Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(1|-2|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-5+4+20 = d

19 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 1 -2 x 2 +4 x 3 = 19 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 -4 x 3 = 0 ist und die den Punkt P(4|-5|2) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -2 0 -4 ) und damit die Form E: -2 x 1 -4 x 3 = d .

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

-2 4 -4 2 = d

-8+0-8 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -4 x 3 = -16 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)2 + (-1)5 + a4 = 1
-6+(-5)+a ⋅ 4 = 1 |+11
4a = 12 | :4
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

20+12-3 = d

29 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -4 x 2 +3 x 3 = 29 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 7 x 1 +9 x 3 = -5 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

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

b=1;c=1 und d=7 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=7 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|3|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

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

E ist also die 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 die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 3 5 1 ) +t ( 3 5 -1 ) komplett in der Ebene E: -2 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 5 -1 ) ( -2 a 9 ) = 0

3(-2) + 5a + (-1)9 = 0
-6+a ⋅ 5+(-9) = 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: -2 x 1 +3 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|5|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|5|1) in E: -2 x 1 +3 x 2 +9 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 3 +3 5 +9 1 = b

-6+15+9 = b

18 = b

Mit b = 18 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 +3 x 2 +9 x 3 = 18 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 +4 x 2 -2 x 3 = 18 und F: 8 x 1 +a x 2 +4 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:
( 8 a 4 ) = t⋅ ( -4 4 -2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 4 = -8.

Für a = -8 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 8 x 1 -8 x 2 +4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 8 x 1 -8 x 2 +4 x 3 = -36 , d.h. für b = -36 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -36, also z.B.: b = -35 setzen.