Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-3|2|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

2 ( - 3 ) +2 2 = d

-6+4+0 = d

-2 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(1|3|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 1 -5 3 +3 2 = d

-3-15+6 = d

-12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = -12 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(0|-4|-5) auf der Ebene E: -3 x 1 - x 2 +a x 3 = 29 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)0 + (-1)(-4) + a(-5) = 29
0+4+a ⋅ (-5) = 29 |-4
-5a = 25 | :(-5)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -1 4 0 ) +t ( 1 2 0 ) ist und die den Punkt P(-3|-1|5) 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|-1|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-3-2+0 = d

-5 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 3 ) , 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 (4|4|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(4|4|3) in diese Gleichung erhält man
d = 04 + 04 + 13=3
also: + x 3 = 3

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 2 3 1 ) + r ( 1 7 0 ) + s ( -2 -6 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 4 -5 ) +t ( -3 2 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -3 x 2 +6 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 -3 6 ) = 0

(-3)a + 2(-3) + (-1)6 = 0
a ⋅ (-3)+(-6)+(-6) = 0 |+12
-3a = 12 | :(-3)
a = -4

Für a = -4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (3|4|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|4|-5) in E: -4 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-4 3 -3 4 +6 ( - 5 ) = b

-12-12-30 = b

-54 = b

Mit b = -54 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = -54 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 10 x 1 -4 x 2 -2 x 3 = 14 und F: a x 1 +4 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:
( a 4 2 ) = t⋅ ( 10 -4 -2 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -1 ⋅ 10 = -10.

Für a = -10 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -10 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -10 x 1 +4 x 2 +2 x 3 = -14 , d.h. für b = -14 sind die beiden Ebenen identisch.