Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 -2 x 3 = 16 ist und die den Punkt P(-2|4|-4) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -2 0 -2 ) und damit die Form E: -2 x 1 -2 x 3 = d .

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

-2 ( - 2 ) -2 ( - 4 ) = d

4+0+8 = d

12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -2 x 3 = 12 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|1|-3) auf der Ebene E: a x 1 -4 x 2 -3 x 3 = 8 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a3 + (-4)1 + (-3)(-3) = 8
a ⋅ 3+(-4)+9 = 8 |-5
3a = 3 | :3
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -5 0 -4 ) +t ( 5 0 1 ) ist und die den Punkt P(2|-5|-1) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 5 0 1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 + x 3 = d .

Da der Punkt P(2|-5|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 2 +1 ( - 1 ) = d

10+0-1 = d

9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 + x 3 = 9 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +8 x 2 +8 x 3 = -5 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (3|2|1) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=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 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

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

Punkt P(3|2|1) eingesetzt:
a⋅3 + b⋅2=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 0 -2 ) + r ( 1 0 3 ) + s ( 7 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 = ( 5 4 1 ) +t ( 2 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: - x 1 +a x 2 +3 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 -5 -1 ) ( -1 a 3 ) = 0

2(-1) + (-5)a + (-1)3 = 0
-2+a ⋅ (-5)+(-3) = 0 |+5
-5a = 5 | :(-5)
a = -1

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

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

-1 5 -1 4 +3 1 = b

-5-4+3 = b

-6 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +2 x 2 - x 3 = 11 und F: a x 1 -6 x 2 +3 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 -6 3 ) = t⋅ ( 3 2 -1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 3 = -9.

Für a = -9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -9 x 1 -6 x 2 +3 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -9 x 1 -6 x 2 +3 x 3 = -33 , d.h. für b = -33 sind die beiden Ebenen identisch.