Aufgabenbeispiele von Ebenen bestimmen

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Ebene aus Normalenvektor und Pkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene E, die den Normalenvektor ( 2 0 -4 ) hat und den Punkt P(-2|-3|-3) enthält.

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Da E den Normalenvektor n = ( 2 0 -4 ) besitzt, hat sie die Form E: 2 x 1 -4 x 3 = d .

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

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

-4+0+12 = d

8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung E: 2 x 1 -4 x 3 = 8 .

parallele Ebene durch Punkt

Beispiel:

Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene F, die parallel zur Ebene E: 2 x 1 +4 x 3 = 20 ist und die den Punkt P(4|0|0) enthält.

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Jede zu E parallele Ebene hat den gleichen Normalenvektor n = ( 2 0 4 ) und damit die Form E: 2 x 1 +4 x 3 = d .

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

2 4 +4 0 = d

8+0+0 = d

8 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: 2 x 1 +4 x 3 = 8 .

Punktprobe in Ebene mit Parameter

Beispiel:

Für welches a liegt der Punkt P(0|2|-1) auf der Ebene E: 2 x 1 -5 x 2 +a x 3 = -9 ?

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Wir setzen einfach mal den Punkt P in E ein:

20 + (-5)2 + a(-1) = -9
0+(-10)+a ⋅ (-1) = -9 |+10
-1a = 1 | :(-1)
a = -1

Ebene aus orth. Geraden durch Punkt

Beispiel:

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

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Wenn E orthogonal zur Geraden g ist, so kann man den Richtungsverktor von g als Normalenvektor n = ( 0 3 -3 ) der gesuchten Ebene verwenden. Dadurch ergibt sich für die Koordinatengleichung der Ebene E: +3 x 2 -3 x 3 = d .

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

+3 4 -3 ( - 3 ) = d

0+12+9 = d

21 = d

Die gesuchte Ebene hat somit die Gleichung F: +3 x 2 -3 x 3 = 21 .

spezielle Ebenen

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: 3 x 1 = 0 ?

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Der Normalenvektor der Ebene ist n = ( 3 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 x2-x3-Ebene ist und den Punkt (4|2|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(4|2|4) in diese Gleichung erhält man
d = 14 + 02 + 04=4
also: x 1 = 4

spezielle Ebene in Parameterform

Beispiel:

Welche besondere Lage hat die Ebene E: x = ( 3 -8 3 ) + r ( -8 0 0 ) + s ( 1 -3 -2 ) ?

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1. Weg:

Der 1. Spannvektor ist ja ( -8 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 1. 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
( -8 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 = ( -5 -5 1 ) +t ( -2 0 -1 ) komplett in der Ebene E: a x 1 +2 x 2 -8 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 0 -1 ) ( a 2 -8 ) = 0

(-2)a + 02 + (-1)(-8) = 0
a ⋅ (-2)+0+8 = 0 |-8
-2a = -8 | :(-2)
a = 4

Für a = 4 ist also g parallel zu E oder liegt in E.
E hat dann also die Koordinatengleichung E: 4 x 1 +2 x 2 -8 x 3 = b .
Wenn g in E liegen soll, muss ja jeder Punkt von g in E liegen, also auch der Aufpunkt (-5|-5|1).

Wir müssen also nur den Aufpunkt (-5|-5|1) in E: 4 x 1 +2 x 2 -8 x 3 = b einsetzen, um noch das b zu bestimmen.

4 ( - 5 ) +2 ( - 5 ) -8 1 = b

-20-10-8 = b

-38 = b

Mit b = -38 ergibt sich somit als Koordinatengleichung für E: 4 x 1 +2 x 2 -8 x 3 = -38 .

Parameter für Lage von 2 Ebenen bestimmen

Beispiel:

Gegeben sind die Ebenen E: 5 x 1 +3 x 2 -4 x 3 = 0 und F: 15 x 1 +a 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:
( 15 a -12 ) = t⋅ ( 5 3 -4 )

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

Daraus ergibt sich aber in der 2. Zeile: a = 3 ⋅ 3 = 9.

Für a = 9 sind die Ebenen also parallel oder sogar identisch, für F gilt also
F: 15 x 1 +9 x 2 -12 x 3 = b .

Wenn man nun die Gleichung der Ebene E mit t = 3 durchmultipliziert, so erhält man
E: 15 x 1 +9 x 2 -12 x 3 = 0 , d.h. für b = 0 sind die beiden Ebenen identisch.