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 0 ) hat und den Punkt P(-4|-4|3) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -4 -3 0 ) besitzt, hat sie die Form E: -4 x 1 -3 x 2 = d .

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

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

16+12+0 = d

28 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -4 x 1 -3 x 2 = 28 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 1 - x 2 +4 x 3 = 40 ist und die den Punkt P(-2|-4|4) enthält.

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

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

6+4+16 = d

26 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 - x 2 +4 x 3 = 26 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|1|-4) auf der Ebene E: -2 x 1 +a x 2 +5 x 3 = -23 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-2)4 + a1 + 5(-4) = -23
-8+a ⋅ 1+(-20) = -23 |+28
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 4 ) +t ( -1 -3 3 ) ist und die den Punkt P(4|3|-3) enthält.

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

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

-4-9-9 = d

-22 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 -3 x 2 +3 x 3 = -22 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +2 x 3 = -1 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 2 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-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-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (1|1|3) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(1|1|3) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 01 + 13=3
also: + x 3 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 2 1 0 ) + r ( 2 -3 0 ) + s ( -6 -6 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 = ( -5 -3 -4 ) +t ( 2 0 -1 ) komplett in der Ebene E: 4 x 1 +2 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:

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

24 + 02 + (-1)a = 0
8+0+a ⋅ (-1) = 0 |-8
-1a = -8 | :(-1)
a = 8

Für a = 8 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 +2 x 2 +8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|-3|-4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-5|-3|-4) in E: 4 x 1 +2 x 2 +8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 ( - 5 ) +2 ( - 3 ) +8 ( - 4 ) = b

-20-6-32 = b

-58 = b

Mit b = -58 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 +2 x 2 +8 x 3 = -58 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = -18 und F: 12 x 1 +a x 2 +6 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:
( 12 a 6 ) = t⋅ ( 4 4 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 4 = 12.

Für a = 12 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 12 x 1 +12 x 2 +6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 12 x 1 +12 x 2 +6 x 3 = -54 , d.h. für b = -54 sind die beiden Ebenen identisch.