Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 -5 0 ) hat und den Punkt P(-1|-4|-5) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 -5 0 ) besitzt, hat sie die Form E: -5 x 2 = d .

Da der Punkt P(-1|-4|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 ( - 4 ) = d

0+20+0 = d

20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 2 = 20 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-3-1-10 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 - x 2 -5 x 3 = -14 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

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

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-4|1|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-12-5+9 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -5 x 2 -3 x 3 = -8 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 -2 ) , 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 x2-x3-Ebene ist und den Punkt (1|2|3) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 1 0 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(1|2|3) in diese Gleichung erhält man
d = 11 + 02 + 03=1
also: x 1 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -1 7 3 ) + r ( 0 0 -6 ) + s ( 8 8 5 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -6 ) 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 -6 ) ( 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 = ( 2 -3 4 ) +t ( -2 2 -1 ) komplett in der Ebene E: -3 x 1 -5 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 2 -1 ) ( -3 -5 a ) = 0

(-2)(-3) + 2(-5) + (-1)a = 0
6+(-10)+a ⋅ (-1) = 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: -3 x 1 -5 x 2 -4 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|-3|4).

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

-3 2 -5 ( - 3 ) -4 4 = b

-6+15-16 = b

-7 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 9 x 1 -6 x 2 +3 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 9 x 1 -6 x 2 +3 x 3 = 18 , d.h. für b = 18 sind die beiden Ebenen identisch.