Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

-5 1 +3 0 -3 0 = d

-5+0+0 = d

-5 = d

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

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 = 7 ist und die den Punkt P(4|2|2) 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(4|2|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 4 +4 2 +2 2 = d

-16+8+4 = 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(-4|5|0) auf der Ebene E: -3 x 1 +a x 2 -3 x 3 = 32 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-4) + a5 + (-3)0 = 32
12+a ⋅ 5+0 = 32 |-12
5a = 20 | :5
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-2-20+5 = d

-17 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 2 +2 x 3 = -5 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x2-x3-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 2 8 8 ) + r ( 7 0 -1 ) + s ( -7 0 -9 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 8 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -5 -2 4 ) +t ( 4 3 -1 ) komplett in der Ebene E: 5 x 1 -5 x 2 +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 3 -1 ) ( 5 -5 a ) = 0

45 + 3(-5) + (-1)a = 0
20+(-15)+a ⋅ (-1) = 0 |-5
-1a = -5 | :(-1)
a = 5

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

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

5 ( - 5 ) -5 ( - 2 ) +5 4 = b

-25+10+20 = b

5 = b

Mit b = 5 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 -5 x 2 +5 x 3 = 5 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 + x 2 -2 x 3 = -16 und F: a x 1 +3 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 3 -6 ) = t⋅ ( 5 1 -2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 5 = 15.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 15 x 1 +3 x 2 -6 x 3 = -48 , d.h. für b = -48 sind die beiden Ebenen identisch.