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 = 15 ist und die den Punkt P(-2|4|2) 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(-2|4|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

6+12+4 = d

22 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 22 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|5|5) auf der Ebene E: a x 1 - x 2 - x 3 = -7 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-3) + (-1)5 + (-1)5 = -7
a ⋅ (-3)+(-5)+(-5) = -7 |+10
-3a = 3 | :(-3)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-2|-5|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

2+10-9 = d

3 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -9 x 1 +8 x 2 = -3 ?

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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 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 = ( -7 -1 -4 ) + r ( 4 0 8 ) + s ( -6 0 5 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -1 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -1 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 = ( 5 -3 3 ) +t ( -1 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: -4 x 1 -4 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:

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

(-1)(-4) + (-4)(-4) + (-1)a = 0
4+16+a ⋅ (-1) = 0 |-20
-1a = -20 | :(-1)
a = 20

Für a = 20 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 -4 x 2 +20 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|-3|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|-3|3) in E: -4 x 1 -4 x 2 +20 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-4 5 -4 ( - 3 ) +20 3 = b

-20+12+60 = b

52 = b

Mit b = 52 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 -4 x 2 +20 x 3 = 52 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +13 x 2 + x 3 = 56 und F: -5 x 1 +a x 2 - 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:
( -5 a -1 ) = t⋅ ( 5 13 1 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -1 ⋅ 13 = -13.

Für a = -13 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -5 x 1 -13 x 2 - x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -5 x 1 -13 x 2 - x 3 = -56 , d.h. für b = -56 sind die beiden Ebenen identisch.