Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

1 2 -3 2 -2 3 = d

2-6-6 = d

-10 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(0|2|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

2 0 -2 2 +3 ( - 4 ) = d

0-4-12 = d

-16 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|3|1) auf der Ebene E: 3 x 1 +a x 2 - x 3 = 20 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

34 + a3 + (-1)1 = 20
12+a ⋅ 3+(-1) = 20 |-11
3a = 9 | :3
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

6+3+6 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 + x 2 -3 x 3 = 15 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -8 x 1 -7 x 2 = 7 ?

Lösung einblenden

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 der x1-x2-Ebene.

Lösung einblenden

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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 6 1 7 ) + r ( -6 -2 5 ) + s ( 2 0 0 ) ?

Lösung einblenden

1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 2 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-Achse.

2. Weg:

Da der 2. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 2 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 0 -3 0 ) +t ( 4 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +5 x 2 -8 x 3 = b liegt.

Lösung einblenden

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 ) ( a 5 -8 ) = 0

4a + (-4)5 + (-1)(-8) = 0
a ⋅ 4+(-20)+8 = 0 |+12
4a = 12 | :4
a = 3

Für a = 3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 +5 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 (0|-3|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|-3|0) in E: 3 x 1 +5 x 2 -8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 0 +5 ( - 3 ) -8 0 = b

0-15+0 = b

-15 = b

Mit b = -15 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 +5 x 2 -8 x 3 = -15 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: - x 1 -4 x 2 + x 3 = -2 und F: x 1 +4 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen identisch sind.

Lösung einblenden

Wenn die beiden Ebenen parallel oder identisch sein sollen, müssen ihre Normalenvektoren vielfache (oder gleich) sein. Es muss also gelten:
( 1 4 a ) = t⋅ ( -1 -4 1 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

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

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

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