Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 0 -5 5 ) hat und den Punkt P(-4|2|-5) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 0 -5 5 ) besitzt, hat sie die Form E: -5 x 2 +5 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.

-5 2 +5 ( - 5 ) = d

0-10-25 = d

-35 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 2 +5 x 3 = -35 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 1 5 ) und damit die Form E: + x 2 +5 x 3 = d .

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

+1 ( - 3 ) +5 3 = d

0-3+15 = d

12 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-5|-5|-4) auf der Ebene E: 3 x 1 +3 x 2 +a x 3 = -14 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

3(-5) + 3(-5) + a(-4) = -14
-15+(-15)+a ⋅ (-4) = -14 |+30
-4a = 16 | :(-4)
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( 0 -2 2 ) +t ( 2 5 3 ) ist und die den Punkt P(-5|2|-3) enthält.

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

Da der Punkt P(-5|2|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-10+10-9 = d

-9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -9 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +9 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 9 ) , 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 auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (1|1|1) 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|1) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 01 + 11=1
also: + x 3 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 0 -7 -3 ) + r ( 0 9 -1 ) + s ( 0 6 -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 = ( 5 2 2 ) +t ( 5 4 -1 ) komplett in der Ebene E: x 1 +a x 2 -3 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 4 -1 ) ( 1 a -3 ) = 0

51 + 4a + (-1)(-3) = 0
5+a ⋅ 4+3 = 0 |-8
4a = -8 | :4
a = -2

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

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

1 5 -2 2 -3 2 = b

5-4-6 = b

-5 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: x 1 +17 x 2 -4 x 3 = 22 und F: -3 x 1 +a x 2 +12 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen echt parallel 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:
( -3 a 12 ) = t⋅ ( 1 17 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 17 = -51.

Für a = -51 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -3 x 1 -51 x 2 +12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -3 x 1 -51 x 2 +12 x 3 = -66 , d.h. für b = -66 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -66, also z.B.: b = -65 setzen.