Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( -4 4 0 ) besitzt, hat sie die Form E: -4 x 1 +4 x 2 = d .

Da der Punkt P(5|0|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 5 +4 0 = d

-20+0+0 = d

-20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -4 x 1 +4 x 2 = -20 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 -5 x 2 + x 3 = 52 ist und die den Punkt P(4|-5|-5) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 5 -5 1 ) und damit die Form E: 5 x 1 -5 x 2 + x 3 = d .

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

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

20+25-5 = d

40 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -5 x 2 + x 3 = 40 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|4|-2) auf der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 -3 x 3 = 2 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-4) + a4 + (-3)(-2) = 2
-20+a ⋅ 4+6 = 2 |+14
4a = 16 | :4
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(5|1|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

4 5 -4 1 +4 3 = d

20-4+12 = d

28 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -4 x 2 +4 x 3 = 28 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 2 x 1 + x 3 = -5 ?

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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 einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (1|1|1) 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(1|1|1) eingesetzt:
a⋅1 + b⋅1=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 6 -9 -8 ) + r ( 0 -8 0 ) + s ( 6 -4 -7 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 -8 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 1. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 -8 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x3 und x1 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 5 2 -1 ) ( 0 a -2 ) = 0

50 + 2a + (-1)(-2) = 0
0+a ⋅ 2+2 = 0 |-2
2a = -2 | :2
a = -1

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

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

-1 ( - 1 ) -2 5 = b

0+1-10 = b

-9 = b

Mit b = -9 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 2 -2 x 3 = -9 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 17 x 1 + x 2 -4 x 3 = 30 und F: a x 1 +3 x 2 -12 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 -12 ) = t⋅ ( 17 1 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 17 = 51.

Für a = 51 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 51 x 1 +3 x 2 -12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 51 x 1 +3 x 2 -12 x 3 = 90 , d.h. für b = 90 sind die beiden Ebenen identisch.