Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -4 -1 4 ) hat und den Punkt P(-4|-4|-2) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -4 -1 4 ) besitzt, hat sie die Form E: -4 x 1 - x 2 +4 x 3 = d .

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

-4 ( - 4 ) -1 ( - 4 ) +4 ( - 2 ) = d

16+4-8 = d

12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -4 x 1 - x 2 +4 x 3 = 12 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 -3 x 3 = 31 ist und die den Punkt P(5|-2|-4) enthält.

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

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

3 5 -3 ( - 4 ) = d

15+0+12 = d

27 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -3 x 3 = 27 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|1|2) auf der Ebene E: - x 1 - x 2 +a x 3 = 7 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)(-4) + (-1)1 + a2 = 7
4+(-1)+a ⋅ 2 = 7 |-3
2a = 4 | :2
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -3 4 -3 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -3 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = d .

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

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

-12-8+15 = d

-5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 1 +6 x 2 = -4 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (1|4|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(1|4|1) eingesetzt:
a⋅1 + c⋅1=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 1 -7 9 ) + r ( 3 2 9 ) + s ( 6 0 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 6 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
( 6 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 -4 0 ) +t ( -2 5 -1 ) komplett in der Ebene E: +a x 2 +5 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:

( -2 5 -1 ) ( 0 a 5 ) = 0

(-2)0 + 5a + (-1)5 = 0
0+a ⋅ 5+(-5) = 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 2 +5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|-4|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (2|-4|0) in E: + x 2 +5 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

+1 ( - 4 ) +5 0 = b

0-4+0 = b

-4 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 +5 x 2 -2 x 3 = 13 und F: a x 1 -10 x 2 +4 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:
( a -10 4 ) = t⋅ ( 2 5 -2 )

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

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

Für a = -4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 -10 x 2 +4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 -10 x 2 +4 x 3 = -26 , d.h. für b = -26 sind die beiden Ebenen identisch.