Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 5 -1 -2 ) hat und den Punkt P(-4|-3|0) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 5 -1 -2 ) besitzt, hat sie die Form E: 5 x 1 - x 2 -2 x 3 = d .

Da der Punkt P(-4|-3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 ( - 4 ) -1 ( - 3 ) -2 0 = d

-20+3+0 = d

-17 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 5 x 1 - x 2 -2 x 3 = -17 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 -3 x 2 -2 x 3 = -9 ist und die den Punkt P(0|3|1) enthält.

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

Da der Punkt P(0|3|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 0 -3 3 -2 1 = d

0-9-2 = d

-11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -3 x 2 -2 x 3 = -11 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|0|3) auf der Ebene E: -3 x 1 +3 x 2 +a x 3 = -12 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)3 + 30 + a3 = -12
-9+0+a ⋅ 3 = -12 |+9
3a = -3 | :3
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -4 -3 0 ) +t ( -1 2 3 ) ist und die den Punkt P(-3|-1|-3) enthält.

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

Da der Punkt P(-3|-1|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

3-2-9 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -8 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 2 = -4 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -7 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 x3-Achse ist und den Punkt (2|4|3) beinhaltet.

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

(ansonsten könnte man ja a0 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

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

Punkt P(2|4|3) eingesetzt:
a⋅2 + b⋅4=d

a=1;b=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=6 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|4|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -8 2 -2 ) + r ( -3 0 -8 ) + s ( 3 0 5 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 2 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 2 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 0 -3 -1 ) ( 1 2 a ) = 0

01 + (-3)2 + (-1)a = 0
0+(-6)+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: x 1 +2 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|-3|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|-3|0) in E: x 1 +2 x 2 -6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

1 3 +2 ( - 3 ) -6 0 = b

3-6+0 = b

-3 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -30 und F: a x 1 -10 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:
( a -10 -10 ) = t⋅ ( 5 5 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 5 = -10.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -10 x 1 -10 x 2 -10 x 3 = 60 , d.h. für b = 60 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 60, also z.B.: b = 61 setzen.