Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 4 -2 -4 ) hat und den Punkt P(3|-2|-1) enthält.

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

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

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

12+4+4 = d

20 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 4 x 1 -2 x 2 -4 x 3 = 20 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(2|-5|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

10-5+2 = d

7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 + x 2 +2 x 3 = 7 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-3)(-3) + a1 + (-2)5 = -3
9+a ⋅ 1+(-10) = -3 |+1
1a = -2 | :1
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-5 4 +1 4 -4 5 = d

-20+4-20 = d

-36 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 + x 2 -4 x 3 = -36 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -5 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

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 = ( -7 -1 0 ) + r ( -1 -6 0 ) + s ( -8 -7 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 = ( -2 4 -4 ) +t ( -5 -3 -2 ) komplett in der Ebene E: a x 1 + 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:

( -5 -3 -2 ) ( a 1 6 ) = 0

(-5)a + (-3)1 + (-2)6 = 0
a ⋅ (-5)+(-3)+(-12) = 0 |+15
-5a = 15 | :(-5)
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 + 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 (-2|4|-4).

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

-3 ( - 2 ) +1 4 +6 ( - 4 ) = b

6+4-24 = b

-14 = b

Mit b = -14 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 + x 2 +6 x 3 = -14 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 -3 x 2 +13 x 3 = 72 und F: -2 x 1 +3 x 2 +a 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:
( -2 3 a ) = t⋅ ( 2 -3 13 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -1 ⋅ 13 = -13.

Für a = -13 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -2 x 1 +3 x 2 -13 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -2 x 1 +3 x 2 -13 x 3 = -72 , d.h. für b = -72 sind die beiden Ebenen identisch.