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 +5 x 2 -5 x 3 = -13 ist und die den Punkt P(1|-2|2) enthält.

Lösung einblenden

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

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

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

1-10-10 = d

-19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 +5 x 2 -5 x 3 = -19 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)3 + 12 + a(-3) = 2
-9+2+a ⋅ (-3) = 2 |+7
-3a = 9 | :(-3)
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 5 4 -2 ) +t ( 3 -2 0 ) ist und die den Punkt P(2|-5|5) enthält.

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

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

3 2 -2 ( - 5 ) = d

6+10+0 = d

16 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +4 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 4 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (3|3|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|3|4) eingesetzt:
b⋅3 + c⋅4=d

b=1;c=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=7 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|3|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -5 6 4 ) + r ( -3 0 -6 ) + s ( -1 0 6 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 6 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 6 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 5 -5 -1 ) +t ( 1 1 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -4 x 2 -8 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:

( 1 1 -1 ) ( a -4 -8 ) = 0

1a + 1(-4) + (-1)(-8) = 0
a ⋅ 1+(-4)+8 = 0 |-4
1a = -4 | :1
a = -4

Für a = -4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 -4 x 2 -8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|-5|-1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|-5|-1) in E: -4 x 1 -4 x 2 -8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-4 5 -4 ( - 5 ) -8 ( - 1 ) = b

-20+20+8 = b

8 = b

Mit b = 8 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 -4 x 2 -8 x 3 = 8 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 10 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -20 und F: a x 1 +10 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 10 10 ) = t⋅ ( 10 5 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 2 ⋅ 10 = 20.

Für a = 20 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 20 x 1 +10 x 2 +10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 20 x 1 +10 x 2 +10 x 3 = -40 , d.h. für b = -40 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -40, also z.B.: b = -39 setzen.