Mathematik Abitur
Ebenenbündel im Raum
Drei Ebenen eines Ebenenbündels mit ihren NormalenvektorenDrei Ebenen eines Ebenenbündels durch den Punkt P(1; 2; 3) und drei zu den Koordinatenebenen parallele Ebenen

Definition:
Die Menge der Ebenen des Raumes, die durch einen festen Punkt gehen, heißt Ebenenbündel (Bild 1).

Da der Punkt schon als Schnittpunkt von drei Ebenen des Bündels eindeutig bestimmt ist, kann man sagen, dass jedes Ebenenbündel im Raum durch drei seiner Ebenen eindeutig bestimmt ist (Bild 2). Allgemeiner lässt sich sogar feststellen, dass drei Ebenen des Raumes, die paarweise nicht parallel zueinander sind, ein Ebenenbündel eindeutig bestimmen.

Um eine analytische Beschreibung eines Ebenenbündels zu gewinnen, werden drei voneinander verschiedene Ebenen betrachtet, die durch den Punkt gehen. Jede dieser drei Ebenen lässt sich z. B. durch den Ortsvektor zum Punkt und einen zugehörigen Normalenvektor beschreiben (Bild 3).
Es ist dann

Jede andere Ebene durch kann ebenfalls durch den Ortsvektor zu und einen Normalenvektor beschrieben werden. Es gilt dann:

Weil paarweise nicht parallel zueinander sind, so sind auch nicht parallel zueinander, d.h., die drei Normalenvektoren sind linear unabhängig voneinander. Damit liegen diese drei Normalenvektoren auch nicht in einer gemeinsamen Ebene. Folglich lässt sich der Vektor als Linearkombination von auffassen:



Unter Verwendung dieses Resultats erhält man aus der obigen Gleichung von :

Damit lässt sich das durch bestimmte Ebenenbündel im Raum und damit jede Ebene durch als eine Linearkombination der Gleichungen von drei Ebenen des Bündels auffassen.

Satz:
Sind drei voneinander verschiedene Ebenen durch , so beschreibt
das zu gehörende Ebenenbündel.

Kennzeichnet man die drei paarweise zueinander nicht parallelen Ebenen durch ihre Gleichungen in allgemeiner Form, also

so beschreibt in analoger Weise



das durch bestimmte Ebenenbündel.

Damit kann man bei geeigneter Wahl von p, q und r mit



die Gleichung jeder Ebene durch den Schnittpunkt von beschreiben.

Zur Bestimmung von können die Gleichungen von als lineares Gleichungssystem mit drei Gleichungen und drei Unbekannten aufgefasst werden. Das Lösen dieses Systems bedeutet dann: Man bestimme die Gleichungen der drei Ebenen, des durch gebildeten Ebenenbündels, die zu den Koordinatenebenen parallel sind.

Beispiel:
Betrachtet man die drei Ebenen mit den Gleichungen
: 2x + 3y + 5z - 23 = 0,
: x - 2y - 3z + 12 = 0 und
: 2x - y + 3z - 9 = 0, (Bild 4)
so beschreibt
p(2x + 3y + 5z - 23) + q(x - 2y - 3z + 12) + r(2x - y + 3z - 9) = 0
bzw.
(2p + q + 2r)x + (3p - 2q - r)y + (5p - 3q + 3r)z - (23p - 12q + 9r) = 0 (*)
eine beliebige Ebene des Ebenenbündels, das durch aufgespannt wird. Zur Bestimmung der Koordinaten des Schnittpunkts von müssen die Gleichungen derjenigen Ebenen des Bündels bestimmt werden, die parallel zu den Koordinatenebenen sind.

* Die Gleichung der Ebene des Bündels, die zur xy-Ebene parallel ist, erhält man, wenn die Koeffizienten von x und y in (*) jeweils gleich 0 sind, also wenn 2p + q + 2r = 0 und 3p - 2q - r = 0 gilt. Daraus erhält man mit r als Parameter . Damit wird das Gleichungssystem z. B. von r = 7, p= - 3 und q = -8 erfüllt.
Setzt man diese Werte in (*) ein, so ergibt sich 30z - 90 = 0, woraus z = 3 als Gleichung der Ebene des Bündels folgt, die parallel zur xy-Ebene ist.

* Die Gleichung der Ebene des Bündels, die zur yz-Ebene parallel ist, erhält man, wenn die Koeffizienten von y und z in (*) jeweils gleich 0 sind, also wenn 3p - 2q - r = 0 und 5p - 3q + 3r = 0 gilt. Daraus erhält man mit r als Parameter p = -9r und q = -14r. Damit wird das Gleichungssystem z.B. von r = 3, p = -27 und q = -42 erfüllt.
Setzt man diese Werte in (*) ein, so ergibt sich -90x + 90 = 0, woraus x = 1 als Gleichung der Ebene des Bündels folgt, die parallel zur yz-Ebene ist.

* In analoger Weise wird die Gleichung derjenigen Ebene des Bündels berechnet, die parallel zur xz-Ebene ist. In diesem Fall müssen die Koeffizienten von x und z in (*) jeweils gleich 0 sein, also es muss 2p + q + 2r = 0 und 5p - 3q + 3r = 0 gelten. Daraus erhält man mit r als Parameter . Damit wird das Gleichungssystem z.B. von r = 11, p = -9 und q = -4
erfüllt.
Setzt man diese Werte in (*) ein, ergibt sich -30y + 60 = 0, woraus y = 2 als Gleichung der Ebene des Bündels folgt, die parallel zur xz-Ebene ist.

Damit ist (1; 2; 3) der Schnittpunkt der drei Ebenen .

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