Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-10+6+10 = d

6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 2 x 1 -3 x 2 -2 x 3 = 6 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(3|1|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

9+2-25 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = -14 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|0|-3) auf der Ebene E: -2 x 1 +3 x 2 +a x 3 = -3 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-2)3 + 30 + a(-3) = -3
-6+0+a ⋅ (-3) = -3 |+6
-3a = 3 | :(-3)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(4|-3|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

2 4 -2 ( - 3 ) = d

8+6+0 = d

14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 -2 x 2 = 14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -2 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 -2 ) , 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (2|1|1) beinhaltet.

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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 Punktes P(2|1|1) in diese Gleichung erhält man
d = 02 + 11 + 01=1
also: + x 2 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 -8 5 ) + r ( 0 2 0 ) + s ( -5 1 -2 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 2 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 1. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 2 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -3 3 4 ) +t ( 3 5 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -3 x 2 -9 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 5 -1 ) ( a -3 -9 ) = 0

3a + 5(-3) + (-1)(-9) = 0
a ⋅ 3+(-15)+9 = 0 |+6
3a = 6 | :3
a = 2

Für a = 2 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 2 x 1 -3 x 2 -9 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|3|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|3|4) in E: 2 x 1 -3 x 2 -9 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

2 ( - 3 ) -3 3 -9 4 = b

-6-9-36 = b

-51 = b

Mit b = -51 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 -3 x 2 -9 x 3 = -51 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: - x 1 -3 x 2 +4 x 3 = -16 und F: -2 x 1 -6 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:
( -2 -6 a ) = t⋅ ( -1 -3 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 2 ⋅ 4 = 8.

Für a = 8 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -2 x 1 -6 x 2 +8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -2 x 1 -6 x 2 +8 x 3 = -32 , d.h. für b = -32 sind die beiden Ebenen identisch.