{matrix}\right),\vec{OC}=\left(\begin{matrix}0\\4\\3\end{matrix}\right)[/math] und [math]\vec{AB}=\left(\begin{matrix}4\\-1\\-1\end{matrix}\right),\vec{AC}=\left(\begin{matrix}0\\3\\0\end{matrix}\right)[/math][br][br][b]Nicht nötig, aber hilfreich:[/b][br][math]g:\vec{x}=\vec{OA}+s\cdot\vec{AB}=\left(\begin{matrix}0\\1\\3\end{matrix}\right)+s\cdot\left(\begin{matrix}4\\-1\\-1\end{matrix}\right)[/math][br][math]h:\vec{x}=\vec{OA}+r\cdot\vec{AC}=\left(\begin{matrix}0\\1\\3\end{matrix}\right)+r\cdot\left(\begin{matrix}0\\3\\0\end{matrix}\right)[/math]
Simulation des Wintergartens
Benutzen Sie die Simulation als Unterstützung zur Bearbeitung der Aufgaben.[br]Sie können Linearkombinationen von Vektoren in die Eingabezeile schreiben. Schreiben Sie zum Beispiel für die Linearkombination [math]\vec{v}=\vec{OA}+2\cdot\vec{AB}+5\cdot\vec{AC}[/math] in die Eingabezeile:[br][b]v=oa + 2*ab + 5*ac[/b]
Aufgabe 1
Der Mittelpunkt des ersten Kreisteils hat die Koordinaten K=(4,0,2).[br][b]Stellen Sie [/b]den Ortvektor [math]\vec{OK}[/math] als eine Linearkombination der Vektoren [math]\vec{OA}=\left(\begin{matrix}0\\1\\3\end{matrix}\right),\vec{OB}=\left(\begin{matrix}4\\0\\2\end{matrix}\right),\vec{OC}=\left(\begin{matrix}0\\4\\3\end{matrix}\right),\vec{AB}=\left(\begin{matrix}4\\-1\\-1\end{matrix}\right)[/math] bzw. [math]\vec{AC}=\left(\begin{matrix}0\\3\\0\end{matrix}\right)[/math] [b]dar[/b], die [b]den Vektor[/b] [math]\vec{OA}[/math] [b]enthält.[/b][br][br]Du musst natürlich nicht alle dieser Vektoren verwenden, aber [math]\vec{OA}[/math] muss vorkommen!
Aufgabe 2
[b]Beschreiben Sie[/b], wie man durch eine Linearkombination der Vektoren [math]\vec{OA}=\left(\begin{matrix}0\\1\\3\end{matrix}\right),\vec{OB}=\left(\begin{matrix}4\\0\\2\end{matrix}\right),\vec{OC}=\left(\begin{matrix}0\\4\\3\end{matrix}\right),\vec{AB}=\left(\begin{matrix}0\\3\\0\end{matrix}\right)[/math] und [math]\vec{AC}=\left(\begin{matrix}0\\3\\0\end{matrix}\right)[/math] Punkte der linken Linie (d. h. der Strecke [math]\overline{AB}[/math]) erreicht.
Aufgabe 3
Der Mittelpunkt des zweiten Kreisteils hat die Koordinaten: [math]K=\left(\begin{matrix}\frac{4}{5}\\\frac{16}{5}\\\frac{14}{5}\end{matrix}\right)[/math][br][b]Beschreiben Sie[/b], wie man durch eine Linearkombination der Vektoren [math]\vec{OA},\vec{OB},\vec{OC},\vec{AB}[/math] und [math]\vec{AC}[/math] den Mittelpunkt des zweiten Kreisteiles erreicht.[br][br][b]Tipp: [/b]Gehen Sie grafisch vor, d. h. betrachten Sie das Sonnensegel und überlegen Sie sich, wie man vom Punkt A aus mit den gegebenen Vektoren den Mittelpunkt des zweiten Kreisteils erreichen kann. [br]Wandeln Sie dann ihre graphische Vorgehensweise in eine Linearkombination von Vektoren um.
Aufgabe 4
In Aufgabe 3 wurde deutlich, dass wir Punkte des Segels erreichen, indem wir vom Punkt A ausgehen und dann gewisse Vielfache der Strecke [math]\vec{AB}[/math] und/oder [math]\vec{AC}[/math] entlanggehen.[br]Schreibt man dies als Linearkombination erhält man:[br][math]\vec{x}=\vec{OA}+r\cdot\vec{AB}+s\cdot\vec{AC}[/math][br][br][b]Begründen Sie[/b], dass jeder Punkt auf dem Segel einen Ortsvektor hat, der diese Gleichung erfüllt.
Aufgabe 5
[b]Geben Sie [/b](z. B. mithilfe der Simulation) einen Punkt [b]an[/b], dessen Ortsvektor die Gleichung [math]\vec{x}=\vec{OA}+r\cdot\vec{AB}+s\cdot\vec{AC}[/math] für ein [math]r,s\in\mathbb{R}[/math] erfüllt, aber nicht auf dem Sonnensegel liegt.[br][br][b]Beschreiben Sie[/b], wo sich der Punkt in Relation zum Sonnensegel befindet. Falls es an einem Punkt nicht deutlich wird, untersuchen Sie weitere Punkte außerhalb des Sonnensegels, die die Gleichung erfüllen.
Zusammenfassung:
Wie kann man eine Ebene im Raum darstellen?[br][br]Stellen Sie eine Vektorgleichung auf, die der Ortsvektor jeden Punktes auf der Ebene erfüllen muss. Achten sie auf besondere Eigenschaften der Vektoren, die die Gleichung enthält.
Bonusaufgabe: Weitere Punkte auf dem Sonnensegel
Beschreiben Sie, wie man in der Simulation durch eine Linearkombination der Vektoren [math]\vec{OA},\vec{OB},\vec{OC},\vec{AB}[/math] und [math]\vec{AC}[/math] die restlichen Kreisteile und ihre Linien erreicht.[br][br]Geben Sie die Linearkombinationen an.[br][br]Verallgemeinern Sie ihre Erkenntnisse, indem Sie beschreiben, wie man jeden Punkt des Sonnensegels erreichen kann. Können Sie sogar die verschiedenfarbigen Bereiche des Segels mithilfe von Gleichungen darstellen?
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