Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(3|-2|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 3 +1 ( - 2 ) = d

-3-2+0 = d

-5 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 1 0 ) und damit die Form E: -5 x 1 + x 2 = d .

Da der Punkt P(-2|-1|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 ( - 2 ) +1 ( - 1 ) = d

10-1+0 = d

9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 + x 2 = 9 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|5|1) auf der Ebene E: a x 1 +4 x 2 -5 x 3 = 27 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-3) + 45 + (-5)1 = 27
a ⋅ (-3)+20+(-5) = 27 |-15
-3a = 12 | :(-3)
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 4 -4 -3 ) +t ( -3 1 -5 ) ist und die den Punkt P(-2|-5|0) enthält.

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

Da der Punkt P(-2|-5|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

6-5+0 = d

1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -3 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -3 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x2-x3-Ebene.

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 = ( -7 1 -7 ) + r ( 0 8 0 ) + s ( -2 -3 9 ) ?

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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 = ( 0 -2 -3 ) +t ( -5 -2 -2 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -4 x 2 -6 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 -2 ) ( a -4 -6 ) = 0

(-5)a + (-2)(-4) + (-2)(-6) = 0
a ⋅ (-5)+8+12 = 0 |-20
-5a = -20 | :(-5)
a = 4

Für a = 4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 -4 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 (0|-2|-3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|-2|-3) in E: 4 x 1 -4 x 2 -6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 0 -4 ( - 2 ) -6 ( - 3 ) = b

0+8+18 = b

26 = b

Mit b = 26 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 -4 x 2 -6 x 3 = 26 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 26 x 1 + x 2 -5 x 3 = -86 und F: a x 1 +2 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 2 -10 ) = t⋅ ( 26 1 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 2 ⋅ 26 = 52.

Für a = 52 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 52 x 1 +2 x 2 -10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 52 x 1 +2 x 2 -10 x 3 = -172 , d.h. für b = -172 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -172, also z.B.: b = -171 setzen.