Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-5|-3|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 ( - 5 ) -1 4 = d

-15+0-4 = d

-19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 - x 3 = -19 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(2|2|-4) auf der Ebene E: - x 1 +a x 2 +2 x 3 = -18 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)2 + a2 + 2(-4) = -18
-2+a ⋅ 2+(-8) = -18 |+10
2a = -8 | :2
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 -4 0 ) +t ( 5 4 -2 ) ist und die den Punkt P(3|5|-2) enthält.

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

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

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

15+20+4 = d

39 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +4 x 2 -2 x 3 = 39 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x 1 +2 x 3 = -4 ?

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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 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 = ( 8 5 5 ) + r ( 9 8 0 ) + s ( -5 7 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 5 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 3 5 -3 ) +t ( -3 5 -1 ) komplett in der Ebene E: -2 x 1 -5 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 5 -1 ) ( -2 -5 a ) = 0

(-3)(-2) + 5(-5) + (-1)a = 0
6+(-25)+a ⋅ (-1) = 0 |+19
-1a = 19 | :(-1)
a = -19

Für a = -19 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 -5 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 (3|5|-3).

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

-2 3 -5 5 -19 ( - 3 ) = b

-6-25+57 = b

26 = b

Mit b = 26 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -5 x 2 -19 x 3 = 26 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -34 und F: -6 x 1 +a x 2 -10 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel 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:
( -6 a -10 ) = t⋅ ( 3 2 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 2 = -4.

Für a = -4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -6 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: -6 x 1 -4 x 2 -10 x 3 = 68 , d.h. für b = 68 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 68, also z.B.: b = 69 setzen.