Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

12+1-3 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 - x 2 + x 3 = 10 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 -2 x 2 -5 x 3 = 22 ist und die den Punkt P(-3|3|-4) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 2 -2 -5 ) und damit die Form E: 2 x 1 -2 x 2 -5 x 3 = d .

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

2 ( - 3 ) -2 3 -5 ( - 4 ) = d

-6-6+20 = d

8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 -2 x 2 -5 x 3 = 8 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|-3|3) auf der Ebene E: -3 x 1 + x 2 +a x 3 = 18 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-5) + 1(-3) + a3 = 18
15+(-3)+a ⋅ 3 = 18 |-12
3a = 6 | :3
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -5 5 -5 ) +t ( -1 0 3 ) ist und die den Punkt P(4|0|3) enthält.

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

Da der Punkt P(4|0|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 4 +3 3 = d

-4+0+9 = d

5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 5 x 1 -4 x 2 = -2 ?

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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 der x1-x2-Ebene.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 0 0 1 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -4 -6 -8 ) + r ( 0 -3 0 ) + s ( 3 6 -7 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 -3 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-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 x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 -3 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x3 und x1 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 1 0 -1 ) ( 4 2 a ) = 0

14 + 02 + (-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: 4 x 1 +2 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|2|5).

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

4 ( - 4 ) +2 2 +4 5 = b

-16+4+20 = b

8 = b

Mit b = 8 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = 8 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 -5 x 2 -2 x 3 = 48 und F: a x 1 -15 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 -15 -6 ) = t⋅ ( 3 -5 -2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 9 x 1 -15 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 9 x 1 -15 x 2 -6 x 3 = 144 , d.h. für b = 144 sind die beiden Ebenen identisch.