Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 2 4 0 ) hat und den Punkt P(-5|-1|-1) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 2 4 0 ) besitzt, hat sie die Form E: 2 x 1 +4 x 2 = d .

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

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

-10-4+0 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 2 x 1 +4 x 2 = -14 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

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

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 -4 -3 ) und damit die Form E: -4 x 2 -3 x 3 = d .

Da der Punkt P(-3|-4|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 ( - 4 ) -3 2 = d

0+16-6 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 2 -3 x 3 = 10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(3|4|-1) auf der Ebene E: x 1 +a x 2 + x 3 = -18 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

13 + a4 + 1(-1) = -18
3+a ⋅ 4+(-1) = -18 |-2
4a = -20 | :4
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 1 -3 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: + x 2 -3 x 3 = d .

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

+1 5 -3 ( - 3 ) = d

0+5+9 = d

14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: + x 2 -3 x 3 = 14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 2 -6 x 3 = 6 ?

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

Also ist die Ebene parallel zur x1-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 = ( 9 5 -7 ) + r ( 0 0 -7 ) + s ( 9 -1 -6 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -7 ) 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 -7 ) ( 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 -2 ) +t ( -2 -2 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 + x 2 = 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 -2 -1 ) ( a 1 0 ) = 0

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

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

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

-1 4 +1 2 = b

-4+2+0 = b

-2 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. 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 +4 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 +4 x 3 = 0 , d.h. für b = 0 sind die beiden Ebenen identisch.