Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -5 2 -4 ) hat und den Punkt P(-1|-2|-5) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -5 2 -4 ) besitzt, hat sie die Form E: -5 x 1 +2 x 2 -4 x 3 = d .

Da der Punkt P(-1|-2|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 ( - 1 ) +2 ( - 2 ) -4 ( - 5 ) = d

5-4+20 = d

21 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 1 +2 x 2 -4 x 3 = 21 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 -4 x 2 -3 x 3 = 6 ist und die den Punkt P(3|2|-3) enthält.

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

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

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

15-8+9 = d

16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -4 x 2 -3 x 3 = 16 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|-4|-2) auf der Ebene E: 2 x 1 +3 x 2 +a x 3 = -32 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

2(-5) + 3(-4) + a(-2) = -32
-10+(-12)+a ⋅ (-2) = -32 |+22
-2a = -10 | :(-2)
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-1|2|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

3 ( - 1 ) -2 2 +1 ( - 5 ) = d

-3-4-5 = d

-12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -2 x 2 + x 3 = -12 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +2 x 2 = -3 ?

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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 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 = ( -7 -5 -2 ) + r ( 0 -6 8 ) + 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 -7 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = -7 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 = ( 4 2 2 ) +t ( -4 0 -1 ) komplett in der Ebene E: -2 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 0 -1 ) ( 0 -2 a ) = 0

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

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 2 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (4|2|2).

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

-2 2 = b

0-4+0 = b

-4 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 -5 x 2 +41 x 3 = 160 und F: 8 x 1 -10 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:
( 8 -10 a ) = t⋅ ( 4 -5 41 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 2 ⋅ 41 = 82.

Für a = 82 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 8 x 1 -10 x 2 +82 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 8 x 1 -10 x 2 +82 x 3 = 320 , d.h. für b = 320 sind die beiden Ebenen identisch.