Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 5 -1 0 ) hat und den Punkt P(1|-1|1) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 5 -1 0 ) besitzt, hat sie die Form E: 5 x 1 - x 2 = d .

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

5 1 -1 ( - 1 ) = d

5+1+0 = d

6 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-1|-2|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

3-4+9 = d

8 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|-5|-2) auf der Ebene E: a x 1 -3 x 2 -2 x 3 = 44 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a5 + (-3)(-5) + (-2)(-2) = 44
a ⋅ 5+15+4 = 44 |-19
5a = 25 | :5
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 -3 4 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -3 x 2 +4 x 3 = d .

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

-3 3 +4 ( - 3 ) = d

0-9-12 = d

-21 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 2 +4 x 3 = -21 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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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 (1|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(1|3|4) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 03 + 14=4
also: + x 3 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 6 -6 ) + r ( 0 6 -3 ) + s ( 0 9 5 ) ?

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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 = ( 2 -4 -4 ) +t ( 4 2 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -3 x 2 +6 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:

( 4 2 -1 ) ( a -3 6 ) = 0

4a + 2(-3) + (-1)6 = 0
a ⋅ 4+(-6)+(-6) = 0 |+12
4a = 12 | :4
a = 3

Für a = 3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 -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 (2|-4|-4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (2|-4|-4) in E: 3 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 2 -3 ( - 4 ) +6 ( - 4 ) = b

6+12-24 = b

-6 = b

Mit b = -6 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = -6 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = 12 und F: a x 1 +10 x 2 -8 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:
( a 10 -8 ) = t⋅ ( 2 -5 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 2 = -4.

Für a = -4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 +10 x 2 -8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 +10 x 2 -8 x 3 = -24 , d.h. für b = -24 sind die beiden Ebenen identisch.