Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 +2 x 2 - x 3 = 31 ist und die den Punkt P(-1|4|-3) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-1|4|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

4+8+3 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +2 x 2 - x 3 = 15 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|-1|-5) auf der Ebene E: 3 x 1 +a x 2 -3 x 3 = 32 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

35 + a(-1) + (-3)(-5) = 32
15+a ⋅ (-1)+15 = 32 |-30
-1a = 2 | :(-1)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-4|1|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 ( - 4 ) -4 1 -1 2 = d

-20-4-2 = d

-26 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -4 x 2 - x 3 = -26 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 1 = -8 ?

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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-Achse ist und den Punkt (2|3|2) 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(2|3|2) eingesetzt:
b⋅3 + c⋅2=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 8 7 ) + r ( 0 -6 9 ) + s ( 0 2 -4 ) ?

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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 = ( -2 -3 4 ) +t ( -2 0 -1 ) komplett in der Ebene E: -4 x 1 +5 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:

( -2 0 -1 ) ( -4 5 a ) = 0

(-2)(-4) + 05 + (-1)a = 0
8+0+a ⋅ (-1) = 0 |-8
-1a = -8 | :(-1)
a = 8

Für a = 8 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 +5 x 2 +8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|-3|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-2|-3|4) in E: -4 x 1 +5 x 2 +8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-4 ( - 2 ) +5 ( - 3 ) +8 4 = b

8-15+32 = b

25 = b

Mit b = 25 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 +5 x 2 +8 x 3 = 25 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 -3 x 2 +10 x 3 = 16 und F: -2 x 1 +6 x 2 +a 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:
( -2 6 a ) = t⋅ ( 1 -3 10 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -2 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 10 = -20.

Für a = -20 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -2 x 1 +6 x 2 -20 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -2 x 1 +6 x 2 -20 x 3 = -32 , d.h. für b = -32 sind die beiden Ebenen identisch.