Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 1 4 -5 ) hat und den Punkt P(4|3|5) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 1 4 -5 ) besitzt, hat sie die Form E: x 1 +4 x 2 -5 x 3 = d .

Da der Punkt P(4|3|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

1 4 +4 3 -5 5 = d

4+12-25 = d

-9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: x 1 +4 x 2 -5 x 3 = -9 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 2 = 9 ist und die den Punkt P(4|3|0) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 -2 0 ) und damit die Form E: -2 x 2 = d .

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

-2 3 = d

0-6+0 = d

-6 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(2|-1|3) auf der Ebene E: a x 1 +2 x 2 -4 x 3 = -12 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a2 + 2(-1) + (-4)3 = -12
a ⋅ 2+(-2)+(-12) = -12 |+14
2a = 2 | :2
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-4|-2|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-8+6+1 = d

-1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 7 ) , 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 = ( -9 2 -8 ) + r ( 1 3 0 ) + s ( -4 7 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -8 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 = ( -2 0 1 ) +t ( -4 -1 -1 ) komplett in der Ebene E: 2 x 1 +a x 2 -6 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:

( -4 -1 -1 ) ( 2 a -6 ) = 0

(-4)2 + (-1)a + (-1)(-6) = 0
-8+a ⋅ (-1)+6 = 0 |+2
-1a = 2 | :(-1)
a = -2

Für a = -2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 2 x 1 -2 x 2 -6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|0|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-2|0|1) in E: 2 x 1 -2 x 2 -6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

2 ( - 2 ) -2 0 -6 1 = b

-4+0-6 = b

-10 = b

Mit b = -10 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 -2 x 2 -6 x 3 = -10 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 +3 x 2 + x 3 = -23 und F: 6 x 1 +a x 2 +3 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:
( 6 a 3 ) = t⋅ ( 2 3 1 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = 3 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 +9 x 2 +3 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 +9 x 2 +3 x 3 = -69 , d.h. für b = -69 sind die beiden Ebenen identisch.