Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 -5 -3 ) hat und den Punkt P(-4|-1|-2) enthält.

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

Da der Punkt P(-4|-1|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

0+5+6 = d

11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 2 -3 x 3 = 11 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: - x 1 - x 2 -4 x 3 = -6 ist und die den Punkt P(4|1|-3) enthält.

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

Da der Punkt P(4|1|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 4 -1 1 -4 ( - 3 ) = d

-4-1+12 = d

7 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|-5|-2) auf der Ebene E: -4 x 1 +2 x 2 +a x 3 = -24 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)3 + 2(-5) + a(-2) = -24
-12+(-10)+a ⋅ (-2) = -24 |+22
-2a = -2 | :(-2)
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 -1 0 ) +t ( -1 -4 2 ) ist und die den Punkt P(1|2|-5) 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(1|2|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 1 -4 2 +2 ( - 5 ) = d

-1-8-10 = d

-19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 -4 x 2 +2 x 3 = -19 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 6 x 1 +8 x 2 = -8 ?

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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 x1-x2-Ebene ist und den Punkt (1|4|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|4|3) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 04 + 13=3
also: + x 3 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 5 ) 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 1. 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 5 ) ( 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 = ( -3 1 2 ) +t ( -5 2 -2 ) komplett in der Ebene E: -4 x 1 +a x 2 +7 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 2 -2 ) ( -4 a 7 ) = 0

(-5)(-4) + 2a + (-2)7 = 0
20+a ⋅ 2+(-14) = 0 |-6
2a = -6 | :2
a = -3

Für a = -3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 -3 x 2 +7 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|1|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|1|2) in E: -4 x 1 -3 x 2 +7 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-4 ( - 3 ) -3 1 +7 2 = b

12-3+14 = b

23 = b

Mit b = 23 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 -3 x 2 +7 x 3 = 23 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -5 x 2 -3 x 3 = 10 und F: a x 1 -10 x 2 -6 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:
( a -10 -6 ) = t⋅ ( 2 -5 -3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 2 ⋅ 2 = 4.

Für a = 4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 4 x 1 -10 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 4 x 1 -10 x 2 -6 x 3 = 20 , d.h. für b = 20 sind die beiden Ebenen identisch.