Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 3 4 2 ) hat und den Punkt P(-4|1|4) enthält.

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

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

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

-12+4+8 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 0 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 +4 x 2 + x 3 = 9 ist und die den Punkt P(-5|0|5) enthält.

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

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

-4 ( - 5 ) +4 0 +1 5 = d

20+0+5 = d

25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +4 x 2 + x 3 = 25 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|-4|3) auf der Ebene E: a x 1 -2 x 2 -4 x 3 = -6 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-1) + (-2)(-4) + (-4)3 = -6
a ⋅ (-1)+8+(-12) = -6 |+4
-1a = -2 | :(-1)
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-5|0|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 ( - 5 ) +4 0 +2 2 = d

15+0+4 = d

19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 19 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +9 x 2 = 4 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 9 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-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-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x3-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 10 + 00=0
also: + x 2 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -9 -7 7 ) + r ( 0 -1 -7 ) + s ( 0 -8 5 ) ?

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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 Gerade g: x = ( -3 -4 4 ) +t ( 5 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: - x 1 - 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:

( 5 -4 -1 ) ( -1 -1 a ) = 0

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

Für a = -1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - x 1 - x 2 - 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: - x 1 - x 2 - x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

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

3+4-4 = b

3 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -11 und F: a x 1 +9 x 2 +9 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 9 9 ) = t⋅ ( 2 3 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 2 = 6.

Für a = 6 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 +9 x 2 +9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 +9 x 2 +9 x 3 = -33 , d.h. für b = -33 sind die beiden Ebenen identisch.