Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 5 0 1 ) hat und den Punkt P(3|1|3) enthält.

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

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

5 3 +1 3 = d

15+0+3 = d

18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 5 x 1 + x 3 = 18 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

10-12-10 = d

-12 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|5|5) auf der Ebene E: x 1 +a x 2 -2 x 3 = 13 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

1(-2) + a5 + (-2)5 = 13
-2+a ⋅ 5+(-10) = 13 |+12
5a = 25 | :5
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(5|-4|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-15+8+0 = d

-7 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 7 x 1 -7 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 = ( 5 0 5 ) + r ( -6 0 4 ) + s ( 6 0 -3 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also die x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -4 0 1 ) +t ( 5 5 -1 ) komplett in der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 +10 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 5 -1 ) ( 5 a 10 ) = 0

55 + 5a + (-1)10 = 0
25+a ⋅ 5+(-10) = 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: 5 x 1 -3 x 2 +10 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|0|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|0|1) in E: 5 x 1 -3 x 2 +10 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

5 ( - 4 ) -3 0 +10 1 = b

-20+0+10 = b

-10 = b

Mit b = -10 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 5 x 1 -3 x 2 +10 x 3 = -10 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 +25 x 2 -3 x 3 = -20 und F: -8 x 1 +a x 2 -6 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:
( -8 a -6 ) = t⋅ ( -4 25 -3 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = 2 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 2 ⋅ 25 = 50.

Für a = 50 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -8 x 1 +50 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -8 x 1 +50 x 2 -6 x 3 = -40 , d.h. für b = -40 sind die beiden Ebenen identisch.

Genau das wollen wir ja aber gerade nicht, deswegen können wir jeden beliebigen Wert für b ≠ -40, also z.B.: b = -39 setzen.