Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-5|4|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-20-16+5 = d

-31 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 4 x 1 -4 x 2 + x 3 = -31 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 +3 x 2 -5 x 3 = -17 ist und die den Punkt P(2|0|4) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 1 3 -5 ) und damit die Form E: x 1 +3 x 2 -5 x 3 = d .

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

1 2 +3 0 -5 4 = d

2+0-20 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 +3 x 2 -5 x 3 = -18 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|3|1) auf der Ebene E: a x 1 -2 x 2 + x 3 = -9 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + (-2)3 + 11 = -9
a ⋅ 1+(-6)+1 = -9 |+5
1a = -4 | :1
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(2|-5|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-6-25+4 = d

-27 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -27 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x 1 +2 x 2 = -9 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

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

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x1-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x1-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x2 und x3 einsetzt, muss a=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

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

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

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -4 8 0 ) + r ( 1 2 0 ) + s ( 1 5 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 = ( -5 -3 4 ) +t ( 0 3 -1 ) komplett in der Ebene E: +a x 2 +3 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:

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

00 + 3a + (-1)3 = 0
0+a ⋅ 3+(-3) = 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 2 +3 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|-3|4).

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

+1 ( - 3 ) +3 4 = b

0-3+12 = b

9 = b

Mit b = 9 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: + x 2 +3 x 3 = 9 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 +13 x 2 -2 x 3 = -34 und F: -6 x 1 +a x 2 -4 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:
( -6 a -4 ) = t⋅ ( -3 13 -2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 13 = 26.

Für a = 26 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -6 x 1 +26 x 2 -4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -6 x 1 +26 x 2 -4 x 3 = -68 , d.h. für b = -68 sind die beiden Ebenen identisch.