Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( -3 2 5 ) besitzt, hat sie die Form E: -3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = d .

Da der Punkt P(-5|-5|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

15-10-10 = d

-5 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -26 ist und die den Punkt P(2|0|-3) enthält.

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

Da der Punkt P(2|0|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 2 +5 0 +3 ( - 3 ) = d

-10+0-9 = d

-19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -19 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(0|-4|-4) auf der Ebene E: 3 x 1 +4 x 2 +a x 3 = -12 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

30 + 4(-4) + a(-4) = -12
0+(-16)+a ⋅ (-4) = -12 |+16
-4a = 4 | :(-4)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(1|0|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 1 +1 0 = d

-1+0+0 = d

-1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +5 x 2 +3 x 3 = 2 ?

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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 x1-Achse ist und den Punkt (2|3|2) beinhaltet.

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

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

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

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

b=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=5 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|3|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 7 -5 -8 ) + r ( -6 2 0 ) + s ( -4 9 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -8 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 2 -5 5 ) +t ( -3 3 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +3 x 2 -6 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:

( -3 3 -1 ) ( a 3 -6 ) = 0

(-3)a + 33 + (-1)(-6) = 0
a ⋅ (-3)+9+6 = 0 |-15
-3a = -15 | :(-3)
a = 5

Für a = 5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 5 x 1 +3 x 2 -6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|-5|5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (2|-5|5) in E: 5 x 1 +3 x 2 -6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 2 +3 ( - 5 ) -6 5 = b

10-15-30 = b

-35 = b

Mit b = -35 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 +3 x 2 -6 x 3 = -35 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: - x 1 -4 x 2 +17 x 3 = -15 und F: -2 x 1 -8 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen sich orthogonal schneiden und beide den Punkt den P(2|-1|-1) enthalten.

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Wenn sich die beiden Ebenen orthognal schneiden sollen, müssen auch ihre Normalenvektoren orthogonal sein. Es muss also gelten:
( -2 -8 a ) ( -1 -4 17 ) =0

(-1)(-2) + (-4)(-8) + 17a = 0
2+32+a ⋅ 17 = 0 |-34
17a = -34 | :17
a = -2

Für a = -2 sind also die beiden Normalenvektoren und damit auch die Ebenen orthogonal. F hat dann also die Koordinatengleichung

F: -2 x 1 -8 x 2 -2 x 3 = b .

P liegt immer in E, denn (-1)2 + (-4)(-1) + 17(-1) = -15
Damit P auch in F liegt, müssen wir den Punkt einfach in F einsetzen und nach b auflösen.

-2 2 -8 ( - 1 ) -2 ( - 1 ) = b

-4+8+2 = b

6 = b

Mit b = 6 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -8 x 2 -2 x 3 = 6 .