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 = 8 ist und die den Punkt P(0|-4|4) enthält.

Lösung einblenden

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(0|-4|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 0 -4 ( - 4 ) -3 4 = d

0+16-12 = d

4 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(0|-1|1) auf der Ebene E: -5 x 1 +a x 2 -3 x 3 = -4 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-5)0 + a(-1) + (-3)1 = -4
0+a ⋅ (-1)+(-3) = -4 |+3
-1a = -1 | :(-1)
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(4|3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

+1 3 -5 0 = d

0+3+0 = d

3 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +5 x 2 = -1 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 5 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x2-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 -7 -1 ) + r ( 0 6 -7 ) + s ( 0 2 4 ) ?

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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 = ( -2 4 -4 ) +t ( 0 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: +a x 2 +10 x 3 = b liegt.

Lösung einblenden

Wenn die Gerade g in E liegen soll, muss auch der Normalenvektor von E orthogonal zum Richtungsvektor von g sein, also muss gelten:

( 0 -5 -1 ) ( 0 a 10 ) = 0

00 + (-5)a + (-1)10 = 0
0+a ⋅ (-5)+(-10) = 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: -2 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 (-2|4|-4).

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

-2 4 +10 ( - 4 ) = b

0-8-40 = b

-48 = b

Mit b = -48 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 2 +10 x 3 = -48 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = -29 und F: a x 1 +10 x 2 -6 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:
( a 10 -6 ) = t⋅ ( 4 -5 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 4 = -8.

Für a = -8 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -8 x 1 +10 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -8 x 1 +10 x 2 -6 x 3 = 58 , d.h. für b = 58 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 58, also z.B.: b = 59 setzen.