Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Da E den Normalenvektor n = ( 5 -5 -4 ) besitzt, hat sie die Form E: 5 x 1 -5 x 2 -4 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.

5 ( - 5 ) -5 4 -4 ( - 5 ) = d

-25-20+20 = d

-25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 5 x 1 -5 x 2 -4 x 3 = -25 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-2|1|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-4+5-9 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -8 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|1|-5) auf der Ebene E: -2 x 1 +a x 2 -2 x 3 = 12 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-2)(-2) + a1 + (-2)(-5) = 12
4+a ⋅ 1+10 = 12 |-14
1a = -2 | :1
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

10-4+12 = d

18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 - x 2 +4 x 3 = 18 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -5 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 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 = ( -7 -8 -2 ) + r ( 0 0 7 ) + s ( -4 3 9 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 7 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 7 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 2 -2 -3 ) +t ( 1 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -2 x 2 +5 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:

( 1 -4 -1 ) ( a -2 5 ) = 0

1a + (-4)(-2) + (-1)5 = 0
a ⋅ 1+8+(-5) = 0 |-3
1a = -3 | :1
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 +5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|-2|-3).

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

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

-6+4-15 = b

-17 = b

Mit b = -17 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 -2 x 2 +5 x 3 = -17 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -1 ⋅ 5 = -5.

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

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

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -4, also z.B.: b = -3 setzen.