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(-4|0|5) 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(-4|0|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 ( - 4 ) +5 0 +3 5 = d

12+0+15 = d

27 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 27 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -1 -4 1 ) und damit die Form E: - x 1 -4 x 2 + x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|4|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

2-16+1 = d

-13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 -4 x 2 + x 3 = -13 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|0|4) auf der Ebene E: x 1 +4 x 2 +a x 3 = 15 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

1(-5) + 40 + a4 = 15
-5+0+a ⋅ 4 = 15 |+5
4a = 20 | :4
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 3 4 -5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +4 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.

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

12+12+5 = d

29 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 +4 x 2 -5 x 3 = 29 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -8 x 1 + x 3 = 3 ?

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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 einer Ebene, die parallel zur x2-x3-Ebene ist und den Punkt (2|3|3) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 1 0 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(2|3|3) in diese Gleichung erhält man
d = 12 + 03 + 03=2
also: x 1 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 7 -1 5 ) + r ( -5 0 0 ) + s ( -9 7 -5 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( -5 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-Achse.

2. Weg:

Da der 1. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( -5 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -2 -1 -3 ) +t ( -3 3 -2 ) komplett in der Ebene E: +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:

( -3 3 -2 ) ( 0 4 a ) = 0

(-3)0 + 34 + (-2)a = 0
0+12+a ⋅ (-2) = 0 |-12
-2a = -12 | :(-2)
a = 6

Für a = 6 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: +4 x 2 +6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|-1|-3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-2|-1|-3) in E: +4 x 2 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

+4 ( - 1 ) +6 ( - 3 ) = b

0-4-18 = b

-22 = b

Mit b = -22 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: +4 x 2 +6 x 3 = -22 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 34 und F: 12 x 1 +a x 2 -9 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:
( 12 a -9 ) = t⋅ ( -4 5 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 5 = -15.

Für a = -15 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 12 x 1 -15 x 2 -9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 12 x 1 -15 x 2 -9 x 3 = -102 , d.h. für b = -102 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -102, also z.B.: b = -101 setzen.