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 2 ) hat und den Punkt P(1|-1|3) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -5 0 2 ) besitzt, hat sie die Form E: -5 x 1 +2 x 3 = d .

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

-5 1 +2 3 = d

-5+0+6 = d

1 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 -5 0 ) und damit die Form E: -5 x 1 -5 x 2 = d .

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

-5 1 -5 1 = d

-5-5+0 = d

-10 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(2|-1|0) auf der Ebene E: 2 x 1 +a x 2 -2 x 3 = 6 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

22 + a(-1) + (-2)0 = 6
4+a ⋅ (-1)+0 = 6 |-4
-1a = 2 | :(-1)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-3|-4|0) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

15-8+0 = d

7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +2 x 2 -5 x 3 = 7 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 4 x 1 = 5 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 4 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-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 x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-x3-Ebene ist und den Punkt (2|2|1) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 1 0 0 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(2|2|1) in diese Gleichung erhält man
d = 12 + 02 + 01=2
also: x 1 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

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

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer -7 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = -7 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also parallel zur 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 parallel zur x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

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

(-1)2 + 1a + (-1)3 = 0
-2+a ⋅ 1+(-3) = 0 |+5
1a = 5 | :1
a = 5

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

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

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

10-15-12 = b

-17 = b

Mit b = -17 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 +5 x 2 +3 x 3 = -17 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +3 x 2 - x 3 = -22 und F: -15 x 1 +a x 2 +3 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 a 3 ) = t⋅ ( 5 3 -1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -3 ⋅ 3 = -9.

Für a = -9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -15 x 1 -9 x 2 +3 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 +3 x 3 = 66 , d.h. für b = 66 sind die beiden Ebenen identisch.