Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 2 +3 x 3 = 29 ist und die den Punkt P(-2|-4|5) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 -3 3 ) und damit die Form E: -3 x 2 +3 x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|-4|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 ( - 4 ) +3 5 = d

0+12+15 = d

27 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 2 +3 x 3 = 27 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|-5|1) auf der Ebene E: x 1 -3 x 2 +a x 3 = 9 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

1(-4) + (-3)(-5) + a1 = 9
-4+15+a ⋅ 1 = 9 |-11
1a = -2 | :1
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 4 -5 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 -5 x 2 +5 x 3 = d .

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

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

-16-15+15 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -5 x 2 +5 x 3 = -16 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 9 x 1 = 5 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 9 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (2|4|2) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja a0 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

Der Koeffizient c vor x3 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
a⋅x1 + b⋅x2=d.

Punkt P(2|4|2) eingesetzt:
a⋅2 + b⋅4=d

a=1;b=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=6 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|4|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 3 -2 ) + r ( 0 7 2 ) + s ( 0 -7 -2 ) ?

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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 Gerage g: x = ( 3 2 5 ) +t ( 4 3 -1 ) komplett in der Ebene E: - x 1 -3 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 3 -1 ) ( -1 -3 a ) = 0

4(-1) + 3(-3) + (-1)a = 0
-4+(-9)+a ⋅ (-1) = 0 |+13
-1a = 13 | :(-1)
a = -13

Für a = -13 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - x 1 -3 x 2 -13 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (3|2|5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|2|5) in E: - x 1 -3 x 2 -13 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-1 3 -3 2 -13 5 = b

-3-6-65 = b

-74 = b

Mit b = -74 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 -3 x 2 -13 x 3 = -74 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = 0 und F: -9 x 1 -9 x 2 +a 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 -9 a ) = t⋅ ( -3 -3 6 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 6 = 18.

Für a = 18 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -9 x 1 -9 x 2 +18 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -9 x 1 -9 x 2 +18 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.