Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 +5 x 2 + x 3 = 19 ist und die den Punkt P(0|1|0) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 1 5 1 ) und damit die Form E: x 1 +5 x 2 + x 3 = d .

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

1 0 +5 1 +1 0 = d

0+5+0 = d

5 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)5 + 3(-2) + a(-2) = -28
-20+(-6)+a ⋅ (-2) = -28 |+26
-2a = -2 | :(-2)
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

20-9-20 = d

-9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -3 x 2 +4 x 3 = -9 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: - x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -1 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (4|4|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(4|4|2) eingesetzt:
b⋅4 + c⋅2=d

b=1;c=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=6 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|4|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 7 -3 2 ) + r ( -1 0 -2 ) + s ( 5 0 9 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -3 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -3 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -3 2 -4 ) +t ( -4 2 -1 ) komplett in der Ebene E: -3 x 1 - 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:

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

(-4)(-3) + 2(-1) + (-1)a = 0
12+(-2)+a ⋅ (-1) = 0 |-10
-1a = -10 | :(-1)
a = 10

Für a = 10 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 - x 2 +10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|2|-4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|2|-4) in E: -3 x 1 - x 2 +10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 ( - 3 ) -1 2 +10 ( - 4 ) = b

9-2-40 = b

-33 = b

Mit b = -33 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 - x 2 +10 x 3 = -33 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 21 und F: a x 1 -4 x 2 -8 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:
( a -4 -8 ) = t⋅ ( 5 2 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 5 = -10.

Für a = -10 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -10 x 1 -4 x 2 -8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -10 x 1 -4 x 2 -8 x 3 = -42 , d.h. für b = -42 sind die beiden Ebenen identisch.