Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 3 -5 3 ) hat und den Punkt P(3|-4|4) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 3 -5 3 ) besitzt, hat sie die Form E: 3 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = d .

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

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

9+20+12 = d

41 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = 41 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 -4 x 2 +4 x 3 = 5 ist und die den Punkt P(0|-2|2) enthält.

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

Da der Punkt P(0|-2|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 0 -4 ( - 2 ) +4 2 = d

0+8+8 = d

16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -4 x 2 +4 x 3 = 16 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|-5|-4) auf der Ebene E: -4 x 1 + x 2 +a x 3 = -17 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)(-2) + 1(-5) + a(-4) = -17
8+(-5)+a ⋅ (-4) = -17 |-3
-4a = -20 | :(-4)
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

-4 2 +5 ( - 5 ) -3 1 = d

-8-25-3 = d

-36 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 1 -5 x 2 = -6 ?

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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 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 = ( 6 -2 3 ) + r ( 0 -9 2 ) + 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 6 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 6 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 5 -1 4 ) +t ( -3 -5 -2 ) komplett in der Ebene E: -2 x 1 +4 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:

( -3 -5 -2 ) ( -2 4 a ) = 0

(-3)(-2) + (-5)4 + (-2)a = 0
6+(-20)+a ⋅ (-2) = 0 |+14
-2a = 14 | :(-2)
a = -7

Für a = -7 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|-1|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|-1|4) in E: -2 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 5 +4 ( - 1 ) -7 4 = b

-10-4-28 = b

-42 = b

Mit b = -42 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 +4 x 2 -7 x 3 = -42 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 -3 x 2 +34 x 3 = 99 und F: -15 x 1 -9 x 2 +a 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:
( -15 -9 a ) = t⋅ ( -5 -3 34 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 34 = 102.

Für a = 102 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -15 x 1 -9 x 2 +102 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -15 x 1 -9 x 2 +102 x 3 = 297 , d.h. für b = 297 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ 297, also z.B.: b = 298 setzen.