Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 3 1 ) hat und den Punkt P(1|-5|0) enthält.

Lösung einblenden

Da E den Normalenvektor n = ( 0 3 1 ) besitzt, hat sie die Form E: +3 x 2 + x 3 = d .

Da der Punkt P(1|-5|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

+3 ( - 5 ) +1 0 = d

0-15+0 = d

-15 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 1 +5 x 2 + x 3 = -24 ist und die den Punkt P(0|-2|-2) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(0|-2|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 0 +5 ( - 2 ) +1 ( - 2 ) = d

0-10-2 = d

-12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +5 x 2 + x 3 = -12 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a4 + 25 + 34 = 2
a ⋅ 4+10+12 = 2 |-22
4a = -20 | :4
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(3|0|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

+2 0 = d

0+0+0 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +2 x 2 = 0 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 7 x 1 - x 3 = 4 ?

Lösung einblenden

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 (1|4|1) beinhaltet.

Lösung einblenden

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(1|4|1) eingesetzt:
a⋅1 + b⋅4=d

a=1;b=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=5 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|4|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

Lösung einblenden

1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 -7 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 2. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 -7 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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 ) ( a -3 2 ) = 0

(-2)a + (-2)(-3) + (-1)2 = 0
a ⋅ (-2)+6+(-2) = 0 |-4
-2a = -4 | :(-2)
a = 2

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

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

2 ( - 2 ) -3 3 +2 2 = b

-4-9+4 = b

-9 = b

Mit b = -9 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 -3 x 2 +2 x 3 = -9 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +3 x 2 +13 x 3 = -27 und F: -6 x 1 +9 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen identisch sind.

Lösung einblenden

Wenn die beiden Ebenen parallel oder identisch sein sollen, müssen ihre Normalenvektoren vielfache (oder gleich) sein. Es muss also gelten:
( -6 9 a ) = t⋅ ( -2 3 13 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 13 = 39.

Für a = 39 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -6 x 1 +9 x 2 +39 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -6 x 1 +9 x 2 +39 x 3 = -81 , d.h. für b = -81 sind die beiden Ebenen identisch.