Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-9-8+2 = d

-15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 +4 x 2 -2 x 3 = -15 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 + x 2 - x 3 = -6 ist und die den Punkt P(3|-5|-3) enthält.

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

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

4 3 +1 ( - 5 ) -1 ( - 3 ) = d

12-5+3 = d

10 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)(-5) + (-3)3 + a(-4) = -5
20+(-9)+a ⋅ (-4) = -5 |-11
-4a = -16 | :(-4)
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-2 ( - 1 ) -3 ( - 5 ) = d

2+15+0 = d

17 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -3 x 2 = 17 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -2 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -2 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 x3-Achse ist und den Punkt (4|3|1) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=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 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

Der Koeffizient c vor x3 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
a⋅x1 + b⋅x2=d.

Punkt P(4|3|1) eingesetzt:
a⋅4 + b⋅3=d

a=1;b=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=7 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|3|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also die x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

12 + (-1)3 + (-1)a = 0
2+(-3)+a ⋅ (-1) = 0 |+1
-1a = 1 | :(-1)
a = -1

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

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

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

8+3+1 = b

12 = b

Mit b = 12 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 +3 x 2 - x 3 = 12 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 13 x 1 -5 x 2 + x 3 = 32 und F: a x 1 +5 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:
( a 5 -1 ) = t⋅ ( 13 -5 1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -1 ⋅ 13 = -13.

Für a = -13 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -13 x 1 +5 x 2 - x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -13 x 1 +5 x 2 - x 3 = -32 , d.h. für b = -32 sind die beiden Ebenen identisch.