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 -2 x 2 +2 x 3 = -8 ist und die den Punkt P(3|-3|0) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(3|-3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 3 -2 ( - 3 ) +2 0 = d

-12+6+0 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -2 x 2 +2 x 3 = -6 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-2) + 1(-3) + a1 = 7
6+(-3)+a ⋅ 1 = 7 |-3
1a = 4 | :1
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 2 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: +2 x 2 +5 x 3 = d .

Da der Punkt P(3|-5|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

+2 ( - 5 ) +5 4 = d

0-10+20 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +2 x 2 +5 x 3 = 10 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 3 = 0 ?

Lösung einblenden

Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 7 ) , 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 einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (4|4|3) 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(4|4|3) eingesetzt:
a⋅4 + b⋅4=d

a=1;b=1 und d=8 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=8 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|4|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 5 -4 ) + r ( 0 8 0 ) + s ( 4 6 6 ) ?

Lösung einblenden

1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 8 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 8 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 = ( -2 4 4 ) +t ( -5 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -20 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:

( -5 -5 -1 ) ( a 0 -20 ) = 0

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

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

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

4 ( - 2 ) -20 4 = b

-8+0-80 = b

-88 = b

Mit b = -88 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 -20 x 3 = -88 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 +5 x 2 - x 3 = 27 und F: 4 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:
( 4 a -2 ) = t⋅ ( 2 5 -1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 5 = 10.

Für a = 10 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 4 x 1 +10 x 2 -2 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 4 x 1 +10 x 2 -2 x 3 = 54 , d.h. für b = 54 sind die beiden Ebenen identisch.