Mathematik lernen · Oberstufe
Ebenen im Raum
Eine Ebene lässt sich auf drei Arten beschreiben. Du lernst Parameterform, Normalenform und Koordinatenform, wandelst sie ineinander um, bestimmst Spurpunkte und untersuchst, wie eine Gerade oder eine zweite Ebene zu ihr liegt.

Eine Ebene im Raum ist eine ebene, unbegrenzt ausgedehnte Fläche, so wie eine unendlich große, glatte Tischplatte. Sie ist durch drei Punkte festgelegt, die nicht auf einer Geraden liegen. Genauso reicht ein Punkt und zwei Richtungen aus, oder ein Punkt und eine Richtung, die senkrecht auf der Ebene steht. Aus diesen Möglichkeiten entstehen drei Gleichungsformen.
Du solltest Geraden in Parameterform, das Skalarprodukt und das Kreuzprodukt kennen. Das Beispiel, das sich durch die Seite zieht, hat die Punkte A(1|0|2), B(3|1|0) und C(0|2|1).
Parameterform und Ebene aus drei Punkten
Wie bei der Geraden startest du bei einem festen Punkt, dem Stützvektor . Du darfst aber in zwei Richtungen gehen, die durch die Richtungsvektoren und gegeben sind. Die Zahlen s und t heißen Parameter und dürfen beliebige reelle Zahlen sein.
Die Vektoren und dürfen nicht parallel sein, sonst entsteht nur eine Gerade. Hast du drei Punkte A, B, C, die nicht auf einer Geraden liegen, nimmst du A als Stützpunkt und die Verbindungsvektoren und als Richtungen.
Normalenvektor und Normalenform
Ein Normalenvektor steht senkrecht auf der Ebene, also senkrecht auf beiden Richtungsvektoren. Du bekommst ihn mit dem Kreuzprodukt: . Sein Betrag ist die Fläche des Parallelogramms aus und .
Ein Punkt mit dem Ortsvektor liegt genau dann in der Ebene, wenn der Vektor von einem festen Punkt der Ebene zu ihm senkrecht auf steht. Senkrecht heißt: Das Skalarprodukt ist 0.
Koordinatenform
Multiplizierst du die Normalenform aus, bekommst du eine Gleichung nur in den Koordinaten x, y, z. Mit gilt . Die rechte Seite ist eine feste Zahl d.
Umrechnen zwischen den Formen
| Von | Nach | Vorgehen |
|---|---|---|
| Parameterform | Normalenform | berechnen, übernehmen |
| Normalenform | Koordinatenform | ausmultiplizieren: |
| Parameterform | Koordinatenform | erst und , dann |
| Koordinatenform | Normalenform | ablesen, einen Punkt der Ebene suchen |
| Koordinatenform | Parameterform | drei Punkte der Ebene suchen, oder zwei Vektoren senkrecht zu bestimmen |
Die letzte Zeile ist die einzige, die etwas Suche verlangt. Es gibt zwei Wege.
- Drei Punkte: Wähle zwei Koordinaten frei und rechne die dritte aus, oder nimm die Spurpunkte (siehe unten).
- Zwei Richtungen: Für mit sind und zwei Vektoren, die senkrecht auf stehen, denn und . Einen Stützpunkt suchst du dazu.
Punktprobe
Ob ein Punkt in der Ebene liegt, prüfst du am einfachsten in der Koordinatenform: Du setzt die Koordinaten ein.
Spurpunkte und Spurgeraden
Die Spurpunkte sind die Punkte, in denen die Ebene die Koordinatenachsen schneidet. Für den Schnittpunkt mit der x-Achse setzt du und , bei den anderen Achsen entsprechend. Die Spurgeraden sind die Schnittgeraden der Ebene mit den Koordinatenebenen. Sie verbinden je zwei Spurpunkte.
Zeichnest du die drei Spurpunkte und verbindest sie, siehst du ein Dreieck, das die Lage der Ebene gut zeigt. Hat die Gleichung keine x-Komponente, wie bei , ist die Ebene parallel zur x-Achse. Dann gibt es keinen Spurpunkt auf dieser Achse.
