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 1 -3 x 2 = 17 ist und die den Punkt P(4|-5|2) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 5 -3 0 ) und damit die Form E: 5 x 1 -3 x 2 = d .

Da der Punkt P(4|-5|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 4 -3 ( - 5 ) = d

20+15+0 = d

35 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -3 x 2 = 35 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|-4|2) auf der Ebene E: x 1 -4 x 2 +a x 3 = 24 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

1(-2) + (-4)(-4) + a2 = 24
-2+16+a ⋅ 2 = 24 |-14
2a = 10 | :2
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(4|-1|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

20-5+20 = d

35 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 35 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 2 x 1 -7 x 3 = -5 ?

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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 der x1-x3-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 10 + 00=0
also: + x 2 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 3 -3 ) + r ( 0 -4 -2 ) + s ( 0 7 -5 ) ?

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1. Weg:

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

E ist also die 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 die x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -5 -4 -5 ) +t ( 2 3 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +2 x 2 -4 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 3 -1 ) ( a 2 -4 ) = 0

2a + 32 + (-1)(-4) = 0
a ⋅ 2+6+4 = 0 |-10
2a = -10 | :2
a = -5

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

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

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

25-8+20 = b

37 = b

Mit b = 37 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 +2 x 2 -4 x 3 = 37 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 23 und F: -6 x 1 +12 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel 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 12 a ) = t⋅ ( -2 4 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 5 = 15.

Für a = 15 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -6 x 1 +12 x 2 +15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -6 x 1 +12 x 2 +15 x 3 = 69 , d.h. für b = 69 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 69, also z.B.: b = 70 setzen.