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 -3 x 2 -4 x 3 = 57 ist und die den Punkt P(5|-5|-1) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 5 -3 -4 ) und damit die Form E: 5 x 1 -3 x 2 -4 x 3 = d .

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

5 5 -3 ( - 5 ) -4 ( - 1 ) = d

25+15+4 = d

44 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -3 x 2 -4 x 3 = 44 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|-4|-1) auf der Ebene E: - x 1 +a x 2 -2 x 3 = 25 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)(-3) + a(-4) + (-2)(-1) = 25
3+a ⋅ (-4)+2 = 25 |-5
-4a = 20 | :(-4)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

5 2 +2 2 -2 1 = d

10+4-2 = d

12 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 6 x 1 = -5 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 6 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 der x2-x3-Ebene.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 1 0 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -1 -5 0 ) + r ( -9 -1 0 ) + s ( -4 2 0 ) ?

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1. Weg:

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

E ist also die 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 die x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( -2 4 -1 ) ( -1 0 a ) = 0

(-2)(-1) + 40 + (-1)a = 0
2+0+a ⋅ (-1) = 0 |-2
-1a = -2 | :(-1)
a = 2

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

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

-1 ( - 4 ) +2 2 = b

4+0+4 = b

8 = b

Mit b = 8 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 +2 x 3 = 8 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 18 und F: -15 x 1 +6 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:
( -15 6 a ) = t⋅ ( -5 2 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -15 x 1 +6 x 2 +9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -15 x 1 +6 x 2 +9 x 3 = 54 , d.h. für b = 54 sind die beiden Ebenen identisch.