Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -2 5 -1 ) hat und den Punkt P(0|0|4) enthält.

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

Da der Punkt P(0|0|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 0 +5 0 -1 4 = d

0+0-4 = d

-4 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 +3 x 2 + x 3 = 12 ist und die den Punkt P(2|5|3) 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(2|5|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 2 +3 5 +1 3 = d

-4+15+3 = d

14 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + (-3)(-2) + 4(-2) = 3
a ⋅ 1+6+(-8) = 3 |+2
1a = 5 | :1
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-3 1 -5 ( - 1 ) = d

-3+5+0 = d

2 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x 1 +8 x 3 = -3 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (3|4|4) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(3|4|4) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 14 + 04=4
also: + x 2 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 2 -1 2 ) + r ( 0 0 -7 ) + s ( 2 -2 -8 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -7 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-Achse.

2. Weg:

Da der 1. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 -7 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 0 4 4 ) +t ( -4 -1 -1 ) komplett in der Ebene E: +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 -1 -1 ) ( 0 4 a ) = 0

(-4)0 + (-1)4 + (-1)a = 0
0+(-4)+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 2 -4 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|4|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|4|4) in E: +4 x 2 -4 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

+4 4 -4 4 = b

0+16-16 = b

0 = b

Mit b = 0 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: +4 x 2 -4 x 3 = 0 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 -4 x 2 -5 x 3 = -4 und F: a x 1 +4 x 2 +5 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 4 5 ) = t⋅ ( 1 -4 -5 )

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

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

Für a = -1 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: - x 1 +4 x 2 +5 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: - x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 4 , d.h. für b = 4 sind die beiden Ebenen identisch.