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|0|-2) 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|0|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 ( - 1 ) +5 0 -1 ( - 2 ) = d

3+0+2 = d

5 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 10 ist und die den Punkt P(-1|3|-1) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 5 4 2 ) und damit die Form E: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = d .

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

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

-5+12-2 = d

5 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 5 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-2) + 22 + (-3)1 = 5
a ⋅ (-2)+4+(-3) = 5 |-1
-2a = 4 | :(-2)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

5-9+10 = d

6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 6 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 2 +2 x 3 = 1 ?

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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 x1-x2-Ebene ist und den Punkt (3|2|4) 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(3|2|4) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 02 + 14=4
also: + x 3 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -5 9 3 ) + r ( 0 -6 5 ) + s ( 0 7 7 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -5 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 = ( -4 4 5 ) +t ( 0 -2 -1 ) komplett in der Ebene E: 3 x 1 -3 x 2 +a 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:

( 0 -2 -1 ) ( 3 -3 a ) = 0

03 + (-2)(-3) + (-1)a = 0
0+6+a ⋅ (-1) = 0 |-6
-1a = -6 | :(-1)
a = 6

Für a = 6 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 -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 (-4|4|5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|4|5) in E: 3 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 ( - 4 ) -3 4 +6 5 = b

-12-12+30 = b

6 = b

Mit b = 6 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = 6 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 +41 x 2 -4 x 3 = -194 und F: -15 x 1 +a x 2 -12 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel 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 a -12 ) = t⋅ ( -5 41 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 41 = 123.

Für a = 123 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -15 x 1 +123 x 2 -12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -15 x 1 +123 x 2 -12 x 3 = -582 , d.h. für b = -582 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -582, also z.B.: b = -581 setzen.