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: - x 1 +5 x 2 +4 x 3 = -7 ist und die den Punkt P(-2|3|-5) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-2|3|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

2+15-20 = d

-3 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|-4|3) auf der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 -3 x 3 = -9 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

43 + a(-4) + (-3)3 = -9
12+a ⋅ (-4)+(-9) = -9 |-3
-4a = -12 | :(-4)
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -4 -4 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -4 x 1 -4 x 2 +2 x 3 = d .

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

-4 3 -4 3 +2 5 = d

-12-12+10 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -4 x 2 +2 x 3 = -14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 1 = 9 ?

Lösung einblenden

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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (1|4|3) beinhaltet.

Lösung einblenden

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(1|4|3) eingesetzt:
a⋅1 + c⋅3=d

a=1;c=1 und d=4 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=4 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|4|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 -1 -3 ) + r ( 0 9 0 ) + s ( -4 -8 -1 ) ?

Lösung einblenden

1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 9 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 1. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 9 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

(-3)2 + 21 + (-1)a = 0
-6+2+a ⋅ (-1) = 0 |+4
-1a = 4 | :(-1)
a = -4

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

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

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

-8+5+12 = b

9 = b

Mit b = 9 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 + x 2 -4 x 3 = 9 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -14 und F: -6 x 1 +10 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen identisch sind.

Lösung einblenden

Wenn die beiden Ebenen parallel oder identisch sein sollen, müssen ihre Normalenvektoren vielfache (oder gleich) sein. Es muss also gelten:
( -6 10 a ) = t⋅ ( -3 5 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: -6 x 1 +10 x 2 +4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -6 x 1 +10 x 2 +4 x 3 = -28 , d.h. für b = -28 sind die beiden Ebenen identisch.