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Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene

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Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene

In der Schule benutzt Du häufig Papier, um auf diesem mit einem Stift zu schreiben. Mit diesen beiden Dingen kannst Du Dir die Mathematik veranschaulichen. Insbesondere in der analytischen Geometrie kann ein Stück Papier und ein Stift Dir helfen, die Lage von Ebenen mit Geraden zu verstehen. Wenn Du mit Deinem Stift das Papier durchstichst, schneidet die Gerade (der Stift) die Ebene (das Papier). Du kannst den Stift auch auf das Papier legen. Dann liegt die Gerade in der Ebenen. Zum Schluss kannst Du den Stift parallel zum Papier halten. In dieses Mal berühren sich der Stift und das Papier nicht. In der Mathematik kannst Du dann den Abstand zwischen der Ebene (dem Papier) und der Geraden (dem Stift) berechnen. Wie Du das machst, erfährst Du in dieser Erklärung.

Grundlagenwissen Ebene Gerade

Bevor Du beginnst, mit Ebenen und Geraden zu rechnen, solltest Du wissen, was Geraden und Ebenen sind.

Eine Gerade g ist eine Linie, welche weder Anfangspunkt noch Endpunkt besitzt.

Sie wird definiert durch zwei Punkte, durch die sie verläuft, oder einen Punkt \(P\) und einen Vektor \(\vec {u}\).

Die Geradengleichung lautet:

\[g:\vec{x}=\vec{p}+ \lambda \cdot \vec{u}\]

Ebenen hingegen sind unbegrenzte, gerade Flächen und können mathematisch auf mehrere Weisen definiert werden.

Ebenen werden durch drei Punkte, welche nicht auf einer Geraden liegen, definiert.

Alternativ kann eine Ebene durch zwei nicht parallele Vektoren und einen Punkt dargestellt werden.

Des Weiteren lässt sich eine Ebene durch zwei parallele Geraden oder zwei sich schneidende Geraden veranschaulichen.

Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene Ebene Definition StudySmarterAbbildung 1: Ebene Definition

ParameterformNormalenformKoordinatenform
Die Parametergleichung (oder Vektorgleichung) besteht aus den beiden Spannvektoren und , den dazugehörigen Variablen s und t und dem Stützvektor oder . Die beiden Spannvektoren dürfen hier nicht parallel sein.Der Stützvektor und der Normalenvektor definieren die Normalenform. Der Normalenvektor steht auf allen Strecken der Ebene senkrecht.Die Koordinatenform bildet sich aus der ausmultiplizierten Normalenform.

Eine Ebene und eine Gerade haben eine bestimmte Lagebeziehung, wobei die Gerade

  • die Ebene schneiden kann.
  • in der Ebene liegen kann.
  • parallel zu der Ebene verlaufen kann.

Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene Lagebeziehung Gerade Ebene StudySmarterAbbildung 2: Lagebeziehung Ebene Gerade

Wie Du die Lagebeziehung von Ebene und Gerade bestimmst, erfährst Du in der Erklärung „Lagebeziehung Gerade Ebene“.

Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebenen berechnen

Eine Berechnung des Abstandes zwischen Gerade und Ebene ist sinnvoll, wenn die Ebene und die Gerade parallel zueinander verlaufen. Bei Parallelität hat jeder Punkt der Geraden denselben Abstand zur Ebene.

Nun gibt es zwei Methoden, wie Du den Abstand zwischen Ebene und Gerade berechnen kannst.

  • die hessesche Normalform
  • das Lotfußpunktverfahren

Diese beiden Methoden sollten Dir bereits aus der Berechnung vom Abstand von Punkt und Ebene bekannt vorkommen.

Wie Du den Abstand von Punkt und Ebene berechnest, erfährst Du in der Erklärung „Abstand Punkt Ebene“.

Hessesche Normalform

Die hessesche Normalform ist einerseits eine weitere Möglichkeit, die Ebene mathematisch darzustellen. Andererseits kannst Du mit ihr auch den Abstand von einer Ebene zu einem Punkt berechnen und infolgedessen den Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene.

