Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( 4 5 -2 ) besitzt, hat sie die Form E: 4 x 1 +5 x 2 -2 x 3 = d .

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

4 5 +5 ( - 3 ) -2 ( - 2 ) = d

20-15+4 = d

9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 4 x 1 +5 x 2 -2 x 3 = 9 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 +4 x 3 = 8 ist und die den Punkt P(-3|-4|-3) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -2 0 4 ) und damit die Form E: -2 x 1 +4 x 3 = d .

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

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

6+0-12 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +4 x 3 = -6 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|-3|3) auf der Ebene E: a x 1 - x 2 -3 x 3 = 6 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-4) + (-1)(-3) + (-3)3 = 6
a ⋅ (-4)+3+(-9) = 6 |+6
-4a = 12 | :(-4)
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 -1 -4 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: - x 2 -4 x 3 = d .

Da der Punkt P(3|1|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 1 -4 ( - 5 ) = d

0-1+20 = d

19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 2 -4 x 3 = 19 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -2 x 2 +7 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 der x1-x2-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -1 0 6 ) + r ( 6 0 7 ) + s ( 6 0 1 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also die x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

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

Für a = -3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - x 1 -3 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-1|4|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-1|4|0) in E: - x 1 -3 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-1 ( - 1 ) -3 0 = b

1+0+0 = b

1 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 -4 x 2 +17 x 3 = 79 und F: -2 x 1 +8 x 2 +a 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:
( -2 8 a ) = t⋅ ( 1 -4 17 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 17 = -34.

Für a = -34 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -2 x 1 +8 x 2 -34 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -2 x 1 +8 x 2 -34 x 3 = -158 , d.h. für b = -158 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -158, also z.B.: b = -157 setzen.