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 +5 x 2 = -10 ist und die den Punkt P(-3|5|4) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 5 5 0 ) und damit die Form E: 5 x 1 +5 x 2 = d .

Da der Punkt P(-3|5|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 ( - 3 ) +5 5 = d

-15+25+0 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +5 x 2 = 10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|-4|-3) auf der Ebene E: 2 x 1 -5 x 2 +a x 3 = 28 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

21 + (-5)(-4) + a(-3) = 28
2+20+a ⋅ (-3) = 28 |-22
-3a = 6 | :(-3)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

-5 ( - 1 ) -5 5 -5 1 = d

5-25-5 = d

-25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 -5 x 2 -5 x 3 = -25 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +5 x 2 = -9 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 5 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 der x1-x2-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -8 1 5 ) + r ( 3 -2 5 ) + s ( 0 1 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 1 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 1 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 = ( -4 -2 -2 ) +t ( -3 4 -1 ) komplett in der Ebene E: 4 x 1 -2 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:

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

(-3)4 + 4(-2) + (-1)a = 0
-12+(-8)+a ⋅ (-1) = 0 |+20
-1a = 20 | :(-1)
a = -20

Für a = -20 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 -2 x 2 -20 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: 4 x 1 -2 x 2 -20 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 ( - 4 ) -2 ( - 2 ) -20 ( - 2 ) = b

-16+4+40 = b

28 = b

Mit b = 28 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 -2 x 2 -20 x 3 = 28 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: - x 1 -4 x 2 +17 x 3 = 40 und F: 2 x 1 +8 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 8 a ) = t⋅ ( -1 -4 17 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 17 = -34.

Für a = -34 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 2 x 1 +8 x 2 -34 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 2 x 1 +8 x 2 -34 x 3 = -80 , d.h. für b = -80 sind die beiden Ebenen identisch.