Der Stützvektor der Ebene ist der Ortsvektor eines beliebigen Punktes der beiden Geraden, die die Ebene aufspannen. Die " Richtungs vektoren " einer Ebene werden als Spannvektoren bezeichnet. Sie sind Vielfache der Richtungsvektoren der aufspannenden Geraden. Punkt einer Ebene in Abhängigkeit der beiden Spannvektoren Lage einer Geraden bezogen zu einer Ebene Manchmal ist es von Interesse wie eine Gerade bezüglich einer Ebene verläuft. Im dreidimensionalen Raum gibt es dafür drei Möglichkeiten: Ebene und Gerade schneiden sich in einem Punkt. Ebene und Gerade schneiden sich in unendlich vielen Punkten. ⇔ Die Gerade verläuft in der Ebene. Ebene und Gerade schneiden sich nicht. ⇔ Die Gerade verläuft parallel zur Ebene. Man erhält eine Schnittgleichung, wenn man die Parameterform einer Geraden g mit der Parameterform einer Ebene E gleichsetzt. Gerade und Ebene schneiden sich Schnittgleichung bestimmen und umformen: LGS lösen: Schnittpunkt berechnen: Die Gerade g schneidet die Ebene E im Punkt: S(0|0|2) Gerade schneidet eine Ebene in einem Punkt Die Gerade liegt in der Ebene Das LGS hat unendlich viele Lösungen.
Für die Lage einer Geraden zu einer Ebene gibt es 3 Möglichkeiten: Die Gerade liegt in der Ebene drinnen Die Gerade ist parallel zur Ebene Die Gerade schneidet die Ebene Möchtet ihr die Lage einer Geraden zu einer Ebene bestimmen, geht ihr Schritt für Schritt so vor: Stellt sicher, dass die Ebene in Koordinatenform ist und die Gerade in Parameterform, wenn nicht müsst ihr diese noch umformen. Wie das geht, findet ihr im Artikel zum Umformen von Ebenengleichungen. Setzt die Geradengleichung in die Ebenengleichung ein (dabei ist die erste Zeile der Geradengleichung x1, die zweite Zeile x2, die 3. Zeile x3. (Im Beispiel könnt ihr euch dies noch genauer anschauen) Löst diese Gleichung und dann gibt es 3 Möglichkeiten, was ihr erhaltet: Die Gleichung ist für alle λ erfüllt, dass bedeutet ihr erhaltet ein Ergebnis, das wahr ist egal für welches λ. Z. B. 1=1 oder 2=2. In diesem Fall liegt die Gerade in der Ebene. Die Gleichung ist für kein λ erfüllt, dass bedeutet ihr erhaltet ein Ergebnis, das falsch ist egal für welches λ.
Gerade liegt parallel zur Ebene. Auch selbsterklärend. Hier gibt es keinen einzigen Schnittpunkt. Gerade schneidet Ebene. Hier gibt es nur einen einzigen Schnittpunkt. Die Möglichkeit, dass Gerade und Ebene windschief zueinander liegen, gibt es also auch hier nicht (genauso wie bei zwei Ebenen). 3. Gerade liegt in der Ebene Alle Punkte, die auf der Geraden liegen, liegen auch in der Ebene. Das heißt, dass die Gerade jeden ihrer Punkte mit der Ebene "teilt". Es gibt keinen Punkt auf der Geraden, der nicht auch in der Ebene liegt. Daher gibt es unendlich viele Schnittpunkte gibt. Es ist nicht schwer zu erkennen, ob eine Gerade in einer Ebene liegt - zumindest wenn man den Normalenvektor hat. Andernfalls empfiehlt es sich, diesen zu errechnen. Verfügt man über den Normalenvektor, dann muss man folgende zwei Bedingungen zutreffen: 1. Der Richtungsvektor der Geraden muss orthogonal zum Normalenvektor liegen. Ein Punkt der Gerade muss in der Ebene liegen. Gilt eine der beiden Bedinungen nicht, dann liegt die Gerade entweder parallel zur Ebene (Bedingung 1 gilt, 2 aber nicht), oder sie schneidet die Ebene (Bedingung 1 gilt nicht, Bedingung 2 gilt).
Beispiel 1: Gegeben sei eine Ebene mit der Gleichung 2x + 3y -5z + 2 = 0. Wie lautet der Normalenvektor? Beispiel 2: Gegeben sei die Gleichung einer Ebene in Parameterfom. Ein Normalenvektor dieser Ebene soll bestimmt werden. Lösung: Wir wandeln die Gleichung der Ebene zunächst in Koordinatenform um. Zum besseren Verständnis wird diese Lösung komplett hergeleitet. Wem dies nicht genügend, der sieht bitte in unseren Artikel Parametergleichung in Koordinatengleichung wandeln. Aus der Koordinatenform lesen wir im Anschluss den Normalenvektor ab. Links: Zur Mathematik-Übersicht
Gegeben ist folgende Ebene: $$ E: 3x_1 + 1x_2 - 5x_3 = -3 bzw. in Parameterdarstellung: E: \vec{x} = \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix} + r \begin{pmatrix} 3 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix} + s \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix} Wir untersuchen, die Lage der Geraden $g$ zur Ebene. g: \vec{x} = \begin{pmatrix} 4 \\ -5 \\ -1 \end{pmatrix} + k \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix} Verfahren 1: Koordinatenform Am einfachsten untersuchen Sie die Lage der Gerade zur Ebene mit Hilfe der Koordinatenform der Ebene. Wenn die Gerade parallel zur Ebene ist oder in der Ebene liegt, dann muss der Richtungsvektor der Geraden orthogonal zum Normalenvektor der Ebene sein. Dann ist das Skalarprodukt der beiden Vektoren null. \vec{n} = \begin{pmatrix} 3 \\ 1 \\ -5 \end{pmatrix} \vec{v_g} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix} Das Skalarprodukt ergibt. \vec{n} \cdot \vec{g} = 3 \cdot 1 + 1 \cdot 2 + (-5) \cdot 1 = 3 + 2 - 5 = 0 Also ist die Gerade parallel oder sogar in der Ebene. Dazu muss man noch die Punktprobe machen.