Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 5 3 -5 ) hat und den Punkt P(-1|-4|4) enthält.

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

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

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

-5-12-20 = d

-37 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 5 x 1 +3 x 2 -5 x 3 = -37 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 1 -2 x 2 - x 3 = -10 ist und die den Punkt P(-1|4|3) enthält.

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

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

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

5-8-3 = d

-6 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -5 x 1 -2 x 2 - x 3 = -6 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(1|-1|-4) auf der Ebene E: 3 x 1 +a x 2 -3 x 3 = 11 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

31 + a(-1) + (-3)(-4) = 11
3+a ⋅ (-1)+12 = 11 |-15
-1a = -4 | :(-1)
a = 4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 4 -4 0 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 4 x 1 -4 x 2 = d .

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

4 ( - 5 ) -4 5 = d

-20-20+0 = d

-40 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 4 x 1 -4 x 2 = -40 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +7 x 3 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 7 ) , 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-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 = ( -4 0 6 ) + r ( 6 0 9 ) + s ( -9 0 -8 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x2-Wert immer 0 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x2 = 0 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) .)

E ist also die x1-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x2-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 1 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x2=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also die x1-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 5 5 -1 ) ( a -2 0 ) = 0

5a + 5(-2) + (-1)0 = 0
a ⋅ 5+(-10)+0 = 0 |+10
5a = 10 | :5
a = 2

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

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

2 4 -2 5 = b

8-10+0 = b

-2 = b

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

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -3 x 1 +4 x 2 +15 x 3 = 85 und F: -9 x 1 +12 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:
( -9 12 a ) = t⋅ ( -3 4 15 )

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = 3 möglich ist.

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = 3 ⋅ 15 = 45.

Für a = 45 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -9 x 1 +12 x 2 +45 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: -9 x 1 +12 x 2 +45 x 3 = 255 , d.h. für b = 255 sind die beiden Ebenen identisch.