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 -3 x 2 -4 x 3 = 28 ist und die den Punkt P(-4|-2|-5) enthält.

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

Da der Punkt P(-4|-2|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 ( - 4 ) -3 ( - 2 ) -4 ( - 5 ) = d

12+6+20 = d

38 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -3 x 2 -4 x 3 = 38 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(2|-5|1) auf der Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +a x 3 = -5 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

52 + 2(-5) + a1 = -5
10+(-10)+a ⋅ 1 = -5 |-0
1a = -5 | :1
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 3 0 0 ) +t ( -3 1 -2 ) ist und die den Punkt P(3|-3|4) enthält.

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

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

-3 3 +1 ( - 3 ) -2 4 = d

-9-3-8 = d

-20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 + x 2 -2 x 3 = -20 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: + x 2 = -1 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 1 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-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 x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

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

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

(ansonsten könnte man ja a0 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

Punkt P(3|4|2) eingesetzt:
a⋅3 + c⋅2=d

a=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=5 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|4|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -8 9 8 ) + r ( 5 7 -6 ) + s ( 0 8 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 8 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 2. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 8 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 2 1 -1 ) +t ( -3 2 -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:

( -3 2 -1 ) ( 0 a 4 ) = 0

(-3)0 + 2a + (-1)4 = 0
0+a ⋅ 2+(-4) = 0 |+4
2a = 4 | :2
a = 2

Für a = 2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: +2 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 (2|1|-1).

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

+2 1 +4 ( - 1 ) = b

0+2-4 = b

-2 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +29 x 2 +2 x 3 = -156 und F: 15 x 1 +a x 2 +6 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:
( 15 a 6 ) = t⋅ ( 5 29 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 29 = 87.

Für a = 87 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 15 x 1 +87 x 2 +6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 15 x 1 +87 x 2 +6 x 3 = -468 , d.h. für b = -468 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -468, also z.B.: b = -467 setzen.