Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

20-6-15 = d

-1 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 -4 x 2 -4 x 3 = 46 ist und die den Punkt P(4|-4|-4) enthält.

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

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

2 4 -4 ( - 4 ) -4 ( - 4 ) = d

8+16+16 = d

40 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 -4 x 2 -4 x 3 = 40 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|-5|-3) auf der Ebene E: -4 x 1 -5 x 2 +a x 3 = 12 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)4 + (-5)(-5) + a(-3) = 12
-16+25+a ⋅ (-3) = 12 |-9
-3a = 3 | :(-3)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 3 -5 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 -5 x 2 = d .

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

3 2 -5 ( - 4 ) = d

6+20+0 = d

26 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 -5 x 2 = 26 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 2 -8 x 3 = 3 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-x3-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 = ( 1 0 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(4|2|3) in diese Gleichung erhält man
d = 14 + 02 + 03=4
also: x 1 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 -4 -5 ) + r ( -5 0 -4 ) + s ( -3 0 -2 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -4 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -4 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -2 -4 -1 ) +t ( 5 0 -5 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -3 x 2 -5 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:

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

5a + 0(-3) + (-5)(-5) = 0
a ⋅ 5+0+25 = 0 |-25
5a = -25 | :5
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 -3 x 2 -5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|-4|-1).

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

-5 ( - 2 ) -3 ( - 4 ) -5 ( - 1 ) = b

10+12+5 = b

27 = b

Mit b = 27 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 -3 x 2 -5 x 3 = 27 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +5 x 2 +29 x 3 = 139 und F: 4 x 1 -10 x 2 +a 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:
( 4 -10 a ) = t⋅ ( -2 5 29 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 29 = -58.

Für a = -58 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 4 x 1 -10 x 2 -58 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 4 x 1 -10 x 2 -58 x 3 = -278 , d.h. für b = -278 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -278, also z.B.: b = -277 setzen.