Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -5 -1 5 ) hat und den Punkt P(5|3|-2) enthält.

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

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

-5 5 -1 3 +5 ( - 2 ) = d

-25-3-10 = d

-38 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 1 - x 2 +5 x 3 = -38 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 41 ist und die den Punkt P(5|4|5) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 5 4 3 ) und damit die Form E: 5 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = d .

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

5 5 +4 4 +3 5 = d

25+16+15 = d

56 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 56 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|1|2) auf der Ebene E: - x 1 +a x 2 +3 x 3 = 8 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)1 + a1 + 32 = 8
-1+a ⋅ 1+6 = 8 |-5
1a = 3 | :1
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 -5 4 ) +t ( -1 -4 -2 ) ist und die den Punkt P(5|0|0) enthält.

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

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

-1 5 -4 0 -2 0 = d

-5+0+0 = d

-5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 7 x 1 = 9 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 7 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-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 x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (1|1|3) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 0 0 1 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(1|1|3) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 01 + 13=3
also: + x 3 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -4 4 8 ) + r ( 0 -2 0 ) + s ( 9 -5 3 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 -2 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 1. 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 -2 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 = ( -3 5 -4 ) +t ( 5 -3 -1 ) komplett in der Ebene E: -2 x 1 +a x 2 -10 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 ) ( -2 a -10 ) = 0

5(-2) + (-3)a + (-1)(-10) = 0
-10+a ⋅ (-3)+10 = 0 |-0
-3a = 0 | :(-3)
a = 0

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 -10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|5|-4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|5|-4) in E: -2 x 1 -10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 ( - 3 ) -10 ( - 4 ) = b

6+0+40 = b

46 = b

Mit b = 46 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -10 x 3 = 46 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +29 x 2 +5 x 3 = -21 und F: 6 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:
( 6 a -15 ) = t⋅ ( -2 29 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 29 = -87.

Für a = -87 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 -87 x 2 -15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 -87 x 2 -15 x 3 = 63 , d.h. für b = 63 sind die beiden Ebenen identisch.