Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(1|-3|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-1+3+4 = d

6 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + 12 + (-1)3 = -2
a ⋅ 1+2+(-3) = -2 |+1
1a = -1 | :1
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

3 ( - 5 ) +5 4 +2 ( - 2 ) = d

-15+20-4 = d

1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +3 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 3 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 x2-Achse ist und den Punkt (3|3|1) 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(3|3|1) eingesetzt:
a⋅3 + c⋅1=d

a=1;c=1 und d=4 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=4 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|3|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 7 -6 8 ) + r ( -3 0 7 ) + s ( 1 0 -6 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -6 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -6 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 = ( 4 1 -3 ) +t ( 3 -3 -1 ) komplett in der Ebene E: 4 x 1 +5 x 2 +a 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 -3 -1 ) ( 4 5 a ) = 0

34 + (-3)5 + (-1)a = 0
12+(-15)+a ⋅ (-1) = 0 |+3
-1a = 3 | :(-1)
a = -3

Für a = -3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 +5 x 2 -3 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (4|1|-3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (4|1|-3) in E: 4 x 1 +5 x 2 -3 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 4 +5 1 -3 ( - 3 ) = b

16+5+9 = b

30 = b

Mit b = 30 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 +5 x 2 -3 x 3 = 30 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 6 x 1 + x 2 -3 x 3 = -17 und F: a x 1 +3 x 2 -9 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 -9 ) = t⋅ ( 6 1 -3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 6 = 18.

Für a = 18 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 18 x 1 +3 x 2 -9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 18 x 1 +3 x 2 -9 x 3 = -51 , d.h. für b = -51 sind die beiden Ebenen identisch.