Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 4 -3 5 ) hat und den Punkt P(3|-1|-4) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 4 -3 5 ) besitzt, hat sie die Form E: 4 x 1 -3 x 2 +5 x 3 = d .

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

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

12+3-20 = d

-5 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(3|-4|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 3 +3 ( - 2 ) = d

-6+0-6 = d

-12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +3 x 3 = -12 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|1|-4) auf der Ebene E: -3 x 1 +5 x 2 +a x 3 = 21 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-4) + 51 + a(-4) = 21
12+5+a ⋅ (-4) = 21 |-17
-4a = 4 | :(-4)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-3|2|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 ( - 3 ) +2 2 = d

3+4+0 = d

7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 +2 x 2 = 7 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 2 +9 x 3 = -7 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (4|1|2) beinhaltet.

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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 Punktes P(4|1|2) in diese Gleichung erhält man
d = 04 + 11 + 02=1
also: + x 2 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 1 9 0 ) + r ( 2 -8 0 ) + s ( -8 2 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also die x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 4 -5 -1 ) +t ( -5 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -2 x 2 -7 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:

( -5 -4 -1 ) ( a -2 -7 ) = 0

(-5)a + (-4)(-2) + (-1)(-7) = 0
a ⋅ (-5)+8+7 = 0 |-15
-5a = -15 | :(-5)
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 -7 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (4|-5|-1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (4|-5|-1) in E: 3 x 1 -2 x 2 -7 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

3 4 -2 ( - 5 ) -7 ( - 1 ) = b

12+10+7 = b

29 = b

Mit b = 29 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 -2 x 2 -7 x 3 = 29 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 15 x 1 -3 x 2 - x 3 = -60 und F: a x 1 -9 x 2 -3 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 -9 -3 ) = t⋅ ( 15 -3 -1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 15 = 45.

Für a = 45 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 45 x 1 -9 x 2 -3 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 45 x 1 -9 x 2 -3 x 3 = -180 , d.h. für b = -180 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -180, also z.B.: b = -179 setzen.