H. Gruber, R. Neumann. Erfolg im Mathe-Abi. Übungsbuch für den Pflichtteil Baden-Württemberg mit Tipps und Lösungen

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1 H. Gruber, R. Neumann Erfolg im Mathe-Abi Übungsbuch für den Pflichtteil Baden-Württemberg mit Tipps und Lösungen

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Themen des Pflichtteils... Analysis Von der Gleichung zur Kurve... Aufstellen von Funktionen mit Randbedingungen... 9 Von der Kurve zur Gleichung... Differenzieren... Gleichungslehre... Eigenschaften von Kurven... Kurvendiskussion... 8 Allgemeines Verständnis von Funktionen... 9 Integralrechnung... Extremwertaufgaben / Wachstumsprozesse... Geometrie Rechnen mit Vektoren... 9 Geraden... Ebenen... Gegenseitige Lage von Geraden und Ebenen... Gegenseitige Lage zweier Ebenen... Abstandsberechnungen... Winkelberechnungen... 8 Spiegelungen... 8 Tipps... 9 Lösungen... Stichwortverzeichnis... Musteraufgaben und Original-Abituraufgaben...

3 . Rechnen mit Vektoren Geometrie Grundkenntnisse zu Vektoren / Geraden / Ebenen U.a. Gleichungen von Ebenen und Geraden Skizze des Schaubilds einer Ebene bzw. Geraden im dreidimensionalen Koordinatensystem Auffinden einer entsprechenden Gleichung für Ebene bzw. Gerade, wenn Skizze gegeben Lagebeziehungen Gerade-Gerade, Gerade-Ebene, Ebene-Ebene Wenn nicht anders angegeben gilt für alle Parameter: r, s, t,... I R. Rechnen mit Vektoren Tipps ab Seite 9, Lösungen ab Seite 8 In diesem Kapitel geht es darum, dass Sie mit Vektoren sicher rechnen können und grundlegende Begriffe sicher beherrschen. Einige Anwendungsaufgaben runden das Kapitel ab. Tipp: Schreiben Sie sich die grundlegenden Formeln und Begriffe auf Vokabelkärtchen; manche Dinge muss man auch in der Mathematik einfach auswendig lernen!. Addition und Subtraktion von Vektoren Gegeben sind die Vektoren a = und b =. Berechnen Sie: a) a + b b) a b c) a d) a e) a + b f) a b g) a h) b i) a + b 9

4 . Rechnen mit Vektoren. Orthogonalität von Vektoren Prüfen Sie, ob folgende Vektoren senkrecht (orthogonal) aufeinander stehen. a) a =, b = b) r =, n = c) z =, w =. Auffinden von orthogonalen Vektoren Geben Sie drei verschiedene Vektoren an, die zu n =. Orts- und Verbindungsvektoren Gegeben sind die Punkte A( ), B( ) und C( ). a) Bestimmen Sie die Ortsvektoren a, b, und c. b) Bestimmen Sie die Verbindungsvektoren AB, AC und BC. orthogonal sind. c) Ist jeder Verbindungsvektor ein Ortsvektor? Begründen Sie Ihre Antwort.. Verschiedene Aufgaben Tipp: Fertigen Sie eine Skizze an und stellen Sie Vektorketten auf. a) Prüfen Sie, ob das Dreieck ABC gleichschenklig ist: I) A( ), B( ), C( ) II) A( ), B( ), C( ) b) Prüfen Sie, ob das Dreieck ABC rechtwinklig ist: A( ), B( ), C( ) c) I) Bestimmen Sie den Mittelpunkt M von A( ) und B( ). II) Bestimmen Sie die Koordinaten des Punktes P so, dass B( ) der Mittelpunkt von A( ) und P ist.

5 . Rechnen mit Vektoren d) Bestimmen Sie jeweils den Schwerpunkt des Dreiecks: I) A( ), B( ), C( ) II) P( ), Q( ), R( ) e) Gegeben sind die Punkte A( ), B( 8 ) und C( ). I) Bestimmen Sie den Punkt D so, dass das Viereck ABCD ein Parallelogramm ist. II) Bestimmen Sie den Punkt D so, dass das Viereck ABD C ein Parallelogramm ist. III) Bestimmen Sie den Punkt D so, dass das Viereck AD BC ein Parallelogramm ist. f) Von einem Spat (Körper mit jeweils parallelen Kanten) sind die Punkte A( ), B( ), C( ) und F(9 ) gegeben. I) Bestimmen Sie die Koordinaten der übrigen Punkte des Spats. II) Berechnen Sie die Länge der Raumdiagonalen AG. g) Ein schiefes Dreiecksprisma ist gegeben durch die Punkte A( ), B( ), C( ) und D( ). Bestimmen Sie die Koordinaten der Punkte E und F sowie die Länge der Kante EF.

