Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -2 0 0 ) hat und den Punkt P(2|1|2) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -2 0 0 ) besitzt, hat sie die Form E: -2 x 1 = d .

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

-2 2 = d

-4+0+0 = d

-4 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(0|-1|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

0+4+10 = d

14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = 14 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|-2|-2) auf der Ebene E: x 1 +a x 2 +4 x 3 = -9 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

1(-3) + a(-2) + 4(-2) = -9
-3+a ⋅ (-2)+(-8) = -9 |+11
-2a = 2 | :(-2)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 4 5 3 ) +t ( 0 1 2 ) ist und die den Punkt P(2|2|0) enthält.

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

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

+1 2 +2 0 = d

0+2+0 = d

2 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 4 x 1 +7 x 2 = -3 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (1|3|4) 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(1|3|4) eingesetzt:
a⋅1 + c⋅4=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(1|3|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 0 3 ) + r ( -5 0 -1 ) + s ( -7 0 4 ) ?

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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 = ( 0 -3 5 ) +t ( 2 3 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -5 x 2 -9 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:

( 2 3 -1 ) ( a -5 -9 ) = 0

2a + 3(-5) + (-1)(-9) = 0
a ⋅ 2+(-15)+9 = 0 |+6
2a = 6 | :2
a = 3

Für a = 3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 -5 x 2 -9 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|-3|5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|-3|5) in E: 3 x 1 -5 x 2 -9 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 0 -5 ( - 3 ) -9 5 = b

0+15-45 = b

-30 = b

Mit b = -30 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 -5 x 2 -9 x 3 = -30 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +13 x 2 -3 x 3 = -31 und F: -6 x 1 +a x 2 -9 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 a -9 ) = t⋅ ( -2 13 -3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 13 = 39.

Für a = 39 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -6 x 1 +39 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 +39 x 2 -9 x 3 = -93 , d.h. für b = -93 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -93, also z.B.: b = -92 setzen.