Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( -4 2 1 ) besitzt, hat sie die Form E: -4 x 1 +2 x 2 + x 3 = d .

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

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

-8+4-4 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -4 x 1 +2 x 2 + x 3 = -8 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 -3 x 2 -4 x 3 = -10 ist und die den Punkt P(4|-2|0) enthält.

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

Da der Punkt P(4|-2|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

4+6+0 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -3 x 2 -4 x 3 = 10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|0|3) auf der Ebene E: -3 x 1 -4 x 2 +a x 3 = -27 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)5 + (-4)0 + a3 = -27
-15+0+a ⋅ 3 = -27 |+15
3a = -12 | :3
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 4 -5 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 -5 x 2 +5 x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|-3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

4 ( - 2 ) -5 ( - 3 ) +5 0 = d

-8+15+0 = d

7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -5 x 2 +5 x 3 = 7 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x 1 = 2 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 1 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (1|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(1|4|4) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 14 + 04=4
also: + x 2 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 7 7 -4 ) + r ( -1 0 0 ) + s ( -4 -9 8 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( -1 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-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 x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( -1 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -5 4 2 ) +t ( -1 -1 -1 ) komplett in der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 -5 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 -1 -1 ) ( 5 a -5 ) = 0

(-1)5 + (-1)a + (-1)(-5) = 0
-5+a ⋅ (-1)+5 = 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 -5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|4|2).

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

5 ( - 5 ) -5 2 = b

-25+0-10 = b

-35 = b

Mit b = -35 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 -5 x 3 = -35 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -5 und F: 9 x 1 +6 x 2 +a 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:
( 9 6 a ) = t⋅ ( 3 2 3 )

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

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

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 9 x 1 +6 x 2 +9 x 3 = -15 , d.h. für b = -15 sind die beiden Ebenen identisch.