6 . Rechnen mit Vektoren. Lineare Abhängigkeit/ Unabhängigkeit Tipp: Zwei Vektoren prüft man auf lineare Abhängigkeit, drei Vektoren auf lineare Unabhängigkeit. a) Prüfen Sie, ob die beiden Vektoren linear abhängig oder unabhängig sind: I) a =, b = II) a =, b = III) a =, b = IV) a =, b = 9 9 b) Prüfen Sie, ob die drei angegebenen Vektoren linear abhängig oder unabhängig sind: I) a =, b =, c = II) a =, b =, c = III) a =, b =, c =

7 Tipps. Rechnen mit Vektoren Geometrie Rechnen mit Vektoren. Addition und Subtraktion von Vektoren Für das Rechnen mit Vektoren gelten folgende Gesetze: a b a + b a b Addition: a + b = a + b Subtraktion: a b = a b a + b a b a s a Skalare Multiplikation: s a = s a (Zahl Vektor = Vektor), für s IR a s a a b Skalarprodukt: a b a b a Betrag bzw. Länge: a a = a b + a b + a b (Vektor Vektor = Zahl) = a + a + a a b a b a b. Orthogonalität von Vektoren Zwei Vektoren stehen genau dann senkrecht aufeinander, wenn das Skalarprodukt gleich Null ist. Ist das Skalarprodukt ungleich Null, dann sind die beiden Vektoren nicht orthogonal.. Auffinden von orthogonalen Vektoren Es sind Vektoren zu suchen, deren Skalarprodukt mit n Null ergibt.. Orts- und Verbindungsvektoren Ortsvektoren setzen am Ursprung O( ) an. Verbindungsvektoren zwischen zwei Punkten erhält man mit Hilfe der Ortsvektoren.. Verschiedene Aufgaben a) Stellen Sie jeweils drei Verbindungsvektoren zwischen je zwei Punkten auf und berechnen Sie deren Länge. b) Die Orthogonalität lässt sich mit dem Skalarprodukt überprüfen. 9

8 . Geraden Tipps c) Tragen Sie in Ihre Skizze jeweils die gegebenen und gesuchten Punkte sowie den Ursprung O ein. Bestimmen Sie mit Hilfe einer Vektorkette den Ortsvektor des gesuchten Punktes. Geben Sie die Koordinaten des gesuchten Punktes an. d) Den Schwerpunkt S eines Dreiecks ABC erhalten Sie mit der Formel s = ( ) a + b+ c. e) Tragen Sie in Ihre Skizze die gegebenen und gesuchten Punkte sowie den Ursprung O ein. Achten Sie dabei auf die Reihenfolge der Punkte (gegen den Uhrzeigersinn). Bestimmen Sie mit Hilfe einer Vektorkette den Ortsvektor des gesuchten Punktes. Geben Sie die Koordinaten des gesuchten Punktes an. f) Da je vier Kanten parallel sind, gilt BF = CG = DH = AE, BC = AD = FG = EH und AB = EF = DC = HG. Bestimmen Sie mit Hilfe einer Vektorkette den Ortsvektor des gesuchten Punktes. Geben Sie die Koordinaten des gesuchten Punktes an. g) Tragen Sie in Ihre Skizze die gegebenen und gesuchten Punkte sowie den Ursprung O ein. Bestimmen Sie mit Hilfe einer Vektorkette den Ortsvektor des gesuchten Punktes. Geben Sie die Koordinaten des gesuchten Punktes an. Die Länge einer Kante ist die Länge des Verbindungsvektors der beiden Eckpunkte.. Lineare Abhängigkeit/ Unabhängigkeit a) Wenn zwei Vektoren linear abhängig sind, dann ist der eine Vektor ein Vielfaches des anderen, d.h. sie müssen eine Zahl k finden, so dass gilt k a = b; k I R. b) Wenn drei Vektoren linear unabhängig sind, so hat der Nullvektor eine eindeutige Darstellung als Linearkombination der drei Vektoren: Wählen Sie als Ansatz r a + s b + t c = und berechnen r, s und t aus dem entstandenen Gleichungssystem. Ist die einzige Lösung r = s = t =, so sind a, b und c linear unabhängig. Geraden. Aufstellen von Geradengleichungen Verwenden Sie den Ortsvektor des einen Punktes als Stützvektor. Bilden Sie den Richtungsvektor, indem Sie den Verbindungsvektor zwischen den beiden Punkten aufstellen.. Punktprobe Setzen Sie den Ortsvektor des Punktes in die Geradengleichung ein und prüfen Sie, ob sich für alle drei Komponenten der gleiche Parameter ergibt. 9

