Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 1 -5 -1 ) hat und den Punkt P(3|-4|-1) enthält.

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

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

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

3+20+1 = d

24 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: x 1 -5 x 2 - x 3 = 24 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 -2 -5 ) und damit die Form E: -2 x 2 -5 x 3 = d .

Da der Punkt P(5|-4|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 ( - 4 ) -5 2 = d

0+8-10 = d

-2 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|1|5) auf der Ebene E: - x 1 +a x 2 +2 x 3 = 13 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)1 + a1 + 25 = 13
-1+a ⋅ 1+10 = 13 |-9
1a = 4 | :1
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-3|-2|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

9+2+0 = d

11 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -9 x 1 = 4 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -9 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (1|3|2) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x1-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x1-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x2 und x3 einsetzt, muss a=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

Der Koeffizient a vor x1 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
b⋅x2 + c⋅x3=d.

Punkt P(1|3|2) eingesetzt:
b⋅3 + c⋅2=d

b=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=5 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|3|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 3 -6 ) + r ( 2 0 0 ) + s ( 2 -3 -1 ) ?

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1. Weg:

Der 1. 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 1. 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 = ( 4 5 -1 ) +t ( 4 0 -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 0 -1 ) ( -1 5 a ) = 0

4(-1) + 05 + (-1)a = 0
-4+0+a ⋅ (-1) = 0 |+4
-1a = 4 | :(-1)
a = -4

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

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

-1 4 +5 5 -4 ( - 1 ) = b

-4+25+4 = b

25 = b

Mit b = 25 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 +5 x 2 -4 x 3 = 25 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: - x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 2 und F: 2 x 1 -8 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 -8 a ) = t⋅ ( -1 4 2 )

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

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

Für a = -4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 2 x 1 -8 x 2 -4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 2 x 1 -8 x 2 -4 x 3 = -4 , d.h. für b = -4 sind die beiden Ebenen identisch.