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 -4 x 2 + x 3 = 8 ist und die den Punkt P(5|-4|5) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 -4 1 ) und damit die Form E: -5 x 1 -4 x 2 + x 3 = d .

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

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

-25+16+5 = d

-4 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 -4 x 2 + x 3 = -4 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|3|-3) auf der Ebene E: a x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -8 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + 23 + 5(-3) = -8
a ⋅ 1+6+(-15) = -8 |+9
1a = 1 | :1
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(2|-5|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-10-10+2 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +2 x 2 -2 x 3 = -18 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: - x 2 +8 x 3 = 9 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (2|3|3) 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(2|3|3) eingesetzt:
a⋅2 + b⋅3=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(2|3|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 1 -7 -9 ) + r ( 4 -5 0 ) + s ( 2 -5 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 = ( -1 -5 3 ) +t ( -3 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: -4 x 1 +a 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:

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

(-3)(-4) + (-5)a + (-1)12 = 0
12+a ⋅ (-5)+(-12) = 0 |-0
-5a = 0 | :(-5)
a = 0

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 +12 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-1|-5|3).

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

-4 ( - 1 ) +12 3 = b

4+0+36 = b

40 = b

Mit b = 40 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 +12 x 3 = 40 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 - x 2 +3 x 3 = -9 und F: 3 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:
( 3 -3 a ) = t⋅ ( 1 -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: 3 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: 3 x 1 -3 x 2 +9 x 3 = -27 , d.h. für b = -27 sind die beiden Ebenen identisch.