9 Lösungen. Rechnen mit Vektoren Geometrie Rechnen mit Vektoren. Addition und Subtraktion von Vektoren Gegeben sind die Vektoren a = und b =. a) a + b = d) a = b) a b = e) a+ b = c) a = 8 f) a b = ( ) + + = g) a = ( ) + + = + + = h) b = + + = i) a + b = = + + = 9 =. Orthogonalität von Vektoren a) a b = = ( ) + + = a steht nicht orthogonal auf b. b) r n = c) z w = = + ( ) + ( ) = r steht orthogonal auf n. = + ( ) + = z steht orthogonal auf w. 8

10 . Rechnen mit Vektoren Lösungen. Auffinden von orthogonalen Vektoren Es sind Vektoren zu bestimmen, deren Skalarprodukt mit n Null ergibt. Dazu kann man zwei Komponenten des Vektors frei wählen, die dritte ergibt sich dann, z.b.: a =, denn a n = = + ( ) + ( ) = = b = c =, denn b n =, denn c n = = + + ( ) = = = + ( ) + ( ) = =. Orts- und Verbindungsvektoren Gegeben sind die Punkte A( ), B( ) und C( ). a) a =, b = b) AB = b a = AC = c a = BC = c b =, c = = = = c) Nein, ein Verbindungsvektor verbindet zwei beliebige Punkte. Ein Ortsvektor geht immer vom Ursprung zu einem Punkt. 8

11 Lösungen. Rechnen mit Vektoren. Verschiedene Aufgaben a) I) AB =, AC = BC =, damit ist das Dreieck gleichschenklig. II) AB = b) AB =, AC =, BC = und BC =, damit ist das Dreieck nicht gleichschenklig. AB AC = AB BC = AC BC =, AC =, BC = = + + = = = = + + =, es ist AB = AC =,, es ist AB = 8, AC = Da das Skalarprodukt von AB und BC gleich Null ist, stehen diese beiden Vektoren senkrecht aufeinander, d.h. das Dreieck ABC hat bei B einen rechten Winkel. OM = OA + AB = + c) I) = 8 M( ) II) OP = OA+ AB = + P( ) 9 = 8

12 . Rechnen mit Vektoren Lösungen d) I) Den Schwerpunkt S des Dreiecks ABC mit A( ), B( ) und C( ) erhalten Sie mit der Formel ( s = a + ) b+ c = + + = e) I) S ( ). = II) Den Schwerpunkt S des Dreiecks PQR mit P( ), Q( ) und R( ) erhalten Sie mit der Formel s = ( p + q+ r) = + + = = S( ). OD = OA + BC = D( ) = II) OD = OB + AC = D ( ) 8 + = III) OD = OA + CB = D ( 9 ) + 8 = 9 f) I) Es ergeben sich folgende mögliche Vektorketten: OD = OA + BC = OE = OA + BF = OG = OC + BF = = 9 = D( ) = E( ) G( ) 88

13 Lösungen. Rechnen mit Vektoren OH = OD + BF = + 9 = 9 H( 9) II) Die Länge der Raumdiagonalen AG ist die Länge des Verbindungsvektors AG: AG = AG = = = 8 g) Bei einem schiefen Dreiecksprisma sind folgende Kanten parallel: AD, BE und CF AD = BE = CF. Daher gilt: OE = OB + 8 AD = + = E(8 ) OF = OC + AD = + = F( ) Die Länge der Kante EF ist EF = = + + = LE.. Lineare Abhängigkeit/ Unabhängigkeit k = a) I) Der Ansatz k = führt zu k = und damit zu k =, k = d.h. a und b sind linear abhängig. II) Der Ansatz k = führt zu Widerspruch, d.h. a und b sind linear unabhängig. III) Der Ansatz k = führt zu 9 d.h. a und b sind linear abhängig. k = = k = k = k = 9k = und damit zu einem und damit zu k =, 89

14 . Rechnen mit Vektoren Lösungen IV) Der Ansatz k = 9 führt zu k = k = k = 9 und damit zu verschiedenen Werten für k, also sind a und b linear unabhängig. b) I) Der Ansatz r + s +t = I r + s + t = II r s + t = III r + s = führt zu Löst man das Gleichungssystem entsprechend Kapitel, so erhält man s =, r = und t =, d.h. a, b, und c sind linear unabhängig. II) Der Ansatz r + s +t = I r + s + t = II s + t = III r s t = führt zu Addiert man Gleichung I zum Zweifachen von Gleichung III, so ergibt sich I r + s + t = II s + t = IIIa s t = Nun erkennt man, dass Gleichung II das ( )-fache von Gleichung IIIa ist, d.h. es gibt unendlich viele Lösungen, z.b. kann man t = wählen, so ergibt sich s = und r =. Damit gibt es Lösungen mit r, s und t, d.h. a, b, und c sind linear abhängig. III) Der Ansatz r + s +t = I r + s + t = II r + s t = III r + s t = führt zu Löst man das Gleichungssystem entsprechend Kapitel, so erhält man r =, s = und t =, d.h. a, b, und c sind linear unabhängig. 9