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

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

9-8+15 = d

16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 +2 x 2 -5 x 3 = 16 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 +2 x 3 = 20 ist und die den Punkt P(0|-3|4) enthält.

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

1 0 +2 4 = d

0+0+8 = d

8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 +2 x 3 = 8 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(2|-5|3) auf der Ebene E: a x 1 -5 x 2 -3 x 3 = 18 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a2 + (-5)(-5) + (-3)3 = 18
a ⋅ 2+25+(-9) = 18 |-16
2a = 2 | :2
a = 1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -5 4 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -5 x 1 +4 x 2 +2 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.

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

15+8+4 = d

27 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 27 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 8 x 1 +5 x 2 = -7 ?

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Wenn man die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x1 und x2 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x3-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (2|1|1) beinhaltet.

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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 Punktes P(2|1|1) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 01 + 11=1
also: + x 3 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 0 7 ) + r ( 3 0 -8 ) + s ( 5 0 9 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also die x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -3 -5 -1 ) +t ( 3 0 -3 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -4 x 2 +5 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 0 -3 ) ( a -4 5 ) = 0

3a + 0(-4) + (-3)5 = 0
a ⋅ 3+0+(-15) = 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 +5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|-5|-1).

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

5 ( - 3 ) -4 ( - 5 ) +5 ( - 1 ) = b

-15+20-5 = b

0 = b

Mit b = 0 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = 0 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 29 x 1 +2 x 2 -5 x 3 = -66 und F: a x 1 +6 x 2 -15 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 6 -15 ) = t⋅ ( 29 2 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 29 = 87.

Für a = 87 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 87 x 1 +6 x 2 -15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 87 x 1 +6 x 2 -15 x 3 = -198 , d.h. für b = -198 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -198, also z.B.: b = -197 setzen.