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

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

-12+6+6 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 -2 x 2 -3 x 3 = 0 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 +3 x 2 -4 x 3 = -31 ist und die den Punkt P(3|2|3) enthält.

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

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

-4 3 +3 2 -4 3 = d

-12+6-12 = d

-18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +3 x 2 -4 x 3 = -18 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|2|0) auf der Ebene E: a x 1 -2 x 2 +4 x 3 = 11 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a5 + (-2)2 + 40 = 11
a ⋅ 5+(-4)+0 = 11 |+4
5a = 15 | :5
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-5|1|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

10+1+5 = d

16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 + x 2 -5 x 3 = 16 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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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 einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (1|1|2) 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(1|1|2) eingesetzt:
a⋅1 + c⋅2=d

a=1;c=1 und d=3 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=3 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|1|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 0 4 ) + r ( 0 4 3 ) + s ( 0 -2 6 ) ?

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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 = ( 5 5 4 ) +t ( -3 -2 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +2 x 2 +5 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 -2 -1 ) ( a 2 5 ) = 0

(-3)a + (-2)2 + (-1)5 = 0
a ⋅ (-3)+(-4)+(-5) = 0 |+9
-3a = 9 | :(-3)
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 +5 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|5|4).

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

-3 5 +2 5 +5 4 = b

-15+10+20 = b

15 = b

Mit b = 15 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 +2 x 2 +5 x 3 = 15 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 +5 x 2 + x 3 = -17 und F: 6 x 1 +a x 2 -2 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:
( 6 a -2 ) = t⋅ ( -3 5 1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 5 = -10.

Für a = -10 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 -10 x 2 -2 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 -10 x 2 -2 x 3 = 34 , d.h. für b = 34 sind die beiden Ebenen identisch.