Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -2 -2 3 ) hat und den Punkt P(5|0|4) enthält.

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

Da der Punkt P(5|0|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 5 -2 0 +3 4 = d

-10+0+12 = d

2 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: x 1 -5 x 2 +4 x 3 = 22 ist und die den Punkt P(-5|-5|-1) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 1 -5 4 ) und damit die Form E: x 1 -5 x 2 +4 x 3 = d .

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

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

-5+25-4 = d

16 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: x 1 -5 x 2 +4 x 3 = 16 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|0|5) auf der Ebene E: a x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 10 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + 20 + 35 = 10
a ⋅ 1+0+15 = 10 |-15
1a = -5 | :1
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-4-4-5 = d

-13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: - x 1 + x 2 + x 3 = -13 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 2 x 1 +9 x 2 = 5 ?

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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 einer Ebene, die parallel zur x2-Achse ist und den Punkt (4|3|2) beinhaltet.

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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(4|3|2) eingesetzt:
a⋅4 + c⋅2=d

a=1;c=1 und d=6 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x3=6 ist also eine zur x2-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(4|3|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 6 7 -1 ) + r ( -5 1 6 ) + s ( 0 7 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 7 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 2. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 7 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

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

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( -3 4 -1 ) ( -5 -4 a ) = 0

(-3)(-5) + 4(-4) + (-1)a = 0
15+(-16)+a ⋅ (-1) = 0 |+1
-1a = 1 | :(-1)
a = -1

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

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

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

-15+4-2 = b

-13 = b

Mit b = -13 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 -4 x 2 - x 3 = -13 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +3 x 2 + x 3 = -8 und F: -6 x 1 +a x 2 +3 x 3 = b . Bestimme a und b so, dass die beiden Ebenen sich orthogonal schneiden und beide den Punkt den P(-4|-4|-4) enthalten.

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Wenn sich die beiden Ebenen orthognal schneiden sollen, müssen auch ihre Normalenvektoren orthogonal sein. Es muss also gelten:
( -6 a 3 ) ( -2 3 1 ) =0

(-2)(-6) + 3a + 13 = 0
12+a ⋅ 3+3 = 0 |-15
3a = -15 | :3
a = -5

Für a = -5 sind also die beiden Normalenvektoren und damit auch die Ebenen orthogonal. F hat dann also die Koordinatengleichung

F: -6 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = b .

P liegt immer in E, denn (-2)(-4) + 3(-4) + 1(-4) = -8
Damit P auch in F liegt, müssen wir den Punkt einfach in F einsetzen und nach b auflösen.

-6 ( - 4 ) -5 ( - 4 ) +3 ( - 4 ) = b

24+20-12 = b

32 = b

Mit b = 32 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -6 x 1 -5 x 2 +3 x 3 = 32 .