Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 +4 x 2 -5 x 3 = -20 ist und die den Punkt P(-1|-3|3) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-1|-3|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

4 ( - 1 ) +4 ( - 3 ) -5 3 = d

-4-12-15 = d

-31 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 +4 x 2 -5 x 3 = -31 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|-4|1) auf der Ebene E: a x 1 +3 x 2 -3 x 3 = -25 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a5 + 3(-4) + (-3)1 = -25
a ⋅ 5+(-12)+(-3) = -25 |+15
5a = -10 | :5
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

-1-10-16 = d

-27 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 +5 x 2 +4 x 3 = -27 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +3 x 2 -5 x 3 = -6 ?

Lösung einblenden

Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (1|3|4) beinhaltet.

Lösung einblenden

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(1|3|4) eingesetzt:
a⋅1 + b⋅3=d

a=1;b=1 und d=4 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=4 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|3|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -7 -4 9 ) + r ( 0 5 -6 ) + s ( 0 1 6 ) ?

Lösung einblenden

1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -7 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -7 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -2 -3 4 ) +t ( 1 3 -1 ) komplett in der Ebene E: 3 x 1 +a x 2 -12 x 3 = b liegt.

Lösung einblenden

Wenn die Gerade g in E liegen soll, muss auch der Normalenvektor von E orthogonal zum Richtungsvektor von g sein, also muss gelten:

( 1 3 -1 ) ( 3 a -12 ) = 0

13 + 3a + (-1)(-12) = 0
3+a ⋅ 3+12 = 0 |-15
3a = -15 | :3
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 -5 x 2 -12 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|-3|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-2|-3|4) in E: 3 x 1 -5 x 2 -12 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 ( - 2 ) -5 ( - 3 ) -12 4 = b

-6+15-48 = b

-39 = b

Mit b = -39 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 -5 x 2 -12 x 3 = -39 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 + x 2 -2 x 3 = -14 und F: 5 x 1 +a x 2 +2 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen identisch sind.

Lösung einblenden

Wenn die beiden Ebenen parallel oder identisch sein sollen, müssen ihre Normalenvektoren vielfache (oder gleich) sein. Es muss also gelten:
( 5 a 2 ) = t⋅ ( -5 1 -2 )

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

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

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: 5 x 1 - x 2 +2 x 3 = 14 , d.h. für b = 14 sind die beiden Ebenen identisch.