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 - x 2 -4 x 3 = -21 ist und die den Punkt P(-5|2|5) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-5|2|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 ( - 5 ) -1 2 -4 5 = d

15-2-20 = d

-7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 - x 2 -4 x 3 = -7 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|3|5) auf der Ebene E: -3 x 1 -2 x 2 +a x 3 = -7 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-3) + (-2)3 + a5 = -7
9+(-6)+a ⋅ 5 = -7 |-3
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 -1 3 ) +t ( -3 3 -2 ) ist und die den Punkt P(-2|2|1) enthält.

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

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

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

6+6-2 = d

10 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 1 +2 x 3 = -5 ?

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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 einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (3|2|1) 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(3|2|1) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 12 + 01=2
also: + x 2 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -9 3 -8 ) + r ( 0 0 3 ) + s ( -1 2 -2 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 3 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 3 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -4 -5 -2 ) +t ( -3 3 -1 ) komplett in der Ebene E: -4 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:

( -3 3 -1 ) ( 0 -4 a ) = 0

(-3)0 + 3(-4) + (-1)a = 0
0+(-12)+a ⋅ (-1) = 0 |+12
-1a = 12 | :(-1)
a = -12

Für a = -12 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 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 (-4|-5|-2).

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

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

0+20+24 = b

44 = b

Mit b = 44 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 2 -12 x 3 = 44 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +3 x 2 -4 x 3 = 16 und F: a x 1 -3 x 2 +4 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 -3 4 ) = t⋅ ( 5 3 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -1 ⋅ 5 = -5.

Für a = -5 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -5 x 1 -3 x 2 +4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -5 x 1 -3 x 2 +4 x 3 = -16 , d.h. für b = -16 sind die beiden Ebenen identisch.