Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -3 2 4 ) hat und den Punkt P(-4|-1|-4) enthält.

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

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

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

12-2-16 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -6 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 -4 x 2 +3 x 3 = -25 ist und die den Punkt P(-5|1|1) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 1 -4 3 ) und damit die Form E: x 1 -4 x 2 +3 x 3 = d .

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

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

-5-4+3 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -4 x 2 +3 x 3 = -6 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|4|2) auf der Ebene E: x 1 +a x 2 +2 x 3 = 8 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

1(-4) + a4 + 22 = 8
-4+a ⋅ 4+4 = 8 |-0
4a = 8 | :4
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -2 3 -3 ) +t ( -4 -1 -4 ) ist und die den Punkt P(-1|-5|3) enthält.

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

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

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

4+5-12 = d

-3 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: - x 1 -8 x 2 = 7 ?

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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 einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (4|2|3) 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(4|2|3) eingesetzt:
b⋅2 + c⋅3=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(4|2|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 9 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
( 9 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 = ( -3 4 1 ) +t ( 3 3 -1 ) komplett in der Ebene E: - x 1 +a x 2 +9 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:

( 3 3 -1 ) ( -1 a 9 ) = 0

3(-1) + 3a + (-1)9 = 0
-3+a ⋅ 3+(-9) = 0 |+12
3a = 12 | :3
a = 4

Für a = 4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - x 1 +4 x 2 +9 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|4|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|4|1) in E: - x 1 +4 x 2 +9 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-1 ( - 3 ) +4 4 +9 1 = b

3+16+9 = b

28 = b

Mit b = 28 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 +4 x 2 +9 x 3 = 28 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 50 x 1 -5 x 2 -5 x 3 = -120 und F: a x 1 +10 x 2 +10 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:
( a 10 10 ) = t⋅ ( 50 -5 -5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 50 = -100.

Für a = -100 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -100 x 1 +10 x 2 +10 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -100 x 1 +10 x 2 +10 x 3 = 240 , d.h. für b = 240 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 240, also z.B.: b = 241 setzen.