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 1 -3 x 2 -2 x 3 = -9 ist und die den Punkt P(-4|-2|2) enthält.

Lösung einblenden

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

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

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

-20+6-4 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -3 x 2 -2 x 3 = -18 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|1|5) auf der Ebene E: a x 1 -3 x 2 +3 x 3 = 18 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a3 + (-3)1 + 35 = 18
a ⋅ 3+(-3)+15 = 18 |-12
3a = 6 | :3
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

6+6+12 = d

24 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +2 x 2 -4 x 3 = 24 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 7 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (3|1|2) beinhaltet.

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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 Punktes P(3|1|2) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 11 + 02=1
also: + x 2 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 2 8 ) + r ( 0 -9 6 ) + s ( 0 -3 -5 ) ?

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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 = ( -5 -4 -3 ) +t ( -2 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: 2 x 1 -5 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 ) ( 2 -5 a ) = 0

(-2)2 + (-5)(-5) + (-1)a = 0
-4+25+a ⋅ (-1) = 0 |-21
-1a = -21 | :(-1)
a = 21

Für a = 21 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 2 x 1 -5 x 2 +21 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|-4|-3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-5|-4|-3) in E: 2 x 1 -5 x 2 +21 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

2 ( - 5 ) -5 ( - 4 ) +21 ( - 3 ) = b

-10+20-63 = b

-53 = b

Mit b = -53 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 -5 x 2 +21 x 3 = -53 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = -17 und F: a x 1 -15 x 2 +9 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel 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 -15 9 ) = t⋅ ( 3 -5 3 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = 3 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 9 x 1 -15 x 2 +9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 9 x 1 -15 x 2 +9 x 3 = -51 , d.h. für b = -51 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -51, also z.B.: b = -50 setzen.