Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 1 +2 x 2 -4 x 3 = 7 ist und die den Punkt P(4|3|-3) enthält.

Lösung einblenden

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

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

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

-12+6+12 = d

6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +2 x 2 -4 x 3 = 6 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

4(-2) + (-4)1 + a2 = -2
-8+(-4)+a ⋅ 2 = -2 |+12
2a = 10 | :2
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 5 -3 ) +t ( 4 -1 4 ) ist und die den Punkt P(4|-5|-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 4 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 - x 2 +4 x 3 = d .

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

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

16+5-16 = d

5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 1 = -3 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -5 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-x3-Ebene ist und den Punkt (1|3|4) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(1|3|4) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 13 + 04=3
also: + x 2 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -1 0 8 ) + r ( -4 0 4 ) + s ( -9 0 -2 ) ?

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1. Weg:

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

E ist also die 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 die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -4 -2 2 ) +t ( -3 3 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -4 x 2 -9 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 3 -1 ) ( a -4 -9 ) = 0

(-3)a + 3(-4) + (-1)(-9) = 0
a ⋅ (-3)+(-12)+9 = 0 |+3
-3a = 3 | :(-3)
a = -1

Für a = -1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - x 1 -4 x 2 -9 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|-2|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|-2|2) in E: - x 1 -4 x 2 -9 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-1 ( - 4 ) -4 ( - 2 ) -9 2 = b

4+8-18 = b

-6 = b

Mit b = -6 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 -4 x 2 -9 x 3 = -6 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 + x 2 +2 x 3 = -7 und F: -3 x 1 - 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:
( -3 -1 a ) = t⋅ ( 3 1 2 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -1 ⋅ 2 = -2.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -3 x 1 - x 2 -2 x 3 = 7 , d.h. für b = 7 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 7, also z.B.: b = 8 setzen.