Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -2 -5 1 ) hat und den Punkt P(-5|0|5) enthält.

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

Da der Punkt P(-5|0|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 ( - 5 ) -5 0 +1 5 = d

10+0+5 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -2 x 1 -5 x 2 + x 3 = 15 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

8+10-3 = d

15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = 15 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|3|-5) auf der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 +2 x 3 = -28 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-3) + a3 + 2(-5) = -28
-15+a ⋅ 3+(-10) = -28 |+25
3a = -3 | :3
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 3 -1 4 ) +t ( -4 4 0 ) ist und die den Punkt P(2|-2|1) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -4 4 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -4 x 1 +4 x 2 = d .

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

-4 2 +4 ( - 2 ) = d

-8-8+0 = d

-16 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: - x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -1 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (3|3|4) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x2-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x2-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x3 einsetzt, muss b=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 + bx2 + c0=d zu x2= d b umformen und würde einen Spurpunkt mit der x2-Achse erhalten)

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

Punkt P(3|3|4) eingesetzt:
a⋅3 + c⋅4=d

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

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -9 2 -6 ) + r ( -9 0 0 ) + s ( 9 3 -7 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( -9 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-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 x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( -9 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-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: x 1 -3 x 2 +a 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 -4 -1 ) ( 1 -3 a ) = 0

(-3)1 + (-4)(-3) + (-1)a = 0
-3+12+a ⋅ (-1) = 0 |-9
-1a = -9 | :(-1)
a = 9

Für a = 9 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 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 (5|-1|3).

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

1 5 -3 ( - 1 ) +9 3 = b

5+3+27 = b

35 = b

Mit b = 35 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 -3 x 2 +9 x 3 = 35 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 6 x 1 - x 2 -5 x 3 = 37 und F: a x 1 -3 x 2 -15 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:
( a -3 -15 ) = t⋅ ( 6 -1 -5 )

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 -3 x 2 -15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 18 x 1 -3 x 2 -15 x 3 = 111 , d.h. für b = 111 sind die beiden Ebenen identisch.