Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 3 ist und die den Punkt P(3|2|-2) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 5 5 4 ) und damit die Form E: 5 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = d .

Da der Punkt P(3|2|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 3 +5 2 +4 ( - 2 ) = d

15+10-8 = d

17 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 17 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|3|0) auf der Ebene E: a x 1 +5 x 2 -2 x 3 = 21 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-3) + 53 + (-2)0 = 21
a ⋅ (-3)+15+0 = 21 |-15
-3a = 6 | :(-3)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 2 -5 -2 ) +t ( -3 5 3 ) ist und die den Punkt P(3|-1|3) enthält.

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

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

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

-9-5+9 = d

-5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 1 -8 x 3 = -2 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (2|1|1) beinhaltet.

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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 Punktes P(2|1|1) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 01 + 11=1
also: + x 3 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 9 6 ) + r ( 0 -2 6 ) + s ( 0 2 -4 ) ?

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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 = ( -4 -4 -5 ) +t ( 3 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: -2 x 1 +a x 2 +19 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 -1 ) ( -2 a 19 ) = 0

3(-2) + (-5)a + (-1)19 = 0
-6+a ⋅ (-5)+(-19) = 0 |+25
-5a = 25 | :(-5)
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 -5 x 2 +19 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|-4|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|-4|-5) in E: -2 x 1 -5 x 2 +19 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 ( - 4 ) -5 ( - 4 ) +19 ( - 5 ) = b

8+20-95 = b

-67 = b

Mit b = -67 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -5 x 2 +19 x 3 = -67 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 13 x 1 + x 2 +5 x 3 = -82 und F: a x 1 - x 2 -5 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:
( a -1 -5 ) = t⋅ ( 13 1 5 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -1 ⋅ 13 = -13.

Für a = -13 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -13 x 1 - x 2 -5 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -13 x 1 - x 2 -5 x 3 = 82 , d.h. für b = 82 sind die beiden Ebenen identisch.