Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 -5 x 2 -5 x 3 = 38 ist und die den Punkt P(-1|-5|-1) enthält.

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

Da der Punkt P(-1|-5|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 ( - 1 ) -5 ( - 5 ) -5 ( - 1 ) = d

2+25+5 = d

32 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|2|-3) auf der Ebene E: x 1 +a x 2 +5 x 3 = -28 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

1(-5) + a2 + 5(-3) = -28
-5+a ⋅ 2+(-15) = -28 |+20
2a = -8 | :2
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 -1 -2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: - x 2 -2 x 3 = d .

Da der Punkt P(-1|-3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 ( - 3 ) -2 0 = d

0+3+0 = d

3 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -3 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 x3-Achse ist und den Punkt (1|4|2) 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(1|4|2) eingesetzt:
a⋅1 + b⋅4=d

a=1;b=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=5 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|4|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 1 1 -3 ) + r ( 0 0 7 ) + s ( -7 -5 -9 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 7 ) 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 7 ) ( 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 = ( 2 2 1 ) +t ( -4 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: + x 2 +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:

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

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

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

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

+1 2 -5 1 = b

0+2-5 = b

-3 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 - x 2 +3 x 3 = 3 und F: 9 x 1 -3 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:
( 9 -3 a ) = t⋅ ( 3 -1 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 9 x 1 -3 x 2 +9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 9 x 1 -3 x 2 +9 x 3 = 9 , d.h. für b = 9 sind die beiden Ebenen identisch.