Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

Lösung einblenden

Da E den Normalenvektor n = ( 3 4 4 ) besitzt, hat sie die Form E: 3 x 1 +4 x 2 +4 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.

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

-15-20+20 = d

-15 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 3 x 1 +4 x 2 +4 x 3 = -15 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: -4 x 1 -2 x 2 -2 x 3 = 25 ist und die den Punkt P(-4|-3|2) enthält.

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

Da der Punkt P(-4|-3|2) auf der gesuchten Ebene liegen soll, können wir diesen einfach einsetzen, um das d zu bestimmen.

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

16+6-4 = d

18 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: -4 x 1 -2 x 2 -2 x 3 = 18 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(5|-1|5) auf der Ebene E: a x 1 +5 x 2 +5 x 3 = 15 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a5 + 5(-1) + 55 = 15
a ⋅ 5+(-5)+25 = 15 |-20
5a = -5 | :5
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -4 1 -1 ) +t ( 5 0 -1 ) ist und die den Punkt P(3|2|3) enthält.

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 5 0 -1 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 5 x 1 - x 3 = d .

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

5 3 -1 3 = d

15+0-3 = d

12 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 - x 3 = 12 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: +3 x 2 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 0 3 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-x3-Ebene ist und den Punkt (1|1|3) 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(1|1|3) in diese Gleichung erhält man
d = 01 + 11 + 03=1
also: + x 2 = 1

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 4 4 -5 ) + r ( -7 -4 0 ) + s ( 8 9 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer -5 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = -5 als Koordinatenebene darstellen. (Damit ist dann der Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

2. Weg:

Da beide Spannvektoren an der x3-Stelle den Wert 0 haben, kann man leicht den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) bestimmen. Damit muss die Ebene die Form x3=c haben. (Mit Punktprobe des Aufpunkts von E erkennt man dann ...)

E ist also parallel zur x1-x2-Ebene.

Parameter bestimmen, dass g in E liegt

Beispiel:

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

2(-5) + 33 + (-1)a = 0
-10+9+a ⋅ (-1) = 0 |+1
-1a = 1 | :(-1)
a = -1

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

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

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

10-6+4 = b

8 = b

Mit b = 8 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -5 x 1 +3 x 2 - x 3 = 8 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 41 x 1 -4 x 2 +5 x 3 = 77 und F: a x 1 -12 x 2 +15 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 -12 15 ) = t⋅ ( 41 -4 5 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = 3 ⋅ 41 = 123.

Für a = 123 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 123 x 1 -12 x 2 +15 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 123 x 1 -12 x 2 +15 x 3 = 231 , d.h. für b = 231 sind die beiden Ebenen identisch.