Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 1 -5 ) hat und den Punkt P(0|1|2) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 1 -5 ) besitzt, hat sie die Form E: + x 2 -5 x 3 = d .

Da der Punkt P(0|1|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

+1 1 -5 2 = d

0+1-10 = d

-9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: + x 2 -5 x 3 = -9 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 -5 x 2 -5 x 3 = -29 ist und die den Punkt P(-4|3|-1) enthält.

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

Da der Punkt P(-4|3|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-4-15+5 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -5 x 2 -5 x 3 = -14 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|-5|4) auf der Ebene E: a x 1 -5 x 2 -5 x 3 = 13 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-4) + (-5)(-5) + (-5)4 = 13
a ⋅ (-4)+25+(-20) = 13 |-5
-4a = 8 | :(-4)
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 ( 1 -1 4 ) ist und die den Punkt P(-4|0|-3) enthält.

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

Da der Punkt P(-4|0|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

1 ( - 4 ) -1 0 +4 ( - 3 ) = d

-4+0-12 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 - x 2 +4 x 3 = -16 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 9 x 1 +4 x 3 = 9 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

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 = ( -6 5 -8 ) + r ( 2 -2 0 ) + s ( -1 9 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -8 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 = ( -4 1 4 ) +t ( -2 0 -1 ) komplett in der Ebene E: 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:

( -2 0 -1 ) ( 1 5 a ) = 0

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

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

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

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

-4+5-8 = b

-7 = b

Mit b = -7 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 +5 x 2 -2 x 3 = -7 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 +13 x 2 - x 3 = 58 und F: 5 x 1 +a x 2 + 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:
( 5 a 1 ) = t⋅ ( -5 13 -1 )

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: 5 x 1 -13 x 2 + x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: 5 x 1 -13 x 2 + x 3 = -58 , d.h. für b = -58 sind die beiden Ebenen identisch.