Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 50 ist und die den Punkt P(4|4|4) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 1 2 5 ) und damit die Form E: x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d .

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

1 4 +2 4 +5 4 = d

4+8+20 = d

32 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 32 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|3|-3) auf der Ebene E: 5 x 1 -3 x 2 +a x 3 = 19 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

55 + (-3)3 + a(-3) = 19
25+(-9)+a ⋅ (-3) = 19 |-16
-3a = 3 | :(-3)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 2 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: +2 x 2 +2 x 3 = d .

Da der Punkt P(5|-4|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

0-8-6 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +2 x 2 +2 x 3 = -14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +2 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 2 ) , 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (3|4|1) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=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 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

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

Punkt P(3|4|1) eingesetzt:
a⋅3 + b⋅4=d

a=1;b=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=7 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|4|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -3 6 -5 ) + r ( -1 -3 0 ) + s ( 2 -2 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -5 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 1 4 4 ) +t ( -1 3 -1 ) komplett in der Ebene E: x 1 +a x 2 +14 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:

( -1 3 -1 ) ( 1 a 14 ) = 0

(-1)1 + 3a + (-1)14 = 0
-1+a ⋅ 3+(-14) = 0 |+15
3a = 15 | :3
a = 5

Für a = 5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: x 1 +5 x 2 +14 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (1|4|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (1|4|4) in E: x 1 +5 x 2 +14 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

1 1 +5 4 +14 4 = b

1+20+56 = b

77 = b

Mit b = 77 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 +5 x 2 +14 x 3 = 77 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -26 und F: -6 x 1 +10 x 2 +a 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:
( -6 10 a ) = t⋅ ( -3 5 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 2 ⋅ 2 = 4.

Für a = 4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -6 x 1 +10 x 2 +4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -6 x 1 +10 x 2 +4 x 3 = -52 , d.h. für b = -52 sind die beiden Ebenen identisch.