Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -1 -2 -2 ) hat und den Punkt P(-3|0|-1) enthält.

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

Da der Punkt P(-3|0|-1) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-1 ( - 3 ) -2 0 -2 ( - 1 ) = d

3+0+2 = d

5 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 23 ist und die den Punkt P(-3|-4|5) enthält.

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

Da der Punkt P(-3|-4|5) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

12-12+10 = d

10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 +3 x 2 +2 x 3 = 10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a1 + 15 + (-1)(-2) = 3
a ⋅ 1+5+2 = 3 |-7
1a = -4 | :1
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-3 0 +2 4 +1 ( - 5 ) = d

0+8-5 = d

3 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -8 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 -8 ) , 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 einer Ebene, die parallel zur x1-Achse ist und den Punkt (2|3|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(2|3|2) eingesetzt:
b⋅3 + c⋅2=d

b=1;c=1 und d=5 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x2 + x3=5 ist also eine zur x1-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(2|3|2) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -6 5 4 ) + r ( 6 0 0 ) + s ( 9 -5 -7 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( 6 0 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x1-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x1-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 x1-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 6 0 0 ) ( 0 b c ) =0 .

Also E: +b x 2 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 3 0 -5 ) +t ( 4 -3 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -5 x 2 - 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 -1 ) ( a -5 -1 ) = 0

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

Für a = -4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -4 x 1 -5 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|0|-5).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (3|0|-5) in E: -4 x 1 -5 x 2 - x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

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

-12+0+5 = b

-7 = b

Mit b = -7 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 -5 x 2 - x 3 = -7 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -2 x 1 +2 x 2 -2 x 3 = -14 und F: 2 x 1 +a x 2 +2 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:
( 2 a 2 ) = t⋅ ( -2 2 -2 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

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

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: 2 x 1 -2 x 2 +2 x 3 = 14 , d.h. für b = 14 sind die beiden Ebenen identisch.