Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 3 -5 5 ) hat und den Punkt P(4|5|-1) enthält.

Lösung einblenden

Da E den Normalenvektor n = ( 3 -5 5 ) besitzt, hat sie die Form E: 3 x 1 -5 x 2 +5 x 3 = d .

Da der Punkt P(4|5|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

12-25-5 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 -5 x 2 +5 x 3 = -18 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 1 -3 x 2 +3 x 3 = 38 ist und die den Punkt P(-3|1|4) enthält.

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

Da der Punkt P(-3|1|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

9-3+12 = d

18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -3 x 2 +3 x 3 = 18 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|3|-4) auf der Ebene E: -3 x 1 +a x 2 +4 x 3 = -22 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)4 + a3 + 4(-4) = -22
-12+a ⋅ 3+(-16) = -22 |+28
3a = 6 | :3
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-1|-5|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

2+25+3 = d

30 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -5 x 2 + x 3 = 30 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 1 +9 x 3 = 1 ?

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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 4 5 ) + r ( -2 2 5 ) + s ( 0 -6 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 -6 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 2. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 -6 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( -1 -5 -1 ) ( 3 -2 a ) = 0

(-1)3 + (-5)(-2) + (-1)a = 0
-3+10+a ⋅ (-1) = 0 |-7
-1a = -7 | :(-1)
a = 7

Für a = 7 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 -2 x 2 +7 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (1|1|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (1|1|1) in E: 3 x 1 -2 x 2 +7 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 1 -2 1 +7 1 = b

3-2+7 = b

8 = b

Mit b = 8 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 -2 x 2 +7 x 3 = 8 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 17 x 1 -4 x 2 + x 3 = -15 und F: a x 1 +8 x 2 -2 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 8 -2 ) = t⋅ ( 17 -4 1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 17 = -34.

Für a = -34 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -34 x 1 +8 x 2 -2 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -34 x 1 +8 x 2 -2 x 3 = 30 , d.h. für b = 30 sind die beiden Ebenen identisch.