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 + x 2 - x 3 = -10 ist und die den Punkt P(0|1|1) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(0|1|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 0 +1 1 -1 1 = d

0+1-1 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 + x 2 - x 3 = 0 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|1|-4) auf der Ebene E: a x 1 - x 2 -2 x 3 = 19 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-4) + (-1)1 + (-2)(-4) = 19
a ⋅ (-4)+(-1)+8 = 19 |-7
-4a = 12 | :(-4)
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 5 -5 4 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = d .

Da der Punkt P(1|-4|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

5+20+4 = d

29 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = 29 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 3 x 1 = 9 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 3 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (4|3|2) beinhaltet.

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

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 7 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 7 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 = ( 0 2 -5 ) +t ( -2 4 -1 ) komplett in der Ebene E: +a x 2 -4 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:

( -2 4 -1 ) ( 0 a -4 ) = 0

(-2)0 + 4a + (-1)(-4) = 0
0+a ⋅ 4+4 = 0 |-4
4a = -4 | :4
a = -1

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

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

-1 2 -4 ( - 5 ) = b

0-2+20 = b

18 = b

Mit b = 18 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 2 -4 x 3 = 18 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 -5 x 2 +41 x 3 = 66 und F: 12 x 1 -15 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:
( 12 -15 a ) = t⋅ ( 4 -5 41 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = 3 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 41 = 123.

Für a = 123 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 12 x 1 -15 x 2 +123 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 12 x 1 -15 x 2 +123 x 3 = 198 , d.h. für b = 198 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 198, also z.B.: b = 199 setzen.