Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -13 ist und die den Punkt P(-2|-4|-2) enthält.

Lösung einblenden

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

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

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

-4-8-6 = d

-18 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|-5|0) auf der Ebene E: -5 x 1 +a x 2 +5 x 3 = 5 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-5)3 + a(-5) + 50 = 5
-15+a ⋅ (-5)+0 = 5 |+15
-5a = 20 | :(-5)
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -2 0 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -2 x 1 +2 x 3 = d .

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

-2 4 +2 ( - 5 ) = d

-8+0-10 = d

-18 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +8 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 8 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (2|1|3) 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(2|1|3) eingesetzt:
b⋅1 + c⋅3=d

b=1;c=1 und d=4 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=4 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|1|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 -1 -8 ) + r ( 0 -9 9 ) + s ( 0 -4 -3 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also die x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( -3 -5 -2 ) ( -3 5 a ) = 0

(-3)(-3) + (-5)5 + (-2)a = 0
9+(-25)+a ⋅ (-2) = 0 |+16
-2a = 16 | :(-2)
a = -8

Für a = -8 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 +5 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 (4|1|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (4|1|2) in E: -3 x 1 +5 x 2 -8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 4 +5 1 -8 2 = b

-12+5-16 = b

-23 = b

Mit b = -23 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 +5 x 2 -8 x 3 = -23 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 +17 x 2 +4 x 3 = -71 und F: -3 x 1 +a x 2 -12 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 -12 ) = t⋅ ( 1 17 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 17 = -51.

Für a = -51 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -3 x 1 -51 x 2 -12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -3 x 1 -51 x 2 -12 x 3 = 213 , d.h. für b = 213 sind die beiden Ebenen identisch.