Aufgabenbeispiele von Zwei Bedingungen

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Normalenvektor

Beispiel:

Finde einen Vektor, der sowohl zu u = ( 2 3 -3 ) als auch zu v = ( -1 4 5 ) orthogonal ist (der Nullvektor ist nicht erlaubt).

Lösung einblenden

Da wir in keinem der beiden Vektoren eine "Null" in den Koordinaten finden, erhalten wir den Normalenvektor am schnellsten mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt):

n = ( 2 3 -3 ) × ( -1 4 5 ) = ( 35-( - 3 )4 -3( - 1 )-25 24-3( - 1 ) ) = ( 15-( - 12 ) 3-10 8-( - 3 ) ) = ( 27 -7 11 )

Gerade in E, die senkrecht auf g ist

Beispiel:

Bestimme eine Gerade h, die in der Ebene E: 5 x 1 +3 x 2 = -21 liegt und orthogonal zur Geraden g: x = ( -3 -2 -4 ) +t ( 3 -3 4 ) verläuft.

Lösung einblenden

Da die gesuchte Gerade h in der Ebene E liegt und orthogonal zu g steht, muss der Richtungsvevtor rvh der gesuchten Geraden h sowohl zum Normalenvektor n = ( 5 3 0 ) von E als auch zum Richungsvektor rvg = ( 3 -3 4 ) von g orthogonal stehen.

Weil beim Normalenvektor nE = ( 5 3 0 ) in der x3-Koordinaten eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( -3 5 t ) für jedes t orthogonal zur Ebene, denn ( 5 3 0 ) ( -3 5 t ) =5(-3) + 35 + 0t = -15+15+0=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Richungsvektor rvg = ( 3 -3 4 ) ( -3 5 t ) = 4⋅t -24 = 0 wird, also t= 24 4 =6. Der Richungsvektor der gesuchten Geraden h ist also rvh = ( -3 5 6 ) .

Da n rvh = ( 3 -3 4 ) ( -3 5 6 ) =3(-3) + (-3)5 + 46 = -9+-15+24=0 ist, liegt also unsere gesuchte Gerade h entweder parallel zu Ebene E oder sie liegt in ihr. Wir brauchen also noch einen Aufpunkt, der in E liegt, so dass auch die ganze Gerade in E liegen muss.

Wir können jetzt also einen beliebigen Punkt der Ebene E als Aufpunkt für unsere gesuchte Gerade h nehmen:
(-3|-2|-4) liegt in E, da:

5 ( - 3 ) +3 ( - 2 ) = -21

.

Die gesuchte Gerade ist also h: x = ( -3 -2 -4 ) +t ( -3 5 6 )

Ebene, die g beinhaltet und ortho zu F

Beispiel:

Bestimme eine Ebene E, in der die Gerade g: x = ( 5 2 4 ) +t ( -3 5 -1 ) liegt und die orthogonal zur Ebene F: +6 x 2 -3 x 3 = 6 steht.

Lösung einblenden

Da die gesuchte Ebene die Gerade g beinhaltet und orthogonal zu F steht, muss der Normalenvektor n der gesuchten Ebene E sowohl zum Normalenvektor nF = ( 0 6 -3 ) von F als auch zum Richungsvektor rv = ( -3 5 -1 ) von g orthogonal stehen.

Weil beim Normalenvektor nF = ( 0 6 -3 ) in der x1-Koordinaten eine 0 steht, wäre ja der Vektor ( t 3 6 ) für jedes t orthogonal zur Ebene, denn ( 0 6 -3 ) ( t 3 6 ) =0t + 63 + (-3)6 = 0+18+-18=0.

Nun müssen wir noch das t so bestimmen, dass auch das Skalarprodukt mit dem Richungsvektor rv = ( -3 5 -1 ) ( t 3 6 ) = -3⋅t +9 = 0 wird, also t= 9 3 =3. Der Normalenvektor der gesuchten Ebene ist also nE = ( 3 3 6 ) , die Ebenengleichung also: 3 x 1 +3 x 2 +6 x 3 = d .

