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 +4 x 2 +5 x 3 = 16 ist und die den Punkt P(0|-1|1) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 1 4 5 ) und damit die Form E: x 1 +4 x 2 +5 x 3 = d .

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

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

0-4+5 = d

1 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + 2(-3) + 15 = 0
a ⋅ 1+(-6)+5 = 0 |+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 = ( 2 -4 -2 ) +t ( -3 -2 0 ) ist und die den Punkt P(-3|5|3) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -3 -2 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -3 x 1 -2 x 2 = d .

Da der Punkt P(-3|5|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 ( - 3 ) -2 5 = d

9-10+0 = d

-1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +4 x 3 = -2 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 4 ) , 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-x3-Ebene ist und den Punkt (3|2|3) 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(3|2|3) in diese Gleichung erhält man
d = 13 + 02 + 03=3
also: x 1 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 6 -8 ) + r ( 5 3 4 ) + s ( 3 0 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 3 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 2. 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
( 3 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 = ( 2 0 -2 ) +t ( 0 2 -1 ) komplett in der Ebene E: -4 x 1 +a x 2 -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:

( 0 2 -1 ) ( -4 a -2 ) = 0

0(-4) + 2a + (-1)(-2) = 0
0+a ⋅ 2+2 = 0 |-2
2a = -2 | :2
a = -1

Für a = -1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 - x 2 -2 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|0|-2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (2|0|-2) in E: -4 x 1 - x 2 -2 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-4 2 -1 0 -2 ( - 2 ) = b

-8+0+4 = b

-4 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 + x 2 +17 x 3 = -16 und F: -8 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:
( -8 2 a ) = t⋅ ( -4 1 17 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = 2 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 2 ⋅ 17 = 34.

Für a = 34 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -8 x 1 +2 x 2 +34 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -8 x 1 +2 x 2 +34 x 3 = -32 , d.h. für b = -32 sind die beiden Ebenen identisch.