Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 2 -3 -5 ) hat und den Punkt P(-5|4|5) enthält.

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

-10-12-25 = d

-47 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 2 x 1 -3 x 2 -5 x 3 = -47 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -3 x 1 -2 x 2 + x 3 = -20 ist und die den Punkt P(1|-1|1) enthält.

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

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

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

-3+2+1 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -2 x 2 + x 3 = 0 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(4|3|2) auf der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 -3 x 3 = 25 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

44 + a3 + (-3)2 = 25
16+a ⋅ 3+(-6) = 25 |-10
3a = 15 | :3
a = 5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-3 5 -4 5 -4 0 = d

-15-20+0 = d

-35 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -3 x 1 -4 x 2 -4 x 3 = -35 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +4 x 2 = -5 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 4 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x2-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 7 -9 -8 ) + r ( -6 6 0 ) + s ( 4 3 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -8 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -4 -2 0 ) +t ( 5 -4 -2 ) komplett in der Ebene E: 4 x 1 +a 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 -4 -2 ) ( 4 a 6 ) = 0

54 + (-4)a + (-2)6 = 0
20+a ⋅ (-4)+(-12) = 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: 4 x 1 +2 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 (-4|-2|0).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|-2|0) in E: 4 x 1 +2 x 2 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 ( - 4 ) +2 ( - 2 ) +6 0 = b

-16-4+0 = b

-20 = b

Mit b = -20 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 +2 x 2 +6 x 3 = -20 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 -2 x 2 +29 x 3 = -134 und F: 15 x 1 -6 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 -6 a ) = t⋅ ( 5 -2 29 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 29 = 87.

Für a = 87 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 15 x 1 -6 x 2 +87 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 15 x 1 -6 x 2 +87 x 3 = -402 , d.h. für b = -402 sind die beiden Ebenen identisch.