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 1 +3 x 3 = -16 ist und die den Punkt P(4|-3|-4) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -4 0 3 ) und damit die Form E: -4 x 1 +3 x 3 = d .

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

-4 4 +3 ( - 4 ) = d

-16+0-12 = d

-28 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +3 x 3 = -28 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)(-4) + a(-5) + (-3)5 = -4
16+a ⋅ (-5)+(-15) = -4 |-1
-5a = -5 | :(-5)
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-2|1|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 ( - 2 ) +3 1 -2 3 = d

6+3-6 = d

3 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -2 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 x2-Achse ist und den Punkt (2|4|3) beinhaltet.

Lösung einblenden

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

(ansonsten könnte man ja a0 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

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

a=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=5 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|4|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -8 1 -7 ) + r ( 3 0 0 ) + s ( -9 -7 2 ) ?

Lösung einblenden

1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 3 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-Achse.

2. Weg:

Da der 1. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 3 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

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

Für a = -20 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 5 x 1 - x 2 -20 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|-1|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|-1|1) in E: 5 x 1 - x 2 -20 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 ( - 3 ) -1 ( - 1 ) -20 1 = b

-15+1-20 = b

-34 = b

Mit b = -34 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 - x 2 -20 x 3 = -34 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 41 x 1 +5 x 2 +4 x 3 = 200 und F: a x 1 +15 x 2 +12 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:
( a 15 12 ) = t⋅ ( 41 5 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 41 = 123.

Für a = 123 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 123 x 1 +15 x 2 +12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 123 x 1 +15 x 2 +12 x 3 = 600 , d.h. für b = 600 sind die beiden Ebenen identisch.