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 +3 x 2 +2 x 3 = -19 ist und die den Punkt P(5|-2|-2) enthält.

Lösung einblenden

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

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

-1 5 +3 ( - 2 ) +2 ( - 2 ) = d

-5-6-4 = d

-15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 +3 x 2 +2 x 3 = -15 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

34 + a1 + 23 = 15
12+a ⋅ 1+6 = 15 |-18
1a = -3 | :1
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 1 3 -1 ) +t ( 5 -1 2 ) ist und die den Punkt P(-3|-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 -1 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 - x 2 +2 x 3 = d .

Da der Punkt P(-3|-5|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 ( - 3 ) -1 ( - 5 ) +2 ( - 1 ) = d

-15+5-2 = d

-12 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +6 x 3 = -6 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 6 ) , 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (2|1|3) beinhaltet.

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

(ansonsten könnte man ja a0 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

Punkt P(2|1|3) eingesetzt:
a⋅2 + c⋅3=d

a=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=5 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|1|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -9 1 0 ) + r ( -8 -2 0 ) + s ( 8 -7 0 ) ?

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1. Weg:

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

E ist also die 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 die x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

20 + 51 + (-1)a = 0
0+5+a ⋅ (-1) = 0 |-5
-1a = -5 | :(-1)
a = 5

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

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

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

0-3-25 = b

-28 = b

Mit b = -28 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: + x 2 +5 x 3 = -28 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 -4 x 2 +2 x 3 = -1 und F: 10 x 1 +8 x 2 +a 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:
( 10 8 a ) = t⋅ ( -5 -4 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 2 = -4.

Für a = -4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 10 x 1 +8 x 2 -4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 10 x 1 +8 x 2 -4 x 3 = 2 , d.h. für b = 2 sind die beiden Ebenen identisch.