Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( 2 4 5 ) besitzt, hat sie die Form E: 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = d .

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

2 3 +4 3 +5 2 = d

6+12+10 = d

28 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 2 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 28 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 +5 x 2 -3 x 3 = -14 ist und die den Punkt P(5|-3|2) enthält.

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

Da der Punkt P(5|-3|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

10-15-6 = d

-11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 +5 x 2 -3 x 3 = -11 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-1) + 1(-4) + a(-2) = 3
3+(-4)+a ⋅ (-2) = 3 |+1
-2a = 4 | :(-2)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-3 1 -4 ( - 1 ) +3 ( - 5 ) = d

-3+4-15 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -4 x 2 +3 x 3 = -14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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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 x2-x3-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 2 -1 0 ) + r ( 7 3 0 ) + s ( -9 5 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 = ( 0 1 0 ) +t ( -4 3 -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:

( -4 3 -1 ) ( 1 5 a ) = 0

(-4)1 + 35 + (-1)a = 0
-4+15+a ⋅ (-1) = 0 |-11
-1a = -11 | :(-1)
a = 11

Für a = 11 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: x 1 +5 x 2 +11 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|1|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (0|1|0) in E: x 1 +5 x 2 +11 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

1 0 +5 1 +11 0 = b

0+5+0 = b

5 = b

Mit b = 5 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 +5 x 2 +11 x 3 = 5 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 +5 x 2 - x 3 = 12 und F: -6 x 1 +a x 2 +3 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:
( -6 a 3 ) = t⋅ ( 2 5 -1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 5 = -15.

Für a = -15 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -6 x 1 -15 x 2 +3 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -6 x 1 -15 x 2 +3 x 3 = -36 , d.h. für b = -36 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -36, also z.B.: b = -35 setzen.