Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-3|-5|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-12-15-4 = d

-31 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 4 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = -31 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 +5 x 2 -2 x 3 = 14 ist und die den Punkt P(5|-2|-3) enthält.

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

Da der Punkt P(5|-2|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

25-10+6 = d

21 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +5 x 2 -2 x 3 = 21 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|1|4) auf der Ebene E: -2 x 1 -3 x 2 +a x 3 = -19 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-2)4 + (-3)1 + a4 = -19
-8+(-3)+a ⋅ 4 = -19 |+11
4a = -8 | :4
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-16+15+6 = d

5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (3|2|1) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x2-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x2-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x3 einsetzt, muss b=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 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

Punkt P(3|2|1) eingesetzt:
a⋅3 + c⋅1=d

a=1;c=1 und d=4 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=4 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|2|1) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -7 8 3 ) + r ( 0 9 -9 ) + s ( 0 -1 6 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -7 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -7 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 = ( 2 5 -4 ) +t ( 1 5 -3 ) komplett in der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 -5 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 5 -3 ) ( 5 a -5 ) = 0

15 + 5a + (-3)(-5) = 0
5+a ⋅ 5+15 = 0 |-20
5a = -20 | :5
a = -4

Für a = -4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 5 x 1 -4 x 2 -5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|5|-4).

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

5 2 -4 5 -5 ( - 4 ) = b

10-20+20 = b

10 = b

Mit b = 10 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 -4 x 2 -5 x 3 = 10 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +29 x 2 +2 x 3 = 118 und F: -10 x 1 +a x 2 -4 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:
( -10 a -4 ) = t⋅ ( 5 29 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 29 = -58.

Für a = -58 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -10 x 1 -58 x 2 -4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -10 x 1 -58 x 2 -4 x 3 = -236 , d.h. für b = -236 sind die beiden Ebenen identisch.