Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -4 -3 -4 ) hat und den Punkt P(2|0|3) enthält.

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

Da der Punkt P(2|0|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 2 -3 0 -4 3 = d

-8+0-12 = d

-20 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 19 ist und die den Punkt P(-3|4|5) enthält.

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

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

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

-9+16+20 = d

27 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = 27 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|-2|2) auf der Ebene E: -3 x 1 +5 x 2 +a x 3 = -20 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)4 + 5(-2) + a2 = -20
-12+(-10)+a ⋅ 2 = -20 |+22
2a = 2 | :2
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(3|4|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

6-8-2 = d

-4 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -9 x 2 +8 x 3 = 6 ?

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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 x3-Achse ist und den Punkt (1|3|3) beinhaltet.

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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|3|3) eingesetzt:
a⋅1 + b⋅3=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

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

E ist also die 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 die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 3 5 -3 ) +t ( -4 1 -2 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -2 x 2 +9 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 1 -2 ) ( a -2 9 ) = 0

(-4)a + 1(-2) + (-2)9 = 0
a ⋅ (-4)+(-2)+(-18) = 0 |+20
-4a = 20 | :(-4)
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 -2 x 2 +9 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (3|5|-3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|5|-3) in E: -5 x 1 -2 x 2 +9 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-5 3 -2 5 +9 ( - 3 ) = b

-15-10-27 = b

-52 = b

Mit b = -52 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 -2 x 2 +9 x 3 = -52 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 -3 x 2 +10 x 3 = -33 und F: 8 x 1 -6 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:
( 8 -6 a ) = t⋅ ( 4 -3 10 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 2 ⋅ 10 = 20.

Für a = 20 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 8 x 1 -6 x 2 +20 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 8 x 1 -6 x 2 +20 x 3 = -66 , d.h. für b = -66 sind die beiden Ebenen identisch.