Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(0|3|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 0 -2 3 +5 ( - 4 ) = d

0-6-20 = d

-26 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 -2 x 2 +5 x 3 = -26 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 +2 x 3 = -28 ist und die den Punkt P(2|-3|-4) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -2 0 2 ) und damit die Form E: -2 x 1 +2 x 3 = d .

Da der Punkt P(2|-3|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 2 +2 ( - 4 ) = d

-4+0-8 = d

-12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +2 x 3 = -12 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|5|-4) auf der Ebene E: - x 1 -5 x 2 +a x 3 = -29 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)(-4) + (-5)5 + a(-4) = -29
4+(-25)+a ⋅ (-4) = -29 |+21
-4a = -8 | :(-4)
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 4 4 ) +t ( 0 2 1 ) ist und die den Punkt P(2|4|-4) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 2 1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: +2 x 2 + x 3 = d .

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

+2 4 +1 ( - 4 ) = d

0+8-4 = d

4 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 1 = -9 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -6 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x2-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 -2 4 ) + r ( 0 6 -1 ) + s ( 0 2 -4 ) ?

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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 = ( 0 -1 4 ) +t ( -2 3 -1 ) komplett in der Ebene E: 3 x 1 + 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:

( -2 3 -1 ) ( 3 1 a ) = 0

(-2)3 + 31 + (-1)a = 0
-6+3+a ⋅ (-1) = 0 |+3
-1a = 3 | :(-1)
a = -3

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

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

3 0 +1 ( - 1 ) -3 4 = b

0-1-12 = b

-13 = b

Mit b = -13 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 + x 2 -3 x 3 = -13 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 25 x 1 -3 x 2 -4 x 3 = 95 und F: a x 1 +9 x 2 +12 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 9 12 ) = t⋅ ( 25 -3 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 25 = -75.

Für a = -75 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -75 x 1 +9 x 2 +12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -75 x 1 +9 x 2 +12 x 3 = -285 , d.h. für b = -285 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -285, also z.B.: b = -284 setzen.