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 +3 x 2 = -17 ist und die den Punkt P(4|5|-5) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -3 3 0 ) und damit die Form E: -3 x 1 +3 x 2 = d .

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

-3 4 +3 5 = d

-12+15+0 = d

3 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|5|-3) auf der Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 +a x 3 = 37 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

21 + 45 + a(-3) = 37
2+20+a ⋅ (-3) = 37 |-22
-3a = 15 | :(-3)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 5 5 0 ) +t ( -3 -3 1 ) ist und die den Punkt P(1|-5|2) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(1|-5|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-3+15+2 = d

14 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -4 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (4|1|2) beinhaltet.

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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 Punktes P(4|1|2) in diese Gleichung erhält man
d = 04 + 11 + 02=1
also: + x 2 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 5 3 ) + r ( 4 0 0 ) + s ( -1 -6 2 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 4 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-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 x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 4 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -3 2 -3 ) +t ( 4 2 -1 ) komplett in der Ebene E: 3 x 1 +a x 2 +12 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 2 -1 ) ( 3 a 12 ) = 0

43 + 2a + (-1)12 = 0
12+a ⋅ 2+(-12) = 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: 3 x 1 +12 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|2|-3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|2|-3) in E: 3 x 1 +12 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 ( - 3 ) +12 ( - 3 ) = b

-9+0-36 = b

-45 = b

Mit b = -45 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 +12 x 3 = -45 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 -4 x 2 + x 3 = 14 und F: a x 1 -12 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 -12 3 ) = t⋅ ( 3 -4 1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 9 x 1 -12 x 2 +3 x 3 = 42 , d.h. für b = 42 sind die beiden Ebenen identisch.