Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -2 0 4 ) hat und den Punkt P(4|-4|-2) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -2 0 4 ) besitzt, hat sie die Form E: -2 x 1 +4 x 3 = d .

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

-2 4 +4 ( - 2 ) = d

-8+0-8 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -2 x 1 +4 x 3 = -16 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = -23 ist und die den Punkt P(4|3|-3) enthält.

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

-16-12-15 = d

-43 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = -43 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(0|-4|-4) auf der Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +a x 3 = 12 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

50 + 2(-4) + a(-4) = 12
0+(-8)+a ⋅ (-4) = 12 |+8
-4a = 20 | :(-4)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-6-10+5 = d

-11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 +5 x 2 + x 3 = -11 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 1 +5 x 3 = -5 ?

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Wenn man die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x1 und x3 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-x3-Ebene ist und den Punkt (1|4|4) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(1|4|4) in diese Gleichung erhält man
d = 11 + 04 + 04=1
also: x 1 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -8 8 -1 ) + r ( 4 -4 -2 ) + s ( -5 0 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( -5 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
( -5 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 = ( -4 -3 5 ) +t ( 3 0 -3 ) komplett in der Ebene E: a x 1 - x 2 -5 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:

( 3 0 -3 ) ( a -1 -5 ) = 0

3a + 0(-1) + (-3)(-5) = 0
a ⋅ 3+0+15 = 0 |-15
3a = -15 | :3
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 - x 2 -5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|-3|5).

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

-5 ( - 4 ) -1 ( - 3 ) -5 5 = b

20+3-25 = b

-2 = b

Mit b = -2 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 - x 2 -5 x 3 = -2 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -3 ⋅ 2 = -6.

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

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