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 + x 2 -3 x 3 = 19 ist und die den Punkt P(5|4|-5) enthält.

Lösung einblenden

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

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

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

10+4+15 = d

29 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 + x 2 -3 x 3 = 29 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|-3|5) auf der Ebene E: -5 x 1 -4 x 2 +a x 3 = 42 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-5)(-1) + (-4)(-3) + a5 = 42
5+12+a ⋅ 5 = 42 |-17
5a = 25 | :5
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(4|1|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

+3 1 +5 2 = d

0+3+10 = d

13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +3 x 2 +5 x 3 = 13 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 2 -3 x 3 = 5 ?

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Wenn man die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x2 und x3 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x1-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (2|3|2) 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(2|3|2) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 03 + 12=2
also: + x 3 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 1 4 ) + r ( 0 -3 9 ) + s ( 0 6 9 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also die x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -1 5 -1 ) +t ( -3 -2 -1 ) komplett in der Ebene E: -5 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 -2 -1 ) ( -5 a 7 ) = 0

(-3)(-5) + (-2)a + (-1)7 = 0
15+a ⋅ (-2)+(-7) = 0 |-8
-2a = -8 | :(-2)
a = 4

Für a = 4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 +4 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 (-1|5|-1).

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

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

5+20-7 = b

18 = b

Mit b = 18 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 +4 x 2 +7 x 3 = 18 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

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

Für a = -5 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -3 x 1 -5 x 2 -4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -3 x 1 -5 x 2 -4 x 3 = 15 , d.h. für b = 15 sind die beiden Ebenen identisch.