Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 1 -4 x 2 = 22 ist und die den Punkt P(2|-3|-4) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 -4 0 ) und damit die Form E: -5 x 1 -4 x 2 = d .

Da der Punkt P(2|-3|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 2 -4 ( - 3 ) = d

-10+12+0 = d

2 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 -4 x 2 = 2 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|0|3) auf der Ebene E: a x 1 + x 2 +2 x 3 = 11 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + 10 + 23 = 11
a ⋅ 1+0+6 = 11 |-6
1a = 5 | :1
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 1 5 4 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 +5 x 2 +4 x 3 = d .

Da der Punkt P(0|4|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

1 0 +5 4 +4 1 = d

0+20+4 = d

24 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 24 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +9 x 3 = 0 ?

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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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-x3-Ebene ist und den Punkt (4|3|4) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 1 0 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(4|3|4) in diese Gleichung erhält man
d = 14 + 03 + 04=4
also: x 1 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -3 5 7 ) + r ( 0 0 -1 ) + s ( -9 3 -2 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -1 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 -1 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 3 0 -2 ) +t ( -3 -2 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +3 x 2 -6 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:

( -3 -2 -1 ) ( a 3 -6 ) = 0

(-3)a + (-2)3 + (-1)(-6) = 0
a ⋅ (-3)+(-6)+6 = 0 |-0
-3a = 0 | :(-3)
a = 0

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: +3 x 2 -6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (3|0|-2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|0|-2) in E: +3 x 2 -6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

+3 0 -6 ( - 2 ) = b

0+0+12 = b

12 = b

Mit b = 12 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: +3 x 2 -6 x 3 = 12 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +3 x 2 -4 x 3 = 15 und F: -15 x 1 +a x 2 +12 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:
( -15 a 12 ) = t⋅ ( 5 3 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 3 = -9.

Für a = -9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -15 x 1 -9 x 2 +12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -15 x 1 -9 x 2 +12 x 3 = -45 , d.h. für b = -45 sind die beiden Ebenen identisch.