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

Lösung einblenden

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

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

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

-9-20+3 = d

-26 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -5 x 2 - x 3 = -26 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|-5|0) auf der Ebene E: a x 1 +2 x 2 -5 x 3 = -18 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a4 + 2(-5) + (-5)0 = -18
a ⋅ 4+(-10)+0 = -18 |+10
4a = -8 | :4
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

8+2-4 = d

6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 + x 2 +2 x 3 = 6 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -8 x 1 +7 x 2 = -4 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x3-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 10 + 00=0
also: + x 2 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 3 9 ) + r ( 0 8 0 ) + s ( -5 -3 1 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 8 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 1. 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 8 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 = ( 3 -5 -1 ) +t ( -2 5 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 - x 2 -5 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 ) ( a -1 -5 ) = 0

(-2)a + 5(-1) + (-1)(-5) = 0
a ⋅ (-2)+(-5)+5 = 0 |-0
-2a = 0 | :(-2)
a = 0

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - x 2 -5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (3|-5|-1).

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

-1 ( - 5 ) -5 ( - 1 ) = b

0+5+5 = b

10 = b

Mit b = 10 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 2 -5 x 3 = 10 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -3 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 2 = -6.

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

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