Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 3 3 3 ) hat und den Punkt P(0|2|-3) enthält.

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

Da der Punkt P(0|2|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

0+6-9 = d

-3 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 6 ist und die den Punkt P(-5|5|3) enthält.

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

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

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

-25+10+9 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = -6 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a4 + (-2)4 + 13 = -1
a ⋅ 4+(-8)+3 = -1 |+5
4a = 4 | :4
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

12+4-16 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -2 x 2 +4 x 3 = 0 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 = 5 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

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

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x2-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x2-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x3 einsetzt, muss b=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja a0 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

Der Koeffizient b vor x2 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
a⋅x1 + c⋅x3=d.

Punkt P(1|4|1) eingesetzt:
a⋅1 + c⋅1=d

a=1;c=1 und d=2 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=2 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|4|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -9 2 -4 ) + r ( 0 9 0 ) + s ( 3 -5 3 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 9 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 1. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 9 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 5 0 1 ) +t ( 0 -2 -1 ) komplett in der Ebene E: 5 x 1 +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 ) ( 5 0 a ) = 0

05 + (-2)0 + (-1)a = 0
0+0+a ⋅ (-1) = 0 |-0
-1a = 0 | :(-1)
a = 0

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 5 x 1 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|0|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|0|1) in E: 5 x 1 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 5 = b

25+0+0 = b

25 = b

Mit b = 25 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 = 25 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 +25 x 2 +5 x 3 = 10 und F: -15 x 1 +a x 2 +15 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 15 ) = t⋅ ( -5 25 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 25 = 75.

Für a = 75 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -15 x 1 +75 x 2 +15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -15 x 1 +75 x 2 +15 x 3 = 30 , d.h. für b = 30 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 30, also z.B.: b = 31 setzen.