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 - x 2 +4 x 3 = -22 ist und die den Punkt P(-1|-2|-5) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-1|-2|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-3+2-20 = d

-21 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 - x 2 +4 x 3 = -21 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-2) + a1 + (-3)(-1) = -4
-10+a ⋅ 1+3 = -4 |+7
1a = 3 | :1
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-3|0|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 ( - 3 ) +4 0 -3 5 = d

12+0-15 = d

-3 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -2 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-x3-Ebene ist und den Punkt (1|2|2) 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(1|2|2) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 12 + 02=2
also: + x 2 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 7 2 ) + r ( 6 9 -5 ) + s ( 0 -9 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 -9 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 2. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 -9 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

20 + (-2)2 + (-1)a = 0
0+(-4)+a ⋅ (-1) = 0 |+4
-1a = 4 | :(-1)
a = -4

Für a = -4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: +2 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 (-2|-1|-5).

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

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

0-2+20 = b

18 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 34 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = -51 und F: a x 1 -10 x 2 +6 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 -10 6 ) = t⋅ ( 34 -5 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 2 ⋅ 34 = 68.

Für a = 68 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 68 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: 68 x 1 -10 x 2 +6 x 3 = -102 , d.h. für b = -102 sind die beiden Ebenen identisch.