Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 3 -5 ) hat und den Punkt P(0|0|-2) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 3 -5 ) besitzt, hat sie die Form E: +3 x 2 -5 x 3 = d .

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

+3 0 -5 ( - 2 ) = d

0+0+10 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: +3 x 2 -5 x 3 = 10 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 +5 x 2 = -39 ist und die den Punkt P(5|-2|0) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -2 5 0 ) und damit die Form E: -2 x 1 +5 x 2 = d .

Da der Punkt P(5|-2|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 5 +5 ( - 2 ) = d

-10-10+0 = d

-20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +5 x 2 = -20 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|4|-2) auf der Ebene E: a x 1 +5 x 2 +2 x 3 = 21 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + 54 + 2(-2) = 21
a ⋅ 1+20+(-4) = 21 |-16
1a = 5 | :1
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -4 0 -4 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -4 x 1 -4 x 3 = d .

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

-4 4 -4 ( - 5 ) = d

-16+0+20 = d

4 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +8 x 3 = -6 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 8 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (3|2|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(3|2|4) eingesetzt:
b⋅2 + c⋅4=d

b=1;c=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=6 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|2|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 5 -7 ) + r ( 0 -8 0 ) + s ( 5 7 -6 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 -8 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 1. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 -8 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x3 und x1 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -5 -1 -1 ) +t ( -3 3 -1 ) komplett in der Ebene E: 2 x 1 +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:

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

(-3)2 + 3a + (-1)3 = 0
-6+a ⋅ 3+(-3) = 0 |+9
3a = 9 | :3
a = 3

Für a = 3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 2 x 1 +3 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|-1|-1).

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

2 ( - 5 ) +3 ( - 1 ) +3 ( - 1 ) = b

-10-3-3 = b

-16 = b

Mit b = -16 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -16 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 13 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = 43 und F: a x 1 +6 x 2 -9 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 6 -9 ) = t⋅ ( 13 -2 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 13 = -39.

Für a = -39 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -39 x 1 +6 x 2 -9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -39 x 1 +6 x 2 -9 x 3 = -129 , d.h. für b = -129 sind die beiden Ebenen identisch.