Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 3 1 3 ) hat und den Punkt P(2|-2|-1) 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|-2|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

6-2-3 = d

1 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 4 x 1 -2 x 2 -3 x 3 = -18 ist und die den Punkt P(-3|-2|5) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 4 -2 -3 ) und damit die Form E: 4 x 1 -2 x 2 -3 x 3 = d .

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

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

-12+4-15 = d

-23 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -2 x 2 -3 x 3 = -23 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

24 + 3(-3) + a1 = -3
8+(-9)+a ⋅ 1 = -3 |+1
1a = -2 | :1
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( -2 -5 4 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: -2 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = d .

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

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

2-15-20 = d

-33 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -5 x 2 +4 x 3 = -33 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -6 x 1 +4 x 3 = -5 ?

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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 x1-Achse ist und den Punkt (1|4|2) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x1-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x1-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x2 und x3 einsetzt, muss a=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja ax1 + b0 + c0=d zu x1= d a umformen und würde einen Spurpunkt mit der x1-Achse erhalten)

Der Koeffizient a vor x1 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
b⋅x2 + c⋅x3=d.

Punkt P(1|4|2) eingesetzt:
b⋅4 + c⋅2=d

b=1;c=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=6 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|4|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 5 -1 4 ) + r ( 0 0 8 ) + s ( -9 -7 -7 ) ?

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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 = ( -1 -2 4 ) +t ( 4 3 -2 ) komplett in der Ebene E: 3 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:

( 4 3 -2 ) ( 3 a 6 ) = 0

43 + 3a + (-2)6 = 0
12+a ⋅ 3+(-12) = 0 |-0
3a = 0 | :3
a = 0

Für a = 0 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 3 x 1 +6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-1|-2|4).

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

3 ( - 1 ) +6 4 = b

-3+0+24 = b

21 = b

Mit b = 21 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 3 x 1 +6 x 3 = 21 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 +13 x 2 +2 x 3 = 77 und F: 6 x 1 +a x 2 -4 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:
( 6 a -4 ) = t⋅ ( -3 13 2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 13 = -26.

Für a = -26 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 6 x 1 -26 x 2 -4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 6 x 1 -26 x 2 -4 x 3 = -154 , d.h. für b = -154 sind die beiden Ebenen identisch.