Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(3|5|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 3 -5 5 +3 2 = d

-9-25+6 = d

-28 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = -28 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 -2 x 2 = 27 ist und die den Punkt P(1|-2|2) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 4 -2 0 ) und damit die Form E: 4 x 1 -2 x 2 = d .

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

4 1 -2 ( - 2 ) = d

4+4+0 = d

8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -2 x 2 = 8 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|-1|-5) auf der Ebene E: 4 x 1 +4 x 2 +a x 3 = 31 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

45 + 4(-1) + a(-5) = 31
20+(-4)+a ⋅ (-5) = 31 |-16
-5a = 15 | :(-5)
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-8-12+2 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 +3 x 2 - x 3 = -18 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +5 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 5 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 x1-Achse ist und den Punkt (3|3|2) beinhaltet.

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

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

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

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

b=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=5 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|3|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 2 -4 -5 ) + r ( 6 -6 0 ) + s ( 2 9 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -5 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 = ( -3 1 4 ) +t ( -4 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: 2 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:

( -4 -5 -1 ) ( 2 -2 a ) = 0

(-4)2 + (-5)(-2) + (-1)a = 0
-8+10+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: 2 x 1 -2 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 (-3|1|4).

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

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

-6-2+8 = b

0 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 +4 x 2 +15 x 3 = -2 und F: 9 x 1 -12 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 -12 a ) = t⋅ ( -3 4 15 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -3 ⋅ 15 = -45.

Für a = -45 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 9 x 1 -12 x 2 -45 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 9 x 1 -12 x 2 -45 x 3 = 6 , d.h. für b = 6 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 6, also z.B.: b = 7 setzen.