Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( 4 0 -3 ) besitzt, hat sie die Form E: 4 x 1 -3 x 3 = d .

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

4 ( - 5 ) -3 5 = d

-20+0-15 = d

-35 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 4 x 1 -3 x 3 = -35 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 -2 x 2 -3 x 3 = 8 ist und die den Punkt P(-3|2|-2) enthält.

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

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

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

12-4+6 = d

14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -2 x 2 -3 x 3 = 14 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|5|0) auf der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 -2 x 3 = -5 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-2) + a5 + (-2)0 = -5
-10+a ⋅ 5+0 = -5 |+10
5a = 5 | :5
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

3 1 -2 3 +5 2 = d

3-6+10 = d

7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -2 x 2 +5 x 3 = 7 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 4 x 1 = 7 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 4 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 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 = ( -6 2 -8 ) + r ( 6 -9 0 ) + s ( -5 -4 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -8 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

11 + 4(-1) + (-1)a = 0
1+(-4)+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: 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|-3|4).

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

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

0+3-12 = b

-9 = b

Mit b = -9 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 - x 2 -3 x 3 = -9 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +3 x 2 - x 3 = 14 und F: -6 x 1 +a x 2 -3 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen sich orthogonal schneiden und beide den Punkt den P(0|4|-2) enthalten.

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Wenn sich die beiden Ebenen orthognal schneiden sollen, müssen auch ihre Normalenvektoren orthogonal sein. Es muss also gelten:
( -6 a -3 ) ( -2 3 -1 ) =0

(-2)(-6) + 3a + (-1)(-3) = 0
12+a ⋅ 3+3 = 0 |-15
3a = -15 | :3
a = -5

Für a = -5 sind also die beiden Normalenvektoren und damit auch die Ebenen orthogonal. F hat dann also die Koordinatengleichung

F: -6 x 1 -5 x 2 -3 x 3 = b .

P liegt immer in E, denn (-2)0 + 34 + (-1)(-2) = 14
Damit P auch in F liegt, müssen wir den Punkt einfach in F einsetzen und nach b auflösen.

-6 0 -5 4 -3 ( - 2 ) = b

0-20+6 = b

-14 = b

Mit b = -14 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -6 x 1 -5 x 2 -3 x 3 = -14 .