Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 -4 x 2 +5 x 3 = 26 ist und die den Punkt P(2|-4|4) enthält.

Lösung einblenden

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

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

1 2 -4 ( - 4 ) +5 4 = d

2+16+20 = d

38 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -4 x 2 +5 x 3 = 38 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

44 + a3 + (-4)(-2) = 15
16+a ⋅ 3+8 = 15 |-24
3a = -9 | :3
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -2 -5 1 ) +t ( -2 2 3 ) ist und die den Punkt P(0|-1|3) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(0|-1|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 0 +2 ( - 1 ) +3 3 = d

0-2+9 = d

7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 7 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -9 x 2 = -8 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -9 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-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 x1-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 = ( 8 -5 -6 ) + r ( 1 -8 0 ) + s ( -4 -9 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -6 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -6 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 = ( 0 -5 4 ) +t ( -5 0 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +4 x 2 +15 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:

( -5 0 -1 ) ( a 4 15 ) = 0

(-5)a + 04 + (-1)15 = 0
a ⋅ (-5)+0+(-15) = 0 |+15
-5a = 15 | :(-5)
a = -3

Für a = -3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 +4 x 2 +15 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|-5|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|-5|4) in E: -3 x 1 +4 x 2 +15 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 0 +4 ( - 5 ) +15 4 = b

0-20+60 = b

40 = b

Mit b = 40 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 +4 x 2 +15 x 3 = 40 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 8 x 1 -2 x 2 +2 x 3 = 38 und F: a x 1 +6 x 2 -6 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 6 -6 ) = t⋅ ( 8 -2 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 8 = -24.

Für a = -24 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -24 x 1 +6 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -24 x 1 +6 x 2 -6 x 3 = -114 , d.h. für b = -114 sind die beiden Ebenen identisch.