Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

6-6-3 = d

-3 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -3 -4 2 ) und damit die Form E: -3 x 1 -4 x 2 +2 x 3 = d .

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

-3 3 -4 3 +2 4 = d

-9-12+8 = d

-13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -4 x 2 +2 x 3 = -13 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|4|5) auf der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 +3 x 3 = 36 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

55 + a4 + 35 = 36
25+a ⋅ 4+15 = 36 |-40
4a = -4 | :4
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-12-6+12 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = -6 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -2 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -2 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 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 = ( 6 7 -9 ) + r ( 0 3 0 ) + s ( -6 -7 5 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 3 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 3 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 = ( -3 -3 0 ) +t ( 0 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 +8 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 -4 -1 ) ( 4 a 8 ) = 0

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

Für a = -2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 -2 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 (-3|-3|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|-3|0) in E: 4 x 1 -2 x 2 +8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 ( - 3 ) -2 ( - 3 ) +8 0 = b

-12+6+0 = b

-6 = b

Mit b = -6 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 -2 x 2 +8 x 3 = -6 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -4 x 2 +10 x 3 = 10 und F: -2 x 1 +4 x 2 +a 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:
( -2 4 a ) = t⋅ ( 2 -4 10 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -1 ⋅ 10 = -10.

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

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

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -10, also z.B.: b = -9 setzen.