Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -2 1 -2 ) hat und den Punkt P(0|-1|0) enthält.

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

Da der Punkt P(0|-1|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 0 +1 ( - 1 ) -2 0 = d

0-1+0 = d

-1 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-2-4-10 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -2 x 2 +5 x 3 = -16 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)(-1) + a1 + (-1)4 = -3
4+a ⋅ 1+(-4) = -3 |-0
1a = -3 | :1
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

12-8+0 = d

4 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -6 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 (3|1|2) 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(3|1|2) eingesetzt:
a⋅3 + b⋅1=d

a=1;b=1 und d=4 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=4 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|1|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 9 6 6 ) + r ( 0 -8 -7 ) + s ( 0 -1 -7 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 9 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 9 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -3 0 3 ) +t ( -4 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -8 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:

( -4 -4 -1 ) ( a 0 -8 ) = 0

(-4)a + (-4)0 + (-1)(-8) = 0
a ⋅ (-4)+0+8 = 0 |-8
-4a = -8 | :(-4)
a = 2

Für a = 2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 2 x 1 -8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|0|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|0|3) in E: 2 x 1 -8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

2 ( - 3 ) -8 3 = b

-6+0-24 = b

-30 = b

Mit b = -30 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 -8 x 3 = -30 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +41 x 2 -4 x 3 = -128 und F: 15 x 1 +a x 2 -12 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:
( 15 a -12 ) = t⋅ ( 5 41 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 41 = 123.

Für a = 123 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 15 x 1 +123 x 2 -12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 15 x 1 +123 x 2 -12 x 3 = -384 , d.h. für b = -384 sind die beiden Ebenen identisch.