Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 4 -3 4 ) hat und den Punkt P(5|-3|0) enthält.

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

Da der Punkt P(5|-3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

4 5 -3 ( - 3 ) +4 0 = d

20+9+0 = d

29 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 -4 x 2 -3 x 3 = 8 ist und die den Punkt P(-1|3|0) enthält.

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

Da der Punkt P(-1|3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

4-12+0 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -4 x 2 -3 x 3 = -8 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|2|-5) auf der Ebene E: a x 1 + x 2 + x 3 = 17 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a4 + 12 + 1(-5) = 17
a ⋅ 4+2+(-5) = 17 |+3
4a = 20 | :4
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 4 -5 1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 -5 x 2 + x 3 = d .

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

4 1 -5 3 +1 3 = d

4-15+3 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -5 x 2 + x 3 = -8 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -3 x 1 +6 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 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 5 9 ) + r ( 5 3 0 ) + s ( -7 1 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 9 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 9 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 = ( 2 4 -2 ) +t ( -5 3 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +3 x 2 +4 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 3 -1 ) ( a 3 4 ) = 0

(-5)a + 33 + (-1)4 = 0
a ⋅ (-5)+9+(-4) = 0 |-5
-5a = -5 | :(-5)
a = 1

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

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

1 2 +3 4 +4 ( - 2 ) = b

2+12-8 = b

6 = b

Mit b = 6 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 6 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 30 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 36 und F: a x 1 -6 x 2 -12 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 -6 -12 ) = t⋅ ( 30 2 4 )

Man erkennt nun gleich, dass dies nur für t = -3 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 30 = -90.

Für a = -90 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -90 x 1 -6 x 2 -12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -90 x 1 -6 x 2 -12 x 3 = -108 , d.h. für b = -108 sind die beiden Ebenen identisch.