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 +4 x 2 = 24 ist und die den Punkt P(-3|5|-5) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -3 4 0 ) und damit die Form E: -3 x 1 +4 x 2 = d .

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

-3 ( - 3 ) +4 5 = d

9+20+0 = d

29 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +4 x 2 = 29 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-5)(-2) + (-2)4 + a(-1) = -2
10+(-8)+a ⋅ (-1) = -2 |-2
-1a = -4 | :(-1)
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-1|2|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 ( - 1 ) +2 2 -5 0 = d

-3+4+0 = d

1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 4 x 1 +2 x 3 = 9 ?

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Wenn man die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x1 und x3 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-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 = ( -3 6 -5 ) + r ( 7 0 2 ) + s ( 9 0 -1 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 6 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 6 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 = ( -1 -2 4 ) +t ( -5 1 -1 ) komplett in der Ebene E: 5 x 1 -2 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:

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

(-5)5 + 1(-2) + (-1)a = 0
-25+(-2)+a ⋅ (-1) = 0 |+27
-1a = 27 | :(-1)
a = -27

Für a = -27 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 5 x 1 -2 x 2 -27 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-1|-2|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-1|-2|4) in E: 5 x 1 -2 x 2 -27 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 ( - 1 ) -2 ( - 2 ) -27 4 = b

-5+4-108 = b

-109 = b

Mit b = -109 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 -2 x 2 -27 x 3 = -109 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 +2 x 2 -3 x 3 = 7 und F: a x 1 +4 x 2 -6 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 4 -6 ) = t⋅ ( 2 2 -3 )

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 +4 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 4 x 1 +4 x 2 -6 x 3 = 14 , d.h. für b = 14 sind die beiden Ebenen identisch.