Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = -15 ist und die den Punkt P(-3|-4|-5) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-3|-4|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-6-16+15 = d

-7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = -7 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|2|5) auf der Ebene E: a x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 28 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a3 + 32 + 25 = 28
a ⋅ 3+6+10 = 28 |-16
3a = 12 | :3
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(2|0|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

2+0-3 = d

-1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 2 x 1 -6 x 2 = -4 ?

Lösung einblenden

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (4|4|1) beinhaltet.

Lösung einblenden

Da die gesuchte Ebende parallel zur x1-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x1-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x2 und x3 einsetzt, muss a=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

Der Koeffizient a vor x1 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
b⋅x2 + c⋅x3=d.

Punkt P(4|4|1) eingesetzt:
b⋅4 + c⋅1=d

b=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=5 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|4|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 2 -3 ) + r ( 0 -4 -2 ) + s ( 0 9 9 ) ?

Lösung einblenden

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 = ( 3 -4 -1 ) +t ( 4 2 -1 ) komplett in der Ebene E: -5 x 1 +3 x 2 +a x 3 = b liegt.

Lösung einblenden

Wenn die Gerade g in E liegen soll, muss auch der Normalenvektor von E orthogonal zum Richtungsvektor von g sein, also muss gelten:

( 4 2 -1 ) ( -5 3 a ) = 0

4(-5) + 23 + (-1)a = 0
-20+6+a ⋅ (-1) = 0 |+14
-1a = 14 | :(-1)
a = -14

Für a = -14 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 +3 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 (3|-4|-1).

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

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

-15-12+14 = b

-13 = b

Mit b = -13 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 +3 x 2 -14 x 3 = -13 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 - x 2 +3 x 3 = 6 und F: 6 x 1 -3 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel sind.

Lösung einblenden

Wenn die beiden Ebenen parallel oder identisch sein sollen, müssen ihre Normalenvektoren vielfache (oder gleich) sein. Es muss also gelten:
( 6 -3 a ) = t⋅ ( 2 -1 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: 6 x 1 -3 x 2 +9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 -3 x 2 +9 x 3 = 18 , d.h. für b = 18 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 18, also z.B.: b = 19 setzen.