Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 1 -4 x 2 -3 x 3 = 16 ist und die den Punkt P(-1|4|-5) enthält.

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

Da der Punkt P(-1|4|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

3-16+15 = d

2 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(0|3|-4) auf der Ebene E: -4 x 1 +a x 2 +4 x 3 = -28 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)0 + a3 + 4(-4) = -28
0+a ⋅ 3+(-16) = -28 |+16
3a = -12 | :3
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -4 0 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -4 x 1 +5 x 3 = d .

Da der Punkt P(0|2|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 0 +5 2 = d

0+0+10 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +5 x 3 = 10 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: - x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 -1 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (1|2|2) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x2-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x2-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x3 einsetzt, muss b=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 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

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

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -7 0 2 ) + r ( 1 0 3 ) + s ( -8 0 4 ) ?

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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 = ( -4 0 0 ) +t ( 1 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -2 x 2 +9 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 -5 -1 ) ( a -2 9 ) = 0

1a + (-5)(-2) + (-1)9 = 0
a ⋅ 1+10+(-9) = 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 -2 x 2 +9 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|0|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|0|0) in E: - x 1 -2 x 2 +9 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-1 ( - 4 ) -2 0 +9 0 = b

4+0+0 = b

4 = b

Mit b = 4 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 -2 x 2 +9 x 3 = 4 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +29 x 2 +5 x 3 = 103 und F: -4 x 1 +a x 2 +10 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:
( -4 a 10 ) = t⋅ ( -2 29 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 29 = 58.

Für a = 58 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 +58 x 2 +10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 +58 x 2 +10 x 3 = 206 , d.h. für b = 206 sind die beiden Ebenen identisch.