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

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

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

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

4+10-20 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -6 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(2|2|2) auf der Ebene E: a x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 14 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a2 + 32 + 22 = 14
a ⋅ 2+6+4 = 14 |-10
2a = 4 | :2
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(3|0|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

2 3 +3 0 = d

6+0+0 = d

6 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 = 2 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (1|2|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(1|2|3) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 02 + 13=3
also: + x 3 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 2 0 -6 ) + r ( -6 0 2 ) + s ( -4 0 -8 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also die 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 die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -5 -3 3 ) +t ( 3 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 = 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 ) ( 5 a 0 ) = 0

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

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

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

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

-25-9+0 = b

-34 = b

Mit b = -34 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 +3 x 2 = -34 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 -2 x 2 +4 x 3 = 24 und F: -4 x 1 -4 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:
( -4 -4 a ) = t⋅ ( -2 -2 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 2 ⋅ 4 = 8.

Für a = 8 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 -4 x 2 +8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 -4 x 2 +8 x 3 = 48 , d.h. für b = 48 sind die beiden Ebenen identisch.