Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 -1 3 ) hat und den Punkt P(2|-3|0) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 -1 3 ) besitzt, hat sie die Form E: - x 2 +3 x 3 = d .

Da der Punkt P(2|-3|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 ( - 3 ) +3 0 = d

0+3+0 = d

3 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 5 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = -52 ist und die den Punkt P(-2|3|-4) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 5 -5 4 ) und damit die Form E: 5 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = d .

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

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

-10-15-16 = d

-41 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = -41 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|-1|-5) auf der Ebene E: 4 x 1 +2 x 2 +a x 3 = -34 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

4(-3) + 2(-1) + a(-5) = -34
-12+(-2)+a ⋅ (-5) = -34 |+14
-5a = -20 | :(-5)
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 -3 4 ) +t ( 5 -4 4 ) ist und die den Punkt P(-2|4|4) enthält.

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

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

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

-10-16+16 = d

-10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 -4 x 2 +4 x 3 = -10 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 1 +6 x 3 = -7 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-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 = ( -2 -1 1 ) + r ( -7 8 0 ) + s ( 7 7 0 ) ?

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1. Weg:

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

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -3 -2 -2 ) +t ( 1 2 -1 ) komplett in der Ebene E: 3 x 1 +a 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 2 -1 ) ( 3 a -3 ) = 0

13 + 2a + (-1)(-3) = 0
3+a ⋅ 2+3 = 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 1 -3 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|-2|-2).

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

3 ( - 3 ) -3 ( - 2 ) -3 ( - 2 ) = b

-9+6+6 = b

3 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = 2 und F: -8 x 1 +a 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:
( -8 a -4 ) = t⋅ ( 4 4 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 4 = -8.

Für a = -8 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -8 x 1 -8 x 2 -4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -8 x 1 -8 x 2 -4 x 3 = -4 , d.h. für b = -4 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -4, also z.B.: b = -3 setzen.