Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-4+9-6 = d

-1 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 4 0 ) und damit die Form E: +4 x 2 = d .

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

+4 ( - 5 ) = d

0-20+0 = d

-20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +4 x 2 = -20 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|2|-5) auf der Ebene E: a x 1 +5 x 2 -2 x 3 = 17 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-1) + 52 + (-2)(-5) = 17
a ⋅ (-1)+10+10 = 17 |-20
-1a = -3 | :(-1)
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-5+2+10 = d

7 = d

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

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-x3-Ebene ist und den Punkt (2|3|3) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 1 0 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(2|3|3) in diese Gleichung erhält man
d = 12 + 03 + 03=2
also: x 1 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 5 9 -9 ) + r ( -2 0 -9 ) + s ( 8 0 3 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 9 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 9 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 = ( -2 -2 2 ) +t ( 3 -1 -1 ) komplett in der Ebene E: 4 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:

( 3 -1 -1 ) ( 4 2 a ) = 0

34 + (-1)2 + (-1)a = 0
12+(-2)+a ⋅ (-1) = 0 |-10
-1a = -10 | :(-1)
a = 10

Für a = 10 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 +2 x 2 +10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|-2|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-2|-2|2) in E: 4 x 1 +2 x 2 +10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 ( - 2 ) +2 ( - 2 ) +10 2 = b

-8-4+20 = b

8 = b

Mit b = 8 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 +2 x 2 +10 x 3 = 8 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 51 x 1 -3 x 2 -5 x 3 = -233 und F: a x 1 -9 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:
( a -9 -15 ) = t⋅ ( 51 -3 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 51 = 153.

Für a = 153 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 153 x 1 -9 x 2 -15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 153 x 1 -9 x 2 -15 x 3 = -699 , d.h. für b = -699 sind die beiden Ebenen identisch.