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 ( -3 -1 2 ) hat und den Punkt P(-1|5|5) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-1|5|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

3-5+10 = d

8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 - x 2 +2 x 3 = 8 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 2 + x 3 = -32 ist und die den Punkt P(-5|4|-3) enthält.

Lösung einblenden

Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 -4 1 ) und damit die Form E: -4 x 2 + x 3 = d .

Da der Punkt P(-5|4|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 4 +1 ( - 3 ) = d

0-16-3 = d

-19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 2 + x 3 = -19 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|1|-4) auf der Ebene E: -4 x 1 + x 2 +a x 3 = -35 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)4 + 11 + a(-4) = -35
-16+1+a ⋅ (-4) = -35 |+15
-4a = -20 | :(-4)
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -3 4 -2 ) +t ( 5 0 5 ) ist und die den Punkt P(-3|5|-2) enthält.

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 5 0 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 +5 x 3 = d .

Da der Punkt P(-3|5|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-15+0-10 = d

-25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +5 x 3 = -25 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 4 x 1 = -6 ?

Lösung einblenden

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 x3-Achse ist und den Punkt (1|1|1) 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(1|1|1) eingesetzt:
a⋅1 + b⋅1=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -8 -5 1 ) + r ( 2 0 8 ) + s ( 9 0 4 ) ?

Lösung einblenden

1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -5 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 5 -2 4 ) +t ( -4 -1 -2 ) komplett in der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 -6 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:

( -4 -1 -2 ) ( 4 a -6 ) = 0

(-4)4 + (-1)a + (-2)(-6) = 0
-16+a ⋅ (-1)+12 = 0 |+4
-1a = 4 | :(-1)
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 -4 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 (5|-2|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|-2|4) in E: 4 x 1 -4 x 2 -6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 5 -4 ( - 2 ) -6 4 = b

20+8-24 = b

4 = b

Mit b = 4 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 -4 x 2 -6 x 3 = 4 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +29 x 2 -5 x 3 = 129 und F: 4 x 1 +a x 2 +10 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen identisch sind.

Lösung einblenden

Wenn die beiden Ebenen parallel oder identisch sein sollen, müssen ihre Normalenvektoren vielfache (oder gleich) sein. Es muss also gelten:
( 4 a 10 ) = t⋅ ( -2 29 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 29 = -58.

Für a = -58 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 4 x 1 -58 x 2 +10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 4 x 1 -58 x 2 +10 x 3 = -258 , d.h. für b = -258 sind die beiden Ebenen identisch.