Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -3 -5 -1 ) hat und den Punkt P(1|3|0) enthält.

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

Da der Punkt P(1|3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 1 -5 3 -1 0 = d

-3-15+0 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 -5 x 2 - x 3 = -18 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 + x 2 + x 3 = 12 ist und die den Punkt P(-2|2|-3) enthält.

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

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

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

-6+2-3 = d

-7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 + x 2 + x 3 = -7 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|-2|3) auf der Ebene E: -4 x 1 +a x 2 +5 x 3 = 9 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)1 + a(-2) + 53 = 9
-4+a ⋅ (-2)+15 = 9 |-11
-2a = -2 | :(-2)
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 0 -3 ) +t ( -1 0 2 ) ist und die den Punkt P(2|4|5) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -1 0 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: - x 1 +2 x 3 = d .

Da der Punkt P(2|4|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 2 +2 5 = d

-2+0+10 = d

8 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 1 -7 x 2 = -8 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x2-x3-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -3 -2 -6 ) + r ( -3 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 -6 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -6 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 = ( -5 -1 1 ) +t ( 3 -4 -2 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -3 x 2 +6 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:

( 3 -4 -2 ) ( a -3 6 ) = 0

3a + (-4)(-3) + (-2)6 = 0
a ⋅ 3+12+(-12) = 0 |-0
3a = 0 | :3
a = 0

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 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|-1|1).

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

-3 ( - 1 ) +6 1 = b

0+3+6 = b

9 = b

Mit b = 9 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 2 +6 x 3 = 9 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 + x 2 +13 x 3 = 39 und F: 15 x 1 +3 x 2 +a 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 3 a ) = t⋅ ( 5 1 13 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 13 = 39.

Für a = 39 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 15 x 1 +3 x 2 +39 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 15 x 1 +3 x 2 +39 x 3 = 117 , d.h. für b = 117 sind die beiden Ebenen identisch.