Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 4 0 0 ) hat und den Punkt P(0|-2|3) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 4 0 0 ) besitzt, hat sie die Form E: 4 x 1 = d .

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

4 0 = d

0+0+0 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 4 x 1 = 0 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: - x 1 -5 x 2 -4 x 3 = 47 ist und die den Punkt P(5|-4|-4) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -1 -5 -4 ) und damit die Form E: - x 1 -5 x 2 -4 x 3 = d .

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

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

-5+20+16 = d

31 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 -5 x 2 -4 x 3 = 31 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|-1|0) auf der Ebene E: -3 x 1 +a x 2 -3 x 3 = 15 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-4) + a(-1) + (-3)0 = 15
12+a ⋅ (-1)+0 = 15 |-12
-1a = 3 | :(-1)
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-8-20+2 = d

-26 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +4 x 2 + x 3 = -26 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 2 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 2 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x2-x3-Ebene.

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 = ( -8 2 -3 ) + r ( 0 -4 3 ) + s ( 0 -2 7 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -8 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 0 4 -2 ) ( -5 4 a ) = 0

0(-5) + 44 + (-2)a = 0
0+16+a ⋅ (-2) = 0 |-16
-2a = -16 | :(-2)
a = 8

Für a = 8 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 +4 x 2 +8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|-3|-2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (2|-3|-2) in E: -5 x 1 +4 x 2 +8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-5 2 +4 ( - 3 ) +8 ( - 2 ) = b

-10-12-16 = b

-38 = b

Mit b = -38 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 +4 x 2 +8 x 3 = -38 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 6 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -18 und F: a x 1 -3 x 2 -3 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:
( a -3 -3 ) = t⋅ ( 6 3 3 )

Man erkennt nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -1 ⋅ 6 = -6.

Für a = -6 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -6 x 1 -3 x 2 -3 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -6 x 1 -3 x 2 -3 x 3 = 18 , d.h. für b = 18 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 18, also z.B.: b = 19 setzen.