Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

Da der Punkt P(0|5|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

-3 0 -3 5 +3 2 = d

0-15+6 = d

-9 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 -3 x 2 + x 3 = 8 ist und die den Punkt P(-5|-1|-1) enthält.

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

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

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

-10+3-1 = d

-8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 -3 x 2 + x 3 = -8 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|-3|-3) auf der Ebene E: -4 x 1 +a x 2 +5 x 3 = 8 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-4)(-2) + a(-3) + 5(-3) = 8
8+a ⋅ (-3)+(-15) = 8 |+7
-3a = 15 | :(-3)
a = -5

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

6-12-20 = d

-26 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -2 x 1 +3 x 2 +4 x 3 = -26 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +5 x 3 = 7 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 0 5 ) , 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 einer Ebene, die parallel zur x1-x3-Ebene ist und den Punkt (4|2|2) beinhaltet.

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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 Punktes P(4|2|2) in diese Gleichung erhält man
d = 04 + 12 + 02=2
also: + x 2 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 8 -5 -1 ) + r ( 0 4 8 ) + s ( 0 -4 -2 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x1-Wert immer 8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x1 = 8 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) .)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x1-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 1 0 0 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x1=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x2-x3-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

( 0 5 -3 ) ( -4 a -5 ) = 0

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

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

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

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

8-3-15 = b

-10 = b

Mit b = -10 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -4 x 1 -3 x 2 -5 x 3 = -10 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 -2 x 2 +4 x 3 = 30 und F: a x 1 -6 x 2 +12 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 12 ) = t⋅ ( 4 -2 4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 4 = 12.

Für a = 12 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 12 x 1 -6 x 2 +12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 12 x 1 -6 x 2 +12 x 3 = 90 , d.h. für b = 90 sind die beiden Ebenen identisch.