Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 3 3 -3 ) hat und den Punkt P(-5|-5|4) enthält.

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

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

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

-15-15-12 = d

-42 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 +3 x 2 -3 x 3 = -42 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = -33 ist und die den Punkt P(-2|5|-5) enthält.

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

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

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

4-25-15 = d

-36 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = -36 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|3|0) auf der Ebene E: a x 1 - x 2 +4 x 3 = 17 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-5) + (-1)3 + 40 = 17
a ⋅ (-5)+(-3)+0 = 17 |+3
-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 1 4 ) +t ( -3 0 -3 ) ist und die den Punkt P(-1|4|-2) enthält.

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

Da der Punkt P(-1|4|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

3+0+6 = d

9 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 2 +9 x 3 = -4 ?

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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 x2-Achse ist und den Punkt (2|4|1) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x2-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x2-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x3 einsetzt, muss b=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 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

Punkt P(2|4|1) eingesetzt:
a⋅2 + c⋅1=d

a=1;c=1 und d=3 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=3 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|4|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 9 -9 -3 ) + r ( 0 -1 4 ) + s ( 0 4 8 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 9 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 9 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 = ( -1 3 5 ) +t ( 2 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: +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:

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

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

Für a = -1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - 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 (-1|3|5).

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

-1 3 +4 5 = b

0-3+20 = b

17 = b

Mit b = 17 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 2 +4 x 3 = 17 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 +10 x 2 +3 x 3 = 40 und F: 2 x 1 +a x 2 +6 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:
( 2 a 6 ) = t⋅ ( 1 10 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 10 = 20.

Für a = 20 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 2 x 1 +20 x 2 +6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 2 x 1 +20 x 2 +6 x 3 = 80 , d.h. für b = 80 sind die beiden Ebenen identisch.