Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

5 5 -4 1 -4 ( - 5 ) = d

25-4+20 = d

41 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 5 x 1 -4 x 2 -4 x 3 = 41 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 + x 2 -3 x 3 = 18 ist und die den Punkt P(2|4|-5) enthält.

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

Da der Punkt P(2|4|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 2 +1 4 -3 ( - 5 ) = d

10+4+15 = d

29 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 + x 2 -3 x 3 = 29 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|3|4) auf der Ebene E: - x 1 +a x 2 +4 x 3 = 28 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)(-3) + a3 + 44 = 28
3+a ⋅ 3+16 = 28 |-19
3a = 9 | :3
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 4 -4 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = d .

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

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

-16+16-20 = d

-20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = -20 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 3 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x3-Ebene.

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 = ( 8 -8 4 ) + r ( 8 0 0 ) + s ( -7 7 3 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 8 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 1. 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
( 8 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 = ( 1 -5 5 ) +t ( -5 0 -1 ) komplett in der Ebene E: 2 x 1 -2 x 2 +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:

( -5 0 -1 ) ( 2 -2 a ) = 0

(-5)2 + 0(-2) + (-1)a = 0
-10+0+a ⋅ (-1) = 0 |+10
-1a = 10 | :(-1)
a = -10

Für a = -10 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 2 x 1 -2 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 (1|-5|5).

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

2 1 -2 ( - 5 ) -10 5 = b

2+10-50 = b

-38 = b

Mit b = -38 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 -2 x 2 -10 x 3 = -38 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -5 x 2 - x 3 = 13 und F: a x 1 -10 x 2 -2 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 -2 ) = t⋅ ( 2 -5 -1 )

Man erkennt 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 -2 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 -2 x 3 = 26 , d.h. für b = 26 sind die beiden Ebenen identisch.