Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 3 -1 -2 ) hat und den Punkt P(-1|-5|5) enthält.

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

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

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

-3+5-10 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 - x 2 -2 x 3 = -8 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-2+3+2 = d

3 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|0|4) auf der Ebene E: -5 x 1 +5 x 2 +a x 3 = -7 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-5)(-1) + 50 + a4 = -7
5+0+a ⋅ 4 = -7 |-5
4a = -12 | :4
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-5 ( - 1 ) +1 ( - 1 ) = d

5-1+0 = d

4 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -8 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -8 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 x1-x2-Ebene ist und den Punkt (1|3|1) 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|3|1) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 03 + 11=1
also: + x 3 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 -6 2 ) + r ( 6 0 -2 ) + s ( 8 0 9 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -6 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -6 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

1(-5) + 51 + (-1)a = 0
-5+5+a ⋅ (-1) = 0 |-0
-1a = 0 | :(-1)
a = 0

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

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

-5 3 +1 ( - 4 ) = b

-15-4+0 = b

-19 = b

Mit b = -19 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 + x 2 = -19 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 + x 2 - x 3 = 20 und F: a x 1 -3 x 2 +3 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 -3 3 ) = t⋅ ( 3 1 -1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 3 = -9.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -9 x 1 -3 x 2 +3 x 3 = -60 , d.h. für b = -60 sind die beiden Ebenen identisch.