Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

0-6-12 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: +2 x 2 +3 x 3 = -18 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 -5 0 ) und damit die Form E: -5 x 1 -5 x 2 = d .

Da der Punkt P(1|-4|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 1 -5 ( - 4 ) = d

-5+20+0 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 -5 x 2 = 15 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-1) + a(-2) + 42 = 3
3+a ⋅ (-2)+8 = 3 |-11
-2a = -8 | :(-2)
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

4 3 -3 1 -1 3 = d

12-3-3 = d

6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -3 x 2 - x 3 = 6 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -3 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -3 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x2-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 -9 6 ) + r ( 0 -4 -4 ) + s ( 0 7 -6 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also die 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 die x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( -4 -5 -1 ) ( -2 0 a ) = 0

(-4)(-2) + (-5)0 + (-1)a = 0
8+0+a ⋅ (-1) = 0 |-8
-1a = -8 | :(-1)
a = 8

Für a = 8 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 +8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|-2|-1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (2|-2|-1) in E: -2 x 1 +8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 2 +8 ( - 1 ) = b

-4+0-8 = b

-12 = b

Mit b = -12 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 +8 x 3 = -12 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 50 x 1 -5 x 2 -5 x 3 = 95 und F: a x 1 -10 x 2 -10 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel 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 -10 ) = t⋅ ( 50 -5 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 2 ⋅ 50 = 100.

Für a = 100 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 100 x 1 -10 x 2 -10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 100 x 1 -10 x 2 -10 x 3 = 190 , d.h. für b = 190 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 190, also z.B.: b = 191 setzen.