Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

6-8-16 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 -4 x 2 +4 x 3 = -18 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 18 ist und die den Punkt P(-2|1|-4) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 4 3 ) und damit die Form E: -5 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|1|-4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 ( - 2 ) +4 1 +3 ( - 4 ) = d

10+4-12 = d

2 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|-5|4) auf der Ebene E: a x 1 -5 x 2 -5 x 3 = 20 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-5) + (-5)(-5) + (-5)4 = 20
a ⋅ (-5)+25+(-20) = 20 |-5
-5a = 15 | :(-5)
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

3 ( - 3 ) -4 ( - 4 ) -3 ( - 4 ) = d

-9+16+12 = d

19 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 1 -4 x 3 = -7 ?

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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 x3-Achse ist und den Punkt (2|2|3) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja a0 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

Der Koeffizient c vor x3 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
a⋅x1 + b⋅x2=d.

Punkt P(2|2|3) eingesetzt:
a⋅2 + b⋅2=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 2 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 2 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur 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 ( 0 1 -1 ) komplett in der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 -4 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:

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

04 + 1a + (-1)(-4) = 0
0+a ⋅ 1+4 = 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 -4 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 (3|-5|-1).

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

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

12+20+4 = b

36 = b

Mit b = 36 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 -4 x 2 -4 x 3 = 36 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: - x 1 + x 2 +2 x 3 = -7 und F: -3 x 1 +3 x 2 +a 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:
( -3 3 a ) = t⋅ ( -1 1 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 2 = 6.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -3 x 1 +3 x 2 +6 x 3 = -21 , d.h. für b = -21 sind die beiden Ebenen identisch.