Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 1 -1 ) hat und den Punkt P(3|-2|0) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 1 -1 ) besitzt, hat sie die Form E: + x 2 - 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.

+1 ( - 2 ) -1 0 = d

0-2+0 = d

-2 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-1-2-2 = d

-5 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

2(-2) + a1 + 32 = 1
-4+a ⋅ 1+6 = 1 |-2
1a = -1 | :1
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(0|4|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 0 +4 4 -5 3 = d

0+16-15 = d

1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 4 x 1 -9 x 3 = 4 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x2-x3-Ebene.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 1 0 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -9 -5 -7 ) + r ( 2 3 1 ) + s ( 0 1 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 1 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 2. 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 1 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 = ( -2 -1 2 ) +t ( 0 2 -1 ) komplett in der Ebene E: -4 x 1 -4 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:

( 0 2 -1 ) ( -4 -4 a ) = 0

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

Für a = -8 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 -4 x 2 -8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|-1|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-2|-1|2) in E: -4 x 1 -4 x 2 -8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-4 ( - 2 ) -4 ( - 1 ) -8 2 = b

8+4-16 = b

-4 = b

Mit b = -4 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 -4 x 2 -8 x 3 = -4 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 +5 x 2 - x 3 = 6 und F: -4 x 1 +a x 2 +2 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:
( -4 a 2 ) = t⋅ ( 2 5 -1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 5 = -10.

Für a = -10 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 -10 x 2 +2 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 -10 x 2 +2 x 3 = -12 , d.h. für b = -12 sind die beiden Ebenen identisch.