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 +4 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 4 ) und damit die Form E: -2 x 1 +3 x 2 +4 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 +4 4 = d

6+12+16 = d

34 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 34 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(2|-3|-4) auf der Ebene E: -2 x 1 +a x 2 +4 x 3 = -14 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-2)2 + a(-3) + 4(-4) = -14
-4+a ⋅ (-3)+(-16) = -14 |+20
-3a = 6 | :(-3)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-5|2|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-25+10+8 = d

-7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +5 x 2 -2 x 3 = -7 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +9 x 3 = 6 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 9 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-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-x2-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 = ( -8 -1 5 ) + r ( 4 0 4 ) + s ( 1 0 -7 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -1 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -1 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( -4 -3 -1 ) ( a 0 -4 ) = 0

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

Für a = 1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: x 1 -4 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: x 1 -4 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

1 2 -4 ( - 4 ) = b

2+0+16 = b

18 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 -4 x 2 +2 x 3 = -2 und F: 10 x 1 -8 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:
( 10 -8 a ) = t⋅ ( 5 -4 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: 10 x 1 -8 x 2 +4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 10 x 1 -8 x 2 +4 x 3 = -4 , d.h. für b = -4 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -4, also z.B.: b = -3 setzen.