Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 -5 x 2 -2 x 3 = 14 ist und die den Punkt P(1|0|-5) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(1|0|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

3+0+10 = d

13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -5 x 2 -2 x 3 = 13 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-2) + 24 + 41 = 10
a ⋅ (-2)+8+4 = 10 |-12
-2a = -2 | :(-2)
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(4|-5|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

1 4 -4 ( - 5 ) -1 0 = d

4+20+0 = d

24 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -4 x 2 - x 3 = 24 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 9 x 1 -5 x 3 = 9 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (3|2|2) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=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 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

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

Punkt P(3|2|2) eingesetzt:
a⋅3 + b⋅2=d

a=1;b=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=5 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|2|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 9 1 ) + r ( 3 -9 1 ) + s ( -7 0 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( -7 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
( -7 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 ( 3 3 -1 ) komplett in der Ebene E: -4 x 1 - 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 3 -1 ) ( -4 -1 a ) = 0

3(-4) + 3(-1) + (-1)a = 0
-12+(-3)+a ⋅ (-1) = 0 |+15
-1a = 15 | :(-1)
a = -15

Für a = -15 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 - x 2 -15 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: -4 x 1 - x 2 -15 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-4 4 -1 ( - 2 ) -15 2 = b

-16+2-30 = b

-44 = b

Mit b = -44 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 - x 2 -15 x 3 = -44 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 -4 x 2 +20 x 3 = -42 und F: -4 x 1 -8 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 -8 a ) = t⋅ ( -2 -4 20 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 2 ⋅ 20 = 40.

Für a = 40 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 -8 x 2 +40 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 -8 x 2 +40 x 3 = -84 , d.h. für b = -84 sind die beiden Ebenen identisch.