Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -2 3 -4 ) hat und den Punkt P(5|2|-1) enthält.

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

Da der Punkt P(5|2|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 5 +3 2 -4 ( - 1 ) = d

-10+6+4 = d

0 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 -5 x 2 - x 3 = -9 ist und die den Punkt P(2|-1|-4) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 1 -5 -1 ) und damit die Form E: x 1 -5 x 2 - x 3 = d .

Da der Punkt P(2|-1|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

1 2 -5 ( - 1 ) -1 ( - 4 ) = d

2+5+4 = d

11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -5 x 2 - x 3 = 11 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a5 + (-4)(-5) + 31 = 3
a ⋅ 5+20+3 = 3 |-23
5a = -20 | :5
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -5 4 -3 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -5 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = d .

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

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

15+16-9 = d

22 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = 22 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -9 x 2 +3 x 3 = -7 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (1|3|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|3|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|3|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 9 -5 -5 ) + r ( -4 0 -7 ) + s ( -9 0 -2 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -5 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

01 + 1(-2) + (-1)a = 0
0+(-2)+a ⋅ (-1) = 0 |+2
-1a = 2 | :(-1)
a = -2

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

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

1 1 -2 3 -2 1 = b

1-6-2 = b

-7 = b

Mit b = -7 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 -2 x 2 -2 x 3 = -7 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = -15 und F: -9 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:
( -9 a 6 ) = t⋅ ( 3 3 -2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 3 = -9.

Für a = -9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -9 x 1 -9 x 2 +6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -9 x 1 -9 x 2 +6 x 3 = 45 , d.h. für b = 45 sind die beiden Ebenen identisch.