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 -2 x 3 = 24 ist und die den Punkt P(3|-5|-5) enthält.

Lösung einblenden

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

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

1 3 -2 ( - 5 ) = d

3+0+10 = d

13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -2 x 3 = 13 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

33 + 43 + a(-4) = 37
9+12+a ⋅ (-4) = 37 |-21
-4a = 16 | :(-4)
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -4 -2 -3 ) +t ( -4 4 0 ) ist und die den Punkt P(-3|2|-1) enthält.

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -4 4 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -4 x 1 +4 x 2 = d .

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

-4 ( - 3 ) +4 2 = d

12+8+0 = d

20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +4 x 2 = 20 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -2 x 1 = -4 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -2 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-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 x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

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

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=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 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

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

Punkt P(2|4|4) eingesetzt:
a⋅2 + b⋅4=d

a=1;b=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=6 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|4|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 7 3 -6 ) + r ( 0 6 0 ) + s ( -1 5 -3 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 6 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-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 x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 6 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -5 0 3 ) +t ( -3 5 -1 ) komplett in der Ebene E: +4 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 5 -1 ) ( 0 4 a ) = 0

(-3)0 + 54 + (-1)a = 0
0+20+a ⋅ (-1) = 0 |-20
-1a = -20 | :(-1)
a = 20

Für a = 20 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: +4 x 2 +20 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|0|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-5|0|3) in E: +4 x 2 +20 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

+4 0 +20 3 = b

0+0+60 = b

60 = b

Mit b = 60 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: +4 x 2 +20 x 3 = 60 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 13 x 1 +2 x 2 -3 x 3 = -76 und F: a x 1 -4 x 2 +6 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 -4 6 ) = t⋅ ( 13 2 -3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 13 = -26.

Für a = -26 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -26 x 1 -4 x 2 +6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -26 x 1 -4 x 2 +6 x 3 = 152 , d.h. für b = 152 sind die beiden Ebenen identisch.