Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: +2 x 2 = -14 ist und die den Punkt P(-2|1|2) enthält.

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

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

+2 1 = d

0+2+0 = d

2 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|-2|-3) auf der Ebene E: -2 x 1 +a x 2 -3 x 3 = 23 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-2)(-2) + a(-2) + (-3)(-3) = 23
4+a ⋅ (-2)+9 = 23 |-13
-2a = 10 | :(-2)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -2 -5 1 ) +t ( 3 -1 0 ) ist und die den Punkt P(-5|2|4) enthält.

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

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

3 ( - 5 ) -1 2 = d

-15-2+0 = d

-17 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 - x 2 = -17 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -8 x 2 = -8 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -8 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 x1-x2-Ebene ist und den Punkt (2|4|3) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 0 0 1 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(2|4|3) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 04 + 13=3
also: + x 3 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 8 7 ) + r ( 1 4 -2 ) + s ( 0 -2 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 -2 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 2. 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 -2 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 = ( -1 -4 1 ) +t ( -1 4 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +2 x 2 +11 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 4 -1 ) ( a 2 11 ) = 0

(-1)a + 42 + (-1)11 = 0
a ⋅ (-1)+8+(-11) = 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: -3 x 1 +2 x 2 +11 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-1|-4|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-1|-4|1) in E: -3 x 1 +2 x 2 +11 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 ( - 1 ) +2 ( - 4 ) +11 1 = b

3-8+11 = b

6 = b

Mit b = 6 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 +2 x 2 +11 x 3 = 6 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 2 = -6.

Für a = -6 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -6 x 1 +9 x 2 +3 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -6 x 1 +9 x 2 +3 x 3 = -6 , d.h. für b = -6 sind die beiden Ebenen identisch.