Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

5-12+4 = d

-3 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 1 +2 x 2 -3 x 3 = 12 ist und die den Punkt P(-2|5|-3) enthält.

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

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

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

6+10+9 = d

25 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 +2 x 2 -3 x 3 = 25 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|-5|4) auf der Ebene E: 2 x 1 +a x 2 -2 x 3 = -43 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

2(-5) + a(-5) + (-2)4 = -43
-10+a ⋅ (-5)+(-8) = -43 |+18
-5a = -25 | :(-5)
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -5 4 2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = d .

Da der Punkt P(-4|0|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

20+0+0 = d

20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 20 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +4 x 2 -7 x 3 = -7 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (3|3|4) beinhaltet.

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

(ansonsten könnte man ja a0 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

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

Punkt P(3|3|4) eingesetzt:
a⋅3 + b⋅3=d

a=1;b=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=6 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(3|3|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -4 -6 -1 ) + r ( 1 0 5 ) + s ( -4 0 9 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -6 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -6 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

5a + (-2)(-5) + (-3)(-5) = 0
a ⋅ 5+10+15 = 0 |-25
5a = -25 | :5
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 -5 x 2 -5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (2|0|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (2|0|4) in E: -5 x 1 -5 x 2 -5 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-5 2 -5 0 -5 4 = b

-10+0-20 = b

-30 = b

Mit b = -30 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 -5 x 2 -5 x 3 = -30 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -7 und F: -12 x 1 +a x 2 +9 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:
( -12 a 9 ) = t⋅ ( -4 5 3 )

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: -12 x 1 +15 x 2 +9 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -12 x 1 +15 x 2 +9 x 3 = -21 , d.h. für b = -21 sind die beiden Ebenen identisch.