Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: - x 1 -2 x 2 -2 x 3 = 20 ist und die den Punkt P(-4|-3|-2) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-4|-3|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

4+6+4 = d

14 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|5|-2) auf der Ebene E: a x 1 +2 x 2 - x 3 = 0 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a3 + 25 + (-1)(-2) = 0
a ⋅ 3+10+2 = 0 |-12
3a = -12 | :3
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-5+1-2 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 + x 2 - x 3 = -6 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -1 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x2-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 5 -9 -7 ) + r ( 2 -5 8 ) + s ( 6 0 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 6 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 2. 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
( 6 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 = ( -4 -2 2 ) +t ( -2 0 -1 ) komplett in der Ebene E: 5 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:

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

(-2)5 + 02 + (-1)a = 0
-10+0+a ⋅ (-1) = 0 |+10
-1a = 10 | :(-1)
a = -10

Für a = -10 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 5 x 1 +2 x 2 -10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|-2|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|-2|2) in E: 5 x 1 +2 x 2 -10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 ( - 4 ) +2 ( - 2 ) -10 2 = b

-20-4-20 = b

-44 = b

Mit b = -44 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 +2 x 2 -10 x 3 = -44 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 29 x 1 +2 x 2 -5 x 3 = -52 und F: a x 1 +6 x 2 -15 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 6 -15 ) = t⋅ ( 29 2 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 29 = 87.

Für a = 87 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 87 x 1 +6 x 2 -15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 87 x 1 +6 x 2 -15 x 3 = -156 , d.h. für b = -156 sind die beiden Ebenen identisch.