Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( -4 0 -5 ) besitzt, hat sie die Form E: -4 x 1 -5 x 3 = d .

Da der Punkt P(-2|-5|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 ( - 2 ) -5 0 = d

8+0+0 = d

8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -4 x 1 -5 x 3 = 8 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 -5 x 2 -3 x 3 = 34 ist und die den Punkt P(-1|-5|1) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -4 -5 -3 ) und damit die Form E: -4 x 1 -5 x 2 -3 x 3 = d .

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

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

4+25-3 = d

26 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -5 x 2 -3 x 3 = 26 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|2|2) auf der Ebene E: 3 x 1 +a x 2 -5 x 3 = -23 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

3(-3) + a2 + (-5)2 = -23
-9+a ⋅ 2+(-10) = -23 |+19
2a = -4 | :2
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(1|0|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

2 1 -3 0 +4 3 = d

2+0+12 = d

14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 -3 x 2 +4 x 3 = 14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +5 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 5 ) , 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 x2-Achse ist und den Punkt (1|2|4) 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|2|4) eingesetzt:
a⋅1 + c⋅4=d

a=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=5 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|2|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -6 -3 1 ) + r ( 0 0 -5 ) + s ( -3 -1 -5 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -5 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-Achse.

2. Weg:

Da der 1. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 -5 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 4 2 -1 ) ( a 2 0 ) = 0

4a + 22 + (-1)0 = 0
a ⋅ 4+4+0 = 0 |-4
4a = -4 | :4
a = -1

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

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

-1 ( - 1 ) +2 1 = b

1+2+0 = b

3 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 - x 2 +2 x 3 = 13 und F: 15 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:
( 15 -3 a ) = t⋅ ( 5 -1 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 2 = 6.

Für a = 6 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 15 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 15 x 1 -3 x 2 +6 x 3 = 39 , d.h. für b = 39 sind die beiden Ebenen identisch.