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 5 ) hat und den Punkt P(1|-1|4) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 1 5 ) besitzt, hat sie die Form E: + x 2 +5 x 3 = d .

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

+1 ( - 1 ) +5 4 = d

0-1+20 = d

19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: + x 2 +5 x 3 = 19 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 -3 x 3 = 46 ist und die den Punkt P(2|5|2) enthält.

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

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

5 2 +5 5 -3 2 = d

10+25-6 = d

29 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +5 x 2 -3 x 3 = 29 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|4|-4) auf der Ebene E: 3 x 1 +3 x 2 +a x 3 = 14 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

3(-2) + 34 + a(-4) = 14
-6+12+a ⋅ (-4) = 14 |-6
-4a = 8 | :(-4)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 -1 -4 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: - x 2 -4 x 3 = d .

Da der Punkt P(4|1|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 1 -4 0 = d

0-1+0 = d

-1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +8 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 8 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die 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 0 -4 ) + r ( 6 0 9 ) + s ( -2 0 -1 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also die x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 2 -5 5 ) +t ( 5 -5 -5 ) komplett in der Ebene E: -5 x 1 +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 -5 -5 ) ( -5 0 a ) = 0

5(-5) + (-5)0 + (-5)a = 0
-25+0+a ⋅ (-5) = 0 |+25
-5a = 25 | :(-5)
a = -5

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

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

-5 2 -5 5 = b

-10+0-25 = b

-35 = b

Mit b = -35 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 -5 x 3 = -35 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 6 x 1 + x 2 -3 x 3 = 22 und F: a x 1 -3 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 -3 9 ) = t⋅ ( 6 1 -3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 6 = -18.

Für a = -18 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -18 x 1 -3 x 2 +9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -18 x 1 -3 x 2 +9 x 3 = -66 , d.h. für b = -66 sind die beiden Ebenen identisch.