Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-8+8-4 = d

-4 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 +2 x 2 -3 x 3 = -15 ist und die den Punkt P(3|-1|-5) enthält.

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

Da der Punkt P(3|-1|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 3 +2 ( - 1 ) -3 ( - 5 ) = d

-12-2+15 = d

1 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)4 + 52 + a1 = 2
-4+10+a ⋅ 1 = 2 |-6
1a = -4 | :1
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

4-4+6 = d

6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 + x 2 -3 x 3 = 6 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +8 x 2 +3 x 3 = -7 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (2|4|4) 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(2|4|4) eingesetzt:
a⋅2 + b⋅4=d

a=1;b=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=6 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|4|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -8 0 1 ) + r ( 2 0 1 ) + s ( -4 0 7 ) ?

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1. Weg:

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

E ist also die x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

(-3)(-3) + 3(-1) + (-1)a = 0
9+(-3)+a ⋅ (-1) = 0 |-6
-1a = -6 | :(-1)
a = 6

Für a = 6 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 - x 2 +6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-1|2|-3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-1|2|-3) in E: -3 x 1 - x 2 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 ( - 1 ) -1 2 +6 ( - 3 ) = b

3-2-18 = b

-17 = b

Mit b = -17 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 - x 2 +6 x 3 = -17 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 +3 x 2 - x 3 = -12 und F: -12 x 1 +a x 2 +3 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:
( -12 a 3 ) = t⋅ ( 4 3 -1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 3 = -9.

Für a = -9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -12 x 1 -9 x 2 +3 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -12 x 1 -9 x 2 +3 x 3 = 36 , d.h. für b = 36 sind die beiden Ebenen identisch.