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

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

-25-15+25 = d

-15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 1 +3 x 2 +5 x 3 = -15 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = 29 ist und die den Punkt P(-4|1|1) enthält.

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

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

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

8-4+5 = d

9 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = 9 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(0|2|5) auf der Ebene E: 2 x 1 +2 x 2 +a x 3 = -6 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

20 + 22 + a5 = -6
0+4+a ⋅ 5 = -6 |-4
5a = -10 | :5
a = -2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

2+8+4 = d

14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 -2 x 2 -4 x 3 = 14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +2 x 3 = 6 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 2 ) , 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 nicht auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene parallel x1-x2-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung der x2-x3-Ebene.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form x 1 = d . Durch Einsetzen des Ursprungs O(0|0|0) in diese Gleichung erhält man
d = 10 + 00 + 00=0
also: x 1 = 0

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 -9 -5 ) + r ( -8 0 0 ) + s ( 5 -2 -7 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( -8 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
( -8 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 = ( 4 0 -2 ) +t ( 5 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: 4 x 1 +a 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 -4 -1 ) ( 4 a 0 ) = 0

54 + (-4)a + (-1)0 = 0
20+a ⋅ (-4)+0 = 0 |-20
-4a = -20 | :(-4)
a = 5

Für a = 5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 +5 x 2 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (4|0|-2).

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

4 4 +5 0 = b

16+0+0 = b

16 = b

Mit b = 16 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 +5 x 2 = 16 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -5 x 1 +4 x 2 +3 x 3 = 3 und F: 10 x 1 +a 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:
( 10 a -6 ) = t⋅ ( -5 4 3 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = -2 ⋅ 4 = -8.

Für a = -8 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 10 x 1 -8 x 2 -6 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 10 x 1 -8 x 2 -6 x 3 = -6 , d.h. für b = -6 sind die beiden Ebenen identisch.