Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

20+10-9 = d

21 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 4 x 1 -2 x 2 -3 x 3 = 21 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 + x 3 = -37 ist und die den Punkt P(-5|-5|-4) enthält.

Lösung einblenden

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

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

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

-15+0-4 = d

-19 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|-5|5) auf der Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 +a x 3 = -5 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

53 + 5(-5) + a5 = -5
15+(-25)+a ⋅ 5 = -5 |+10
5a = 5 | :5
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -2 -5 0 ) +t ( 0 5 5 ) ist und die den Punkt P(4|3|-3) enthält.

Lösung einblenden

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

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

+5 3 +5 ( - 3 ) = d

0+15-15 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +5 x 2 +5 x 3 = 0 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 5 x 1 -5 x 3 = 5 ?

Lösung einblenden

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (1|4|3) beinhaltet.

Lösung einblenden

Da die gesuchte Ebende parallel zur x1-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x1-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x2 und x3 einsetzt, muss a=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

Der Koeffizient a vor x1 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
b⋅x2 + c⋅x3=d.

Punkt P(1|4|3) eingesetzt:
b⋅4 + c⋅3=d

b=1;c=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=7 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|4|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 7 5 -8 ) + r ( 0 0 6 ) + s ( 1 3 -9 ) ?

Lösung einblenden

1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 6 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 6 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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 1 a ) = 0

(-5)2 + 21 + (-1)a = 0
-10+2+a ⋅ (-1) = 0 |+8
-1a = 8 | :(-1)
a = -8

Für a = -8 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 2 x 1 + 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 (4|-2|5).

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

2 4 +1 ( - 2 ) -8 5 = b

8-2-40 = b

-34 = b

Mit b = -34 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 + x 2 -8 x 3 = -34 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = -2 und F: -6 x 1 -4 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen sich orthogonal schneiden und beide den Punkt den P(-2|-3|5) enthalten.

Lösung einblenden

Wenn sich die beiden Ebenen orthognal schneiden sollen, müssen auch ihre Normalenvektoren orthogonal sein. Es muss also gelten:
( -6 -4 a ) ( 3 2 2 ) =0

3(-6) + 2(-4) + 2a = 0
-18+(-8)+a ⋅ 2 = 0 |+26
2a = 26 | :2
a = 13

Für a = 13 sind also die beiden Normalenvektoren und damit auch die Ebenen orthogonal. F hat dann also die Koordinatengleichung

F: -6 x 1 -4 x 2 +13 x 3 = b .

P liegt immer in E, denn 3(-2) + 2(-3) + 25 = -2
Damit P auch in F liegt, müssen wir den Punkt einfach in F einsetzen und nach b auflösen.

-6 ( - 2 ) -4 ( - 3 ) +13 5 = b

12+12+65 = b

89 = b

Mit b = 89 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -6 x 1 -4 x 2 +13 x 3 = 89 .