Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(3|-4|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

0+8+10 = d

18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -2 x 2 -2 x 3 = 18 .

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 = 11 ist und die den Punkt P(4|3|-3) 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(4|3|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

16-15+6 = d

7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -5 x 2 -2 x 3 = 7 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|-1|2) auf der Ebene E: a x 1 -2 x 2 +2 x 3 = 14 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-2) + (-2)(-1) + 22 = 14
a ⋅ (-2)+2+4 = 14 |-6
-2a = 8 | :(-2)
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 5 1 5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = 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 1 +1 4 +5 5 = d

5+4+25 = d

34 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 + x 2 +5 x 3 = 34 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +2 x 2 -7 x 3 = 1 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-x3-Ebene ist und den Punkt (4|3|2) 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(4|3|2) in diese Gleichung erhält man
d = 14 + 03 + 02=4
also: x 1 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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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 = ( 0 -3 3 ) +t ( 1 4 -2 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -5 x 2 -8 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 4 -2 ) ( a -5 -8 ) = 0

1a + 4(-5) + (-2)(-8) = 0
a ⋅ 1+(-20)+16 = 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: 4 x 1 -5 x 2 -8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|-3|3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|-3|3) in E: 4 x 1 -5 x 2 -8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 0 -5 ( - 3 ) -8 3 = b

0+15-24 = b

-9 = b

Mit b = -9 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 -5 x 2 -8 x 3 = -9 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 17 x 1 - x 2 +4 x 3 = -89 und F: a x 1 +2 x 2 -8 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:
( a 2 -8 ) = t⋅ ( 17 -1 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 17 = -34.

Für a = -34 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -34 x 1 +2 x 2 -8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -34 x 1 +2 x 2 -8 x 3 = 178 , d.h. für b = 178 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 178, also z.B.: b = 179 setzen.