Um den Abstand mit der hesseschen Normalform zu berechnen, gehst Du folgendermaßen vor:

  1. Du bestimmst einen beliebigen Punkt P der Geraden g.
  2. Schreibe die Ebene E in die Hessesche Normalform \(\frac{Ax+By+Cz+D}{\sqrt {A^2+B^2+C^2}}=0\) um.
  3. Setze den Punkt P in die Hessesche Normalform der Ebene E ein.
  4. Zum Schluss rechnest Du die Formel aus und erhältst den Abstand der Geraden g zu der parallelen Ebene E.

Bevor Du mit dieser Rechnung beginnst, solltest Du die Ebene in Koordinatenform haben. Wenn die Ebene Dir nicht in Koordinatenform vorliegt, musst Du sie umschreiben.

Wie Du die Ebenengleichungen umschreibst, erfährst Du in der Erklärung „Ebenengleichung umformen“.

Aufgabe 1

Berechne den Abstand der Geraden \(g:\vec{x}= \left(\begin{array}{c} 2 \\ -6 \\ 1 \end{array}\right)+ \lambda \cdot \left(\begin{array}{c} 1 \\ -3 \\ -\frac{10}{3} \end{array}\right)\) zu der parallelen Ebene \(E: -x+3y-3z=-4\).

Lösung

Als Erstes wählst Du Dir einen beliebigen Punkt P auf der Geraden g.

Du kannst den Stützvektor der Geradengleichung dafür nutzen.

\[P(2|-6|1)\]

Jetzt stellst Du die Hessesche Normalform der Ebene auf und vereinfachst so weit es geht.

\begin {align}\frac{Ax+By+Cz+D}{\sqrt {A^2+B^2+C^2}}&=0 \\\\ \frac{-x+3y-3z+4}{\sqrt {(-1)^2+3^2+(-3)^2}}&=0 \\\\ \frac{-x+3y-3z+4}{\sqrt {19}}&=0\end {align}

Zum Schluss setzt Du den Punkt P in die Hessesche Normalform ein und berechnest diese. Du erhältst den Abstand der Ebene zum Punkt P und somit den Abstand zwischen der Geraden und der Ebene.

\begin {align}d(E,P)&=\frac{|-x+3y-3z+4|}{\sqrt {19}} \\\\d(E,P)&=\frac{|-2+3\cdot(-6)-3\cdot 1+4|}{\sqrt {19}} \\\\d(E,P)&=\frac{|-19|}{\sqrt {19}}\\\\d(E,P)&= \sqrt{19}\,[LE] \approx {4,359}\,[LE]\end{align}

Der Abstand der Geraden g zur parallelen Ebene E beträgt rund 4,359 [LE].

Lotfußpunktverfahren

Mithilfe des Lotfußpunktverfahrens kannst Du den Abstand von parallelen Geraden und Ebenen berechnen.

Bevor Du mit den Berechnungen anfängst, musst Du wissen, was ein Lot ist.

Ein Lot ist eine Gerade l, die durch einen Punkt P senkrecht zu einer Ebene E verläuft. Die Gerade l steht im rechten Winkel auf der Ebene E.

Der Schnittpunkt des Lotes mit der Ebene E wird Lotfußpunkt genannt.

Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene Lotgerade StudySmarterAbbildung 3: Lotgerade

Du berechnest beim Lotfußpunktverfahren den Abstand zwischen einem Punkt auf der Geraden und einem Punkt auf der Ebenen, wobei dieser Punkt der Lotfußpunkt ist.

Mit den folgenden Schritten erhältst Du über das Lotfußpunktverfahren den Abstand einer Geraden und einer parallelen Ebene.

  1. Du stellst die Lotgerade auf. Der Normalenvektor der Ebene ist der Richtungsvektor und ein beliebiger Punkt P auf der Geraden g ist der Ortsvektor der Lotgerade.
  2. Berechne jetzt den Schnittpunkt S der Lotgerade mit der Ebene.
  3. Zum Schluss berechnest Du den Abstand zwischen dem Punkt P, dem Ortsvektor der Lotgerade, und dem Schnittpunkt S, von Lotgerade und Ebene.

