Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-2-9+0 = d

-11 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = -19 ist und die den Punkt P(5|2|-5) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 3 -5 4 ) und damit die Form E: 3 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = d .

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

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

15-10-20 = d

-15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = -15 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|-3|-2) auf der Ebene E: a x 1 + x 2 +5 x 3 = -10 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-3) + 1(-3) + 5(-2) = -10
a ⋅ (-3)+(-3)+(-10) = -10 |+13
-3a = 3 | :(-3)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 -2 -5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -2 x 2 -5 x 3 = d .

Da der Punkt P(3|2|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 2 -5 0 = d

0-4+0 = d

-4 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 2 -5 x 3 = -4 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -8 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -8 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 einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (4|2|3) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x2-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x2-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x3 einsetzt, muss b=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 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

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

a=1;c=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=7 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|2|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -6 -4 5 ) + r ( 0 0 -8 ) + s ( -6 -2 3 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -8 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 -8 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 4 5 -1 ) ( 5 -2 a ) = 0

45 + 5(-2) + (-1)a = 0
20+(-10)+a ⋅ (-1) = 0 |-10
-1a = -10 | :(-1)
a = 10

Für a = 10 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 5 x 1 -2 x 2 +10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-1|-1|-2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-1|-1|-2) in E: 5 x 1 -2 x 2 +10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 ( - 1 ) -2 ( - 1 ) +10 ( - 2 ) = b

-5+2-20 = b

-23 = b

Mit b = -23 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 -2 x 2 +10 x 3 = -23 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +34 x 2 +5 x 3 = -68 und F: 9 x 1 +a x 2 +15 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:
( 9 a 15 ) = t⋅ ( 3 34 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 34 = 102.

Für a = 102 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 9 x 1 +102 x 2 +15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 9 x 1 +102 x 2 +15 x 3 = -204 , d.h. für b = -204 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -204, also z.B.: b = -203 setzen.