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 ( 2 3 5 ) hat und den Punkt P(4|4|0) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(4|4|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

2 4 +3 4 +5 0 = d

8+12+0 = d

20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 2 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 20 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 +5 x 2 + x 3 = -28 ist und die den Punkt P(-5|-1|-5) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-5|-1|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-15-5-5 = d

-25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 +5 x 2 + x 3 = -25 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|-3|5) auf der Ebene E: - x 1 +a x 2 -3 x 3 = -23 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)(-4) + a(-3) + (-3)5 = -23
4+a ⋅ (-3)+(-15) = -23 |+11
-3a = -12 | :(-3)
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 3 -4 -5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 -4 x 2 -5 x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|0|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 ( - 2 ) -4 0 -5 4 = d

-6+0-20 = d

-26 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -4 x 2 -5 x 3 = -26 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +6 x 3 = 0 ?

Lösung einblenden

Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 6 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

(ansonsten könnte man ja a0 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

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

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

a=1;b=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=5 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|1|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 1 -5 9 ) + r ( 0 4 0 ) + s ( 9 5 4 ) ?

Lösung einblenden

1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 4 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-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 x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 4 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -1 0 2 ) +t ( -2 -3 -1 ) komplett in der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 +7 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:

( -2 -3 -1 ) ( 4 a 7 ) = 0

(-2)4 + (-3)a + (-1)7 = 0
-8+a ⋅ (-3)+(-7) = 0 |+15
-3a = 15 | :(-3)
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 -5 x 2 +7 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-1|0|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-1|0|2) in E: 4 x 1 -5 x 2 +7 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 ( - 1 ) -5 0 +7 2 = b

-4+0+14 = b

10 = b

Mit b = 10 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 -5 x 2 +7 x 3 = 10 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 - x 2 +2 x 3 = 1 und F: -3 x 1 +3 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen identisch sind.

Lösung einblenden

Wenn die beiden Ebenen parallel oder identisch sein sollen, müssen ihre Normalenvektoren vielfache (oder gleich) sein. Es muss also gelten:
( -3 3 a ) = t⋅ ( 1 -1 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -3 ⋅ 2 = -6.

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

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