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 -3 x 2 +2 x 3 = -21 ist und die den Punkt P(4|4|-1) enthält.

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

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

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

-12-12-2 = d

-26 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -3 x 2 +2 x 3 = -26 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|-2|2) auf der Ebene E: -3 x 1 +3 x 2 +a x 3 = -11 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)1 + 3(-2) + a2 = -11
-3+(-6)+a ⋅ 2 = -11 |+9
2a = -2 | :2
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 4 4 -2 ) +t ( 3 0 -1 ) ist und die den Punkt P(-2|-4|5) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 3 0 -1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 - x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|-4|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 ( - 2 ) -1 5 = d

-6+0-5 = d

-11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 - x 3 = -11 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 1 -6 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-x3-Ebene ist und den Punkt (2|2|2) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(2|2|2) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 12 + 02=2
also: + x 2 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 -7 -9 ) + r ( -9 0 -3 ) + s ( 5 0 -1 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -7 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -7 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( 1 4 3 ) +t ( 5 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: -4 x 1 +a x 2 +5 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:

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

5(-4) + (-5)a + (-1)5 = 0
-20+a ⋅ (-5)+(-5) = 0 |+25
-5a = 25 | :(-5)
a = -5

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

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

-4 1 -5 4 +5 3 = b

-4-20+15 = b

-9 = b

Mit b = -9 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 -5 x 2 +5 x 3 = -9 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +50 x 2 -5 x 3 = 45 und F: 10 x 1 +a x 2 -10 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:
( 10 a -10 ) = t⋅ ( 5 50 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 50 = 100.

Für a = 100 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 10 x 1 +100 x 2 -10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 10 x 1 +100 x 2 -10 x 3 = 90 , d.h. für b = 90 sind die beiden Ebenen identisch.