Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

9-8-4 = d

-3 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 -5 x 2 +2 x 3 = 13 ist und die den Punkt P(-2|1|3) enthält.

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

Da der Punkt P(-2|1|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 ( - 2 ) -5 1 +2 3 = d

8-5+6 = d

9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -5 x 2 +2 x 3 = 9 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|5|-5) auf der Ebene E: a x 1 -5 x 2 +2 x 3 = -50 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a3 + (-5)5 + 2(-5) = -50
a ⋅ 3+(-25)+(-10) = -50 |+35
3a = -15 | :3
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-3 1 -2 4 +2 0 = d

-3-8+0 = d

-11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -2 x 2 +2 x 3 = -11 .

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 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 = ( -6 -5 -2 ) + r ( 6 -9 0 ) + s ( 7 -6 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -2 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -2 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 = ( -2 5 1 ) +t ( 4 0 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 + x 2 = 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:

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

4a + 01 + (-1)0 = 0
a ⋅ 4+0+0 = 0 |-0
4a = 0 | :4
a = 0

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

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

+1 5 = b

0+5+0 = b

5 = b

Mit b = 5 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: + x 2 = 5 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +17 x 2 +5 x 3 = 98 und F: 6 x 1 +a x 2 +10 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel 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:
( 6 a 10 ) = t⋅ ( 3 17 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 17 = 34.

Für a = 34 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 +34 x 2 +10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 +34 x 2 +10 x 3 = 196 , d.h. für b = 196 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 196, also z.B.: b = 197 setzen.