Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-1|0|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

2 ( - 1 ) +3 0 +3 4 = d

-2+0+12 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = 10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

2(-1) + (-2)(-1) + a1 = -4
-2+2+a ⋅ 1 = -4 |-0
1a = -4 | :1
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

9-9+2 = d

2 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -2 x 1 = 9 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -2 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (1|3|3) 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(1|3|3) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 13 + 03=3
also: + x 2 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -4 -9 5 ) + r ( 3 0 8 ) + s ( 2 0 7 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -9 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -9 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 3 -5 -1 ) ( 1 -2 a ) = 0

31 + (-5)(-2) + (-1)a = 0
3+10+a ⋅ (-1) = 0 |-13
-1a = -13 | :(-1)
a = 13

Für a = 13 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: x 1 -2 x 2 +13 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|3|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|3|0) in E: x 1 -2 x 2 +13 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

1 ( - 4 ) -2 3 +13 0 = b

-4-6+0 = b

-10 = b

Mit b = -10 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 -2 x 2 +13 x 3 = -10 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 13 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = -38 und F: a x 1 -3 x 2 +2 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 -3 2 ) = t⋅ ( 13 3 -2 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

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

Für a = -13 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -13 x 1 -3 x 2 +2 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -13 x 1 -3 x 2 +2 x 3 = 38 , d.h. für b = 38 sind die beiden Ebenen identisch.