Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( 3 0 -2 ) besitzt, hat sie die Form E: 3 x 1 -2 x 3 = d .

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

3 5 -2 ( - 1 ) = d

15+0+2 = d

17 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 -2 x 3 = 17 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(0|-1|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

1 0 +4 ( - 1 ) -4 ( - 4 ) = d

0-4+16 = d

12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 +4 x 2 -4 x 3 = 12 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|-2|3) auf der Ebene E: a x 1 - x 2 +5 x 3 = 29 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a4 + (-1)(-2) + 53 = 29
a ⋅ 4+2+15 = 29 |-17
4a = 12 | :4
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

+3 5 = d

0+0+15 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +3 x 3 = 15 .

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 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 = ( -1 0 -6 ) + r ( 9 0 -9 ) + s ( 6 0 3 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also die x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

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

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

2 4 -5 ( - 3 ) -3 4 = b

8+15-12 = b

11 = b

Mit b = 11 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 -5 x 2 -3 x 3 = 11 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -9 und F: 6 x 1 +a x 2 +8 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 8 ) = t⋅ ( 3 2 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 2 = 4.

Für a = 4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 +4 x 2 +8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 +4 x 2 +8 x 3 = -18 , d.h. für b = -18 sind die beiden Ebenen identisch.