Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

6-10+8 = d

4 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 +5 x 2 = 15 ist und die den Punkt P(4|-1|2) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 4 5 0 ) und damit die Form E: 4 x 1 +5 x 2 = d .

Da der Punkt P(4|-1|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

4 4 +5 ( - 1 ) = d

16-5+0 = d

11 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|2|4) auf der Ebene E: a x 1 -2 x 2 - x 3 = -6 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + (-2)2 + (-1)4 = -6
a ⋅ 1+(-4)+(-4) = -6 |+8
1a = 2 | :1
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -3 4 -5 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -3 x 1 +4 x 2 -5 x 3 = d .

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

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

12-20-15 = d

-23 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +4 x 2 -5 x 3 = -23 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 -9 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-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-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (3|4|2) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja a0 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

Der Koeffizient c vor x3 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
a⋅x1 + b⋅x2=d.

Punkt P(3|4|2) eingesetzt:
a⋅3 + b⋅4=d

a=1;b=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=7 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|4|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 9 3 6 ) + r ( -3 -5 0 ) + s ( -5 8 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 6 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 6 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 3 -1 -1 ) ( 1 5 a ) = 0

31 + (-1)5 + (-1)a = 0
3+(-5)+a ⋅ (-1) = 0 |+2
-1a = 2 | :(-1)
a = -2

Für a = -2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: x 1 +5 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 (-5|2|-2).

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

1 ( - 5 ) +5 2 -2 ( - 2 ) = b

-5+10+4 = b

9 = b

Mit b = 9 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 +5 x 2 -2 x 3 = 9 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 +5 x 2 +41 x 3 = 186 und F: -12 x 1 -15 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:
( -12 -15 a ) = t⋅ ( 4 5 41 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -3 ⋅ 41 = -123.

Für a = -123 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -12 x 1 -15 x 2 -123 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -12 x 1 -15 x 2 -123 x 3 = -558 , d.h. für b = -558 sind die beiden Ebenen identisch.