Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Da E den Normalenvektor n = ( -5 -4 -5 ) besitzt, hat sie die Form E: -5 x 1 -4 x 2 -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 -4 ( - 3 ) -5 3 = d

-20+12-15 = d

-23 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 1 -4 x 2 -5 x 3 = -23 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: - x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -7 ist und die den Punkt P(3|-3|4) enthält.

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

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

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

-3-15+20 = d

2 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|-5|-4) auf der Ebene E: a x 1 + x 2 -3 x 3 = 13 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-3) + 1(-5) + (-3)(-4) = 13
a ⋅ (-3)+(-5)+12 = 13 |-7
-3a = 6 | :(-3)
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(4|3|1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-2 4 -3 3 +2 1 = d

-8-9+2 = d

-15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -3 x 2 +2 x 3 = -15 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

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

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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-x2-Ebene ist und den Punkt (3|4|4) beinhaltet.

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Da der Normalenvektor der gesuchten Ebene senkrecht auf der Ebene steht, muss dieser n = ( 0 0 1 ) oder eben ein Vielfaches davon sein.

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(3|4|4) in diese Gleichung erhält man
d = 03 + 04 + 14=4
also: + x 3 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 -6 -1 ) + r ( 0 0 -3 ) + s ( 4 9 -1 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 0 0 -3 ) 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 -3 ) ( 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 = ( -2 1 -3 ) +t ( -3 -5 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +3 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:

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

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

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

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

-5 ( - 2 ) +3 1 = b

10+3+0 = b

13 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

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 -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 = -8 , d.h. für b = -8 sind die beiden Ebenen identisch.