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 = -26 ist und die den Punkt P(-3|-4|0) 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|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 ( - 3 ) +5 ( - 4 ) +1 0 = d

-9-20+0 = d

-29 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 +5 x 2 + x 3 = -29 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|5|-4) auf der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 +5 x 3 = -33 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

4(-2) + a5 + 5(-4) = -33
-8+a ⋅ 5+(-20) = -33 |+28
5a = -5 | :5
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-5|1|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 ( - 5 ) +2 1 +2 1 = d

10+2+2 = d

14 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +6 x 2 = -2 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 6 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 x2-Achse ist und den Punkt (1|4|4) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x2-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x2-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x3 einsetzt, muss b=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 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

Punkt P(1|4|4) eingesetzt:
a⋅1 + c⋅4=d

a=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=5 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|4|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also die x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

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

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

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

2 ( - 2 ) -1 3 -1 ( - 2 ) = b

-4-3+2 = b

-5 = b

Mit b = -5 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 - x 2 - x 3 = -5 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 -2 x 2 +13 x 3 = 48 und F: 3 x 1 +2 x 2 +a 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:
( 3 2 a ) = t⋅ ( -3 -2 13 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -1 ⋅ 13 = -13.

Für a = -13 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 3 x 1 +2 x 2 -13 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: 3 x 1 +2 x 2 -13 x 3 = -48 , d.h. für b = -48 sind die beiden Ebenen identisch.