Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -2 -3 0 ) hat und den Punkt P(2|0|-1) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -2 -3 0 ) besitzt, hat sie die Form E: -2 x 1 -3 x 2 = d .

Da der Punkt P(2|0|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 2 -3 0 = d

-4+0+0 = d

-4 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 + x 2 + x 3 = 10 ist und die den Punkt P(1|-2|1) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 4 1 1 ) und damit die Form E: 4 x 1 + x 2 + x 3 = d .

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

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

4-2+1 = d

3 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-2)(-4) + a1 + 2(-1) = 3
8+a ⋅ 1+(-2) = 3 |-6
1a = -3 | :1
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 4 1 ) +t ( 4 -5 2 ) ist und die den Punkt P(5|-2|5) enthält.

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

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

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

20+10+10 = d

40 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -5 x 2 +2 x 3 = 40 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +3 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 3 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 x1-x3-Ebene ist und den Punkt (2|4|1) 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|4|1) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 14 + 01=4
also: + x 2 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 3 -1 0 ) + r ( -3 -5 0 ) + s ( 1 7 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 = ( -3 -4 -1 ) +t ( -2 -1 -1 ) komplett in der Ebene E: x 1 +a x 2 +2 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:

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

(-2)1 + (-1)a + (-1)2 = 0
-2+a ⋅ (-1)+(-2) = 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: x 1 -4 x 2 +2 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|-4|-1).

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

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

-3+16-2 = b

11 = b

Mit b = 11 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 -4 x 2 +2 x 3 = 11 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +3 x 2 + x 3 = 19 und F: a x 1 +9 x 2 +3 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 9 3 ) = t⋅ ( 5 3 1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 5 = 15.

Für a = 15 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 15 x 1 +9 x 2 +3 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 15 x 1 +9 x 2 +3 x 3 = 57 , d.h. für b = 57 sind die beiden Ebenen identisch.