Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 -3 4 ) hat und den Punkt P(3|5|2) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 -3 4 ) besitzt, hat sie die Form E: -3 x 2 +4 x 3 = d .

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

-3 5 +4 2 = d

0-15+8 = d

-7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 2 +4 x 3 = -7 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 -4 x 3 = -11 ist und die den Punkt P(-1|-4|3) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -4 0 -4 ) und damit die Form E: -4 x 1 -4 x 3 = d .

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

-4 ( - 1 ) -4 3 = d

4+0-12 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -4 x 3 = -8 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|2|-5) auf der Ebene E: x 1 +a x 2 +5 x 3 = -24 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

15 + a2 + 5(-5) = -24
5+a ⋅ 2+(-25) = -24 |+20
2a = -4 | :2
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 5 0 3 ) +t ( 3 -1 1 ) 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 -1 1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 3 x 1 - x 2 + 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 ) -1 ( - 1 ) +1 5 = d

-3+1+5 = d

3 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: - x 2 +4 x 3 = 8 ?

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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 der x1-x3-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 10 + 00=0
also: + x 2 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 2 6 0 ) + r ( -9 -2 0 ) + s ( 1 -8 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 = ( -2 3 -3 ) +t ( -5 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +5 x 2 -10 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 -5 -1 ) ( a 5 -10 ) = 0

(-5)a + (-5)5 + (-1)(-10) = 0
a ⋅ (-5)+(-25)+10 = 0 |+15
-5a = 15 | :(-5)
a = -3

Für a = -3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 +5 x 2 -10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|3|-3).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-2|3|-3) in E: -3 x 1 +5 x 2 -10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 ( - 2 ) +5 3 -10 ( - 3 ) = b

6+15+30 = b

51 = b

Mit b = 51 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 +5 x 2 -10 x 3 = 51 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 0 und F: a x 1 -6 x 2 -6 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:
( a -6 -6 ) = t⋅ ( 4 2 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -3 ⋅ 4 = -12.

Für a = -12 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -12 x 1 -6 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -12 x 1 -6 x 2 -6 x 3 = 0 , d.h. für b = 0 sind die beiden Ebenen identisch.