Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-6+6+8 = d

8 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 - x 2 -2 x 3 = 16 ist und die den Punkt P(-2|1|-2) enthält.

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

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

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

-2-1+4 = d

1 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|-1|-1) auf der Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 +a x 3 = -19 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-3) + 5(-1) + a(-1) = -19
-15+(-5)+a ⋅ (-1) = -19 |+20
-1a = 1 | :(-1)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -3 -4 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -3 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = d .

Da der Punkt P(2|0|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 2 -4 0 +5 1 = d

-6+0+5 = d

-1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: + x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 1 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (1|4|3) 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(1|4|3) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 04 + 13=3
also: + x 3 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -7 -4 9 ) + r ( 6 1 -3 ) + s ( 0 0 -4 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 0 -4 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-Achse.

2. Weg:

Da der 2. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 -4 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( -5 -2 -1 ) ( -1 a 1 ) = 0

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

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

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

-1 2 +2 5 +1 5 = b

-2+10+5 = b

13 = b

Mit b = 13 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 +2 x 2 + x 3 = 13 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 + x 2 +5 x 3 = -8 und F: 6 x 1 +2 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 2 a ) = t⋅ ( 3 1 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 2 ⋅ 5 = 10.

Für a = 10 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 +2 x 2 +10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 +2 x 2 +10 x 3 = -16 , d.h. für b = -16 sind die beiden Ebenen identisch.