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 -3 x 2 -4 x 3 = 31 ist und die den Punkt P(2|-3|-5) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 -3 -4 ) und damit die Form E: -5 x 1 -3 x 2 -4 x 3 = d .

Da der Punkt P(2|-3|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 2 -3 ( - 3 ) -4 ( - 5 ) = d

-10+9+20 = d

19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 -3 x 2 -4 x 3 = 19 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

24 + 31 + a(-4) = 3
8+3+a ⋅ (-4) = 3 |-11
-4a = -8 | :(-4)
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 4 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: +4 x 2 = d .

Da der Punkt P(1|3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

+4 3 = d

0+12+0 = d

12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +4 x 2 = 12 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 9 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 9 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 x1-x3-Ebene ist und den Punkt (2|3|1) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(2|3|1) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 13 + 01=3
also: + x 2 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -8 0 3 ) + r ( 4 0 6 ) + s ( -1 0 -6 ) ?

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

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

00 + 4a + (-1)(-4) = 0
0+a ⋅ 4+4 = 0 |-4
4a = -4 | :4
a = -1

Für a = -1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - x 2 -4 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|2|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|2|-5) in E: - x 2 -4 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-1 2 -4 ( - 5 ) = b

0-2+20 = b

18 = b

Mit b = 18 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 2 -4 x 3 = 18 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 -4 x 2 +41 x 3 = -200 und F: -15 x 1 +12 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:
( -15 12 a ) = t⋅ ( 5 -4 41 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -3 ⋅ 41 = -123.

Für a = -123 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -15 x 1 +12 x 2 -123 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -15 x 1 +12 x 2 -123 x 3 = 600 , d.h. für b = 600 sind die beiden Ebenen identisch.