Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 -3 5 ) hat und den Punkt P(4|-3|-5) enthält.

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

Da der Punkt P(4|-3|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

0+9-25 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 2 +5 x 3 = -16 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 1 -5 4 ) und damit die Form E: x 1 -5 x 2 +4 x 3 = d .

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

1 2 -5 5 +4 3 = d

2-25+12 = d

-11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -5 x 2 +4 x 3 = -11 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

2(-5) + (-2)(-2) + a(-2) = 4
-10+4+a ⋅ (-2) = 4 |+6
-2a = 10 | :(-2)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -2 -2 4 ) +t ( 3 4 0 ) ist und die den Punkt P(-4|-5|-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 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 +4 x 2 = d .

Da der Punkt P(-4|-5|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-12-20+0 = d

-32 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 +4 x 2 = -32 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 1 = 7 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -6 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x2-x3-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -5 7 8 ) + r ( 0 2 -1 ) + s ( 0 7 -6 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer -5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -5 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 5 -3 0 ) +t ( 4 -3 -1 ) komplett in der Ebene E: +a x 2 -3 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 ) ( 0 a -3 ) = 0

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

Für a = 1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: + x 2 -3 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|-3|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|-3|0) in E: + x 2 -3 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

+1 ( - 3 ) -3 0 = b

0-3+0 = b

-3 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: - x 1 -2 x 2 +5 x 3 = 10 und F: -3 x 1 -6 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:
( -3 -6 a ) = t⋅ ( -1 -2 5 )

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

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

Für a = 15 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -3 x 1 -6 x 2 +15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -3 x 1 -6 x 2 +15 x 3 = 30 , d.h. für b = 30 sind die beiden Ebenen identisch.