Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(2|-2|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 2 -3 ( - 2 ) +2 0 = d

-2+6+0 = d

4 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|0|0) auf der Ebene E: a x 1 -5 x 2 +5 x 3 = 12 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-3) + (-5)0 + 50 = 12
a ⋅ (-3)+0+0 = 12 |-0
-3a = 12 | :(-3)
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 3 -5 0 ) +t ( 3 5 -1 ) ist und die den Punkt P(-4|-1|-3) enthält.

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 3 5 -1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 - x 3 = d .

Da der Punkt P(-4|-1|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-12-5+3 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 +5 x 2 - x 3 = -14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -2 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x3-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 10 + 00=0
also: + x 2 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 -9 -9 ) + r ( 7 0 0 ) + s ( -7 -1 -7 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 7 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-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 x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 7 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x2 und x3 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x1-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

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

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

-4 5 -2 ( - 1 ) = b

-20+2+0 = b

-18 = b

Mit b = -18 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 -2 x 2 = -18 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 +2 x 2 -3 x 3 = 0 und F: -9 x 1 +a x 2 -9 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:
( -9 a -9 ) = t⋅ ( -3 2 -3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 2 = 6.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -9 x 1 +6 x 2 -9 x 3 = 0 , d.h. für b = 0 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 0, also z.B.: b = 1 setzen.