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 +2 x 2 +3 x 3 = 40 ist und die den Punkt P(-3|3|2) enthält.

Lösung einblenden

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

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

9+6+6 = d

21 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 21 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|-2|-3) auf der Ebene E: -3 x 1 +a x 2 +4 x 3 = -21 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)1 + a(-2) + 4(-3) = -21
-3+a ⋅ (-2)+(-12) = -21 |+15
-2a = -6 | :(-2)
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-3-8-6 = d

-17 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -2 x 2 -2 x 3 = -17 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: - x 1 +5 x 2 = -3 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x2-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -5 -8 -5 ) + r ( 0 -9 9 ) + s ( 0 -6 -5 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -5 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 4 -1 3 ) +t ( 5 4 -1 ) komplett in der Ebene E: 2 x 1 +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:

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

52 + 40 + (-1)a = 0
10+0+a ⋅ (-1) = 0 |-10
-1a = -10 | :(-1)
a = 10

Für a = 10 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 2 x 1 +10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (4|-1|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (4|-1|3) in E: 2 x 1 +10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

2 4 +10 3 = b

8+0+30 = b

38 = b

Mit b = 38 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 +10 x 3 = 38 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 +5 x 2 +41 x 3 = 143 und F: -12 x 1 -15 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:
( -12 -15 a ) = t⋅ ( 4 5 41 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -3 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -3 ⋅ 41 = -123.

Für a = -123 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -12 x 1 -15 x 2 -123 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -12 x 1 -15 x 2 -123 x 3 = -429 , d.h. für b = -429 sind die beiden Ebenen identisch.