Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -3 -3 5 ) hat und den Punkt P(5|4|1) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -3 -3 5 ) besitzt, hat sie die Form E: -3 x 1 -3 x 2 +5 x 3 = d .

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

-3 5 -3 4 +5 1 = d

-15-12+5 = d

-22 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 -3 x 2 +5 x 3 = -22 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-1|-2|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-3+8+8 = d

13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -4 x 2 +2 x 3 = 13 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

25 + a1 + (-1)2 = 5
10+a ⋅ 1+(-2) = 5 |-8
1a = -3 | :1
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(2|-4|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

8-12-20 = d

-24 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 +3 x 2 -4 x 3 = -24 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 2 = 8 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -4 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-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-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

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

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 9 3 8 ) + r ( -4 -8 7 ) + s ( 0 -9 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 -9 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 2. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 -9 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

(-4)(-1) + (-2)4 + (-1)a = 0
4+(-8)+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: - 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 (5|3|5).

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

-1 5 +4 3 -4 5 = b

-5+12-20 = b

-13 = b

Mit b = -13 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 +4 x 2 -4 x 3 = -13 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 +5 x 2 - x 3 = -25 und F: -2 x 1 +a x 2 + 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:
( -2 a 1 ) = t⋅ ( 2 5 -1 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -1 ⋅ 5 = -5.

Für a = -5 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -2 x 1 -5 x 2 + x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -2 x 1 -5 x 2 + x 3 = 25 , d.h. für b = 25 sind die beiden Ebenen identisch.