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 2 -4 x 3 = 8 ist und die den Punkt P(-4|-2|-4) enthält.

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

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

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

4-10+16 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 +5 x 2 -4 x 3 = 10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-2) + a3 + (-4)(-4) = 15
-10+a ⋅ 3+16 = 15 |-6
3a = 9 | :3
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 3 5 2 ) +t ( 3 -2 0 ) ist und die den Punkt P(-1|0|5) 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(-1|0|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 ( - 1 ) -2 0 = d

-3+0+0 = d

-3 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -8 x 1 +9 x 3 = 8 ?

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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 x3-Achse ist und den Punkt (4|2|1) 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(4|2|1) eingesetzt:
a⋅4 + b⋅2=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(4|2|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 3 -8 0 ) + r ( 7 2 0 ) + s ( -4 7 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also die x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -5 1 1 ) +t ( -4 -1 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 + x 2 +19 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 -1 -1 ) ( a 1 19 ) = 0

(-4)a + (-1)1 + (-1)19 = 0
a ⋅ (-4)+(-1)+(-19) = 0 |+20
-4a = 20 | :(-4)
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 + x 2 +19 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|1|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-5|1|1) in E: -5 x 1 + x 2 +19 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-5 ( - 5 ) +1 1 +19 1 = b

25+1+19 = b

45 = b

Mit b = 45 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 + x 2 +19 x 3 = 45 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: - x 1 -2 x 2 +5 x 3 = 19 und F: -2 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:
( -2 -4 a ) = t⋅ ( -1 -2 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 2 ⋅ 5 = 10.

Für a = 10 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -2 x 1 -4 x 2 +10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -2 x 1 -4 x 2 +10 x 3 = 38 , d.h. für b = 38 sind die beiden Ebenen identisch.