Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -3 -5 2 ) hat und den Punkt P(-1|-4|-2) enthält.

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

Da der Punkt P(-1|-4|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

3+20-4 = d

19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 -5 x 2 +2 x 3 = 19 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 1 - x 3 = 6 ist und die den Punkt P(2|1|-1) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 0 -1 ) und damit die Form E: -5 x 1 - x 3 = d .

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

-5 2 -1 ( - 1 ) = d

-10+0+1 = d

-9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 - x 3 = -9 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|1|3) auf der Ebene E: -3 x 1 +a x 2 - x 3 = -18 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)4 + a1 + (-1)3 = -18
-12+a ⋅ 1+(-3) = -18 |+15
1a = -3 | :1
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -2 -1 0 ) +t ( 0 1 -5 ) ist und die den Punkt P(0|-3|2) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 1 -5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: + x 2 -5 x 3 = d .

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

+1 ( - 3 ) -5 2 = d

0-3-10 = d

-13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: + x 2 -5 x 3 = -13 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -5 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-x3-Ebene ist und den Punkt (4|1|3) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(4|1|3) in diese Gleichung erhält man
d = 14 + 01 + 03=4
also: x 1 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 -7 9 ) + r ( 0 5 -4 ) + s ( 0 4 7 ) ?

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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 = ( -1 4 0 ) +t ( -1 0 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +3 x 2 +4 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:

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

(-1)a + 03 + (-1)4 = 0
a ⋅ (-1)+0+(-4) = 0 |+4
-1a = 4 | :(-1)
a = -4

Für a = -4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 +3 x 2 +4 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: -4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-4 ( - 1 ) +3 4 +4 0 = b

4+12+0 = b

16 = b

Mit b = 16 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 16 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 +4 x 2 +3 x 3 = -11 und F: -3 x 1 -12 x 2 +a 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:
( -3 -12 a ) = t⋅ ( 1 4 3 )

Man erkennt nun gleich, dass dies nur für t = -3 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -3 ⋅ 3 = -9.

Für a = -9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -3 x 1 -12 x 2 -9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -3 x 1 -12 x 2 -9 x 3 = 33 , d.h. für b = 33 sind die beiden Ebenen identisch.