Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -1 -1 1 ) hat und den Punkt P(-2|-5|-4) enthält.

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

Da der Punkt P(-2|-5|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

2+5-4 = d

3 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 +3 x 2 -3 x 3 = -25 ist und die den Punkt P(0|-3|-1) enthält.

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

Da der Punkt P(0|-3|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

0-9+3 = d

-6 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|0|-3) auf der Ebene E: a x 1 -3 x 2 +5 x 3 = 1 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-4) + (-3)0 + 5(-3) = 1
a ⋅ (-4)+0+(-15) = 1 |+15
-4a = 16 | :(-4)
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Da der Punkt P(-4|-5|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

16-15-12 = d

-11 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +3 x 2 -4 x 3 = -11 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -3 x 1 +7 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 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 = ( 1 9 -8 ) + r ( 2 2 0 ) + s ( -5 6 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -8 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -3 4 -5 ) +t ( -3 -3 -2 ) komplett in der Ebene E: a x 1 + x 2 +6 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 -2 ) ( a 1 6 ) = 0

(-3)a + (-3)1 + (-2)6 = 0
a ⋅ (-3)+(-3)+(-12) = 0 |+15
-3a = 15 | :(-3)
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 + x 2 +6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-3|4|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-3|4|-5) in E: -5 x 1 + x 2 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-5 ( - 3 ) +1 4 +6 ( - 5 ) = b

15+4-30 = b

-11 = b

Mit b = -11 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 + x 2 +6 x 3 = -11 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 + x 2 -3 x 3 = 25 und F: a x 1 - x 2 +3 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 -1 3 ) = t⋅ ( 5 1 -3 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -1 ⋅ 5 = -5.

Für a = -5 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -5 x 1 - x 2 +3 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -5 x 1 - x 2 +3 x 3 = -25 , d.h. für b = -25 sind die beiden Ebenen identisch.