Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 -5 2 ) und damit die Form E: -5 x 2 +2 x 3 = d .

Da der Punkt P(2|5|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 5 +2 2 = d

0-25+4 = d

-21 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 2 +2 x 3 = -21 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a3 + 14 + (-2)1 = -1
a ⋅ 3+4+(-2) = -1 |-2
3a = -3 | :3
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

1 ( - 3 ) -5 0 +3 ( - 3 ) = d

-3+0-9 = d

-12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -5 x 2 +3 x 3 = -12 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 1 -7 x 2 = 3 ?

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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 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 = ( -5 -2 -7 ) + r ( -1 2 3 ) + s ( 0 0 6 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 0 6 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 6 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -4 -1 -5 ) +t ( 0 -1 -1 ) komplett in der Ebene E: 3 x 1 +2 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:

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

03 + (-1)2 + (-1)a = 0
0+(-2)+a ⋅ (-1) = 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 -2 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|-1|-5).

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

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

-12-2+10 = b

-4 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 8 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 48 und F: a x 1 +8 x 2 +8 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 8 8 ) = t⋅ ( 8 4 4 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = 2 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 2 ⋅ 8 = 16.

Für a = 16 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 16 x 1 +8 x 2 +8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 16 x 1 +8 x 2 +8 x 3 = 96 , d.h. für b = 96 sind die beiden Ebenen identisch.