Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

3+4+8 = d

15 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: +2 x 2 - x 3 = 16 ist und die den Punkt P(0|3|0) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 2 -1 ) und damit die Form E: +2 x 2 - x 3 = d .

Da der Punkt P(0|3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

+2 3 -1 0 = d

0+6+0 = d

6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +2 x 2 - x 3 = 6 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|-2|2) auf der Ebene E: -5 x 1 +3 x 2 +a x 3 = 9 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-5)(-5) + 3(-2) + a2 = 9
25+(-6)+a ⋅ 2 = 9 |-19
2a = -10 | :2
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 4 0 -2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 -2 x 3 = d .

Da der Punkt P(3|5|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

4 3 -2 5 = d

12+0-10 = d

2 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 4 x 1 - 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 der x1-x3-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 10 + 00=0
also: + x 2 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -8 -2 6 ) + r ( 0 -6 1 ) + s ( 0 -5 -1 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -8 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

(-4)(-3) + (-3)0 + (-2)a = 0
12+0+a ⋅ (-2) = 0 |-12
-2a = -12 | :(-2)
a = 6

Für a = 6 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 +6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|-5|-3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-5|-5|-3) in E: -3 x 1 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 ( - 5 ) +6 ( - 3 ) = b

15+0-18 = b

-3 = b

Mit b = -3 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 +6 x 3 = -3 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 +10 x 2 -5 x 3 = 40 und F: -15 x 1 +a x 2 -15 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:
( -15 a -15 ) = t⋅ ( -5 10 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 10 = 30.

Für a = 30 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -15 x 1 +30 x 2 -15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -15 x 1 +30 x 2 -15 x 3 = 120 , d.h. für b = 120 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 120, also z.B.: b = 121 setzen.