Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 1 -4 x 2 -2 x 3 = -18 ist und die den Punkt P(2|3|-1) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(2|3|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-6-12+2 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -4 x 2 -2 x 3 = -16 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|-4|-2) auf der Ebene E: a x 1 -4 x 2 -4 x 3 = 22 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + (-4)(-4) + (-4)(-2) = 22
a ⋅ 1+16+8 = 22 |-24
1a = -2 | :1
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 4 4 3 ) +t ( -2 -5 -2 ) ist und die den Punkt P(0|5|-5) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -2 -5 -2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -2 x 1 -5 x 2 -2 x 3 = d .

Da der Punkt P(0|5|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 0 -5 5 -2 ( - 5 ) = d

0-25+10 = d

-15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -5 x 2 -2 x 3 = -15 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +5 x 2 = -1 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 5 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-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 x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (3|4|3) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 0 1 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(3|4|3) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 14 + 03=4
also: + x 2 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -6 0 1 ) + r ( -7 0 9 ) + s ( -8 0 6 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also die x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 5 4 -5 ) +t ( 4 4 -1 ) komplett in der Ebene E: -2 x 1 -5 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:

( 4 4 -1 ) ( -2 -5 a ) = 0

4(-2) + 4(-5) + (-1)a = 0
-8+(-20)+a ⋅ (-1) = 0 |+28
-1a = 28 | :(-1)
a = -28

Für a = -28 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 -5 x 2 -28 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|4|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|4|-5) in E: -2 x 1 -5 x 2 -28 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 5 -5 4 -28 ( - 5 ) = b

-10-20+140 = b

110 = b

Mit b = 110 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -5 x 2 -28 x 3 = 110 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 +13 x 2 +3 x 3 = 37 und F: 4 x 1 +a x 2 +6 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen identisch sind.

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Wenn die beiden Ebenen parallel oder identisch sein sollen, müssen ihre Normalenvektoren vielfache (oder gleich) sein. Es muss also gelten:
( 4 a 6 ) = t⋅ ( 2 13 3 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = 2 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 13 = 26.

Für a = 26 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 4 x 1 +26 x 2 +6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 4 x 1 +26 x 2 +6 x 3 = 74 , d.h. für b = 74 sind die beiden Ebenen identisch.