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 = -7 ist und die den Punkt P(-4|-5|0) 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(-4|-5|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 ( - 4 ) +2 ( - 5 ) +3 0 = d

16-10+0 = d

6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 6 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

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

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(1|-5|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-5-25-3 = d

-33 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -33 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -5 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x3-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 10 + 00=0
also: + x 2 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -9 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -9 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

3(-3) + (-3)1 + (-1)a = 0
-9+(-3)+a ⋅ (-1) = 0 |+12
-1a = 12 | :(-1)
a = -12

Für a = -12 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 + x 2 -12 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|2|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|2|3) in E: -3 x 1 + x 2 -12 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 ( - 4 ) +1 2 -12 3 = b

12+2-36 = b

-22 = b

Mit b = -22 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 + x 2 -12 x 3 = -22 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 17 x 1 +4 x 2 + x 3 = 79 und F: a x 1 -4 x 2 - 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:
( a -4 -1 ) = t⋅ ( 17 4 1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -1 ⋅ 17 = -17.

Für a = -17 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -17 x 1 -4 x 2 - x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -17 x 1 -4 x 2 - x 3 = -79 , d.h. für b = -79 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -79, also z.B.: b = -78 setzen.