Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 1 -5 -3 ) hat und den Punkt P(-4|3|1) enthält.

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

Da der Punkt P(-4|3|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

1 ( - 4 ) -5 3 -3 1 = d

-4-15-3 = d

-22 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: x 1 -5 x 2 -3 x 3 = -22 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 1 -3 x 2 = 16 ist und die den Punkt P(4|-3|4) enthält.

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

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

-3 4 -3 ( - 3 ) = d

-12+9+0 = d

-3 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|2|5) auf der Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +a x 3 = -21 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-3) + 22 + a5 = -21
-15+4+a ⋅ 5 = -21 |+11
5a = -10 | :5
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-4+0-10 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 - x 2 +5 x 3 = -14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +2 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 2 ) , 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (1|4|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(1|4|3) eingesetzt:
b⋅4 + c⋅3=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 2 -3 6 ) + r ( 0 1 3 ) + s ( 0 -3 -8 ) ?

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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 = ( 5 1 2 ) +t ( 1 4 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +4 x 2 +11 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:

( 1 4 -1 ) ( a 4 11 ) = 0

1a + 44 + (-1)11 = 0
a ⋅ 1+16+(-11) = 0 |-5
1a = -5 | :1
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 +4 x 2 +11 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|1|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|1|2) in E: -5 x 1 +4 x 2 +11 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-5 5 +4 1 +11 2 = b

-25+4+22 = b

1 = b

Mit b = 1 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 +4 x 2 +11 x 3 = 1 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -24 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 2 3 )

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

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

Für a = 4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 8 x 1 +4 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 +4 x 2 +6 x 3 = -48 , d.h. für b = -48 sind die beiden Ebenen identisch.