Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -10 ist und die den Punkt P(-5|-3|-5) enthält.

Lösung einblenden

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

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

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

10-9-15 = d

-14 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|2|2) auf der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 -3 x 3 = -22 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-2) + a2 + (-3)2 = -22
-10+a ⋅ 2+(-6) = -22 |+16
2a = -6 | :2
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -4 1 1 ) +t ( -2 -5 -4 ) ist und die den Punkt P(-2|-5|4) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -2 -5 -4 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -2 x 1 -5 x 2 -4 x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|-5|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

4+25-16 = d

13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -5 x 2 -4 x 3 = 13 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 2 +7 x 3 = -9 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-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 = ( 0 7 -7 ) + r ( 0 8 -9 ) + s ( 0 -9 6 ) ?

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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 = ( 4 -2 4 ) +t ( -4 5 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -3 x 2 -11 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:

( -4 5 -1 ) ( a -3 -11 ) = 0

(-4)a + 5(-3) + (-1)(-11) = 0
a ⋅ (-4)+(-15)+11 = 0 |+4
-4a = 4 | :(-4)
a = -1

Für a = -1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - x 1 -3 x 2 -11 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (4|-2|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (4|-2|4) in E: - x 1 -3 x 2 -11 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-1 4 -3 ( - 2 ) -11 4 = b

-4+6-44 = b

-42 = b

Mit b = -42 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 -3 x 2 -11 x 3 = -42 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 + x 2 +2 x 3 = -3 und F: 6 x 1 +2 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:
( 6 2 a ) = t⋅ ( 3 1 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 +2 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 +2 x 2 +4 x 3 = -6 , d.h. für b = -6 sind die beiden Ebenen identisch.