Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 5 -4 3 ) hat und den Punkt P(3|2|0) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 5 -4 3 ) besitzt, hat sie die Form E: 5 x 1 -4 x 2 +3 x 3 = d .

Da der Punkt P(3|2|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

5 3 -4 2 +3 0 = d

15-8+0 = d

7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 5 x 1 -4 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 2 -2 x 3 = -14 ist und die den Punkt P(1|-1|2) enthält.

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

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

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

5-3-4 = d

-2 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|3|3) auf der Ebene E: -3 x 1 -5 x 2 +a x 3 = -18 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-4) + (-5)3 + a3 = -18
12+(-15)+a ⋅ 3 = -18 |+3
3a = -15 | :3
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-3|4|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

3+16+10 = d

29 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 +4 x 2 -2 x 3 = 29 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 4 x 1 = 5 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 4 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-x3-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 10 + 00=0
also: + x 2 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 -3 -8 ) + r ( 1 0 3 ) + s ( 4 0 -7 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -3 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -3 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 1 0 -1 ) ( 5 5 a ) = 0

15 + 05 + (-1)a = 0
5+0+a ⋅ (-1) = 0 |-5
-1a = -5 | :(-1)
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 +5 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 (0|-1|2).

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

5 0 +5 ( - 1 ) +5 2 = b

0-5+10 = b

5 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +5 x 2 +6 x 3 = 7 und F: -9 x 1 -15 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:
( -9 -15 a ) = t⋅ ( 3 5 6 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -3 ⋅ 6 = -18.

Für a = -18 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -9 x 1 -15 x 2 -18 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -9 x 1 -15 x 2 -18 x 3 = -21 , d.h. für b = -21 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -21, also z.B.: b = -20 setzen.