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 2 ) hat und den Punkt P(-1|3|0) enthält.

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

Da der Punkt P(-1|3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

2-9+0 = d

-7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -2 x 1 -3 x 2 +2 x 3 = -7 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 +2 x 2 -3 x 3 = -15 ist und die den Punkt P(5|-3|-2) enthält.

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

Da der Punkt P(5|-3|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-10-6+6 = d

-10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +2 x 2 -3 x 3 = -10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|-3|-4) auf der Ebene E: x 1 +5 x 2 +a x 3 = -25 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

1(-2) + 5(-3) + a(-4) = -25
-2+(-15)+a ⋅ (-4) = -25 |+17
-4a = -8 | :(-4)
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-4+5-10 = d

-9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -5 x 2 -2 x 3 = -9 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +6 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 6 ) , 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 x2-Achse ist und den Punkt (3|1|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(3|1|2) eingesetzt:
a⋅3 + c⋅2=d

a=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=5 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|1|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 4 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 4 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 -3 -2 ) +t ( -1 1 -1 ) komplett in der Ebene E: -4 x 1 -5 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:

( -1 1 -1 ) ( -4 -5 a ) = 0

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

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

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

-4 5 -5 ( - 3 ) -1 ( - 2 ) = b

-20+15+2 = b

-3 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 + x 2 -2 x 3 = -12 und F: a x 1 +3 x 2 -6 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:
( a 3 -6 ) = t⋅ ( 5 1 -2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 5 = 15.

Für a = 15 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 15 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: 15 x 1 +3 x 2 -6 x 3 = -36 , d.h. für b = -36 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -36, also z.B.: b = -35 setzen.