Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-6+4-10 = d

-12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -2 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -12 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 -2 x 2 +2 x 3 = -26 ist und die den Punkt P(0|4|-5) enthält.

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

Da der Punkt P(0|4|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

0-8-10 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -2 x 2 +2 x 3 = -18 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-2)3 + (-3)1 + a(-2) = 1
-6+(-3)+a ⋅ (-2) = 1 |+9
-2a = 10 | :(-2)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 -2 -2 ) +t ( 3 2 -5 ) ist und die den Punkt P(2|0|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(2|0|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 2 +2 0 -5 4 = d

6+0-20 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 +2 x 2 -5 x 3 = -14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 1 = 4 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -7 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 x2-Achse ist und den Punkt (4|4|1) beinhaltet.

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

(ansonsten könnte man ja a0 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

Punkt P(4|4|1) eingesetzt:
a⋅4 + c⋅1=d

a=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=5 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|4|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 6 1 -2 ) + r ( 9 0 0 ) + s ( -5 -5 1 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 9 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 1. 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
( 9 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 -3 ) +t ( -5 2 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -4 x 2 -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:

( -5 2 -1 ) ( a -4 -8 ) = 0

(-5)a + 2(-4) + (-1)(-8) = 0
a ⋅ (-5)+(-8)+8 = 0 |-0
-5a = 0 | :(-5)
a = 0

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 2 -8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-1|-2|-3).

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

-4 ( - 2 ) -8 ( - 3 ) = b

0+8+24 = b

32 = b

Mit b = 32 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 2 -8 x 3 = 32 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -5 x 2 - x 3 = 19 und F: a x 1 +5 x 2 + 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 5 1 ) = t⋅ ( 2 -5 -1 )

Man erkennt nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

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

Für a = -2 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -2 x 1 +5 x 2 + x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -2 x 1 +5 x 2 + x 3 = -19 , d.h. für b = -19 sind die beiden Ebenen identisch.