Ebenenscharen erklärt mit Beispielen

15 Oktober 2020
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Erklärung

Taucht in der Koordinatenform einer Ebene außer den Koordinaten $x_1$, $x_2$ und $x_3$ ein Parameter auf, bzw. in der Parameterform außer den Parametern vor den Richtungsvektoren noch ein zusätzlicher Parameter, dann handelt es sich um eine sogenannte Ebenenschar.

Wie bei den Geradenscharen geht es dann meistens darum, wie dieser Scharparameter gewählt werden muss, damit die dazugehörige Ebene eine vorgegebene Bedingung erfüllt.

 

 

Beispiel 1

Für welche Werte von $s$ hat die Ebene $E$ mit der Koordinatengleichung $x_1 - 2x_2 + 2x_3 + s = 1$ vom Punkt $P(1|0|1)$ den Abstand $d(E;P) = 2$?

Mit der Hesseschen Normalform von E und der Abstandsformel kann diese Bedingung als Gleichung formuliert werden: $$ \left|\frac{1-2 \cdot 0+2 \cdot 1 +s-1}{3} \right| =2\Longleftrightarrow \left|2+s\right| =6 $$

Diese Gleichung hat die beiden Lösungen $s = 4$ und $s =-8$ für den gesuchten Parameter $s$.

 

Beispiel 2

Gegeben ist die Ebenenschar $E_s : sx_1 + (3 - 2_s)x_2 + x_3 = 4$ und die Ursprungsgerade $\vec{x}=t\left(\begin{matrix} 2 \\ 1 \\ 3 \end{matrix} \right) $.

Es soll gezeigt werden, dass keine Ebene dieser Schar die Gerade schneidet. Um die Schnittmenge zu berechnen, setzen wir die Geradenkoordinaten in die Ebenengleichung ein: $$ s \cdot 2t + (3-2s) \cdot t -3t = 4 \Longleftrightarrow 0 = 4 $$

Diese Gleichung ist unabhängig von $s$ falsch, deshalb gibt es für kein $s$ einen Schnittpunkt.

 

Beispiel 3

Für welchen Wert von $s$ ist die Ebene $E_s : -4x_1 + sx_2 - 3sx_3 = 1$ orthogonal zur Ebene $E : x_1 + 2x_2 + x_3 = 0$?

Sind zwei Ebenen orthogonal zueinander, wenn ihre Normalenvektoren orthogonal sind, also wenn ihr Skalarprodukt den Wert Null ergibt: $$ \left(\begin{matrix} -4 \\ s \\ -3s \end{matrix} \right) \bullet \left(\begin{matrix} 1 \\ 2 \\ 1 \end{matrix} \right) =0\Longleftrightarrow (-4) \cdot 1 + s \cdot 2 + (-3s) \cdot 1 = 0 $$

Diese Gleichung hat die Lösung $s = -4$ was bedeutet, dass $E_{-4}$ orthogonal zu $E$ ist.

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