Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = -15 ist und die den Punkt P(2|4|-3) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(2|4|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

8-8-9 = d

-9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = -9 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|-4|0) auf der Ebene E: a x 1 -4 x 2 +3 x 3 = 31 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-3) + (-4)(-4) + 30 = 31
a ⋅ (-3)+16+0 = 31 |-16
-3a = 15 | :(-3)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -4 -5 -1 ) +t ( -2 -5 5 ) ist und die den Punkt P(-3|-2|0) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-3|-2|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 ( - 3 ) -5 ( - 2 ) +5 0 = d

6+10+0 = d

16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -5 x 2 +5 x 3 = 16 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 7 x 1 -3 x 3 = -4 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (4|4|4) 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(4|4|4) eingesetzt:
a⋅4 + b⋅4=d

a=1;b=1 und d=8 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=8 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|4|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 5 9 6 ) + r ( 0 0 -4 ) + s ( -2 -7 -9 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -4 ) 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 -4 ) ( 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 = ( -5 0 -4 ) +t ( -4 0 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 - x 2 -12 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 -1 -12 ) = 0

(-4)a + 0(-1) + (-1)(-12) = 0
a ⋅ (-4)+0+12 = 0 |-12
-4a = -12 | :(-4)
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 - x 2 -12 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|0|-4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-5|0|-4) in E: 3 x 1 - x 2 -12 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 ( - 5 ) -1 0 -12 ( - 4 ) = b

-15+0+48 = b

33 = b

Mit b = 33 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 - x 2 -12 x 3 = 33 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 -2 x 2 +2 x 3 = 7 und F: 6 x 1 +4 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen sich orthogonal schneiden und beide den Punkt den P(-3|5|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 4 a ) ( -3 -2 2 ) =0

(-3)6 + (-2)4 + 2a = 0
-18+(-8)+a ⋅ 2 = 0 |+26
2a = 26 | :2
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 +4 x 2 +13 x 3 = b .

P liegt immer in E, denn (-3)(-3) + (-2)5 + 24 = 7
Damit P auch in F liegt, müssen wir den Punkt einfach in F einsetzen und nach b auflösen.

6 ( - 3 ) +4 5 +13 4 = b

-18+20+52 = b

54 = b

Mit b = 54 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 6 x 1 +4 x 2 +13 x 3 = 54 .