Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

8+9-6 = d

11 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 1 -3 x 2 +5 x 3 = -12 ist und die den Punkt P(1|1|0) enthält.

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

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

-5 1 -3 1 +5 0 = d

-5-3+0 = d

-8 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-1) + (-5)(-2) + a(-2) = 5
3+10+a ⋅ (-2) = 5 |-13
-2a = -8 | :(-2)
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

16+1-2 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 - x 2 +2 x 3 = 15 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 6 x 1 +4 x 2 = -9 ?

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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 x2-x3-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also die x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( -4 -2 -1 ) ( 0 a 6 ) = 0

(-4)0 + (-2)a + (-1)6 = 0
0+a ⋅ (-2)+(-6) = 0 |+6
-2a = 6 | :(-2)
a = -3

Für a = -3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 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 (1|4|-1).

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

-3 4 +6 ( - 1 ) = b

0-12-6 = b

-18 = b

Mit b = -18 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 2 +6 x 3 = -18 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +3 x 2 -3 x 3 = 8 und F: 6 x 1 +a x 2 +9 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:
( 6 a 9 ) = t⋅ ( -2 3 -3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 3 = -9.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 -9 x 2 +9 x 3 = -24 , d.h. für b = -24 sind die beiden Ebenen identisch.