Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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

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

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

6-3+10 = d

13 = d

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

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 +4 x 2 - x 3 = -18 ist und die den Punkt P(2|-4|2) enthält.

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

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

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

4-16-2 = d

-14 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

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

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

(-1)(-4) + (-1)(-5) + a1 = 5
4+5+a ⋅ 1 = 5 |-9
1a = -4 | :1
a = -4

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die orthogonal zur Geraden g: x = ( -2 -4 -1 ) +t ( 2 -2 -2 ) ist und die den Punkt P(-3|-3|-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 -2 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: 2 x 1 -2 x 2 -2 x 3 = d .

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

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

-6+6+2 = d

2 = d

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

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: -9 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( -9 0 0 ) , er steht also senkrecht auf der x2-x3-Ebene. Also muss die Ebene parallel zur x2-x3-Ebene sein.

Eine Punktprobe mit dem Ursprung O(0|0|0) zeigt, dass dieser auf der Ebene liegt. Also ist die Ebene die x2-x3-Ebene.

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x3-Achse ist und den Punkt (1|1|4) beinhaltet.

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Da die gesuchte Ebende parallel zur x3-Achse sein muss, darf sie keinen Spurpunkt mit der x3-Achse haben, das heißt, wenn man 0 für x1 und x2 einsetzt, muss c=0 sein, damit die ganze linke Seite immer 0 ist; und die Gleichung so zu einem Widerspruch 0=d führt.

(ansonsten könnte man ja a0 + b0 + cx3=d zu x3= d c umformen und würde einen Spurpunkt mit der x3-Achse erhalten)

Der Koeffizient c vor x3 muss also 0 sein. Die Gleichung der Ebene lautet dann
a⋅x1 + b⋅x2=d.

Punkt P(1|1|4) eingesetzt:
a⋅1 + b⋅1=d

a=1;b=1 und d=2 ist eine (von unendlich vielen) Möglichkeiten für diese Gleichung.
x1 + x2=2 ist also eine zur x3-Achse parallele Ebene, in der auch der Punkt P(1|1|4) liegt.

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -3 -7 7 ) + r ( 7 5 -3 ) + s ( -7 0 0 ) ?

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1. Weg:

Der 2. Spannvektor ist ja ( -7 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 2. 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
( -7 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 4 4 ) +t ( 3 -3 -1 ) komplett in der Ebene E: -2 x 1 +a x 2 +9 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:

( 3 -3 -1 ) ( -2 a 9 ) = 0

3(-2) + (-3)a + (-1)9 = 0
-6+a ⋅ (-3)+(-9) = 0 |+15
-3a = 15 | :(-3)
a = -5

Für a = -5 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: -2 x 1 -5 x 2 +9 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-4|4|4).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-4|4|4) in E: -2 x 1 -5 x 2 +9 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

-2 ( - 4 ) -5 4 +9 4 = b

8-20+36 = b

24 = b

Mit b = 24 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: -2 x 1 -5 x 2 +9 x 3 = 24 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 17 x 1 -4 x 2 - x 3 = -67 und F: a x 1 +8 x 2 +2 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 8 2 ) = t⋅ ( 17 -4 -1 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 1. Zeile: a = -2 ⋅ 17 = -34.

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -2 durchmultipliziert, so erhält man
E: -34 x 1 +8 x 2 +2 x 3 = 134 , d.h. für b = 134 sind die beiden Ebenen identisch.