Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

-15-4+6 = d

-13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 +2 x 2 -3 x 3 = -13 .

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 = 43 ist und die den Punkt P(-3|0|3) 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(-3|0|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 ( - 3 ) -5 0 +4 3 = d

15+0+12 = d

27 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = 27 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|-3|4) auf der Ebene E: a x 1 +2 x 2 +2 x 3 = -18 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a4 + 2(-3) + 24 = -18
a ⋅ 4+(-6)+8 = -18 |-2
4a = -20 | :4
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(4|2|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 4 +1 2 -2 5 = d

-12+2-10 = d

-20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 + x 2 -2 x 3 = -20 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 7 x 1 -9 x 2 = 7 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x3-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x2-x3-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 5 7 ) + r ( 0 2 -6 ) + s ( 0 -5 7 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also die x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

(-5)(-1) + 5(-2) + (-1)a = 0
5+(-10)+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: - x 1 -2 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 (1|-3|-4).

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

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

-1+6+20 = b

25 = b

Mit b = 25 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 -2 x 2 -5 x 3 = 25 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +10 x 2 -4 x 3 = -54 und F: -4 x 1 +a x 2 -8 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:
( -4 a -8 ) = t⋅ ( -2 10 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 10 = 20.

Für a = 20 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 +20 x 2 -8 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 +20 x 2 -8 x 3 = -108 , d.h. für b = -108 sind die beiden Ebenen identisch.