Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

-4 4 = d

0+0-16 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -4 x 3 = -16 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-4|-1|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

8-3-16 = d

-11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +3 x 2 -4 x 3 = -11 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|4|-1) auf der Ebene E: a x 1 - x 2 + x 3 = -9 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a4 + (-1)4 + 1(-1) = -9
a ⋅ 4+(-4)+(-1) = -9 |+5
4a = -4 | :4
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -3 0 1 ) +t ( -1 0 -1 ) ist und die den Punkt P(-1|-3|0) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -1 0 -1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: - x 1 - x 3 = d .

Da der Punkt P(-1|-3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 ( - 1 ) -1 0 = d

1+0+0 = d

1 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +4 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 4 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (4|2|3) beinhaltet.

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

(ansonsten könnte man ja a0 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

Punkt P(4|2|3) eingesetzt:
a⋅4 + c⋅3=d

a=1;c=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=7 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|2|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -4 0 -2 ) + r ( 2 0 4 ) + s ( -7 0 -6 ) ?

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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 = ( -5 -5 1 ) +t ( 2 -2 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +3 x 2 -4 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 -2 -1 ) ( a 3 -4 ) = 0

2a + (-2)3 + (-1)(-4) = 0
a ⋅ 2+(-6)+4 = 0 |+2
2a = 2 | :2
a = 1

Für a = 1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: x 1 +3 x 2 -4 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|-5|1).

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

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

-5-15-4 = b

-24 = b

Mit b = -24 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 +3 x 2 -4 x 3 = -24 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -20 und F: -15 x 1 +a x 2 -15 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen sich orthogonal schneiden und beide den Punkt den P(-5|4|-3) enthalten.

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Wenn sich die beiden Ebenen orthognal schneiden sollen, müssen auch ihre Normalenvektoren orthogonal sein. Es muss also gelten:
( -15 a -15 ) ( 5 5 5 ) =0

5(-15) + 5a + 5(-15) = 0
-75+a ⋅ 5+(-75) = 0 |+150
5a = 150 | :5
a = 30

Für a = 30 sind also die beiden Normalenvektoren und damit auch die Ebenen orthogonal. F hat dann also die Koordinatengleichung

F: -15 x 1 +30 x 2 -15 x 3 = b .

P liegt immer in E, denn 5(-5) + 54 + 5(-3) = -20
Damit P auch in F liegt, müssen wir den Punkt einfach in F einsetzen und nach b auflösen.

-15 ( - 5 ) +30 4 -15 ( - 3 ) = b

75+120+45 = b

240 = b

Mit b = 240 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -15 x 1 +30 x 2 -15 x 3 = 240 .