Da rv nE = ( -3 5 -1 ) ( 3 3 6 ) =(-3)3 + 53 + (-1)6 = -9+15+-6=0 ist, liegt also g entweder parallel zu unserer gesuchten Ebene E oder sie liegt in ihr. Wenn der Aufpunkt (5|2|4) in E liegt, muss also auch die ganze Gerade in E liegen. Wir setzen also (5|2|4) in E ein:

3 5 +3 2 +6 4 = d

und erhalten d=45.

Die gesuchte Ebene ist also E: 3 x 1 +3 x 2 +6 x 3 = 45

Gerade mit gl. Abstand zu E und F

Beispiel:

Der Punkt P(5|18|-18) hat sowohl von der Ebene E: 3 x 1 +6 x 2 -6 x 3 = -12 als auch von der Ebene F: 3 x 1 -6 x 2 +6 x 3 = -444 den gleichen Abstand d = 27. Bestimme die Gleichung einer Geraden, deren Punkte auch alle den Abstand d=27 von E und von F haben.

Lösung einblenden

Wenn die Punkte der gesuchten Geraden alle den gleichen Abstand zu E haben, dann muss die Gerade parallel zu E sein. Der Richtungsvektor u muss also orthogonal zum Normalenvektor von E sein: u ( 3 6 -6 ) = 0.

Das gleiche gilt natürlich auch für die Ebene F, auch zu dieser Ebene muss g parallel sein. Auch hier muss also gelten, dass der Richtungsvektor u orthogonal zum Normalenvektor von F sein muss:
u ( 3 -6 6 ) = 0.

Wir suchen also einen Richtungsvektor, der sowohl orthogonal zu ( 3 6 -6 ) als auch zu ( 3 -6 6 ) ist. Dieses Problem kennen wir ja bereits und können wir mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) lösen:

1 = ( 3 6 -6 ) × ( 3 -6 6 ) = ( 66-( - 6 )( - 6 ) -63-36 3( - 6 )-63 ) = ( 36-36 -18-18 -18-18 ) = ( 0 -36 -36 ) = -36⋅ ( 0 1 1 )

Als Stützvektor dieser Geraden brauchen wir einen Punkt, der von beiden Ebenen den gleichen Abstand d=27 hat. Dafür können wir natürlich einfach den Ortsvektor des gegebenen Punkts OP = ( 5 18 -18 ) nehmen.

Eine mögliche Gleichung solch einer Gerade wäre also g: x = ( 5 18 -18 ) +t ( 0 1 1 ) .

Gerade mit gl. Abstand zu E und F

Beispiel:

Der Punkt P(0|-11|-6) hat sowohl von der Ebene E: -8 x 2 -6 x 3 = 24 als auch von der Ebene F: -6 x 1 -8 x 3 = -52 den gleichen Abstand d = 10. Bestimme die Gleichung einer Geraden, deren Punkte auch alle den Abstand d=10 von E und von F haben.

Lösung einblenden

Wenn die Punkte der gesuchten Geraden alle den gleichen Abstand zu E haben, dann muss die Gerade parallel zu E sein. Der Richtungsvektor u muss also orthogonal zum Normalenvektor von E sein: u ( 0 -8 -6 ) = 0.

Das gleiche gilt natürlich auch für die Ebene F, auch zu dieser Ebene muss g parallel sein. Auch hier muss also gelten, dass der Richtungsvektor u orthogonal zum Normalenvektor von F sein muss:
u ( -6 0 -8 ) = 0.

Wir suchen also einen Richtungsvektor, der sowohl orthogonal zu ( 0 -8 -6 ) als auch zu ( -6 0 -8 ) ist. Dieses Problem kennen wir ja bereits und können wir mit dem Vektorprodukt (Kreuzprodukt) lösen:

1 = ( 0 -8 -6 ) × ( -6 0 -8 ) = ( -8( - 8 )-( - 6 )0 -6( - 6 )-0( - 8 ) 00-( - 8 )( - 6 ) ) = ( 64-0 36-0 0-48 ) = ( 64 36 -48 ) = 4⋅ ( 16 9 -12 )

Als Stützvektor dieser Geraden brauchen wir einen Punkt, der von beiden Ebenen den gleichen Abstand d=10 hat. Dafür können wir natürlich einfach den Ortsvektor des gegebenen Punkts OP = ( 0 -11 -6 ) nehmen.

Eine mögliche Gleichung solch einer Gerade wäre also g: x = ( 0 -11 -6 ) +t ( 16 9 -12 ) .