Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-4-2+20 = d

14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: - x 1 - x 2 -5 x 3 = 14 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 2 - x 3 = 11 ist und die den Punkt P(3|0|-1) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 -2 -1 ) und damit die Form E: -2 x 2 - x 3 = d .

Da der Punkt P(3|0|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 0 -1 ( - 1 ) = d

0+0+1 = d

1 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

31 + a1 + 14 = 5
3+a ⋅ 1+4 = 5 |-7
1a = -2 | :1
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-16+9+15 = d

8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -3 x 2 -5 x 3 = 8 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +2 x 3 = -4 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 2 ) , 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x3-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 10 + 00=0
also: + x 2 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 8 4 ) + r ( 0 -9 6 ) + s ( 0 7 4 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 8 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 = ( 5 3 -5 ) +t ( 1 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 + 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 -5 -1 ) ( a 0 1 ) = 0

1a + (-5)0 + (-1)1 = 0
a ⋅ 1+0+(-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: x 1 + x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|3|-5).

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

1 5 +1 ( - 5 ) = b

5+0-5 = b

0 = b

Mit b = 0 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 + x 3 = 0 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = -8 und F: 12 x 1 +a x 2 -12 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:
( 12 a -12 ) = t⋅ ( -4 3 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 3 = -9.

Für a = -9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 12 x 1 -9 x 2 -12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 12 x 1 -9 x 2 -12 x 3 = 24 , d.h. für b = 24 sind die beiden Ebenen identisch.