Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

Durch Aktualisieren des Browsers (z.B. mit Taste F5) kann man neue Beispielaufgaben sehen


Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 3 1 -3 ) hat und den Punkt P(2|-3|-5) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(2|-3|-5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

6-3+15 = d

18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 + x 2 -3 x 3 = 18 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 - x 2 = -13 ist und die den Punkt P(3|0|-2) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(3|0|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

1 3 -1 0 = d

3+0+0 = d

3 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-4|-3|3) auf der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 +3 x 3 = -26 ?

Lösung einblenden

Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-4) + a(-3) + 33 = -26
-20+a ⋅ (-3)+9 = -26 |+11
-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 2 3 ) +t ( 4 1 0 ) ist und die den Punkt P(-1|-5|4) enthält.

Lösung einblenden

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

Da der Punkt P(-1|-5|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-4-5+0 = d

-9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 + x 2 = -9 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -8 x 1 -8 x 3 = 2 ?

Lösung einblenden

Wenn man die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x1 und x3 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (1|4|3) beinhaltet.

Lösung einblenden

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|4|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|4|3) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 1 0 7 ) + r ( 5 0 -9 ) + s ( 1 0 -8 ) ?

Lösung einblenden

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 = ( 5 -4 -4 ) +t ( 0 5 -5 ) komplett in der Ebene E: x 1 +5 x 2 +a x 3 = b liegt.

Lösung einblenden

Wenn die Gerade g in E liegen soll, muss auch der Normalenvektor von E orthogonal zum Richtungsvektor von g sein, also muss gelten:

( 0 5 -5 ) ( 1 5 a ) = 0

01 + 55 + (-5)a = 0
0+25+a ⋅ (-5) = 0 |-25
-5a = -25 | :(-5)
a = 5

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

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

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

5-20-20 = b

-35 = b

Mit b = -35 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -35 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 +3 x 2 +9 x 3 = -24 und F: -3 x 1 -3 x 2 +a x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen identisch sind.

Lösung einblenden

Wenn die beiden Ebenen parallel oder identisch sein sollen, müssen ihre Normalenvektoren vielfache (oder gleich) sein. Es muss also gelten:
( -3 -3 a ) = t⋅ ( 3 3 9 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -1 ⋅ 9 = -9.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: -3 x 1 -3 x 2 -9 x 3 = 24 , d.h. für b = 24 sind die beiden Ebenen identisch.