Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 -3 x 2 +5 x 3 = 29 ist und die den Punkt P(2|3|2) enthält.

Lösung einblenden

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

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

4 2 -3 3 +5 2 = d

8-9+10 = d

9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -3 x 2 +5 x 3 = 9 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|-3|4) auf der Ebene E: -4 x 1 +a x 2 +4 x 3 = 26 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)(-1) + a(-3) + 44 = 26
4+a ⋅ (-3)+16 = 26 |-20
-3a = 6 | :(-3)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 -1 0 ) +t ( -2 -2 1 ) ist und die den Punkt P(4|-5|5) enthält.

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

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

-2 4 -2 ( - 5 ) +1 5 = d

-8+10+5 = d

7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -2 x 2 + x 3 = 7 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 1 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (3|4|4) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x1-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x1-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x2 und x3 einsetzt, muss a=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

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

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

b=1;c=1 und d=8 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=8 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|4|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 6 5 0 ) + r ( 1 -4 0 ) + s ( -4 -6 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also die 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 die x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -2 5 0 ) +t ( 0 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 +16 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:

( 0 -4 -1 ) ( 5 a 16 ) = 0

05 + (-4)a + (-1)16 = 0
0+a ⋅ (-4)+(-16) = 0 |+16
-4a = 16 | :(-4)
a = -4

Für a = -4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 5 x 1 -4 x 2 +16 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|5|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-2|5|0) in E: 5 x 1 -4 x 2 +16 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 ( - 2 ) -4 5 +16 0 = b

-10-20+0 = b

-30 = b

Mit b = -30 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 -4 x 2 +16 x 3 = -30 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 29 x 1 -2 x 2 +5 x 3 = -81 und F: a x 1 +4 x 2 -10 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:
( a 4 -10 ) = t⋅ ( 29 -2 5 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -2 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 29 = -58.

Für a = -58 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -58 x 1 +4 x 2 -10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -58 x 1 +4 x 2 -10 x 3 = 162 , d.h. für b = 162 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 162, also z.B.: b = 163 setzen.