Lagebeziehung zweier Ebenen
Überblick zu den Inhalten in diesem Kapitel
Wir haben gesehen, dass man eine Ebene in einem 3-dimensionalen Koordinatensystem sowohl mithilfe von
- vektoriellen Gleichungen („Parameterform“ der Ebenengleichung) also auch mithilfe
- einer einzigen linearen Gleichungen („Koordinatenform“ der Ebenengleichung)
darstellen kann. Damit ist gemeint, dass sich alle Punkte dieser Ebene mit allen Elementen der Lösungsmenge von jeder dieser Gleichungen identifizieren lassen.
Ebenso wie bei 2 Geraden kann man auch die Lagebeziehung zweier Ebenen rechnerisch mithilfe ihrer Gleichungen untersuchen.
Dieses Kapitel handelt von
- von der Untersuchung der Lagebeziehungen zweier Ebenen und
- von der Ermittlung der Schnittmenge beider Ebenen, die eine wichtige Rolle bei der Untersuchung der Lagebeziehung spielt.
Mögliche Lagebeziehungen zweier Ebenen
Zwei Ebenen können im 3-Dimensionalen folgende Lagebeziehungen haben:
E und F sind identisch.

E und F sind echt parallel

E und F schneiden sich in genau einer Geraden.

Aufgabe
a) Beschreiben Sie für jede der 3 möglichen Lagebeziehungen die jeweilige Schnittmenge.
b) Entscheiden Sie, ob mit der Angabe der Schnittmenge die jeweilige Lagebeziehung der beiden Ebenen eindeutig beschrieben wird.
Graphische Untersuchung der Lagebeziehung zweier Ebenen
Verändern Sie die Lage der beiden Ebenen in dem folgenden Geogebra-Applet, indem Sie die Punkte A, B, C bzw. P, Q, R mithilfe der Maus verschieben.
Das Applet zeigt Ihnen sofort mögliche Ebenengleichungen an entweder in
- vektorieller Form (sog. Parameterform) oder in
- Koordinatenform
(das können Sie selber auswählen). Ebenso werden die Lagebeziehung der Ebenen und gegebenenfalls die Gleichung einer eventuellen Schnittgeraden angegeben.
Versuchen Sie, die 3 verschiedenen Lagebeziehungen zu erzeugen:
- identisch
- echt parallel
- in einer Geraden schneidend
Beobachten Sie dabei die zugehörigen Ebenengleichungen. Überprüfen Sie, ob Sie anhand der Koordinatengleichungen der Ebenen erkennen können, ob die Ebenen identisch, parallel oder keines von beidem sind.
Die Punkte sind zwecks einfacherer Positionierung an verschiedene Seitenflächen des Hilfsquaders gebunden, aber Sie können diese Bindung auch ausschalten.
Erste Überlegungen zur Untersuchung der Lagebeziehung zweier Ebenen
Um die Lagebeziehung der beiden Ebenen zu bestimmen, werden wir versuchen, die Schnittmenge der beiden Ebenen zu ermitteln, da wir dann immerhin schon erkennen können, ob beide Ebenen keinen oder unendlich viele Punkte gemeinsam haben.
Dazu kann man
- von beiden Ebenen die vektoriellen Ebenengleichungen (dauert am längsten),
- von der einen Ebene die vektorielle Ebenengleichung, von der anderen Ebene die Koordinatengleichung (geht etwas schneller)
- von beiden Ebenen jeweils die Koordinatengleichung (am schnellsten)
verwenden.
Wir erhalten somit ein Gleichungssystem, dessen Lösungsmenge wir bestimmen müssen. Bereits an der Art der Lösungsmenge wird die Lagebeziehung der beiden Ebenen erkennbar sein:
- Ist die Lösungsmenge leer, so müssen beide Ebenen echt parallel sein.
- Besitzt die Lösungsmenge genau einen frei wählbaren Parameter, so schneiden sich beide Ebenen in einer gemeinsamen Geraden.
