Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

2-3+12 = d

11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -3 x 2 -4 x 3 = 11 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|-4|1) auf der Ebene E: a x 1 +3 x 2 -3 x 3 = -19 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-2) + 3(-4) + (-3)1 = -19
a ⋅ (-2)+(-12)+(-3) = -19 |+15
-2a = -4 | :(-2)
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

-10-10+4 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -2 x 2 - x 3 = -16 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +2 x 2 -6 x 3 = -4 ?

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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 x1-x3-Ebene ist und den Punkt (1|3|4) 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(1|3|4) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 13 + 04=3
also: + x 2 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 1 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 1 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

(-3)1 + (-2)a + (-1)(-1) = 0
-3+a ⋅ (-2)+1 = 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 - x 2 - x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|3|-2).

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

1 5 -1 3 -1 ( - 2 ) = b

5-3+2 = b

4 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = -5 und F: a x 1 -8 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:
( a -8 10 ) = t⋅ ( 2 -4 5 )

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

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

Für a = 4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 4 x 1 -8 x 2 +10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 4 x 1 -8 x 2 +10 x 3 = -10 , d.h. für b = -10 sind die beiden Ebenen identisch.