Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

-5 ( - 2 ) -2 3 -3 ( - 3 ) = d

10-6+9 = d

13 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 3 x 1 + x 2 +4 x 3 = 17 ist und die den Punkt P(-3|5|2) enthält.

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

Da der Punkt P(-3|5|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-9+5+8 = d

4 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|-3|2) auf der Ebene E: x 1 +a x 2 +3 x 3 = 25 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

14 + a(-3) + 32 = 25
4+a ⋅ (-3)+6 = 25 |-10
-3a = 15 | :(-3)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 5 4 2 ) +t ( 2 -3 2 ) ist und die den Punkt P(-3|-2|3) enthält.

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

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

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

-6+6+6 = d

6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 -3 x 2 +2 x 3 = 6 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 2 -2 x 3 = 9 ?

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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 einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (3|3|3) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x1-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x1-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x2 und x3 einsetzt, muss a=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

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

Punkt P(3|3|3) eingesetzt:
b⋅3 + c⋅3=d

b=1;c=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=6 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|3|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 6 -2 -4 ) + r ( 8 3 0 ) + s ( -3 -6 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -4 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -4 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 -4 -2 ) +t ( 3 -1 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +4 x 2 +11 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 -1 -1 ) ( a 4 11 ) = 0

3a + (-1)4 + (-1)11 = 0
a ⋅ 3+(-4)+(-11) = 0 |+15
3a = 15 | :3
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 +4 x 2 +11 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|-4|-2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|-4|-2) in E: 5 x 1 +4 x 2 +11 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 0 +4 ( - 4 ) +11 ( - 2 ) = b

0-16-22 = b

-38 = b

Mit b = -38 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 +4 x 2 +11 x 3 = -38 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 +5 x 2 -4 x 3 = 1 und F: a x 1 -5 x 2 +4 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen sich orthogonal schneiden und beide den Punkt den P(-5|2|1) enthalten.

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Wenn sich die beiden Ebenen orthognal schneiden sollen, müssen auch ihre Normalenvektoren orthogonal sein. Es muss also gelten:
( a -5 4 ) ( 1 5 -4 ) =0

1a + 5(-5) + (-4)4 = 0
a ⋅ 1+(-25)+(-16) = 0 |+41
1a = 41 | :1
a = 41

Für a = 41 sind also die beiden Normalenvektoren und damit auch die Ebenen orthogonal. F hat dann also die Koordinatengleichung

F: 41 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = b .

P liegt immer in E, denn 1(-5) + 52 + (-4)1 = 1
Damit P auch in F liegt, müssen wir den Punkt einfach in F einsetzen und nach b auflösen.

41 ( - 5 ) -5 2 +4 1 = b

-205-10+4 = b

-211 = b

Mit b = -211 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 41 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = -211 .