Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -4 -1 4 ) hat und den Punkt P(-3|0|-4) enthält.

Lösung einblenden

Da E den Normalenvektor n = ( -4 -1 4 ) besitzt, hat sie die Form E: -4 x 1 - x 2 +4 x 3 = d .

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

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

12+0-16 = d

-4 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(3|2|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 3 -3 2 -4 1 = d

-12-6-4 = d

-22 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -3 x 2 -4 x 3 = -22 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|0|4) auf der Ebene E: a x 1 +3 x 2 -4 x 3 = -13 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + 30 + (-4)4 = -13
a ⋅ 1+0+(-16) = -13 |+16
1a = 3 | :1
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -3 -1 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -3 x 1 - 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 ) -1 2 +5 0 = d

3-2+0 = d

1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 1 +7 x 3 = 8 ?

Lösung einblenden

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.

Lösung einblenden

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 = ( 9 -1 -7 ) + r ( 4 5 0 ) + s ( -2 -5 0 ) ?

Lösung einblenden

1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -7 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -7 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 Gerade g: x = ( -3 -1 2 ) +t ( -2 -3 -1 ) komplett in der Ebene E: - x 1 +a 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 -3 -1 ) ( -1 0 a ) = 0

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

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

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

-1 ( - 3 ) +2 2 = b

3+0+4 = b

7 = b

Mit b = 7 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 +2 x 3 = 7 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 + x 2 -3 x 3 = -3 und F: a x 1 +2 x 2 -6 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel 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 -6 ) = t⋅ ( 2 1 -3 )

Man erkennt 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 +2 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 +2 x 2 -6 x 3 = -6 , d.h. für b = -6 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -6, also z.B.: b = -5 setzen.