Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 7 ist und die den Punkt P(-2|-2|4) enthält.

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

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

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

-6-4+20 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|4|-4) auf der Ebene E: -3 x 1 +a x 2 +4 x 3 = -21 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-1) + a4 + 4(-4) = -21
3+a ⋅ 4+(-16) = -21 |+13
4a = -8 | :4
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -4 1 1 ) +t ( 0 0 -2 ) ist und die den Punkt P(-4|-3|0) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 0 -2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -2 x 3 = d .

Da der Punkt P(-4|-3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 0 = d

0+0+0 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 3 = 0 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 9 x 1 -2 x 3 = 3 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x3-Ebene.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 0 1 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 10 + 00=0
also: + x 2 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -6 4 -6 ) + r ( 0 -8 5 ) + s ( 0 7 9 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -6 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -6 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

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

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

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

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

-12+20-6 = b

2 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

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

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

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