Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 -3 -5 ) hat und den Punkt P(1|-5|2) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 -3 -5 ) besitzt, hat sie die Form E: -3 x 2 -5 x 3 = d .

Da der Punkt P(1|-5|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 ( - 5 ) -5 2 = d

0+15-10 = d

5 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 - x 2 +5 x 3 = 10 ist und die den Punkt P(-5|4|1) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 2 -1 5 ) und damit die Form E: 2 x 1 - x 2 +5 x 3 = d .

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

2 ( - 5 ) -1 4 +5 1 = d

-10-4+5 = d

-9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 - x 2 +5 x 3 = -9 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)3 + (-4)3 + a1 = -22
-9+(-12)+a ⋅ 1 = -22 |+21
1a = -1 | :1
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-2 ( - 5 ) -5 ( - 4 ) +2 ( - 1 ) = d

10+20-2 = d

28 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -5 x 2 +2 x 3 = 28 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 2 = -4 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -6 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 einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (3|4|3) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x1-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x1-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x2 und x3 einsetzt, muss a=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

Der Koeffizient a vor x1 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
b⋅x2 + c⋅x3=d.

Punkt P(3|4|3) eingesetzt:
b⋅4 + c⋅3=d

b=1;c=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=7 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|4|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -3 7 7 ) + r ( 2 9 4 ) + s ( -5 0 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( -5 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-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 x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( -5 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 1 -2 -4 ) +t ( -4 5 -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:

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

(-4)1 + 51 + (-1)a = 0
-4+5+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 (1|-2|-4).

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

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

1-2-4 = b

-5 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 8 und F: -2 x 1 +a x 2 -6 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen sich orthogonal schneiden und beide den Punkt den P(0|-2|4) enthalten.

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Wenn sich die beiden Ebenen orthognal schneiden sollen, müssen auch ihre Normalenvektoren orthogonal sein. Es muss also gelten:
( -2 a -6 ) ( 1 2 3 ) =0

1(-2) + 2a + 3(-6) = 0
-2+a ⋅ 2+(-18) = 0 |+20
2a = 20 | :2
a = 10

Für a = 10 sind also die beiden Normalenvektoren und damit auch die Ebenen orthogonal. F hat dann also die Koordinatengleichung

F: -2 x 1 +10 x 2 -6 x 3 = b .

P liegt immer in E, denn 10 + 2(-2) + 34 = 8
Damit P auch in F liegt, müssen wir den Punkt einfach in F einsetzen und nach b auflösen.

-2 0 +10 ( - 2 ) -6 4 = b

0-20-24 = b

-44 = b

Mit b = -44 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 +10 x 2 -6 x 3 = -44 .