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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -1 0 -5 ) und damit die Form E: - x 1 -5 x 3 = d .

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

-1 ( - 2 ) -5 3 = d

2+0-15 = d

-13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 -5 x 3 = -13 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|-3|-4) auf der Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +a x 3 = 15 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

53 + 4(-3) + a(-4) = 15
15+(-12)+a ⋅ (-4) = 15 |-3
-4a = 12 | :(-4)
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 3 4 1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +4 x 2 + x 3 = d .

Da der Punkt P(-3|2|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 ( - 3 ) +4 2 +1 5 = d

-9+8+5 = d

4 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 1 +8 x 3 = 7 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (2|3|3) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(2|3|3) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 13 + 03=3
also: + x 2 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -5 -7 -2 ) + r ( 0 0 -5 ) + s ( 2 4 -2 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -5 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 -5 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 5 -3 -3 ) +t ( -4 5 -1 ) komplett in der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 +4 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:

( -4 5 -1 ) ( 4 a 4 ) = 0

(-4)4 + 5a + (-1)4 = 0
-16+a ⋅ 5+(-4) = 0 |+20
5a = 20 | :5
a = 4

Für a = 4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 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: 4 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

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

20-12-12 = b

-4 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 +4 x 2 +10 x 3 = 4 und F: -4 x 1 -8 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 -8 a ) = t⋅ ( 2 4 10 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 10 = -20.

Für a = -20 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 -8 x 2 -20 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 -8 x 2 -20 x 3 = -8 , d.h. für b = -8 sind die beiden Ebenen identisch.