Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -2 4 3 ) hat und den Punkt P(5|3|-5) enthält.

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

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

-2 5 +4 3 +3 ( - 5 ) = d

-10+12-15 = d

-13 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 1 -2 x 2 +4 x 3 = -10 ist und die den Punkt P(3|2|0) enthält.

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

Da der Punkt P(3|2|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 3 -2 2 +4 0 = d

-9-4+0 = d

-13 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|4|-5) auf der Ebene E: -4 x 1 +a x 2 +5 x 3 = -13 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)(-4) + a4 + 5(-5) = -13
16+a ⋅ 4+(-25) = -13 |+9
4a = -4 | :4
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 2 -4 0 ) +t ( 1 -3 0 ) ist und die den Punkt P(4|4|-3) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 1 -3 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: x 1 -3 x 2 = d .

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

1 4 -3 4 = d

4-12+0 = d

-8 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -2 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (3|2|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(3|2|2) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 12 + 02=2
also: + x 2 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 6 -3 -6 ) + r ( 0 0 -3 ) + s ( 1 8 -1 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -3 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 -3 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 2 -2 1 ) +t ( 4 0 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +3 x 2 -8 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 0 -1 ) ( a 3 -8 ) = 0

4a + 03 + (-1)(-8) = 0
a ⋅ 4+0+8 = 0 |-8
4a = -8 | :4
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 +3 x 2 -8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|-2|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (2|-2|1) in E: -2 x 1 +3 x 2 -8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 2 +3 ( - 2 ) -8 1 = b

-4-6-8 = b

-18 = b

Mit b = -18 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 +3 x 2 -8 x 3 = -18 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 +3 x 2 + x 3 = -8 und F: 12 x 1 +a x 2 +3 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 3 ) = t⋅ ( 4 3 1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 12 x 1 +9 x 2 +3 x 3 = -24 , d.h. für b = -24 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -24, also z.B.: b = -23 setzen.