Pestalozzi Gymnasium Biberach EduRandomtasks

Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor $(\begin{matrix} -4 \\ 0 \\ 1 \end{matrix})$ hat und den Punkt P $(-4 | -1 | 2)$ enthält.

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Da E den Normalenvektor $\vec{n}$ = $(\begin{matrix} -4 \\ 0 \\ 1 \end{matrix})$ besitzt, hat sie die Form E: $-4 x_{1} + x_{3} = d$ .

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

$-4 \cdot (-4) + 1 \cdot 2 = d$

$16 +0 +2 = d$

$18 = d$

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: $-4 x_{1} + x_{3} = 18$ .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: $2 x_{1} - x_{2} + 4 x_{3} = -9$ ist und die den Punkt P $(5 | 5 | 1)$ enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor $\vec{n}$ = $(\begin{matrix} 2 \\ -1 \\ 4 \end{matrix})$ und damit die Form E: $2 x_{1} - x_{2} + 4 x_{3} = d$ .

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

$2 \cdot 5 - 1 \cdot 5 + 4 \cdot 1 = d$

$10 -5 +4 = d$

$9 = d$

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: $2 x_{1} - x_{2} + 4 x_{3} = 9$ .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P $(-2 | 0 | -4)$ auf der Ebene E: $- x_{1} + 4 x_{2} + a x_{3} = -14$ ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

$(-1) \cdot (-2) + 4 \cdot 0 + a \cdot (-4) = -14$
$2 + 0 + a ⋅ (-4) = -14$ |-2
-4a = -16 | :(-4)
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 0 \\ 3 \\ 4 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -2 \\ -5 \\ -4 \end{matrix})$ ist und die den Punkt P $(-2 | 3 | -1)$ enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor $\vec{n}$ = $(\begin{matrix} -2 \\ -5 \\ -4 \end{matrix})$ der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: $-2 x_{1} - 5 x_{2} - 4 x_{3} = d$ .

Da der Punkt P $(-2 | 3 | -1)$ auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

$-2 \cdot (-2) - 5 \cdot 3 - 4 \cdot (-1) = d$

$4 -15 +4 = d$

$-7 = d$

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: $-2 x_{1} - 5 x_{2} - 4 x_{3} = -7$ .

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-x₂-Ebene ist und den Punkt $(3 | 1 | 3)$ beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser $\vec{n}$ = $(\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix})$ oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form $+ x_{3} = d$ . Durch Einsetzen des Punktes P $(3 | 1 | 3)$ in diese Gleichung erhält man
d = $0 \cdot 3 + 0 \cdot 1 + 1 \cdot 3$ =3
also: $+ x_{3} = 3$

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: $\vec{x} = (\begin{matrix} -3 \\ -4 \\ -9 \end{matrix}) + r \cdot (\begin{matrix} -3 \\ 0 \\ -7 \end{matrix}) + s \cdot (\begin{matrix} 1 \\ 0 \\ -8 \end{matrix})$ ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x₂-Wert immer -4 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x₂ = -4 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor $\vec{n}$ = $(\begin{matrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{matrix})$ .)

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 $\vec{n}$ = $(\begin{matrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{matrix})$ 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: $\vec{x} =$ $(\begin{matrix} 1 \\ -2 \\ 2 \end{matrix}) + t \cdot (\begin{matrix} -3 \\ -1 \\ -1 \end{matrix})$ komplett in der Ebene E: $a x_{1} - 5 x_{2} + 2 x_{3} = b$ 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:

$(\begin{matrix} -3 \\ -1 \\ -1 \end{matrix})$ ⋅ $(\begin{matrix} a \\ -5 \\ 2 \end{matrix})$ = 0

$(-3) \cdot a + (-1) \cdot (-5) + (-1) \cdot 2 = 0$
$a ⋅ (-3) + 5 + (-2) = 0$ |-3
-3a = -3 | :(-3)
a = 1

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

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

$1 \cdot 1 - 5 \cdot (-2) + 2 \cdot 2 = b$

$1 +10 +4 = b$

$15 = b$

Mit b = 15 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: $x_{1} - 5 x_{2} + 2 x_{3} = 15$ .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: $2 x_{1} - x_{2} + x_{3} = -2$ und F: $a x_{1} - 2 x_{2} + 2 x_{3} = b$ . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel 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:
$(\begin{matrix} a \\ -2 \\ 2 \end{matrix})$ = t⋅ $(\begin{matrix} 2 \\ -1 \\ 1 \end{matrix})$

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = 2 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 2 ⋅ 2 = 4.

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

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

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -4, also z.B.: b = -3 setzen.

Punkt auf Ebene finden

Beispiel:

Finde einen beliebigen Punkt mit ganzzahligen Koordinaten auf der gegebenen Ebene E: $-4 x_{1} + 5 x_{2} + 3 x_{3} = 15$

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Es gibt sehr viele Wege, einen der unendlichen vielen Punkte einer Ebene zu finden. Der einfachste ist dabei wahrscheinlich, indem man die Spurpunkte bestimmt.
Dazu setzen wir einfach allgemeine Punkte der Koordinatenachsen S₁(x|0|0), S₂(0|y|0)und ,S₃(0|0|z) in die Koordinatengleichung $-4 x_{1} + 5 x_{2} + 3 x_{3} = 15$ ein.

S₁:

$-4 \cdot x + 5 \cdot 0 + 3 \cdot 0 = 15$

=> x=

- \frac{15}{4}

=-3.75, also S₁(-3.75|0|0)
S₂:

$-4 \cdot 0 + 5 \cdot y + 3 \cdot 0 = 15$

=> y=

\frac{15}{5}

=3, also S₂(0|3|0)
S₃:

$-4 \cdot 0 + 5 \cdot 0 + 3 \cdot z = 15$

=> z=

\frac{15}{3}

=5, also S₃(0|0|5)

Wir können also z.B. den Spurpunkt S₂ als Punkt auf der Ebene E wählen, also z.B. den Punkt S₂(0|3|0).

Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

Ebene aus Normalenvektor und Pkt

parallele Ebene durch Punkt

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

spezielle Ebenen

spezielle Ebenen aufstellen

spezielle Ebene in Parameterform

1. Weg:

2. Weg:

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Punkt auf Ebene finden