Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

6+5+1 = d

12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -2 x 1 +5 x 2 - x 3 = 12 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 +5 x 2 = 25 ist und die den Punkt P(5|2|2) enthält.

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

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

1 5 +5 2 = d

5+10+0 = d

15 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|-5|2) auf der Ebene E: a x 1 +3 x 2 -2 x 3 = -15 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + 3(-5) + (-2)2 = -15
a ⋅ 1+(-15)+(-4) = -15 |+19
1a = 4 | :1
a = 4

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 -5 ) ist und die den Punkt P(3|-5|5) enthält.

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

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

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

-3+10-25 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 -2 x 2 -5 x 3 = -18 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 2 = 1 ?

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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 x2-Achse ist und den Punkt (1|2|2) 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(1|2|2) eingesetzt:
a⋅1 + c⋅2=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(1|2|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 5 7 -5 ) + r ( 1 8 -3 ) + s ( -7 0 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( -7 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-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 x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( -7 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 1 -1 -1 ) +t ( -4 -4 -2 ) komplett in der Ebene E: x 1 -5 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 -4 -2 ) ( 1 -5 a ) = 0

(-4)1 + (-4)(-5) + (-2)a = 0
-4+20+a ⋅ (-2) = 0 |-16
-2a = -16 | :(-2)
a = 8

Für a = 8 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: x 1 -5 x 2 +8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (1|-1|-1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (1|-1|-1) in E: x 1 -5 x 2 +8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

1 1 -5 ( - 1 ) +8 ( - 1 ) = b

1+5-8 = b

-2 = b

Mit b = -2 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 -5 x 2 +8 x 3 = -2 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -22 und F: -8 x 1 +a x 2 +6 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:
( -8 a 6 ) = t⋅ ( -4 5 3 )

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

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

Für a = 10 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -8 x 1 +10 x 2 +6 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 +6 x 3 = -44 , d.h. für b = -44 sind die beiden Ebenen identisch.