Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-4+2+12 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -2 x 1 - x 2 +4 x 3 = 10 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: +5 x 2 -5 x 3 = 32 ist und die den Punkt P(5|2|-5) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 5 -5 ) und damit die Form E: +5 x 2 -5 x 3 = d .

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

+5 2 -5 ( - 5 ) = d

0+10+25 = d

35 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +5 x 2 -5 x 3 = 35 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + 4(-1) + 1(-2) = -4
a ⋅ 1+(-4)+(-2) = -4 |+6
1a = 2 | :1
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 4 1 5 ) +t ( 2 0 5 ) ist und die den Punkt P(5|1|4) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 2 0 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 +5 x 3 = d .

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

2 5 +5 4 = d

10+0+20 = d

30 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 +5 x 3 = 30 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +8 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 8 ) , 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 x3-Achse ist und den Punkt (4|3|3) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=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 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

Der Koeffizient c vor x3 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
a⋅x1 + b⋅x2=d.

Punkt P(4|3|3) eingesetzt:
a⋅4 + b⋅3=d

a=1;b=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=7 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|3|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -4 0 6 ) + r ( 6 0 4 ) + s ( 3 0 6 ) ?

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1. Weg:

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

E ist also die 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 die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

3(-4) + 44 + (-1)a = 0
-12+16+a ⋅ (-1) = 0 |-4
-1a = -4 | :(-1)
a = 4

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

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

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

8+16-12 = b

12 = b

Mit b = 12 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 12 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = -42 und F: 6 x 1 -15 x 2 +a 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:
( 6 -15 a ) = t⋅ ( 2 -5 3 )

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

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

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 -15 x 2 +9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 -15 x 2 +9 x 3 = -126 , d.h. für b = -126 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -126, also z.B.: b = -125 setzen.