Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: - x 2 + x 3 = 21 ist und die den Punkt P(-3|-4|0) enthält.

Lösung einblenden

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

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

-1 ( - 4 ) +1 0 = d

0+4+0 = d

4 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|5|1) auf der Ebene E: a x 1 +2 x 2 -3 x 3 = 11 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-1) + 25 + (-3)1 = 11
a ⋅ (-1)+10+(-3) = 11 |-7
-1a = 4 | :(-1)
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

5 ( - 1 ) +5 1 +1 1 = d

-5+5+1 = d

1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 3 = 8 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 -5 ) , 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x2-x3-Ebene.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 1 0 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -9 6 -7 ) + r ( 0 3 9 ) + s ( 0 -1 -2 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -9 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -9 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerage g: x = ( -3 -4 4 ) +t ( -4 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -3 x 2 +32 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:

( -4 -4 -1 ) ( a -3 32 ) = 0

(-4)a + (-4)(-3) + (-1)32 = 0
a ⋅ (-4)+12+(-32) = 0 |+20
-4a = 20 | :(-4)
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 -3 x 2 +32 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|-4|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|-4|4) in E: -5 x 1 -3 x 2 +32 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-5 ( - 3 ) -3 ( - 4 ) +32 4 = b

15+12+128 = b

155 = b

Mit b = 155 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 -3 x 2 +32 x 3 = 155 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 14 und F: 6 x 1 +a 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:
( 6 a 4 ) = t⋅ ( 3 2 2 )

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

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

Für a = 4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 28 , d.h. für b = 28 sind die beiden Ebenen identisch.