Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( 2 0 -1 ) besitzt, hat sie die Form E: 2 x 1 - x 3 = d .

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

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

-6+0+1 = d

-5 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

2-1-20 = d

-19 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|5|-3) auf der Ebene E: -4 x 1 -5 x 2 +a x 3 = -7 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)(-3) + (-5)5 + a(-3) = -7
12+(-25)+a ⋅ (-3) = -7 |+13
-3a = 6 | :(-3)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -5 0 4 ) +t ( 2 -2 2 ) 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 = ( 2 -2 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 -2 x 2 +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.

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

-6+2+6 = d

2 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x 1 - x 3 = -1 ?

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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 einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (2|1|3) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=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 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

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

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

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 -6 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 2. 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 -6 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 = ( -4 -5 -1 ) +t ( -3 -2 -2 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -6 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 -2 -2 ) ( a 0 -6 ) = 0

(-3)a + (-2)0 + (-2)(-6) = 0
a ⋅ (-3)+0+12 = 0 |-12
-3a = -12 | :(-3)
a = 4

Für a = 4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 -6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|-5|-1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|-5|-1) in E: 4 x 1 -6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 ( - 4 ) -6 ( - 1 ) = b

-16+0+6 = b

-10 = b

Mit b = -10 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 -6 x 3 = -10 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 10 x 1 -2 x 2 +4 x 3 = -70 und F: a x 1 -4 x 2 +8 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 -4 8 ) = t⋅ ( 10 -2 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 2 ⋅ 10 = 20.

Für a = 20 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 20 x 1 -4 x 2 +8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 20 x 1 -4 x 2 +8 x 3 = -140 , d.h. für b = -140 sind die beiden Ebenen identisch.