Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 1 0 ) hat und den Punkt P(0|4|2) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) besitzt, hat sie die Form E: + x 2 = d .

Da der Punkt P(0|4|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

+1 4 = d

0+4+0 = d

4 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -4 3 5 ) und damit die Form E: -4 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = d .

Da der Punkt P(-5|-4|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

20-12-10 = d

-2 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|1|-4) auf der Ebene E: -4 x 1 +a x 2 +5 x 3 = -15 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)(-1) + a1 + 5(-4) = -15
4+a ⋅ 1+(-20) = -15 |+16
1a = 1 | :1
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-3|-2|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

9-4-20 = d

-15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -15 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: + x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 1 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-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 = ( -8 -9 9 ) + r ( 8 -9 -8 ) + s ( 0 -7 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 -7 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 -7 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 = ( 0 3 -3 ) +t ( 5 -3 -2 ) komplett in der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 +11 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 -2 ) ( 5 a 11 ) = 0

55 + (-3)a + (-2)11 = 0
25+a ⋅ (-3)+(-22) = 0 |-3
-3a = -3 | :(-3)
a = 1

Für a = 1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 5 x 1 + x 2 +11 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|3|-3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|3|-3) in E: 5 x 1 + x 2 +11 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 0 +1 3 +11 ( - 3 ) = b

0+3-33 = b

-30 = b

Mit b = -30 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 + x 2 +11 x 3 = -30 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 43 und F: -12 x 1 +a x 2 +15 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:
( -12 a 15 ) = t⋅ ( -4 3 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -12 x 1 +9 x 2 +15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -12 x 1 +9 x 2 +15 x 3 = 129 , d.h. für b = 129 sind die beiden Ebenen identisch.