Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 1 5 ) hat und den Punkt P(1|4|4) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 1 5 ) besitzt, hat sie die Form E: + x 2 +5 x 3 = d .

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

+1 4 +5 4 = d

0+4+20 = d

24 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -14 ist und die den Punkt P(2|-2|0) enthält.

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

Da der Punkt P(2|-2|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 2 +5 ( - 2 ) +2 0 = d

-8-10+0 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +5 x 2 +2 x 3 = -18 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)2 + 43 + a2 = -4
-8+12+a ⋅ 2 = -4 |-4
2a = -8 | :2
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-2-2-4 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 - x 2 +2 x 3 = -8 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 9 x 1 -7 x 3 = 6 ?

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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 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 = ( 0 -5 -7 ) + r ( 0 7 -6 ) + s ( 0 -5 -2 ) ?

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1. Weg:

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

E ist also die 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 die x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

(-2)a + (-1)(-2) + (-1)(-2) = 0
a ⋅ (-2)+2+2 = 0 |-4
-2a = -4 | :(-2)
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 (0|-4|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|-4|-5) in E: 2 x 1 -2 x 2 -2 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

2 0 -2 ( - 4 ) -2 ( - 5 ) = b

0+8+10 = b

18 = b

Mit b = 18 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 -2 x 2 -2 x 3 = 18 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +5 x 2 -4 x 3 = -11 und F: a x 1 -15 x 2 +12 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:
( a -15 12 ) = t⋅ ( 3 5 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 3 = -9.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -9 x 1 -15 x 2 +12 x 3 = 33 , d.h. für b = 33 sind die beiden Ebenen identisch.