Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 -2 x 2 -3 x 3 = 6 ist und die den Punkt P(1|-3|1) enthält.

Lösung einblenden

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

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

-4 1 -2 ( - 3 ) -3 1 = d

-4+6-3 = d

-1 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|3|-2) auf der Ebene E: 2 x 1 +a x 2 +4 x 3 = -15 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

24 + a3 + 4(-2) = -15
8+a ⋅ 3+(-8) = -15 |-0
3a = -15 | :3
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

-15+8+10 = d

3 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +5 x 3 = 2 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 5 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-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-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x2-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 6 -9 -9 ) + r ( 6 7 5 ) + s ( 0 5 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 5 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 2. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 5 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 1 -1 -1 ) ( a -3 4 ) = 0

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

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

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

1 5 -3 5 +4 3 = b

5-15+12 = b

2 = b

Mit b = 2 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 -3 x 2 +4 x 3 = 2 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +9 x 2 -3 x 3 = 72 und F: 9 x 1 +a x 2 -9 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:
( 9 a -9 ) = t⋅ ( 3 9 -3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 9 = 27.

Für a = 27 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 9 x 1 +27 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 +27 x 2 -9 x 3 = 216 , d.h. für b = 216 sind die beiden Ebenen identisch.