Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: - x 1 -2 x 2 +2 x 3 = -17 ist und die den Punkt P(0|-3|-4) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(0|-3|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 0 -2 ( - 3 ) +2 ( - 4 ) = d

0+6-8 = d

-2 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|-4|2) auf der Ebene E: a x 1 - x 2 +5 x 3 = 2 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-3) + (-1)(-4) + 52 = 2
a ⋅ (-3)+4+10 = 2 |-14
-3a = -12 | :(-3)
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -4 -1 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -4 x 1 - x 2 +2 x 3 = d .

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

-4 ( - 3 ) -1 3 +2 4 = d

12-3+8 = d

17 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 - x 2 +2 x 3 = 17 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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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-Achse ist und den Punkt (2|3|4) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x2-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x2-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x3 einsetzt, muss b=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 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

Der Koeffizient b vor x2 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
a⋅x1 + c⋅x3=d.

Punkt P(2|3|4) eingesetzt:
a⋅2 + c⋅4=d

a=1;c=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=6 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|3|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -8 -2 9 ) + r ( 0 -8 5 ) + s ( 0 -2 7 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -8 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

45 + 04 + (-1)a = 0
20+0+a ⋅ (-1) = 0 |-20
-1a = -20 | :(-1)
a = 20

Für a = 20 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 5 x 1 +4 x 2 +20 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|-3|-1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-5|-3|-1) in E: 5 x 1 +4 x 2 +20 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 ( - 5 ) +4 ( - 3 ) +20 ( - 1 ) = b

-25-12-20 = b

-57 = b

Mit b = -57 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 +4 x 2 +20 x 3 = -57 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -1 und F: 6 x 1 -6 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:
( 6 -6 a ) = t⋅ ( -2 2 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 -6 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 -6 x 2 -9 x 3 = 3 , d.h. für b = 3 sind die beiden Ebenen identisch.