Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(1|4|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

2 1 +2 4 +2 3 = d

2+8+6 = d

16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 16 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|5|4) auf der Ebene E: a x 1 -2 x 2 -4 x 3 = -27 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + (-2)5 + (-4)4 = -27
a ⋅ 1+(-10)+(-16) = -27 |+26
1a = -1 | :1
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 5 3 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +3 x 2 = d .

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

5 ( - 3 ) +3 0 = d

-15+0+0 = d

-15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +3 x 2 = -15 .

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-x2-Ebene ist und den Punkt (1|2|3) beinhaltet.

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

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -7 -5 0 ) + r ( 8 5 0 ) + s ( -1 8 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also die x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -5 4 3 ) +t ( -3 5 -1 ) komplett in der Ebene E: x 1 +a x 2 +7 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:

( -3 5 -1 ) ( 1 a 7 ) = 0

(-3)1 + 5a + (-1)7 = 0
-3+a ⋅ 5+(-7) = 0 |+10
5a = 10 | :5
a = 2

Für a = 2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: x 1 +2 x 2 +7 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|4|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-5|4|3) in E: x 1 +2 x 2 +7 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

1 ( - 5 ) +2 4 +7 3 = b

-5+8+21 = b

24 = b

Mit b = 24 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 +2 x 2 +7 x 3 = 24 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = 18 und F: -9 x 1 +9 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel 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:
( -9 9 a ) = t⋅ ( 3 -3 6 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -3 ⋅ 6 = -18.

Für a = -18 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -9 x 1 +9 x 2 -18 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -9 x 1 +9 x 2 -18 x 3 = -54 , d.h. für b = -54 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -54, also z.B.: b = -53 setzen.