Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

3-8-4 = d

-9 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: - x 1 - x 3 = 7 ist und die den Punkt P(3|-4|1) enthält.

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

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

-1 3 -1 1 = d

-3+0-1 = d

-4 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

2(-4) + 24 + a4 = 4
-8+8+a ⋅ 4 = 4 |-0
4a = 4 | :4
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-12+15+12 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 15 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 5 x 1 -5 x 2 = 2 ?

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Wenn man die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x1 und x2 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x3-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (3|4|2) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 0 1 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(3|4|2) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 14 + 02=4
also: + x 2 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -2 1 0 ) + r ( 2 -2 0 ) + s ( -8 6 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also die x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 5 2 -1 ) ( -2 a -10 ) = 0

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

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 -10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|2|-2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|2|-2) in E: -2 x 1 -10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 0 -10 ( - 2 ) = b

0+0+20 = b

20 = b

Mit b = 20 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -10 x 3 = 20 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 26 x 1 - x 2 -5 x 3 = 67 und F: a x 1 +2 x 2 +10 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 2 10 ) = t⋅ ( 26 -1 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 26 = -52.

Für a = -52 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -52 x 1 +2 x 2 +10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -52 x 1 +2 x 2 +10 x 3 = -134 , d.h. für b = -134 sind die beiden Ebenen identisch.