Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(4|-4|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-20+20-6 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 1 -5 x 2 -3 x 3 = -6 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 1 -5 x 3 = 55 ist und die den Punkt P(-4|3|-3) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -5 0 -5 ) und damit die Form E: -5 x 1 -5 x 3 = d .

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

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

20+0+15 = d

35 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 -5 x 3 = 35 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|-3|1) auf der Ebene E: 4 x 1 +a x 2 - x 3 = 14 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

43 + a(-3) + (-1)1 = 14
12+a ⋅ (-3)+(-1) = 14 |-11
-3a = 3 | :(-3)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -5 4 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -5 x 1 +4 x 2 = d .

Da der Punkt P(-3|5|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-5 ( - 3 ) +4 5 = d

15+20+0 = d

35 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 +4 x 2 = 35 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 7 x 1 -2 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 = ( -1 6 -1 ) + r ( -9 8 0 ) + s ( -8 1 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -1 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -1 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 = ( 1 3 -5 ) +t ( -2 4 -1 ) komplett in der Ebene E: 2 x 1 +2 x 2 +a 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:

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

(-2)2 + 42 + (-1)a = 0
-4+8+a ⋅ (-1) = 0 |-4
-1a = -4 | :(-1)
a = 4

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

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

2 1 +2 3 +4 ( - 5 ) = b

2+6-20 = b

-12 = b

Mit b = -12 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 2 x 1 +2 x 2 +4 x 3 = -12 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 2 x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 9 und F: a x 1 -4 x 2 -6 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:
( a -4 -6 ) = t⋅ ( 2 2 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 2 = -4.

Für a = -4 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -4 x 1 -4 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -4 x 1 -4 x 2 -6 x 3 = -18 , d.h. für b = -18 sind die beiden Ebenen identisch.