Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

12-2+4 = d

14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 + x 2 -4 x 3 = 14 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 -2 x 2 +4 x 3 = 43 ist und die den Punkt P(5|0|0) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 5 -2 4 ) und damit die Form E: 5 x 1 -2 x 2 +4 x 3 = d .

Da der Punkt P(5|0|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 5 -2 0 +4 0 = d

25+0+0 = d

25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -2 x 2 +4 x 3 = 25 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|5|2) auf der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 -3 x 3 = -6 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-1) + a5 + (-3)2 = -6
-5+a ⋅ 5+(-6) = -6 |+11
5a = 5 | :5
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 4 5 -1 ) +t ( -5 0 2 ) ist und die den Punkt P(-3|2|-4) enthält.

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

Da der Punkt P(-3|2|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

15+0-8 = d

7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +2 x 3 = 7 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -3 x 1 + x 2 = 3 ?

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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-Achse ist und den Punkt (2|3|2) beinhaltet.

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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(2|3|2) eingesetzt:
b⋅3 + c⋅2=d

b=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=5 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|3|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -9 1 2 ) + r ( 0 0 -4 ) + s ( 2 6 5 ) ?

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1. Weg:

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

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

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

Für a = -2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 -2 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|-3|2).

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

-2 3 -2 ( - 3 ) -2 2 = b

-6+6-4 = b

-4 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 +4 x 2 -4 x 3 = 36 und F: 4 x 1 +a x 2 +4 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:
( 4 a 4 ) = t⋅ ( -4 4 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -1 ⋅ 4 = -4.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: 4 x 1 -4 x 2 +4 x 3 = -36 , d.h. für b = -36 sind die beiden Ebenen identisch.