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 = -33 ist und die den Punkt P(4|5|-4) enthält.

Lösung einblenden

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

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

-12+10-20 = d

-22 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -22 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|1|-5) auf der Ebene E: -5 x 1 +3 x 2 +a x 3 = 48 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-5)(-4) + 31 + a(-5) = 48
20+3+a ⋅ (-5) = 48 |-23
-5a = 25 | :(-5)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 1 -3 0 ) +t ( -5 -3 0 ) ist und die den Punkt P(0|4|-2) enthält.

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -5 -3 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -5 x 1 -3 x 2 = d .

Da der Punkt P(0|4|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 0 -3 4 = d

0-12+0 = d

-12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 -3 x 2 = -12 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 4 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 4 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x2-x3-Ebene.

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 7 -5 ) + r ( -2 -7 0 ) + s ( -4 -4 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -5 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 3 2 3 ) +t ( -4 1 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -5 x 2 -9 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 1 -1 ) ( a -5 -9 ) = 0

(-4)a + 1(-5) + (-1)(-9) = 0
a ⋅ (-4)+(-5)+9 = 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 -5 x 2 -9 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (3|2|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|2|3) in E: x 1 -5 x 2 -9 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

1 3 -5 2 -9 3 = b

3-10-27 = b

-34 = b

Mit b = -34 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 -5 x 2 -9 x 3 = -34 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 + x 2 +5 x 3 = -2 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 5 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = 2 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 2 ⋅ 5 = 10.

Für a = 10 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 +2 x 2 +10 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 +10 x 3 = -4 , d.h. für b = -4 sind die beiden Ebenen identisch.