Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-3|4|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

15-20+3 = d

-2 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|-1|0) auf der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 -3 x 3 = 22 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

45 + a(-1) + (-3)0 = 22
20+a ⋅ (-1)+0 = 22 |-20
-1a = 2 | :(-1)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(1|2|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 1 +2 2 -2 5 = d

-3+4-10 = d

-9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +2 x 2 -2 x 3 = -9 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 6 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 6 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x2-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -9 8 2 ) + r ( -1 6 -6 ) + s ( 0 0 -3 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 0 -3 ) 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 2. 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 -3 ) ( 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 = ( 1 5 -5 ) +t ( 4 -3 -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:

( 4 -3 -1 ) ( 0 4 a ) = 0

40 + (-3)4 + (-1)a = 0
0+(-12)+a ⋅ (-1) = 0 |+12
-1a = 12 | :(-1)
a = -12

Für a = -12 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: +4 x 2 -12 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (1|5|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (1|5|-5) in E: +4 x 2 -12 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

+4 5 -12 ( - 5 ) = b

0+20+60 = b

80 = b

Mit b = 80 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: +4 x 2 -12 x 3 = 80 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 +25 x 2 +3 x 3 = -60 und F: -8 x 1 +a 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:
( -8 a -6 ) = t⋅ ( 4 25 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 25 = -50.

Für a = -50 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -8 x 1 -50 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -8 x 1 -50 x 2 -6 x 3 = 120 , d.h. für b = 120 sind die beiden Ebenen identisch.