Lage von Gerade und Ebene
Eine Gerade und eine Ebene können sich auf drei Arten zueinander verhalten. Setze die Gerade in die Ebenengleichung ein. Das ergibt .
| Bedingung | Lage |
|---|---|
| genau ein Schnittpunkt, t ist eindeutig | |
| und | parallel, kein Schnittpunkt |
| und | die Gerade liegt in der Ebene |
Den Spurpunkt kannst du ebenso bekommen: Die x-Achse ist die Gerade mit und . Dann ist , also .
Lage zweier Ebenen
Zwei Ebenen vergleichst du über ihre Normalenvektoren.
- Sind die Normalenvektoren Vielfache voneinander, sind die Ebenen parallel oder identisch. Identisch sind sie, wenn auch die Zahlen d im selben Verhältnis stehen.
- Sind sie keine Vielfachen, schneiden sich die Ebenen in einer Schnittgeraden. Ihre Richtung ist .
Schnittwinkel
Winkel zwischen Geraden und Ebenen bestimmst du mit dem Skalarprodukt der Normalen- und Richtungsvektoren. Der Betrag sorgt dafür, dass du den spitzen Winkel bekommst.
Abstände (Ausblick)
Den Abstand eines Punktes P von der Ebene erhältst du aus der Koordinatenform: . Für und ist das . Wie das genau funktioniert und wie du Abstände von Geraden bestimmst, steht auf der Seite Abstände im Raum.
Typische Fehler
Übungen
Mehr Aufgaben findest du unter Ebenen im Raum: Aufgaben. Zum Nachrechnen eignet sich der Vektorrechner, und für Umrechnungen und Spurpunkte der Ebenenrechner.
Geschichte: von Euklid zur Vektorgeometrie
Die Ebene und ihre Senkrechte sind alt. Schon Euklid definiert im 11. Buch der Elemente (Definition 3), wann eine Gerade auf einer Ebene senkrecht steht: wenn sie mit allen Geraden der Ebene, die sie trifft, einen rechten Winkel bildet. Das ist die Idee des Normalenvektors.
Rechnen konnte man mit Ebenen erst, als Koordinaten erfunden waren. René Descartes veröffentlichte 1637 in La Géométrie die Idee, Kurven durch Gleichungen zu beschreiben, und Pierre de Fermat kam um 1636 unabhängig zu denselben Grundsätzen. Systematisch auf Flächen im Raum übertrug Leonhard Euler diese Methode, vor allem bei den Flächen zweiter Ordnung. Die Vektorschreibweise, mit der du heute eine Ebene kurz aufschreibst, entstand im 19. Jahrhundert: William Rowan Hamilton prägte die Wörter „Skalar“ und „Vektor“, und Josiah Willard Gibbs und Oliver Heaviside trennten in den 1880er-Jahren Skalarprodukt und Kreuzprodukt voneinander ab.
Häufige Fragen
Warum hat die Parameterform einer Ebene zwei Parameter?
Eine Gerade hat eine Richtung, also einen Parameter. Eine Ebene ist flach und hat zwei unabhängige Richtungen. Für jeden Punkt in der Ebene brauchst du deshalb zwei Zahlen.
Welche Form soll ich verwenden?
Für die Punktprobe, Spurpunkte und die Lage zu einer Geraden eignet sich die Koordinatenform am besten. Die Parameterform brauchst du, wenn Punkte der Ebene erzeugt werden sollen oder die Ebene aus drei Punkten entsteht.
Was bedeutet es, wenn in der Koordinatenform eine Variable fehlt?
Dann steht die Ebene parallel zur entsprechenden Achse. Bei fehlt das x, die Ebene ist parallel zur x-Achse. Fehlen zwei Variablen, wie bei , ist sie parallel zu einer Koordinatenebene.
Quellen und weiterführende Literatur
- Wikipedia: Ebenengleichung
- David E. Joyce: Euclid’s Elements, Book XI (englisch)
- Gerd Fischer: Analytische Geometrie. Eine Einführung für Studienanfänger, Vieweg, Braunschweig und Wiesbaden 2001.
- Carl B. Boyer: History of Analytic Geometry, Scripta Mathematica, New York 1956.



