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 -4 ) hat und den Punkt P(-4|5|-3) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -2 5 -4 ) besitzt, hat sie die Form E: -2 x 1 +5 x 2 -4 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.

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

8+25+12 = d

45 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -2 x 1 +5 x 2 -4 x 3 = 45 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-2|5|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-6-10+16 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -2 x 2 +4 x 3 = 0 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|4|-2) auf der Ebene E: 3 x 1 +a x 2 -2 x 3 = 39 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

35 + a4 + (-2)(-2) = 39
15+a ⋅ 4+4 = 39 |-19
4a = 20 | :4
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 1 -1 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 - x 2 = d .

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

1 ( - 5 ) -1 5 = d

-5-5+0 = d

-10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 - x 2 = -10 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 1 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 x1-Achse ist und den Punkt (4|2|3) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x1-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x1-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x2 und x3 einsetzt, muss a=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

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

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

b=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=5 ist also eine zur x1-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 = ( 2 4 -9 ) + r ( -4 0 0 ) + s ( 3 5 7 ) ?

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1. Weg:

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

(-3)3 + 51 + (-1)a = 0
-9+5+a ⋅ (-1) = 0 |+4
-1a = 4 | :(-1)
a = -4

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

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

3 ( - 2 ) +1 2 -4 0 = b

-6+2+0 = b

-4 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 + x 2 +10 x 3 = 0 und F: 6 x 1 +2 x 2 +a 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:
( 6 2 a ) = t⋅ ( 3 1 10 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 2 ⋅ 10 = 20.

Für a = 20 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 +2 x 2 +20 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 +2 x 2 +20 x 3 = 0 , d.h. für b = 0 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 0, also z.B.: b = 1 setzen.