Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 0 0 ) und damit die Form E: -5 x 1 = d .

Da der Punkt P(4|-1|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 4 = d

-20+0+0 = d

-20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 = -20 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|-4|2) auf der Ebene E: -2 x 1 -4 x 2 +a x 3 = 12 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-2)(-2) + (-4)(-4) + a2 = 12
4+16+a ⋅ 2 = 12 |-20
2a = -8 | :2
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-3 ( - 3 ) +3 2 = d

9+6+0 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +3 x 2 = 15 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 1 +3 x 3 = -9 ?

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Wenn man die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x1 und x3 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (3|2|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|2|4) eingesetzt:
b⋅2 + c⋅4=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 -9 1 ) + r ( 0 -3 4 ) + s ( 0 -9 -9 ) ?

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1. Weg:

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

E ist also die 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 die x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

44 + 43 + (-1)a = 0
16+12+a ⋅ (-1) = 0 |-28
-1a = -28 | :(-1)
a = 28

Für a = 28 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 +3 x 2 +28 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|-3|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|-3|3) in E: 4 x 1 +3 x 2 +28 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 ( - 3 ) +3 ( - 3 ) +28 3 = b

-12-9+84 = b

63 = b

Mit b = 63 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 +3 x 2 +28 x 3 = 63 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

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

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

Für a = -2 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -2 x 1 -5 x 2 +5 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -2 x 1 -5 x 2 +5 x 3 = -5 , d.h. für b = -5 sind die beiden Ebenen identisch.