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 - x 2 -2 x 3 = -10 ist und die den Punkt P(-3|-5|-4) enthält.

Lösung einblenden

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

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

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

-12+5+8 = d

1 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|3|-3) auf der Ebene E: -3 x 1 -2 x 2 +a x 3 = -6 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)3 + (-2)3 + a(-3) = -6
-9+(-6)+a ⋅ (-3) = -6 |+15
-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 -3 0 ) +t ( 2 -2 1 ) ist und die den Punkt P(-2|3|3) enthält.

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

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

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

-4-6+3 = d

-7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 -2 x 2 + x 3 = -7 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x 1 +9 x 2 = -6 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (4|2|4) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x1-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x1-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x2 und x3 einsetzt, muss a=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

Der Koeffizient a vor x1 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
b⋅x2 + c⋅x3=d.

Punkt P(4|2|4) eingesetzt:
b⋅2 + c⋅4=d

b=1;c=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=6 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|2|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 -9 9 ) + r ( 0 -1 -2 ) + s ( 0 -4 5 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also die x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

Für a = 1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 + x 2 - x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|0|-4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-5|0|-4) in E: -2 x 1 + x 2 - x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 ( - 5 ) +1 0 -1 ( - 4 ) = b

10+0+4 = b

14 = b

Mit b = 14 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 + x 2 - x 3 = 14 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +5 x 2 +29 x 3 = -135 und F: 2 x 1 -5 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 -5 a ) = t⋅ ( -2 5 29 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -1 ⋅ 29 = -29.

Für a = -29 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 2 x 1 -5 x 2 -29 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: 2 x 1 -5 x 2 -29 x 3 = 135 , d.h. für b = 135 sind die beiden Ebenen identisch.