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: 3 x 1 - x 2 +2 x 3 = -7 ist und die den Punkt P(0|4|-3) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(0|4|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 0 -1 4 +2 ( - 3 ) = d

0-4-6 = d

-10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 - x 2 +2 x 3 = -10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|3|5) auf der Ebene E: a x 1 - x 2 +4 x 3 = 22 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-1) + (-1)3 + 45 = 22
a ⋅ (-1)+(-3)+20 = 22 |-17
-1a = 5 | :(-1)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-4|3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 ( - 4 ) -3 3 +2 0 = d

4-9+0 = d

-5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -2 x 1 -5 x 2 = 5 ?

Lösung einblenden

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 x3-Achse ist und den Punkt (4|3|2) 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|3|2) eingesetzt:
a⋅4 + b⋅3=d

a=1;b=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=7 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|3|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 5 -5 ) + r ( 3 0 -4 ) + s ( -8 0 7 ) ?

Lösung einblenden

1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 5 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 = ( -2 -3 2 ) +t ( -2 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +3 x 2 -13 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:

( -2 -5 -1 ) ( a 3 -13 ) = 0

(-2)a + (-5)3 + (-1)(-13) = 0
a ⋅ (-2)+(-15)+13 = 0 |+2
-2a = 2 | :(-2)
a = -1

Für a = -1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - x 1 +3 x 2 -13 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|-3|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-2|-3|2) in E: - x 1 +3 x 2 -13 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-1 ( - 2 ) +3 ( - 3 ) -13 2 = b

2-9-26 = b

-33 = b

Mit b = -33 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 +3 x 2 -13 x 3 = -33 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 + x 2 -5 x 3 = 5 und F: a x 1 -2 x 2 +10 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:
( a -2 10 ) = t⋅ ( 4 1 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 4 = -8.

Für a = -8 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -8 x 1 -2 x 2 +10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -8 x 1 -2 x 2 +10 x 3 = -10 , d.h. für b = -10 sind die beiden Ebenen identisch.