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

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 -4 2 ) und damit die Form E: -4 x 2 +2 x 3 = d .

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

-4 4 +2 4 = d

0-16+8 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 2 +2 x 3 = -8 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-2)2 + (-4)(-1) + a2 = -4
-4+4+a ⋅ 2 = -4 |-0
2a = -4 | :2
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-1|4|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

2 ( - 1 ) -5 4 +3 0 = d

-2-20+0 = d

-22 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = -22 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -7 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (3|2|4) 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|4) 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|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -2 7 -7 ) + r ( 8 7 -6 ) + s ( 0 3 0 ) ?

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1. Weg:

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

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

(-4)a + 3(-3) + (-1)(-1) = 0
a ⋅ (-4)+(-9)+1 = 0 |+8
-4a = 8 | :(-4)
a = -2

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

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

-2 ( - 4 ) -3 3 -1 1 = b

8-9-1 = b

-2 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: - x 1 -3 x 2 +2 x 3 = 20 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 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 2 = -4.

Für a = -4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 2 x 1 +6 x 2 -4 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 -4 x 3 = -40 , d.h. für b = -40 sind die beiden Ebenen identisch.