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: +4 x 2 +2 x 3 = -32 ist und die den Punkt P(-3|-3|-2) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 4 2 ) und damit die Form E: +4 x 2 +2 x 3 = d .

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

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

0-12-4 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +4 x 2 +2 x 3 = -16 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|-2|-1) auf der Ebene E: -4 x 1 +5 x 2 +a x 3 = -18 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)1 + 5(-2) + a(-1) = -18
-4+(-10)+a ⋅ (-1) = -18 |+14
-1a = -4 | :(-1)
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 5 -1 ) +t ( 4 4 -3 ) ist und die den Punkt P(-5|-4|3) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-5|-4|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-20-16-9 = d

-45 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = -45 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 3 = 0 ?

Lösung einblenden

Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 -5 ) , 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (2|3|4) beinhaltet.

Lösung einblenden

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

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

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

Punkt P(2|3|4) eingesetzt:
b⋅3 + c⋅4=d

b=1;c=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=7 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|3|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 3 -2 0 ) + r ( -5 4 0 ) + s ( 9 -7 0 ) ?

Lösung einblenden

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 = ( -3 -3 4 ) +t ( -3 1 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -4 x 2 -10 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 1 -1 ) ( a -4 -10 ) = 0

(-3)a + 1(-4) + (-1)(-10) = 0
a ⋅ (-3)+(-4)+10 = 0 |-6
-3a = -6 | :(-3)
a = 2

Für a = 2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 2 x 1 -4 x 2 -10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|-3|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|-3|4) in E: 2 x 1 -4 x 2 -10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

2 ( - 3 ) -4 ( - 3 ) -10 4 = b

-6+12-40 = b

-34 = b

Mit b = -34 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 -4 x 2 -10 x 3 = -34 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 + x 2 +3 x 3 = -6 und F: 6 x 1 -3 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 -3 a ) = t⋅ ( -2 1 3 )

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

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

Für a = -9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 -3 x 2 -9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 -3 x 2 -9 x 3 = 18 , d.h. für b = 18 sind die beiden Ebenen identisch.