Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-3|5|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-6-10+16 = d

0 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-4 5 -1 5 +5 2 = d

-20-5+10 = d

-15 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)2 + 51 + a(-4) = -5
-2+5+a ⋅ (-4) = -5 |-3
-4a = -8 | :(-4)
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-4+15-4 = d

7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -3 x 2 -2 x 3 = 7 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 9 ) , 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (1|2|4) 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|2|4) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 02 + 14=4
also: + x 3 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 -5 -7 ) + r ( -8 9 0 ) + s ( 9 8 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -7 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -7 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

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

Für a = 5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 +2 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 (-1|2|-4).

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

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

3+4-20 = b

-13 = b

Mit b = -13 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -13 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -21 und F: 3 x 1 +a x 2 +15 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:
( 3 a 15 ) = t⋅ ( 1 2 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 2 = 6.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 3 x 1 +6 x 2 +15 x 3 = -63 , d.h. für b = -63 sind die beiden Ebenen identisch.