Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 4 3 ) besitzt, hat sie die Form E: +4 x 2 +3 x 3 = d .

Da der Punkt P(-4|5|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

+4 5 +3 3 = d

0+20+9 = d

29 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: +4 x 2 +3 x 3 = 29 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 -4 x 2 = -9 ist und die den Punkt P(-5|2|-5) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 2 -4 0 ) und damit die Form E: 2 x 1 -4 x 2 = d .

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

2 ( - 5 ) -4 2 = d

-10-8+0 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 -4 x 2 = -18 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-2) + (-3)5 + 25 = -1
a ⋅ (-2)+(-15)+10 = -1 |+5
-2a = 4 | :(-2)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-6+3-2 = d

-5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +4 x 3 = -2 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 4 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-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-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (2|3|1) 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(2|3|1) eingesetzt:
a⋅2 + c⋅1=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 6 -4 9 ) + r ( 9 -2 -6 ) + s ( 0 0 4 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 0 4 ) 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 2. 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 4 ) ( 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 = ( 3 -5 -4 ) +t ( 3 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: 5 x 1 +3 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:

( 3 -5 -1 ) ( 5 3 a ) = 0

35 + (-5)3 + (-1)a = 0
15+(-15)+a ⋅ (-1) = 0 |-0
-1a = 0 | :(-1)
a = 0

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 5 x 1 +3 x 2 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (3|-5|-4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|-5|-4) in E: 5 x 1 +3 x 2 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 3 +3 ( - 5 ) = b

15-15+0 = b

0 = b

Mit b = 0 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 +3 x 2 = 0 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 -5 x 2 -5 x 3 = 57 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⋅ ( 4 -5 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 4 = -8.

Für a = -8 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -8 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: -8 x 1 +10 x 2 +10 x 3 = -114 , d.h. für b = -114 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -114, also z.B.: b = -113 setzen.