Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -4 2 -4 ) hat und den Punkt P(1|5|-1) enthält.

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

Da der Punkt P(1|5|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-4+10+4 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -4 x 1 +2 x 2 -4 x 3 = 10 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 -2 x 2 +5 x 3 = 23 ist und die den Punkt P(-1|-2|5) enthält.

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

Da der Punkt P(-1|-2|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-5+4+25 = d

24 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -2 x 2 +5 x 3 = 24 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|-4|2) auf der Ebene E: -4 x 1 + x 2 +a x 3 = -12 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)1 + 1(-4) + a2 = -12
-4+(-4)+a ⋅ 2 = -12 |+8
2a = -4 | :2
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -5 -1 -4 ) +t ( -4 1 0 ) ist und die den Punkt P(-3|1|4) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -4 1 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -4 x 1 + x 2 = d .

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

-4 ( - 3 ) +1 1 = d

12+1+0 = d

13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 + x 2 = 13 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -3 x 2 +9 x 3 = -7 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (2|4|2) beinhaltet.

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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 Punktes P(2|4|2) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 14 + 02=4
also: + x 2 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -1 0 2 ) + r ( -7 0 -4 ) + s ( 2 0 -7 ) ?

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

(-1)(-1) + 3(-4) + (-1)a = 0
1+(-12)+a ⋅ (-1) = 0 |+11
-1a = 11 | :(-1)
a = -11

Für a = -11 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - x 1 -4 x 2 -11 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|-4|-1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-2|-4|-1) in E: - x 1 -4 x 2 -11 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-1 ( - 2 ) -4 ( - 4 ) -11 ( - 1 ) = b

2+16+11 = b

29 = b

Mit b = 29 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 -4 x 2 -11 x 3 = 29 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 -4 x 2 +2 x 3 = 22 und F: 8 x 1 +8 x 2 +a 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:
( 8 8 a ) = t⋅ ( -4 -4 2 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -2 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 2 = -4.

Für a = -4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 8 x 1 +8 x 2 -4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 8 x 1 +8 x 2 -4 x 3 = -44 , d.h. für b = -44 sind die beiden Ebenen identisch.