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 +3 x 2 -3 x 3 = 15 ist und die den Punkt P(-5|3|-2) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-5|3|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

10+9+6 = d

25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +3 x 2 -3 x 3 = 25 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

13 + 4(-1) + a1 = 0
3+(-4)+a ⋅ 1 = 0 |+1
1a = 1 | :1
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(2|2|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

4+10+2 = d

16 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 2 = 6 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -7 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-x3-Ebene ist und den Punkt (2|3|4) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(2|3|4) in diese Gleichung erhält man
d = 12 + 03 + 04=2
also: x 1 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 3 -6 9 ) + r ( -1 -5 0 ) + s ( -7 -9 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 9 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 9 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 = ( 0 -1 2 ) +t ( 3 5 -1 ) komplett in der Ebene E: -3 x 1 -2 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:

( 3 5 -1 ) ( -3 -2 a ) = 0

3(-3) + 5(-2) + (-1)a = 0
-9+(-10)+a ⋅ (-1) = 0 |+19
-1a = 19 | :(-1)
a = -19

Für a = -19 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 -2 x 2 -19 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|-1|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|-1|2) in E: -3 x 1 -2 x 2 -19 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 0 -2 ( - 1 ) -19 2 = b

0+2-38 = b

-36 = b

Mit b = -36 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 -2 x 2 -19 x 3 = -36 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 -3 x 2 +3 x 3 = 8 und F: 6 x 1 +9 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 9 a ) = t⋅ ( -2 -3 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: 6 x 1 +9 x 2 -9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 +9 x 2 -9 x 3 = -24 , d.h. für b = -24 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -24, also z.B.: b = -23 setzen.