Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -4 -4 -2 ) hat und den Punkt P(2|-1|1) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -4 -4 -2 ) besitzt, hat sie die Form E: -4 x 1 -4 x 2 -2 x 3 = d .

Da der Punkt P(2|-1|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 2 -4 ( - 1 ) -2 1 = d

-8+4-2 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -4 x 1 -4 x 2 -2 x 3 = -6 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 1 +2 x 2 +2 x 3 = -10 ist und die den Punkt P(4|-4|1) enthält.

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

Da der Punkt P(4|-4|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-20-8+2 = d

-26 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)3 + a1 + 2(-4) = -25
-12+a ⋅ 1+(-8) = -25 |+20
1a = -5 | :1
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

3 0 +1 0 +5 ( - 2 ) = d

0+0-10 = d

-10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 + x 2 +5 x 3 = -10 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -7 x 3 = -6 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 -7 ) , 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (1|1|3) 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|1|3) eingesetzt:
a⋅1 + c⋅3=d

a=1;c=1 und d=4 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=4 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|1|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -5 7 -6 ) + r ( 0 0 -8 ) + s ( 1 -5 5 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -8 ) 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 -8 ) ( 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 = ( -4 2 -4 ) +t ( 0 2 -1 ) komplett in der Ebene E: 3 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:

( 0 2 -1 ) ( 3 a 10 ) = 0

03 + 2a + (-1)10 = 0
0+a ⋅ 2+(-10) = 0 |+10
2a = 10 | :2
a = 5

Für a = 5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 +5 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|2|-4).

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

3 ( - 4 ) +5 2 +10 ( - 4 ) = b

-12+10-40 = b

-42 = b

Mit b = -42 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 +5 x 2 +10 x 3 = -42 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 -3 x 2 +5 x 3 = 0 und F: -4 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:
( -4 3 a ) = t⋅ ( 4 -3 5 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -1 ⋅ 5 = -5.

Für a = -5 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 +3 x 2 -5 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 +3 x 2 -5 x 3 = 0 , d.h. für b = 0 sind die beiden Ebenen identisch.