Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(2|3|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-6+12-3 = d

3 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 + x 2 +4 x 3 = 29 ist und die den Punkt P(2|-5|5) enthält.

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

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

3 2 +1 ( - 5 ) +4 5 = d

6-5+20 = d

21 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)1 + 43 + a2 = 1
-1+12+a ⋅ 2 = 1 |-11
2a = -10 | :2
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-3-3+8 = d

2 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -9 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (1|4|3) 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(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 = ( 6 4 0 ) + r ( -3 -1 0 ) + s ( 8 4 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 = ( 2 2 3 ) +t ( -3 5 -2 ) komplett in der Ebene E: -2 x 1 -4 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:

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

(-3)(-2) + 5(-4) + (-2)a = 0
6+(-20)+a ⋅ (-2) = 0 |+14
-2a = 14 | :(-2)
a = -7

Für a = -7 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 -4 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 (2|2|3).

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

-2 2 -4 2 -7 3 = b

-4-8-21 = b

-33 = b

Mit b = -33 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -4 x 2 -7 x 3 = -33 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 +17 x 2 -5 x 3 = -17 und F: 3 x 1 +a x 2 +5 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:
( 3 a 5 ) = t⋅ ( -3 17 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -1 ⋅ 17 = -17.

Für a = -17 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 3 x 1 -17 x 2 +5 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: 3 x 1 -17 x 2 +5 x 3 = 17 , d.h. für b = 17 sind die beiden Ebenen identisch.