Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

3 5 -3 1 -1 1 = d

15-3-1 = d

11 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: - x 1 +4 x 2 +5 x 3 = -8 ist und die den Punkt P(-5|-2|0) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -1 4 5 ) und damit die Form E: - x 1 +4 x 2 +5 x 3 = d .

Da der Punkt P(-5|-2|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 ( - 5 ) +4 ( - 2 ) +5 0 = d

5-8+0 = d

-3 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|-2|4) auf der Ebene E: a x 1 -4 x 2 +3 x 3 = 19 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-1) + (-4)(-2) + 34 = 19
a ⋅ (-1)+8+12 = 19 |-20
-1a = -1 | :(-1)
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

12+6+16 = d

34 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -3 x 2 +4 x 3 = 34 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +5 x 2 -7 x 3 = -2 ?

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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 x1-x2-Ebene ist und den Punkt (1|4|2) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 0 0 1 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(1|4|2) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 04 + 12=2
also: + x 3 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -3 9 -1 ) + r ( 0 -8 7 ) + s ( 0 2 8 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -3 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -3 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 = ( 0 -5 -1 ) +t ( 3 -2 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -5 x 2 +4 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:

( 3 -2 -1 ) ( a -5 4 ) = 0

3a + (-2)(-5) + (-1)4 = 0
a ⋅ 3+10+(-4) = 0 |-6
3a = -6 | :3
a = -2

Für a = -2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|-5|-1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|-5|-1) in E: -2 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 0 -5 ( - 5 ) +4 ( - 1 ) = b

0+25-4 = b

21 = b

Mit b = 21 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = 21 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -8 und F: -2 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:
( -2 a -6 ) = t⋅ ( 1 5 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 5 = -10.

Für a = -10 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -2 x 1 -10 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -2 x 1 -10 x 2 -6 x 3 = 16 , d.h. für b = 16 sind die beiden Ebenen identisch.