Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

-2 0 +3 1 -1 0 = d

0+3+0 = d

3 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 8 ist und die den Punkt P(-3|-2|1) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 3 4 ) und damit die Form E: -5 x 1 +3 x 2 +4 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.

-5 ( - 3 ) +3 ( - 2 ) +4 1 = d

15-6+4 = d

13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = 13 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

3(-5) + 24 + a4 = 5
-15+8+a ⋅ 4 = 5 |+7
4a = 12 | :4
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 4 0 -3 ) +t ( -4 -4 2 ) ist und die den Punkt P(4|-4|-2) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -4 -4 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -4 x 1 -4 x 2 +2 x 3 = d .

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

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

-16+16-4 = d

-4 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 7 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 7 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (4|3|2) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 2 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(4|3|2) in diese Gleichung erhält man
d = 04 + 13 + 02=3
also: + x 2 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 -1 -4 ) + r ( 0 8 5 ) + s ( 0 -8 -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 = ( 4 0 2 ) +t ( -2 3 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -2 x 2 -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:

( -2 3 -1 ) ( a -2 -6 ) = 0

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

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 2 -6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (4|0|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (4|0|2) in E: -2 x 2 -6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 0 -6 2 = b

0+0-12 = b

-12 = b

Mit b = -12 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 2 -6 x 3 = -12 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 + x 2 +2 x 3 = 27 und F: 15 x 1 +3 x 2 +a 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:
( 15 3 a ) = t⋅ ( 5 1 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 2 = 6.

Für a = 6 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 = 81 , d.h. für b = 81 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 81, also z.B.: b = 82 setzen.