Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 19 ist und die den Punkt P(-2|1|3) enthält.

Lösung einblenden

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

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

8+5+12 = d

25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 25 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a3 + 3(-1) + (-3)(-1) = 3
a ⋅ 3+(-3)+3 = 3 |-0
3a = 3 | :3
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -1 4 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: - x 1 +4 x 2 +5 x 3 = d .

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

-1 0 +4 5 +5 ( - 3 ) = d

0+20-15 = d

5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +6 x 3 = -3 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 6 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-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-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (3|4|4) 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(3|4|4) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 14 + 04=4
also: + x 2 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 3 5 0 ) + r ( 3 4 0 ) + s ( 7 8 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 = ( -3 4 -2 ) +t ( -3 1 -1 ) komplett in der Ebene E: -3 x 1 -3 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:

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

(-3)(-3) + 1(-3) + (-1)a = 0
9+(-3)+a ⋅ (-1) = 0 |-6
-1a = -6 | :(-1)
a = 6

Für a = 6 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|4|-2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|4|-2) in E: -3 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 ( - 3 ) -3 4 +6 ( - 2 ) = b

9-12-12 = b

-15 = b

Mit b = -15 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = -15 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 48 x 1 -4 x 2 +4 x 3 = -80 und F: a x 1 +12 x 2 -12 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 12 -12 ) = t⋅ ( 48 -4 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 48 = -144.

Für a = -144 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -144 x 1 +12 x 2 -12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -144 x 1 +12 x 2 -12 x 3 = 240 , d.h. für b = 240 sind die beiden Ebenen identisch.