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 = 30 ist und die den Punkt P(3|-4|-3) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 2 -1 0 ) und damit die Form E: 2 x 1 - x 2 = d .

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

2 3 -1 ( - 4 ) = d

6+4+0 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 - x 2 = 10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|-4|-5) auf der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 -3 x 3 = 23 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

45 + a(-4) + (-3)(-5) = 23
20+a ⋅ (-4)+15 = 23 |-35
-4a = -12 | :(-4)
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -1 4 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: - x 1 +4 x 2 = d .

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

-1 2 +4 5 = d

-2+20+0 = d

18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 +4 x 2 = 18 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -9 x 1 -4 x 3 = 2 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (3|1|4) 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(3|1|4) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 11 + 04=1
also: + x 2 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 9 3 7 ) + r ( 4 4 8 ) + s ( 1 0 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 1 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-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 x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 1 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -4 4 3 ) +t ( 5 3 -1 ) komplett in der Ebene E: +a x 2 +12 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:

( 5 3 -1 ) ( 0 a 12 ) = 0

50 + 3a + (-1)12 = 0
0+a ⋅ 3+(-12) = 0 |+12
3a = 12 | :3
a = 4

Für a = 4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: +4 x 2 +12 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|4|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|4|3) in E: +4 x 2 +12 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

+4 4 +12 3 = b

0+16+36 = b

52 = b

Mit b = 52 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: +4 x 2 +12 x 3 = 52 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 2 = -4.

Für a = -4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -6 x 1 +2 x 2 -4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -6 x 1 +2 x 2 -4 x 3 = 2 , d.h. für b = 2 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 2, also z.B.: b = 3 setzen.