Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 2 -3 1 ) hat und den Punkt P(-4|1|-3) enthält.

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

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

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

-8-3-3 = d

-14 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 = -30 ist und die den Punkt P(-2|-2|2) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 2 3 0 ) und damit die Form E: 2 x 1 +3 x 2 = d .

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

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

-4-6+0 = d

-10 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|-5|-1) auf der Ebene E: a x 1 - x 2 -2 x 3 = 19 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a3 + (-1)(-5) + (-2)(-1) = 19
a ⋅ 3+5+2 = 19 |-7
3a = 12 | :3
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(0|-5|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 0 -1 ( - 5 ) -1 ( - 5 ) = d

0+5+5 = d

10 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -7 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 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 = ( -3 4 -7 ) + r ( 4 4 0 ) + s ( -5 7 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -7 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -7 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 = ( -5 3 -5 ) +t ( 4 -3 -1 ) komplett in der Ebene E: - x 1 - 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 -3 -1 ) ( -1 -1 a ) = 0

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

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

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

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

5-3+5 = b

7 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -28 und F: -10 x 1 +a x 2 +8 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:
( -10 a 8 ) = t⋅ ( -5 2 4 )

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

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

Für a = 4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -10 x 1 +4 x 2 +8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -10 x 1 +4 x 2 +8 x 3 = -56 , d.h. für b = -56 sind die beiden Ebenen identisch.