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 -3 x 2 +5 x 3 = -26 ist und die den Punkt P(3|-4|-4) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -2 -3 5 ) und damit die Form E: -2 x 1 -3 x 2 +5 x 3 = d .

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

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

-6+12-20 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -3 x 2 +5 x 3 = -14 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|-4|-2) auf der Ebene E: a x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -44 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a4 + 5(-4) + 2(-2) = -44
a ⋅ 4+(-20)+(-4) = -44 |+24
4a = -20 | :4
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-2+6+20 = d

24 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -2 x 2 -5 x 3 = 24 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (1|3|1) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja a0 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

Der Koeffizient c vor x3 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
a⋅x1 + b⋅x2=d.

Punkt P(1|3|1) eingesetzt:
a⋅1 + b⋅3=d

a=1;b=1 und d=4 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=4 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|3|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 8 5 ) + r ( -4 4 0 ) + s ( 9 6 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 5 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 5 1 -4 ) +t ( 2 5 -1 ) komplett in der Ebene E: -2 x 1 +a x 2 -14 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 5 -1 ) ( -2 a -14 ) = 0

2(-2) + 5a + (-1)(-14) = 0
-4+a ⋅ 5+14 = 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 1 -2 x 2 -14 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|1|-4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|1|-4) in E: -2 x 1 -2 x 2 -14 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 5 -2 1 -14 ( - 4 ) = b

-10-2+56 = b

44 = b

Mit b = 44 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -2 x 2 -14 x 3 = 44 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 -4 x 2 -4 x 3 = -44 und F: a x 1 +4 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:
( a 4 4 ) = t⋅ ( 4 -4 -4 )

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

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

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 44 , d.h. für b = 44 sind die beiden Ebenen identisch.