Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -5 0 5 ) hat und den Punkt P(3|-1|2) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -5 0 5 ) besitzt, hat sie die Form E: -5 x 1 +5 x 3 = d .

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

-5 3 +5 2 = d

-15+0+10 = d

-5 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(4|-5|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

12+5+3 = d

20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 - x 2 -3 x 3 = 20 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|2|1) 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(-4) + (-4)2 + a1 = -7
-4+(-8)+a ⋅ 1 = -7 |+12
1a = 5 | :1
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

4 ( - 2 ) -1 4 = d

-8+0-4 = d

-12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 - x 3 = -12 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 -6 ) , 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x2-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -7 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -7 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 5 -4 0 ) +t ( 0 2 -1 ) komplett in der Ebene E: -2 x 1 +a x 2 -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:

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

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

Für a = -1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 - x 2 -2 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|-4|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|-4|0) in E: -2 x 1 - x 2 -2 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

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

-10+4+0 = b

-6 = b

Mit b = -6 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 - x 2 -2 x 3 = -6 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 +2 x 2 -5 x 3 = -34 und F: 3 x 1 +a x 2 +5 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:
( 3 a 5 ) = t⋅ ( -3 2 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -1 ⋅ 2 = -2.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: 3 x 1 -2 x 2 +5 x 3 = 34 , d.h. für b = 34 sind die beiden Ebenen identisch.