Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( -5 0 4 ) hat und den Punkt P(-1|2|-3) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( -5 0 4 ) besitzt, hat sie die Form E: -5 x 1 +4 x 3 = d .

Da der Punkt P(-1|2|-3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

5+0-12 = d

-7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -5 x 1 +4 x 3 = -7 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -15 ist und die den Punkt P(5|5|-5) enthält.

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

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

-10+25-25 = d

-10 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +5 x 2 +5 x 3 = -10 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|4|2) auf der Ebene E: 5 x 1 +a x 2 +5 x 3 = 43 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

55 + a4 + 52 = 43
25+a ⋅ 4+10 = 43 |-35
4a = 8 | :4
a = 2

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(-1|-5|3) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

-3-20-15 = d

-38 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 3 x 1 +4 x 2 -5 x 3 = -38 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -5 x 1 +2 x 2 = 2 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-x3-Ebene ist und den Punkt (2|1|1) beinhaltet.

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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 Punktes P(2|1|1) in diese Gleichung erhält man
d = 12 + 01 + 01=2
also: x 1 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 9 -6 -2 ) + r ( 3 -4 -1 ) + s ( 0 3 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 3 0 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x2-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x2-Achse.

2. Weg:

Da der 2. Spannvektor an zwei Stellen den Wert 0 hat, muss der Normalenvektor (der ja orthogonal zu den beiden Spannvektoren ist) an der x2-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 3 0 ) ( a 0 c ) =0 .

Also E: a x 1 +c x 3 = d

Wenn man jetzt aber die Spurpunkte der Ebene sucht, also auch x3 und x1 gleich 0 setzt, so erkennt man, dass die Ebene keinen Schnittpunkt mit der x2-Achse hat.

Also ist die Ebene parallel zur x2-Achse

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

(-4)a + (-2)0 + (-1)4 = 0
a ⋅ (-4)+0+(-4) = 0 |+4
-4a = 4 | :(-4)
a = -1

Für a = -1 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: - x 1 +4 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (0|-2|-3).

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

-1 0 +4 ( - 3 ) = b

0+0-12 = b

-12 = b

Mit b = -12 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 +4 x 3 = -12 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: -4 x 1 + x 2 +17 x 3 = 73 und F: 8 x 1 -2 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:
( 8 -2 a ) = t⋅ ( -4 1 17 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 3. Zeile: a = -2 ⋅ 17 = -34.

Für a = -34 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 8 x 1 -2 x 2 -34 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: 8 x 1 -2 x 2 -34 x 3 = -146 , d.h. für b = -146 sind die beiden Ebenen identisch.