Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

12+0-25 = d

-13 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -3 x 1 + x 2 +5 x 3 = -13 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -5 x 2 +3 x 3 = 12 ist und die den Punkt P(-4|-1|-2) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 0 -5 3 ) und damit die Form E: -5 x 2 +3 x 3 = d .

Da der Punkt P(-4|-1|-2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

0+5-6 = d

-1 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-2|1|4) auf der Ebene E: 5 x 1 +4 x 2 +a x 3 = 6 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

5(-2) + 41 + a4 = 6
-10+4+a ⋅ 4 = 6 |+6
4a = 12 | :4
a = 3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

-4 5 +4 2 +1 2 = d

-20+8+2 = d

-10 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -4 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 -4 0 ) , er steht also senkrecht auf der x1-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x1-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x1-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x1-x2-Ebene ist und den Punkt (1|1|4) beinhaltet.

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

Die Koordinatengleichung hat also die Form + x 3 = d . Durch Einsetzen des Punktes P(1|1|4) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 01 + 14=4
also: + x 3 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -5 -5 -5 ) + r ( 6 8 -5 ) + s ( 0 0 3 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( 0 0 3 ) und zeigt damit genau in gleiche Richtung wie die x3-Achse.

Damit ist die Ebene - unabhängig vom anderen Spannvektor - parallel zur x3-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 x3-Koordinate den Wert 0 haben, denn
( 0 0 3 ) ( a b 0 ) =0 .

Also E: a x 1 +b x 2 = d

Wenn man jetzt aber 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

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

Bestimme a und b so, dass die Gerade g: x = ( 5 1 2 ) +t ( 2 -4 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 -4 x 2 +6 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:

( 2 -4 -1 ) ( a -4 6 ) = 0

2a + (-4)(-4) + (-1)6 = 0
a ⋅ 2+16+(-6) = 0 |-10
2a = -10 | :2
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -5 x 1 -4 x 2 +6 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (5|1|2).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (5|1|2) in E: -5 x 1 -4 x 2 +6 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-5 5 -4 1 +6 2 = b

-25-4+12 = b

-17 = b

Mit b = -17 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 -4 x 2 +6 x 3 = -17 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 4 x 1 +2 x 2 -2 x 3 = -16 und F: a x 1 -4 x 2 +4 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 -4 4 ) = t⋅ ( 4 2 -2 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 4 = -8.

Für a = -8 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: -8 x 1 -4 x 2 +4 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -8 x 1 -4 x 2 +4 x 3 = 32 , d.h. für b = 32 sind die beiden Ebenen identisch.