Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 2 -1 5 ) hat und den Punkt P(-5|-3|-4) enthält.

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

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

2 ( - 5 ) -1 ( - 3 ) +5 ( - 4 ) = d

-10+3-20 = d

-27 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-4 0 -2 5 -3 0 = d

0-10+0 = d

-10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -2 x 2 -3 x 3 = -10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|-2|3) auf der Ebene E: 4 x 1 -3 x 2 +a x 3 = 34 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

44 + (-3)(-2) + a3 = 34
16+6+a ⋅ 3 = 34 |-22
3a = 12 | :3
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 1 -2 0 ) +t ( -4 -2 2 ) ist und die den Punkt P(-2|-2|5) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -4 -2 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -4 x 1 -2 x 2 +2 x 3 = d .

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

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

8+4+10 = d

22 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -2 x 2 +2 x 3 = 22 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 1 -4 x 2 = -5 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (4|2|3) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(4|2|3) in diese Gleichung erhält man
d = 04 + 02 + 13=3
also: + x 3 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 9 6 0 ) + r ( 9 3 0 ) + s ( -3 -9 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also die x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

4(-4) + 4a + (-1)0 = 0
-16+a ⋅ 4+0 = 0 |+16
4a = 16 | :4
a = 4

Für a = 4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 +4 x 2 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|-1|3).

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

-4 0 +4 ( - 1 ) = b

0-4+0 = b

-4 = b

Mit b = -4 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 +4 x 2 = -4 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 25 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = -103 und F: a x 1 -9 x 2 -12 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:
( a -9 -12 ) = t⋅ ( 25 3 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 25 = -75.

Für a = -75 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -75 x 1 -9 x 2 -12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -75 x 1 -9 x 2 -12 x 3 = 309 , d.h. für b = 309 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 309, also z.B.: b = 310 setzen.