Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -5 3 5 ) hat und den Punkt P(2|2|5) enthält.

Lösung einblenden

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

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

-5 2 +3 2 +5 5 = d

-10+6+25 = d

21 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = 21 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 +3 x 2 = 19 ist und die den Punkt P(-5|5|-5) enthält.

Lösung einblenden

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

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

-4 ( - 5 ) +3 5 = d

20+15+0 = d

35 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +3 x 2 = 35 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|0|-1) auf der Ebene E: -2 x 1 +3 x 2 +a x 3 = 11 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-2)(-3) + 30 + a(-1) = 11
6+0+a ⋅ (-1) = 11 |-6
-1a = 5 | :(-1)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

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

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

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

8+12+3 = d

23 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 -3 x 2 +3 x 3 = 23 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 2 = 7 ?

Lösung einblenden

Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 7 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (3|4|3) beinhaltet.

Lösung einblenden

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(3|4|3) eingesetzt:
a⋅3 + b⋅4=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 3 -4 -8 ) + r ( 0 -1 0 ) + s ( 2 3 -1 ) ?

Lösung einblenden

1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 -1 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 1. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 -1 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Wenn die Gerade g in E liegen soll, muss auch der Normalenvektor von E orthogonal zum Richtungsvektor von g sein, also muss gelten:

( -3 4 -1 ) ( -3 -1 a ) = 0

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

Für a = 5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 - x 2 +5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|1|3).

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

-3 5 -1 1 +5 3 = b

-15-1+15 = b

-1 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 6 x 1 -5 x 2 + x 3 = -27 und F: a x 1 -15 x 2 +3 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen identisch sind.

Lösung einblenden

Wenn die beiden Ebenen parallel oder identisch sein sollen, müssen ihre Normalenvektoren vielfache (oder gleich) sein. Es muss also gelten:
( a -15 3 ) = t⋅ ( 6 -5 1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 6 = 18.

Für a = 18 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 18 x 1 -15 x 2 +3 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 18 x 1 -15 x 2 +3 x 3 = -81 , d.h. für b = -81 sind die beiden Ebenen identisch.