Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 +4 x 3 = -16 ist und die den Punkt P(-3|3|2) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 2 0 4 ) und damit die Form E: 2 x 1 +4 x 3 = d .

Da der Punkt P(-3|3|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

2 ( - 3 ) +4 2 = d

-6+0+8 = d

2 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 +4 x 3 = 2 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|1|0) auf der Ebene E: - x 1 +a x 2 -4 x 3 = 0 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)1 + a1 + (-4)0 = 0
-1+a ⋅ 1+0 = 0 |+1
1a = 1 | :1
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 5 -3 1 ) +t ( 3 -1 2 ) ist und die den Punkt P(4|-2|-5) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 3 -1 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 - x 2 +2 x 3 = d .

Da der Punkt P(4|-2|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 4 -1 ( - 2 ) +2 ( - 5 ) = d

12+2-10 = d

4 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 - x 2 +2 x 3 = 4 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 6 x 1 = -1 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 6 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (1|1|2) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x2-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x2-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x3 einsetzt, muss b=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja a0 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

Der Koeffizient b vor x2 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
a⋅x1 + c⋅x3=d.

Punkt P(1|1|2) eingesetzt:
a⋅1 + c⋅2=d

a=1;c=1 und d=3 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=3 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|1|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -2 4 8 ) + r ( -6 0 0 ) + s ( -7 3 6 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( -6 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-Achse.

2. Weg:

Da der 1. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( -6 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x2 und x3 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x1-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 3 -2 3 ) +t ( -3 -3 -1 ) komplett in der Ebene E: 2 x 1 -4 x 2 +a x 3 = b liegt.

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Wenn die Gerade g in E liegen soll, muss auch der Normalenvektor von E orthogonal zum Richtungsvektor von g sein, also muss gelten:

( -3 -3 -1 ) ( 2 -4 a ) = 0

(-3)2 + (-3)(-4) + (-1)a = 0
-6+12+a ⋅ (-1) = 0 |-6
-1a = -6 | :(-1)
a = 6

Für a = 6 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 2 x 1 -4 x 2 +6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (3|-2|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|-2|3) in E: 2 x 1 -4 x 2 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

2 3 -4 ( - 2 ) +6 3 = b

6+8+18 = b

32 = b

Mit b = 32 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 -4 x 2 +6 x 3 = 32 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: - x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 9 und F: x 1 -3 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen sich orthogonal schneiden und beide den Punkt den P(-2|5|-4) enthalten.

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Wenn sich die beiden Ebenen orthognal schneiden sollen, müssen auch ihre Normalenvektoren orthogonal sein. Es muss also gelten:
( 1 -3 a ) ( -1 3 2 ) =0

(-1)1 + 3(-3) + 2a = 0
-1+(-9)+a ⋅ 2 = 0 |+10
2a = 10 | :2
a = 5

Für a = 5 sind also die beiden Normalenvektoren und damit auch die Ebenen orthogonal. F hat dann also die Koordinatengleichung

F: x 1 -3 x 2 +5 x 3 = b .

P liegt immer in E, denn (-1)(-2) + 35 + 2(-4) = 9
Damit P auch in F liegt, müssen wir den Punkt einfach in F einsetzen und nach b auflösen.

1 ( - 2 ) -3 5 +5 ( - 4 ) = b

-2-15-20 = b

-37 = b

Mit b = -37 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 -3 x 2 +5 x 3 = -37 .