Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -3 0 0 ) hat und den Punkt P(3|-4|1) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -3 0 0 ) besitzt, hat sie die Form E: -3 x 1 = d .

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

-3 3 = d

-9+0+0 = d

-9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 = -9 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = -27 ist und die den Punkt P(-2|-1|2) enthält.

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

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

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

-4-4-6 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 +4 x 2 -3 x 3 = -14 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(2|0|5) auf der Ebene E: 3 x 1 +2 x 2 +a x 3 = -19 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

32 + 20 + a5 = -19
6+0+a ⋅ 5 = -19 |-6
5a = -25 | :5
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(0|4|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 0 -5 4 +4 1 = d

0-20+4 = d

-16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = -16 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 9 x 1 -9 x 2 = 6 ?

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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 = ( 7 1 2 ) + r ( -7 0 2 ) + s ( -6 0 -5 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 1 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 1 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 4 1 ) +t ( -1 -3 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +2 x 2 -3 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 -3 -1 ) ( a 2 -3 ) = 0

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

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

-3 3 +2 4 -3 1 = b

-9+8-3 = b

-4 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 29 x 1 +5 x 2 -2 x 3 = -107 und F: a x 1 +10 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:
( a 10 -4 ) = t⋅ ( 29 5 -2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 2 ⋅ 29 = 58.

Für a = 58 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 58 x 1 +10 x 2 -4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 58 x 1 +10 x 2 -4 x 3 = -214 , d.h. für b = -214 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -214, also z.B.: b = -213 setzen.