Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-15-8-6 = d

-29 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = -29 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: - x 1 + x 2 - x 3 = 13 ist und die den Punkt P(-3|5|3) enthält.

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

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

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

3+5-3 = d

5 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|-5|4) auf der Ebene E: 4 x 1 + x 2 +a x 3 = 35 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

45 + 1(-5) + a4 = 35
20+(-5)+a ⋅ 4 = 35 |-15
4a = 20 | :4
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

1 3 +5 ( - 1 ) = d

3+0-5 = d

-2 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +4 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 4 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x2-Ebene.

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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 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 0 0 ) + r ( -4 8 0 ) + s ( 8 -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 = ( 3 0 -3 ) +t ( -5 1 -1 ) komplett in der Ebene E: -3 x 1 +a x 2 +10 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 1 -1 ) ( -3 a 10 ) = 0

(-5)(-3) + 1a + (-1)10 = 0
15+a ⋅ 1+(-10) = 0 |-5
1a = -5 | :1
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 -5 x 2 +10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (3|0|-3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|0|-3) in E: -3 x 1 -5 x 2 +10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 3 -5 0 +10 ( - 3 ) = b

-9+0-30 = b

-39 = b

Mit b = -39 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 -5 x 2 +10 x 3 = -39 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +5 x 2 + x 3 = 33 und F: -3 x 1 +a x 2 - 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:
( -3 a -1 ) = t⋅ ( 3 5 1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -1 ⋅ 5 = -5.

Für a = -5 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -3 x 1 -5 x 2 - x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -3 x 1 -5 x 2 - x 3 = -33 , d.h. für b = -33 sind die beiden Ebenen identisch.