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 -4 ) hat und den Punkt P(2|-2|3) enthält.

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

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

4-6-12 = d

-14 = d

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

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 = 30 ist und die den Punkt P(-1|-4|0) 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(-1|-4|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 ( - 1 ) -2 ( - 4 ) +5 0 = d

3+8+0 = d

11 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-1|-1|-2) auf der Ebene E: a x 1 -4 x 2 -5 x 3 = 12 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-1) + (-4)(-1) + (-5)(-2) = 12
a ⋅ (-1)+4+10 = 12 |-14
-1a = -2 | :(-1)
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -4 1 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -4 x 1 + x 2 = d .

Da der Punkt P(1|-4|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 1 +1 ( - 4 ) = d

-4-4+0 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 + x 2 = -8 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 7 ) , 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 (1|1|3) 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(1|1|3) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 11 + 03=1
also: + x 2 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -4 2 6 ) + r ( 7 0 0 ) + s ( -5 7 -4 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 7 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
( 7 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 -1 -5 ) +t ( 4 2 -2 ) komplett in der Ebene E: -5 x 1 +2 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 2 -2 ) ( -5 2 a ) = 0

4(-5) + 22 + (-2)a = 0
-20+4+a ⋅ (-2) = 0 |+16
-2a = 16 | :(-2)
a = -8

Für a = -8 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 +2 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|-1|-5).

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

-5 0 +2 ( - 1 ) -8 ( - 5 ) = b

0-2+40 = b

38 = b

Mit b = 38 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 +2 x 2 -8 x 3 = 38 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +3 x 2 -2 x 3 = 21 und F: -6 x 1 +a x 2 -6 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 -6 ) = t⋅ ( -2 3 -2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -6 x 1 +9 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -6 x 1 +9 x 2 -6 x 3 = 63 , d.h. für b = 63 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 63, also z.B.: b = 64 setzen.