Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 +2 x 2 -5 x 3 = 29 ist und die den Punkt P(-4|-3|-3) enthält.

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

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

-4 ( - 4 ) +2 ( - 3 ) -5 ( - 3 ) = d

16-6+15 = d

25 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(2|4|2) auf der Ebene E: - x 1 +a x 2 -4 x 3 = -26 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)2 + a4 + (-4)2 = -26
-2+a ⋅ 4+(-8) = -26 |+10
4a = -16 | :4
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -1 4 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: - x 1 +4 x 2 = d .

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

-1 ( - 2 ) +4 4 = d

2+16+0 = d

18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 +4 x 2 = 18 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +8 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 8 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-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 = ( 7 -9 -8 ) + r ( 0 6 0 ) + s ( 9 -7 9 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 6 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 1. 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 6 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 ( -3 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -4 x 2 +29 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 -5 -1 ) ( a -4 29 ) = 0

(-3)a + (-5)(-4) + (-1)29 = 0
a ⋅ (-3)+20+(-29) = 0 |+9
-3a = 9 | :(-3)
a = -3

Für a = -3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 -4 x 2 +29 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 -4 x 2 +29 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 4 -4 4 +29 ( - 1 ) = b

-12-16-29 = b

-57 = b

Mit b = -57 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 -4 x 2 +29 x 3 = -57 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 +41 x 2 +5 x 3 = 177 und F: -12 x 1 +a 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:
( -12 a 15 ) = t⋅ ( -4 41 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 41 = 123.

Für a = 123 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -12 x 1 +123 x 2 +15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -12 x 1 +123 x 2 +15 x 3 = 531 , d.h. für b = 531 sind die beiden Ebenen identisch.