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(-5|-2|-4) 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(-5|-2|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

25-6-12 = d

7 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 +3 x 3 = 33 ist und die den Punkt P(4|3|-2) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 5 0 3 ) und damit die Form E: 5 x 1 +3 x 3 = d .

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

5 4 +3 ( - 2 ) = d

20+0-6 = d

14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +3 x 3 = 14 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

50 + a3 + 1(-3) = 3
0+a ⋅ 3+(-3) = 3 |+3
3a = 6 | :3
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -2 4 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -2 x 1 +4 x 2 = d .

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

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

4-4+0 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +4 x 2 = 0 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -1 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 -1 ) + r ( 0 9 -6 ) + s ( 0 -4 5 ) ?

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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 = ( 1 2 5 ) +t ( -3 1 -1 ) komplett in der Ebene E: 3 x 1 +2 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:

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

(-3)3 + 12 + (-1)a = 0
-9+2+a ⋅ (-1) = 0 |+7
-1a = 7 | :(-1)
a = -7

Für a = -7 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 +2 x 2 -7 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (1|2|5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (1|2|5) in E: 3 x 1 +2 x 2 -7 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 1 +2 2 -7 5 = b

3+4-35 = b

-28 = b

Mit b = -28 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 +2 x 2 -7 x 3 = -28 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 +13 x 2 +5 x 3 = -62 und F: - x 1 +a x 2 -5 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:
( -1 a -5 ) = t⋅ ( 1 13 5 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -1 ⋅ 13 = -13.

Für a = -13 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: - x 1 -13 x 2 -5 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: - x 1 -13 x 2 -5 x 3 = 62 , d.h. für b = 62 sind die beiden Ebenen identisch.