Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( 5 -5 -4 ) besitzt, hat sie die Form E: 5 x 1 -5 x 2 -4 x 3 = d .

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

5 0 -5 5 -4 ( - 4 ) = d

0-25+16 = d

-9 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(3|0|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 3 +3 0 = d

-12+0+0 = d

-12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +3 x 2 = -12 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(0|-1|-1) auf der Ebene E: - x 1 +a x 2 -3 x 3 = 2 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)0 + a(-1) + (-3)(-1) = 2
0+a ⋅ (-1)+3 = 2 |-3
-1a = -1 | :(-1)
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-8+2-2 = d

-8 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 2 x 1 + x 3 = 9 ?

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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 (1|1|3) 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(1|1|3) in diese Gleichung erhält man
d = 11 + 01 + 03=1
also: x 1 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -7 7 0 ) + r ( 9 -1 0 ) + s ( 3 -5 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also die 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 die x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

4(-5) + 4a + (-1)(-4) = 0
-20+a ⋅ 4+4 = 0 |+16
4a = 16 | :4
a = 4

Für a = 4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|3|-2).

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

-5 2 +4 3 -4 ( - 2 ) = b

-10+12+8 = b

10 = b

Mit b = 10 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = 10 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 + x 2 +4 x 3 = -25 und F: a x 1 +3 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:
( a 3 12 ) = t⋅ ( 3 1 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 9 x 1 +3 x 2 +12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 9 x 1 +3 x 2 +12 x 3 = -75 , d.h. für b = -75 sind die beiden Ebenen identisch.