Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 -1 5 ) besitzt, hat sie die Form E: - x 2 +5 x 3 = d .

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

-1 ( - 4 ) +5 4 = d

0+4+20 = d

24 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: - x 2 +5 x 3 = 24 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 +2 x 2 -5 x 3 = 10 ist und die den Punkt P(-1|2|-2) enthält.

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

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

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

2+4+10 = d

16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +2 x 2 -5 x 3 = 16 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|-1|5) auf der Ebene E: -3 x 1 +2 x 2 +a x 3 = 24 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-2) + 2(-1) + a5 = 24
6+(-2)+a ⋅ 5 = 24 |-4
5a = 20 | :5
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -4 3 -3 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -4 x 1 +3 x 2 -3 x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|5|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

8+15-3 = d

20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +3 x 2 -3 x 3 = 20 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: - x 1 -3 x 3 = -6 ?

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Wenn man die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x1 und x3 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-x3-Ebene ist und den Punkt (3|2|2) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 1 0 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(3|2|2) in diese Gleichung erhält man
d = 13 + 02 + 02=3
also: x 1 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -7 -8 2 ) + r ( 0 -9 0 ) + s ( -4 6 4 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 -9 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-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 x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 -9 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x3 und x1 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

5a + 55 + (-1)5 = 0
a ⋅ 5+25+(-5) = 0 |-20
5a = -20 | :5
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 +5 x 2 +5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-1|4|3).

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

-4 ( - 1 ) +5 4 +5 3 = b

4+20+15 = b

39 = b

Mit b = 39 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 39 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +41 x 2 +4 x 3 = -180 und F: -15 x 1 +a x 2 -12 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:
( -15 a -12 ) = t⋅ ( 5 41 4 )

Man erkennt nun gleich, dass dies nur für t = -3 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 41 = -123.

Für a = -123 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -15 x 1 -123 x 2 -12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -15 x 1 -123 x 2 -12 x 3 = 540 , d.h. für b = 540 sind die beiden Ebenen identisch.