Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-16+25-12 = d

-3 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 +2 x 2 = 11 ist und die den Punkt P(1|5|1) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -2 2 0 ) und damit die Form E: -2 x 1 +2 x 2 = d .

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

-2 1 +2 5 = d

-2+10+0 = d

8 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|-2|-1) auf der Ebene E: a x 1 +4 x 2 - x 3 = -8 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + 4(-2) + (-1)(-1) = -8
a ⋅ 1+(-8)+1 = -8 |+7
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 3 5 ) +t ( -5 5 3 ) ist und die den Punkt P(-2|3|-5) enthält.

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

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

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

10+15-15 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 10 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -2 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (2|3|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|3|1) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 03 + 11=1
also: + x 3 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 9 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-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 x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 9 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 1 -4 -2 ) ( 0 3 a ) = 0

10 + (-4)3 + (-2)a = 0
0+(-12)+a ⋅ (-2) = 0 |+12
-2a = 12 | :(-2)
a = -6

Für a = -6 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 (-1|2|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-1|2|0) in E: +3 x 2 -6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

+3 2 -6 0 = b

0+6+0 = b

6 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +13 x 2 +2 x 3 = -36 und F: 6 x 1 +a x 2 +4 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 a 4 ) = t⋅ ( 3 13 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 13 = 26.

Für a = 26 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 +26 x 2 +4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 +26 x 2 +4 x 3 = -72 , d.h. für b = -72 sind die beiden Ebenen identisch.