Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

8+9-9 = d

8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 4 x 1 -3 x 2 +3 x 3 = 8 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 + x 2 -5 x 3 = 15 ist und die den Punkt P(2|2|0) enthält.

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

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

3 2 +1 2 -5 0 = d

6+2+0 = d

8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 + x 2 -5 x 3 = 8 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|0|-4) auf der Ebene E: a x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -18 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-2) + 20 + 5(-4) = -18
a ⋅ (-2)+0+(-20) = -18 |+20
-2a = 2 | :(-2)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

+5 5 -1 ( - 2 ) = d

0+25+2 = d

27 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +5 x 2 - x 3 = 27 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 4 x 1 -5 x 2 = 9 ?

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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 (2|3|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(2|3|2) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 13 + 02=3
also: + x 2 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 0 3 ) 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 2. 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 3 ) ( 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 = ( 5 5 3 ) +t ( -4 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: -4 x 1 +5 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:

( -4 -5 -1 ) ( -4 5 a ) = 0

(-4)(-4) + (-5)5 + (-1)a = 0
16+(-25)+a ⋅ (-1) = 0 |+9
-1a = 9 | :(-1)
a = -9

Für a = -9 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 +5 x 2 -9 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|5|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|5|3) in E: -4 x 1 +5 x 2 -9 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-4 5 +5 5 -9 3 = b

-20+25-27 = b

-22 = b

Mit b = -22 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 +5 x 2 -9 x 3 = -22 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 + x 2 +17 x 3 = 16 und F: -4 x 1 - x 2 +a 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:
( -4 -1 a ) = t⋅ ( 4 1 17 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -1 ⋅ 17 = -17.

Für a = -17 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 - x 2 -17 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 - x 2 -17 x 3 = -16 , d.h. für b = -16 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -16, also z.B.: b = -15 setzen.