Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: +5 x 3 = 25 ist und die den Punkt P(-2|-5|3) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 0 5 ) und damit die Form E: +5 x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|-5|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

+5 3 = d

0+0+15 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +5 x 3 = 15 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|2|-5) auf der Ebene E: a x 1 - x 2 -4 x 3 = 12 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a3 + (-1)2 + (-4)(-5) = 12
a ⋅ 3+(-2)+20 = 12 |-18
3a = -6 | :3
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 3 4 4 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = d .

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

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

3-8+4 = d

-1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 3 = -8 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 -4 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-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-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x2-x3-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 6 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 6 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 2 1 -5 ) +t ( 2 2 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +5 x 2 +16 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:

( 2 2 -1 ) ( a 5 16 ) = 0

2a + 25 + (-1)16 = 0
a ⋅ 2+10+(-16) = 0 |+6
2a = 6 | :2
a = 3

Für a = 3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 +5 x 2 +16 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|1|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (2|1|-5) in E: 3 x 1 +5 x 2 +16 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 2 +5 1 +16 ( - 5 ) = b

6+5-80 = b

-69 = b

Mit b = -69 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 +5 x 2 +16 x 3 = -69 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +5 x 2 -4 x 3 = -23 und F: -4 x 1 +a x 2 -8 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 -8 ) = t⋅ ( -2 5 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 5 = 10.

Für a = 10 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 +10 x 2 -8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 +10 x 2 -8 x 3 = -46 , d.h. für b = -46 sind die beiden Ebenen identisch.