Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -3 5 0 ) hat und den Punkt P(-1|4|-3) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -3 5 0 ) besitzt, hat sie die Form E: -3 x 1 +5 x 2 = 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 ) +5 4 = d

3+20+0 = d

23 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 +5 x 2 = 23 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-1 2 +3 ( - 2 ) -2 0 = d

-2-6+0 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 +3 x 2 -2 x 3 = -8 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(0|-4|1) auf der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 -2 x 3 = -22 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

40 + a(-4) + (-2)1 = -22
0+a ⋅ (-4)+(-2) = -22 |+2
-4a = -20 | :(-4)
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 1 -5 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 -5 x 2 = d .

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

1 ( - 3 ) -5 4 = d

-3-20+0 = d

-23 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -5 x 2 = -23 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 2 = -9 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 7 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x2-x3-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 0 9 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 9 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -4 0 2 ) +t ( -5 3 -1 ) komplett in der Ebene E: 3 x 1 +4 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:

( -5 3 -1 ) ( 3 4 a ) = 0

(-5)3 + 34 + (-1)a = 0
-15+12+a ⋅ (-1) = 0 |+3
-1a = 3 | :(-1)
a = -3

Für a = -3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|0|2).

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

3 ( - 4 ) +4 0 -3 2 = b

-12+0-6 = b

-18 = b

Mit b = -18 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = -18 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 +3 x 2 -5 x 3 = 8 und F: -12 x 1 +a x 2 -15 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:
( -12 a -15 ) = t⋅ ( -4 3 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -12 x 1 +9 x 2 -15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -12 x 1 +9 x 2 -15 x 3 = 24 , d.h. für b = 24 sind die beiden Ebenen identisch.