Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -3 5 4 ) hat und den Punkt P(3|0|3) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -3 5 4 ) besitzt, hat sie die Form E: -3 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = d .

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

-3 3 +5 0 +4 3 = d

-9+0+12 = d

3 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 +5 x 2 - x 3 = 24 ist und die den Punkt P(0|3|0) enthält.

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

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

4 0 +5 3 -1 0 = d

0+15+0 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 +5 x 2 - x 3 = 15 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)2 + (-1)1 + a5 = 1
-8+(-1)+a ⋅ 5 = 1 |+9
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 -5 1 ) +t ( -1 -4 -2 ) ist und die den Punkt P(1|-5|4) enthält.

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

Da der Punkt P(1|-5|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-1+20-8 = d

11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 -4 x 2 -2 x 3 = 11 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -6 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (2|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(2|4|1) eingesetzt:
a⋅2 + c⋅1=d

a=1;c=1 und d=3 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=3 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|4|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 1 5 -3 ) + r ( 4 -3 -1 ) + s ( 0 8 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 8 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-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 x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 8 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x3 und x1 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 3 2 -5 ) +t ( -1 4 -1 ) komplett in der Ebene E: x 1 +a x 2 +7 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 ) ( 1 a 7 ) = 0

(-1)1 + 4a + (-1)7 = 0
-1+a ⋅ 4+(-7) = 0 |+8
4a = 8 | :4
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 +7 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (3|2|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|2|-5) in E: x 1 +2 x 2 +7 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

1 3 +2 2 +7 ( - 5 ) = b

3+4-35 = b

-28 = b

Mit b = -28 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 +2 x 2 +7 x 3 = -28 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -4 x 2 +4 x 3 = -6 und F: a x 1 +8 x 2 -8 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 8 -8 ) = t⋅ ( 2 -4 4 )

Man erkent 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 +8 x 2 -8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 +8 x 2 -8 x 3 = 12 , d.h. für b = 12 sind die beiden Ebenen identisch.