Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 4 2 ) hat und den Punkt P(-5|-4|-1) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 4 2 ) besitzt, hat sie die Form E: +4 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.

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

0-16-2 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: +4 x 2 +2 x 3 = -18 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 - x 3 = 24 ist und die den Punkt P(2|5|-2) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 1 0 -1 ) und damit die Form E: x 1 - 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.

1 2 -1 ( - 2 ) = d

2+0+2 = d

4 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|-5|5) auf der Ebene E: a x 1 -5 x 2 -2 x 3 = 10 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + (-5)(-5) + (-2)5 = 10
a ⋅ 1+25+(-10) = 10 |-15
1a = -5 | :1
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(0|-2|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 0 +1 ( - 2 ) +2 ( - 1 ) = d

0-2-2 = d

-4 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 1 = -8 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -4 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-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 x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (3|1|4) beinhaltet.

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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 Punktes P(3|1|4) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 01 + 14=4
also: + x 3 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 2 -9 1 ) + r ( 7 7 0 ) + s ( -1 3 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 1 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 1 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 5 2 2 ) +t ( 2 -2 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +8 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:

( 2 -2 -1 ) ( a 0 8 ) = 0

2a + (-2)0 + (-1)8 = 0
a ⋅ 2+0+(-8) = 0 |+8
2a = 8 | :2
a = 4

Für a = 4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 +8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|2|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|2|2) in E: 4 x 1 +8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 5 +8 2 = b

20+0+16 = b

36 = b

Mit b = 36 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 +8 x 3 = 36 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 -3 x 2 +2 x 3 = -15 und F: 4 x 1 +6 x 2 +a 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:
( 4 6 a ) = t⋅ ( -2 -3 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 2 = -4.

Für a = -4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 4 x 1 +6 x 2 -4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 4 x 1 +6 x 2 -4 x 3 = 30 , d.h. für b = 30 sind die beiden Ebenen identisch.