Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-1|-1|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 ( - 1 ) +5 ( - 1 ) -3 5 = d

4-5-15 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -4 x 1 +5 x 2 -3 x 3 = -16 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = -24 ist und die den Punkt P(5|4|0) enthält.

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

Da der Punkt P(5|4|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 5 +4 4 +2 0 = d

-20+16+0 = d

-4 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|4|4) auf der Ebene E: x 1 + x 2 +a x 3 = -13 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

1(-1) + 14 + a4 = -13
-1+4+a ⋅ 4 = -13 |-3
4a = -16 | :4
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 5 -4 1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 -4 x 2 + x 3 = d .

Da der Punkt P(2|-1|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 2 -4 ( - 1 ) +1 3 = d

10+4+3 = d

17 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -4 x 2 + x 3 = 17 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 1 +8 x 3 = 6 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x3-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 10 + 00=0
also: + x 2 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -5 0 8 ) + r ( 2 0 7 ) + s ( 8 0 -1 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also die x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

(-3)(-2) + (-1)a + (-1)4 = 0
6+a ⋅ (-1)+(-4) = 0 |-2
-1a = -2 | :(-1)
a = 2

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

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

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

8+0+16 = b

24 = b

Mit b = 24 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 24 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 +17 x 2 -3 x 3 = -9 und F: 15 x 1 +a x 2 +9 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:
( 15 a 9 ) = t⋅ ( -5 17 -3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 17 = -51.

Für a = -51 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 15 x 1 -51 x 2 +9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 15 x 1 -51 x 2 +9 x 3 = 27 , d.h. für b = 27 sind die beiden Ebenen identisch.