- Besitzt die Lösungsmenge zwei frei wählbare Parameter, so sind die Ebenen identisch.
Bemerkung:
Die Erfahrung zeigt: Je mehr Gleichungen in Koordinatenform vorliegen, desto schneller läuft der Rechenweg ab. Wenn beide Ebenengleichung in Koordinatenform vorliegen, kann man die Lagebeziehung sogar nahezu sofort erkennen.
Vorgehensweisen zur Ermittlung der Lagebeziehung zweier Ebenen
Die Antworten zu folgenden Fragen erläutern die Vorgehensweise zur Ermittlung der Schnittmenge zweier Ebenen.
1) Wie kann man mithilfe eines Gleichungssystems vorgehen, um die Lagebeziehung zweier Ebenen zu ermitteln, wenn von beiden Ebenen die Gleichung in vektorieller Form vorliegt?
2) Wie kann man mithilfe eines Gleichungssystems vorgehen, um die Lagebeziehung zweier Ebenen zu ermitteln, wenn
- von der einen Ebene die Gleichung in vektorieller Form und
- von der anderen Ebene die Gleichung in Koordinatenform
vorliegt?
3) Wie kann man mithilfe eines Gleichungssystems vorgehen, um die Lagebeziehung zweier Ebenen zu ermitteln, , wenn von beiden Ebenen die Gleichung in Koordinatenform vorliegt?
Erinnerung: Lösen von Gleichungssystemen
Da für die Ermittlung der Schnittmenge zweier Ebenen die Fähigkeit, Gleichungssysteme effizient lösen zu können, von entscheidender Bedeutung ist, können Sie hier noch einmal Ihre Kenntnisse dazu auffrischen.
Wählen Sie zwischen oder .
Ermittlung der Schnittmenge und Erkennen der Lagebeziehung zweier Ebenen
In dem folgenden Geogebra-Applet wird für zufällige Situationen vorgeführt, wie man vorgehen kann, um die Lagebeziehung zweier Ebenen zu ermitteln. Dabei wird jeweils
- die Schnittmenge beider Ebenen mithilfe eines geeigneten Gleichungssystems ermittelt und
- anschließend anhand der Lösungsmenge beschrieben, welche Lagebeziehung vorliegt.
WICHTIG:
Verfolgen Sie die Lösungswege für verschiedene Situationen (dazu auf die Neu-Schaltfläche klicken), und zwar so oft, bis Sie alle möglichen Fälle (identisch, echt parallel, in einer Geraden schneidend – in Kombination mit: beide Ebenengleichungen in Parameterform, beide in Koordinatenform, beide in verschiedenen Formen) nachvollziehen konnten.
Anleitung:
- Zu jeder Situation können Sie sich einen Lösungsweg Schritt für Schritt vorführen lassen. Klicken Sie dazu auf die Schaltfläche mit dem Pfeil nach rechts. . Falls Sie die Aufgabe selber lösen wollen, überlegen Sie vor jedem weiteren Schritt, ob Sie nicht doch vielleicht ohne weitere Tipps auskommen.
- Falls die Aufgabenstellung oder die Lösung nicht vollständig angezeigt wird (insbesondere, wenn Sie das Gefühl haben, dass am Ende der Lösung eine Folgerung fehlt), können Sie die Trennlinie zwischen dem Aufgaben- und dem Lösungsbereich und der 3D-Graphik mithilfe der Maus verschieben
- Falls Sie die 3D-Graphik dazuschalten, müssen Sie im 3D-Fenster evtl. zoomen, um die Ebenen zu sehen (Klicken Sie dazu auf die Graphik-Schaltfläche).
Wählen Sie mithilfe der folgenden Schaltflächen, in welcher Form die beiden Ebenengleichungen vorliegen sollen (Solange Sie NICHT auf die Neu-Schaltfläche klicken, werden die beiden Ebenen dadurch nicht verändert, nur die Darstellungsform der Gleichungen wird geändert):
Sie können die Darstellungsform der Gleichungen auch im Auswahlmenü des Geogebra-Applets verändern.