Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 -3 x 3 = -22 ist und die den Punkt P(-5|-2|-4) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 4 3 -3 ) und damit die Form E: 4 x 1 +3 x 2 -3 x 3 = d .

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

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

-20-6+12 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 +3 x 2 -3 x 3 = -14 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)4 + a(-3) + (-3)(-4) = 2
-4+a ⋅ (-3)+12 = 2 |-8
-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 1 -2 ) +t ( 0 -3 3 ) ist und die den Punkt P(5|1|-1) enthält.

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

Da der Punkt P(5|1|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 1 +3 ( - 1 ) = d

0-3-3 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 2 +3 x 3 = -6 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 5 x 1 +3 x 3 = -8 ?

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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 einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (1|1|3) beinhaltet.

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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(1|1|3) eingesetzt:
b⋅1 + c⋅3=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 0 5 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-Achse.

2. Weg:

Da der 2. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 5 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

41 + (-4)(-5) + (-1)a = 0
4+20+a ⋅ (-1) = 0 |-24
-1a = -24 | :(-1)
a = 24

Für a = 24 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: x 1 -5 x 2 +24 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (4|0|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (4|0|4) in E: x 1 -5 x 2 +24 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

1 4 -5 0 +24 4 = b

4+0+96 = b

100 = b

Mit b = 100 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 -5 x 2 +24 x 3 = 100 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 13 x 1 +2 x 2 -3 x 3 = 43 und F: a x 1 -4 x 2 +6 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 6 ) = t⋅ ( 13 2 -3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 13 = -26.

Für a = -26 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -26 x 1 -4 x 2 +6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -26 x 1 -4 x 2 +6 x 3 = -86 , d.h. für b = -86 sind die beiden Ebenen identisch.