Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 3 0 -4 ) hat und den Punkt P(4|-2|-5) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 3 0 -4 ) besitzt, hat sie die Form E: 3 x 1 -4 x 3 = d .

Da der Punkt P(4|-2|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 4 -4 ( - 5 ) = d

12+0+20 = d

32 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 -4 x 3 = 32 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 -5 x 2 +2 x 3 = -15 ist und die den Punkt P(5|1|-5) enthält.

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

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

20-5-10 = d

5 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(2|3|5) auf der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 -5 x 3 = -32 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

42 + a3 + (-5)5 = -32
8+a ⋅ 3+(-25) = -32 |+17
3a = -15 | :3
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

1 1 +5 ( - 3 ) = d

1+0-15 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 +5 x 3 = -14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +6 x 2 = -8 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 6 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (4|4|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(4|4|2) in diese Gleichung erhält man
d = 04 + 14 + 02=4
also: + x 2 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 1 7 0 ) + r ( -9 -7 0 ) + s ( 3 -8 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: -2 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:

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

20 + 1(-2) + (-1)a = 0
0+(-2)+a ⋅ (-1) = 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 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: -2 x 2 -2 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 4 -2 ( - 1 ) = b

0-8+2 = b

-6 = b

Mit b = -6 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 2 -2 x 3 = -6 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 +10 x 2 -3 x 3 = 45 und F: -8 x 1 +a x 2 +6 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:
( -8 a 6 ) = t⋅ ( 4 10 -3 )

Man erkennt nun gleich, dass dies nur für t = -2 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 10 = -20.

Für a = -20 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -8 x 1 -20 x 2 +6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -8 x 1 -20 x 2 +6 x 3 = -90 , d.h. für b = -90 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -90, also z.B.: b = -89 setzen.