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 +4 x 2 = -15 ist und die den Punkt P(1|-2|1) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -2 4 0 ) und damit die Form E: -2 x 1 +4 x 2 = d .

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

-2 1 +4 ( - 2 ) = d

-2-8+0 = d

-10 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|3|3) auf der Ebene E: 2 x 1 +a x 2 - x 3 = -7 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

2(-5) + a3 + (-1)3 = -7
-10+a ⋅ 3+(-3) = -7 |+13
3a = 6 | :3
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(5|4|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-5+4+6 = d

5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -2 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-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-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (3|4|2) 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|2) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 14 + 02=4
also: + x 2 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 3 -7 -2 ) + r ( -3 8 6 ) + s ( 0 0 -6 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 0 -6 ) 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 -6 ) ( 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 = ( -4 1 0 ) +t ( 0 4 -1 ) komplett in der Ebene E: +a x 2 -8 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:

( 0 4 -1 ) ( 0 a -8 ) = 0

00 + 4a + (-1)(-8) = 0
0+a ⋅ 4+8 = 0 |-8
4a = -8 | :4
a = -2

Für a = -2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 2 -8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|1|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|1|0) in E: -2 x 2 -8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 1 -8 0 = b

0-2+0 = b

-2 = b

Mit b = -2 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 2 -8 x 3 = -2 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 10 x 1 - x 2 +3 x 3 = -35 und F: a x 1 -3 x 2 +9 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 -3 9 ) = t⋅ ( 10 -1 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 10 = 30.

Für a = 30 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 30 x 1 -3 x 2 +9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 30 x 1 -3 x 2 +9 x 3 = -105 , d.h. für b = -105 sind die beiden Ebenen identisch.