Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 -2 x 2 -5 x 3 = -44 ist und die den Punkt P(-2|0|3) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 5 -2 -5 ) und damit die Form E: 5 x 1 -2 x 2 -5 x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|0|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 ( - 2 ) -2 0 -5 3 = d

-10+0-15 = d

-25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -2 x 2 -5 x 3 = -25 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|3|-3) auf der Ebene E: -3 x 1 +3 x 2 +a x 3 = 30 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-5) + 33 + a(-3) = 30
15+9+a ⋅ (-3) = 30 |-24
-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 -4 0 ) +t ( -1 -3 2 ) ist und die den Punkt P(5|-3|3) enthält.

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

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

-1 5 -3 ( - 3 ) +2 3 = d

-5+9+6 = d

10 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 2 +4 x 3 = -4 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (3|1|3) beinhaltet.

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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(3|1|3) eingesetzt:
a⋅3 + c⋅3=d

a=1;c=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=6 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|1|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 -1 -8 ) + r ( -4 4 -5 ) + s ( 0 4 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 4 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-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 x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 4 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 4 -4 1 ) +t ( 4 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: -3 x 1 +a x 2 -20 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 ) ( -3 a -20 ) = 0

4(-3) + (-4)a + (-1)(-20) = 0
-12+a ⋅ (-4)+20 = 0 |-8
-4a = -8 | :(-4)
a = 2

Für a = 2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 +2 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 (4|-4|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (4|-4|1) in E: -3 x 1 +2 x 2 -20 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 4 +2 ( - 4 ) -20 1 = b

-12-8-20 = b

-40 = b

Mit b = -40 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 +2 x 2 -20 x 3 = -40 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -2 x 2 +8 x 3 = -2 und F: -4 x 1 +4 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:
( -4 4 a ) = t⋅ ( 2 -2 8 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 8 = -16.

Für a = -16 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 +4 x 2 -16 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 +4 x 2 -16 x 3 = 4 , d.h. für b = 4 sind die beiden Ebenen identisch.