Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -5 -1 -4 ) hat und den Punkt P(3|-2|1) enthält.

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

Da der Punkt P(3|-2|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-15+2-4 = d

-17 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 1 - x 2 -4 x 3 = -17 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 + x 2 -3 x 3 = 18 ist und die den Punkt P(-5|3|-2) enthält.

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

Da der Punkt P(-5|3|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

10+3+6 = d

19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 + x 2 -3 x 3 = 19 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|-5|5) auf der Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 +a x 3 = -30 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-2) + 5(-5) + a5 = -30
-10+(-25)+a ⋅ 5 = -30 |+35
5a = 5 | :5
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

1+8-20 = d

-11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 +4 x 2 +4 x 3 = -11 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 1 -3 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 einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (2|2|1) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(2|2|1) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 02 + 11=1
also: + x 3 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -7 0 -4 ) + r ( -2 0 -3 ) + s ( -3 0 7 ) ?

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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 = ( -4 -2 2 ) +t ( 1 1 -1 ) komplett in der Ebene E: 2 x 1 +a x 2 + 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:

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

12 + 1a + (-1)1 = 0
2+a ⋅ 1+(-1) = 0 |-1
1a = -1 | :1
a = -1

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

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

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

-8+2+2 = b

-4 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = 15 und F: 6 x 1 -15 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:
( 6 -15 a ) = t⋅ ( 2 -5 3 )

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

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

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 -15 x 2 +9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 -15 x 2 +9 x 3 = 45 , d.h. für b = 45 sind die beiden Ebenen identisch.