Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

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

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Da E den Normalenvektor n = ( -4 4 -5 ) besitzt, hat sie die Form E: -4 x 1 +4 x 2 -5 x 3 = d .

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

-4 2 +4 ( - 1 ) -5 ( - 1 ) = d

-8-4+5 = d

-7 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: -4 x 1 +4 x 2 -5 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 -4 x 3 = -21 ist und die den Punkt P(5|-1|-3) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( -2 5 -4 ) und damit die Form E: -2 x 1 +5 x 2 -4 x 3 = d .

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

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

-10-5+12 = d

-3 = d

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

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(-3|4|4) auf der Ebene E: a x 1 -2 x 2 +2 x 3 = 9 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

a(-3) + (-2)4 + 24 = 9
a ⋅ (-3)+(-8)+8 = 9 |-0
-3a = 9 | :(-3)
a = -3

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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

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

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

-20+12-6 = d

-14 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 5 x 1 +3 x 2 +3 x 3 = -14 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: - x 2 +3 x 3 = 1 ?

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Wenn man 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

spezielle Ebenen aufstellen

Beispiel:

Bestimme die Koordinatengleichung einer Ebene, die parallel zur x2-x3-Ebene ist und den Punkt (2|1|4) 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|4) in diese Gleichung erhält man
d = 12 + 01 + 04=2
also: x 1 = 2

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( -4 -7 8 ) + r ( -7 2 0 ) + s ( -3 -6 0 ) ?

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1. Weg:

Man kann erkennen, dass - egal was man für r und s einsetzt - der x3-Wert immer 8 bleibt. Man kann die Ebene also auch in der Form als x3 = 8 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 = ( -3 4 2 ) +t ( -3 -1 -1 ) komplett in der Ebene E: - 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:

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

(-3)(-1) + (-1)3 + (-1)a = 0
3+(-3)+a ⋅ (-1) = 0 |-0
-1a = 0 | :(-1)
a = 0

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

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

-1 ( - 3 ) +3 4 = b

3+12+0 = b

15 = b

Mit b = 15 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: - x 1 +3 x 2 = 15 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

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

Man erkent nun gleich, dass dies nur für t = -1 möglich ist.

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

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

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = -1 durchmultipliziert, so erhält man
E: 2 x 1 -2 x 2 -4 x 3 = -12 , d.h. für b = -12 sind die beiden Ebenen identisch.