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 2 +4 x 3 = -33 ist und die den Punkt P(-4|-5|-3) enthält.

Lösung einblenden

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

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

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

0-5-12 = d

-17 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: + x 2 +4 x 3 = -17 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|1|0) auf der Ebene E: -3 x 1 +a x 2 +4 x 3 = 10 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-3) + a1 + 40 = 10
9+a ⋅ 1+0 = 10 |-9
1a = 1 | :1
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 4 0 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 +5 x 3 = d .

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

4 3 +5 2 = d

12+0+10 = d

22 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 +5 x 3 = 22 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +4 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 4 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

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

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

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

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

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

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -6 -9 1 ) + r ( 6 -1 0 ) + s ( 9 -2 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 1 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 1 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 = ( -4 -2 5 ) +t ( -4 0 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -5 x 2 +8 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 0 -1 ) ( a -5 8 ) = 0

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

Für a = -2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 -5 x 2 +8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|-2|5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|-2|5) in E: -2 x 1 -5 x 2 +8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 ( - 4 ) -5 ( - 2 ) +8 5 = b

8+10+40 = b

58 = b

Mit b = 58 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -5 x 2 +8 x 3 = 58 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -3 x 2 +3 x 3 = -19 und F: -6 x 1 +9 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen sich orthogonal schneiden und beide den Punkt den P(1|3|-4) enthalten.

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Wenn sich die beiden Ebenen orthognal schneiden sollen, müssen auch ihre Normalenvektoren orthogonal sein. Es muss also gelten:
( -6 9 a ) ( 2 -3 3 ) =0

2(-6) + (-3)9 + 3a = 0
-12+(-27)+a ⋅ 3 = 0 |+39
3a = 39 | :3
a = 13

Für a = 13 sind also die beiden Normalenvektoren und damit auch die Ebenen orthogonal. F hat dann also die Koordinatengleichung

F: -6 x 1 +9 x 2 +13 x 3 = b .

P liegt immer in E, denn 21 + (-3)3 + 3(-4) = -19
Damit P auch in F liegt, müssen wir den Punkt einfach in F einsetzen und nach b auflösen.

-6 1 +9 3 +13 ( - 4 ) = b

-6+27-52 = b

-31 = b

Mit b = -31 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -6 x 1 +9 x 2 +13 x 3 = -31 .