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 -5 x 2 = 38 ist und die den Punkt P(-5|-1|2) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 -5 0 ) und damit die Form E: -5 x 1 -5 x 2 = d .

Da der Punkt P(-5|-1|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 ( - 5 ) -5 ( - 1 ) = d

25+5+0 = d

30 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 -5 x 2 = 30 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|-4|-3) auf der Ebene E: a x 1 +3 x 2 + x 3 = 10 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a5 + 3(-4) + 1(-3) = 10
a ⋅ 5+(-12)+(-3) = 10 |+15
5a = 25 | :5
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -5 1 -4 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -5 x 1 + x 2 -4 x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|-1|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 ( - 2 ) +1 ( - 1 ) -4 ( - 4 ) = d

10-1+16 = d

25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 + x 2 -4 x 3 = 25 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 9 x 1 +4 x 2 = 6 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (2|1|1) beinhaltet.

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

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

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

Punkt P(2|1|1) eingesetzt:
b⋅1 + c⋅1=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -8 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 -8 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 2 2 0 ) +t ( -1 -2 -1 ) komplett in der Ebene E: 2 x 1 +a x 2 -6 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:

( -1 -2 -1 ) ( 2 a -6 ) = 0

(-1)2 + (-2)a + (-1)(-6) = 0
-2+a ⋅ (-2)+6 = 0 |-4
-2a = -4 | :(-2)
a = 2

Für a = 2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 2 x 1 +2 x 2 -6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|2|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (2|2|0) in E: 2 x 1 +2 x 2 -6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

2 2 +2 2 -6 0 = b

4+4+0 = b

8 = b

Mit b = 8 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 +2 x 2 -6 x 3 = 8 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 + x 2 +5 x 3 = 14 und F: 6 x 1 +3 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:
( 6 3 a ) = t⋅ ( 2 1 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 5 = 15.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 +3 x 2 +15 x 3 = 42 , d.h. für b = 42 sind die beiden Ebenen identisch.