Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-4+3+16 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -4 x 1 + x 2 -4 x 3 = 15 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 1 - x 2 -5 x 3 = 7 ist und die den Punkt P(-1|4|-3) 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|4|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

3-4+15 = 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(4|5|1) auf der Ebene E: a x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 14 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a4 + 45 + 21 = 14
a ⋅ 4+20+2 = 14 |-22
4a = -8 | :4
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 4 -2 ) +t ( 1 1 -1 ) 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 = ( 1 1 -1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 + x 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.

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

5+2+5 = d

12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 + x 2 - x 3 = 12 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x 1 +4 x 3 = -5 ?

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Wenn man die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x1 und x3 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (3|4|2) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja a0 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

Der Koeffizient c vor x3 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
a⋅x1 + b⋅x2=d.

Punkt P(3|4|2) eingesetzt:
a⋅3 + b⋅4=d

a=1;b=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=7 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|4|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 0 -6 ) + r ( 4 0 9 ) + s ( 7 0 3 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also die x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -3 4 1 ) +t ( 1 -5 -2 ) 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:

( 1 -5 -2 ) ( -3 -5 a ) = 0

1(-3) + (-5)(-5) + (-2)a = 0
-3+25+a ⋅ (-2) = 0 |-22
-2a = -22 | :(-2)
a = 11

Für a = 11 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 -5 x 2 +11 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: -3 x 1 -5 x 2 +11 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 ( - 3 ) -5 4 +11 1 = b

9-20+11 = b

0 = b

Mit b = 0 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 -5 x 2 +11 x 3 = 0 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +34 x 2 -3 x 3 = 173 und F: 10 x 1 +a x 2 -6 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:
( 10 a -6 ) = t⋅ ( 5 34 -3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 34 = 68.

Für a = 68 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 10 x 1 +68 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 10 x 1 +68 x 2 -6 x 3 = 346 , d.h. für b = 346 sind die beiden Ebenen identisch.