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 -1 ) hat und den Punkt P(-2|3|-5) enthält.

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

Da der Punkt P(-2|3|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-4+3+5 = d

4 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 1 +2 x 2 -2 x 3 = 13 ist und die den Punkt P(5|2|-2) enthält.

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

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

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

-15+4+4 = d

-7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +2 x 2 -2 x 3 = -7 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|-2|2) auf der Ebene E: x 1 -4 x 2 +a x 3 = -7 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

1(-5) + (-4)(-2) + a2 = -7
-5+8+a ⋅ 2 = -7 |-3
2a = -10 | :2
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(3|2|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 2 -3 ( - 4 ) = d

0-6+12 = d

6 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 = -1 ?

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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 x2-Achse ist und den Punkt (4|1|4) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x2-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x2-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x3 einsetzt, muss b=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 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

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

a=1;c=1 und d=8 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=8 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|1|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -8 7 0 ) + r ( 4 -7 0 ) + s ( -9 4 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 4 -5 ) +t ( -3 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +2 x 2 + 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 -4 -1 ) ( a 2 1 ) = 0

(-3)a + (-4)2 + (-1)1 = 0
a ⋅ (-3)+(-8)+(-1) = 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: -3 x 1 +2 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|4|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|4|-5) in E: -3 x 1 +2 x 2 + x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

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

12+8-5 = b

15 = b

Mit b = 15 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 +2 x 2 + x 3 = 15 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 41 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = 57 und F: a x 1 +4 x 2 -5 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel 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 4 -5 ) = t⋅ ( 41 -4 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -1 ⋅ 41 = -41.

Für a = -41 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -41 x 1 +4 x 2 -5 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -41 x 1 +4 x 2 -5 x 3 = -57 , d.h. für b = -57 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -57, also z.B.: b = -56 setzen.