Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 2 4 -3 ) hat und den Punkt P(-2|-1|-1) enthält.

Lösung einblenden

Da E den Normalenvektor n = ( 2 4 -3 ) besitzt, hat sie die Form E: 2 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = d .

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

2 ( - 2 ) +4 ( - 1 ) -3 ( - 1 ) = d

-4-4+3 = d

-5 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 1 + x 2 +2 x 3 = -23 ist und die den Punkt P(5|-3|5) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(5|-3|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 5 +1 ( - 3 ) +2 5 = d

-25-3+10 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 + x 2 +2 x 3 = -18 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)1 + (-1)(-1) + a1 = -1
-3+1+a ⋅ 1 = -1 |+2
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 1 1 ) +t ( -5 -4 0 ) ist und die den Punkt P(5|-3|5) enthält.

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -5 -4 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -5 x 1 -4 x 2 = d .

Da der Punkt P(5|-3|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 5 -4 ( - 3 ) = d

-25+12+0 = d

-13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 -4 x 2 = -13 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 2 +3 x 3 = -2 ?

Lösung einblenden

Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (3|2|2) beinhaltet.

Lösung einblenden

Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=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 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

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

Punkt P(3|2|2) eingesetzt:
a⋅3 + b⋅2=d

a=1;b=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=5 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|2|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

Lösung einblenden

1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -1 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -1 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 0 4 -5 ) +t ( 1 -4 -2 ) komplett in der Ebene E: -3 x 2 +a x 3 = b liegt.

Lösung einblenden

Wenn die Gerade g in E liegen soll, muss auch der Normalenvektor von E orthogonal zum Richtungsvektor von g sein, also muss gelten:

( 1 -4 -2 ) ( 0 -3 a ) = 0

10 + (-4)(-3) + (-2)a = 0
0+12+a ⋅ (-2) = 0 |-12
-2a = -12 | :(-2)
a = 6

Für a = 6 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 2 +6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|4|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|4|-5) in E: -3 x 2 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 4 +6 ( - 5 ) = b

0-12-30 = b

-42 = b

Mit b = -42 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 2 +6 x 3 = -42 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 +2 x 2 -3 x 3 = -15 und F: -10 x 1 +a x 2 -6 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel sind.

Lösung einblenden

Wenn die beiden Ebenen parallel oder identisch sein sollen, müssen ihre Normalenvektoren vielfache (oder gleich) sein. Es muss also gelten:
( -10 a -6 ) = t⋅ ( -5 2 -3 )

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

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

Für a = 4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -10 x 1 +4 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -10 x 1 +4 x 2 -6 x 3 = -30 , d.h. für b = -30 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -30, also z.B.: b = -29 setzen.