Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 1 3 5 ) hat und den Punkt P(3|4|2) enthält.

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

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

1 3 +3 4 +5 2 = d

3+12+10 = d

25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 25 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: +3 x 2 = -31 ist und die den Punkt P(-5|-5|-1) enthält.

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

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

+3 ( - 5 ) = d

0-15+0 = d

-15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +3 x 2 = -15 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|3|-5) auf der Ebene E: - x 1 +a x 2 -2 x 3 = 9 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)(-2) + a3 + (-2)(-5) = 9
2+a ⋅ 3+10 = 9 |-12
3a = -3 | :3
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 -2 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -2 x 2 = d .

Da der Punkt P(-4|-1|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 ( - 1 ) = d

0+2+0 = d

2 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 2 -3 x 3 = -1 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (3|3|4) 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(3|3|4) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 03 + 14=4
also: + x 3 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 6 -4 ) + r ( 0 9 -1 ) + s ( 0 5 -4 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also die 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 die x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 4 2 -5 ) +t ( -1 4 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -3 x 2 -10 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 -1 ) ( a -3 -10 ) = 0

(-1)a + 4(-3) + (-1)(-10) = 0
a ⋅ (-1)+(-12)+10 = 0 |+2
-1a = 2 | :(-1)
a = -2

Für a = -2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 -3 x 2 -10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (4|2|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (4|2|-5) in E: -2 x 1 -3 x 2 -10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 4 -3 2 -10 ( - 5 ) = b

-8-6+50 = b

36 = b

Mit b = 36 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -3 x 2 -10 x 3 = 36 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 +4 x 2 +41 x 3 = 204 und F: 10 x 1 -8 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:
( 10 -8 a ) = t⋅ ( -5 4 41 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 41 = -82.

Für a = -82 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 10 x 1 -8 x 2 -82 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 10 x 1 -8 x 2 -82 x 3 = -408 , d.h. für b = -408 sind die beiden Ebenen identisch.