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 + x 2 -3 x 3 = -20 ist und die den Punkt P(-5|-4|5) enthält.

Lösung einblenden

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

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

4 ( - 5 ) +1 ( - 4 ) -3 5 = d

-20-4-15 = d

-39 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 + x 2 -3 x 3 = -39 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|-5|-4) auf der Ebene E: a x 1 -5 x 2 + x 3 = 33 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a3 + (-5)(-5) + 1(-4) = 33
a ⋅ 3+25+(-4) = 33 |-21
3a = 12 | :3
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -2 -5 0 ) +t ( -3 -1 3 ) ist und die den Punkt P(-2|2|-3) enthält.

Lösung einblenden

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

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

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

6-2-9 = d

-5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 2 x 1 +7 x 2 = 1 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (3|1|4) beinhaltet.

Lösung einblenden

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|1|4) eingesetzt:
b⋅1 + c⋅4=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(3|1|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 3 5 ) + r ( -9 7 4 ) + s ( -7 0 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( -7 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-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 x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( -7 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -5 5 -1 ) +t ( 1 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 + 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:

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

1a + (-4)0 + (-1)1 = 0
a ⋅ 1+0+(-1) = 0 |+1
1a = 1 | :1
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 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|5|-1).

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

1 ( - 5 ) +1 ( - 1 ) = b

-5+0-1 = b

-6 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: - x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -7 und F: -3 x 1 +a x 2 +6 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:
( -3 a 6 ) = t⋅ ( -1 3 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -3 x 1 +9 x 2 +6 x 3 = -21 , d.h. für b = -21 sind die beiden Ebenen identisch.