Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-4|2|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-16+2-10 = d

-24 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 4 x 1 + x 2 -2 x 3 = -24 .

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 = 10 ist und die den Punkt P(2|2|4) 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(2|2|4) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-4 2 -2 2 +3 4 = d

-8-4+12 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -2 x 2 +3 x 3 = 0 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

1(-3) + a(-1) + (-5)4 = -26
-3+a ⋅ (-1)+(-20) = -26 |+23
-1a = -3 | :(-1)
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

5 4 +4 0 +5 ( - 4 ) = d

20+0-20 = d

0 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +4 x 2 +5 x 3 = 0 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -3 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 -3 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x2-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x2-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x1-x2-Ebene.

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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 Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 00 + 00 + 10=0
also: + x 3 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -3 -6 -1 ) + r ( 8 3 0 ) + s ( 6 -6 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -1 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -1 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( -2 -2 -4 ) +t ( 3 3 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -9 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 3 -1 ) ( a 0 -9 ) = 0

3a + 30 + (-1)(-9) = 0
a ⋅ 3+0+9 = 0 |-9
3a = -9 | :3
a = -3

Für a = -3 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -3 x 1 -9 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-2|-2|-4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-2|-2|-4) in E: -3 x 1 -9 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-3 ( - 2 ) -9 ( - 4 ) = b

6+0+36 = b

42 = b

Mit b = 42 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -3 x 1 -9 x 3 = 42 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 3 x 1 -3 x 2 +3 x 3 = -30 und F: a x 1 +6 x 2 -6 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 6 -6 ) = t⋅ ( 3 -3 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 3 = -6.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -6 x 1 +6 x 2 -6 x 3 = 60 , d.h. für b = 60 sind die beiden Ebenen identisch.