Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 5 -5 -3 ) hat und den Punkt P(1|-2|0) enthält.

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

Da der Punkt P(1|-2|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

5+10+0 = d

15 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 -2 x 3 = 27 ist und die den Punkt P(3|-2|-4) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 4 0 -2 ) und damit die Form E: 4 x 1 -2 x 3 = d .

Da der Punkt P(3|-2|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

4 3 -2 ( - 4 ) = d

12+0+8 = d

20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -2 x 3 = 20 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(0|4|3) auf der Ebene E: -4 x 1 +a x 2 -2 x 3 = -14 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)0 + a4 + (-2)3 = -14
0+a ⋅ 4+(-6) = -14 |+6
4a = -8 | :4
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 5 1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: +5 x 2 + x 3 = d .

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

+5 3 +1 2 = d

0+15+2 = d

17 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +5 x 2 + x 3 = 17 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 3 = -1 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 7 ) , 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|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(2|3|2) eingesetzt:
a⋅2 + c⋅2=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -2 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -2 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -4 2 -4 ) +t ( -5 3 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +5 x 2 +10 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 3 -1 ) ( a 5 10 ) = 0

(-5)a + 35 + (-1)10 = 0
a ⋅ (-5)+15+(-10) = 0 |-5
-5a = -5 | :(-5)
a = 1

Für a = 1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: x 1 +5 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 (-4|2|-4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|2|-4) in E: x 1 +5 x 2 +10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

1 ( - 4 ) +5 2 +10 ( - 4 ) = b

-4+10-40 = b

-34 = b

Mit b = -34 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 +5 x 2 +10 x 3 = -34 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 2 = 6.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -3 x 1 +3 x 2 +6 x 3 = -12 , d.h. für b = -12 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -12, also z.B.: b = -11 setzen.