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 1 +3 x 2 +4 x 3 = 9 ist und die den Punkt P(1|-3|3) enthält.

Lösung einblenden

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

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

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

-3-9+12 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 0 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-1) + (-1)5 + 14 = 2
a ⋅ (-1)+(-5)+4 = 2 |+1
-1a = 3 | :(-1)
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -2 -2 -2 ) +t ( -5 3 4 ) ist und die den Punkt P(0|-3|-4) enthält.

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

Da der Punkt P(0|-3|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 0 +3 ( - 3 ) +4 ( - 4 ) = d

0-9-16 = d

-25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = -25 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +8 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 8 ) , 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (4|4|2) beinhaltet.

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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 Punktes P(4|4|2) in diese Gleichung erhält man
d = 04 + 14 + 02=4
also: + x 2 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -5 -8 -1 ) + r ( 0 6 0 ) + s ( 3 8 -6 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 6 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 1. 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 6 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 = ( -1 -4 5 ) +t ( -4 1 -1 ) komplett in der Ebene E: 3 x 1 +a x 2 -14 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 1 -1 ) ( 3 a -14 ) = 0

(-4)3 + 1a + (-1)(-14) = 0
-12+a ⋅ 1+14 = 0 |-2
1a = -2 | :1
a = -2

Für a = -2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 -2 x 2 -14 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-1|-4|5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-1|-4|5) in E: 3 x 1 -2 x 2 -14 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 ( - 1 ) -2 ( - 4 ) -14 5 = b

-3+8-70 = b

-65 = b

Mit b = -65 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 -2 x 2 -14 x 3 = -65 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 14 und F: 9 x 1 +12 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 12 a ) = t⋅ ( 3 4 3 )

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

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

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 9 x 1 +12 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 +12 x 2 +9 x 3 = 42 , d.h. für b = 42 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 42, also z.B.: b = 43 setzen.