In der Abbildung siehst Du das Lotfußpunktverfahren eingezeichnet. Bei der Strecke \(|\overrightarrow {SP}|\) handelt es sich, um die Strecke, die den Abstand zwischen der Geraden g und der Ebene E angibt.

Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene Lotfußpunktverfahren StudySmarterAbbildung 4: Lotfußpunktverfahren

Aufgabe 2

Berechne den Abstand der Ebene \(E:2x+y+2z=2\) zur parallelen Geraden \(g:\vec{x}= \left(\begin{array}{c} 2 \\ 0,75 \\ 2 \end{array}\right)+ \lambda \cdot \left(\begin{array}{c} -2 \\ 0 \\ 2 \end{array}\right)\).

Lösung

Als Erstes suchst Du Dir einen beliebigen Punkt auf der Geraden g.

Du kannst auch den Stützvektor der Geradengleichung nutzen.

\[P(2|0,75|2)\]

Jetzt stellst Du durch den Punkt P die Lotgerade auf. Der Punkt P ist der Stützvektor der Geradengleichung. Der Normalenvektor ist der Richtungsvektor der Gleichung.

Wenn Deine Ebenengleichung in Parameterform gegeben ist, musst Du diese erst die Normalenform oder Koordinatenform der Ebene berechnen. Wie Du das machst, erfährst Du in der Erklärung „Ebenengleichung umformen“.

\[l:\vec{x}= \left(\begin{array}{c} 2 \\ 0,75 \\ 2 \end{array}\right)+ \lambda \cdot \left(\begin{array}{c} 2 \\ 1 \\ 2 \end{array}\right)\]

Nun setzt Du die Lotgerade in die Ebenengleichung ein und stellst nach der Variablen der Geradengleichung um.

\begin{align}2x+y+2z&=2 \\2\cdot (2+2 \lambda )+(0,75+ \lambda) +2 \cdot (2+2 \lambda) &=2 \\4+4 \lambda +0,75+ \lambda +4+4\lambda &=2 \\9\lambda+8,75 &=2&|&-8,75 \\9\lambda&=-6,75 &|&:9\\\lambda &=-0,75\end{align}

Anschließend setzt Du den Wert für die Variable in die Lotgerade ein und berechnest den Ortsvektor eines Punkt S, welcher in der Ebene liegt und den kürzesten Abstand zu Punkt P hat.

\begin {align}l:\vec{x}&= \left(\begin{array}{c} 2 \\0,75 \\ 2 \end{array}\right)+ \lambda \cdot \left(\begin{array}{c} 2 \\ 1 \\ 2 \end{array}\right) \\\\l:\vec{x}&= \left(\begin{array}{c} 2 \\ 0,75 \\ 2 \end{array}\right)-0,75 \cdot \left(\begin{array}{c} 2 \\ 1 \\ 2 \end{array}\right) \\\\l:\vec{x}&= \left(\begin{array}{c} 0,5 \\ 0 \\ 0,5 \end{array}\right)\rightarrow S(0,5|0|0,5)\end {align}

Als Nächstes stellst Du den Vektor von Punkt P und S auf.

\begin {align}\overrightarrow {PS}&=\left(\begin{array}{c} 0,5-2 \\ 0-0,75 \\ 0,5-2 \end{array}\right) \\\\\overrightarrow{PS}&=\left(\begin{array}{c} -1,5 \\ -0,75 \\ -1,5 \end{array}\right)\end{align}

Zum Schluss berechnest Du über den Betrag des Vektors seine Länge. Diese Länge entspricht dem kürzesten Abstand zwischen der Geraden und der parallelen Ebene.

\begin{align}|\overrightarrow{PS}|&=\sqrt {(-1,5)^2+(-0,75)^2+(-15)^2} \\|\overrightarrow{PS}|&=\sqrt {2,25+0,5625+2,25} \\|\overrightarrow{PS}|&=\sqrt {5,0625} \\|\overrightarrow{PS}|&=2,25 \, [LE]\end {align}

Der Abstand zwischen der Ebene und der Geraden beträgt 2,25 LE.

Übungsaufgaben

Hier kannst Du Dein eben erlerntes Wissen testen.

Aufgabe 3

Berechne den Abstand der Ebene \(E:-2x+3y=-4\) zur parallelen Geraden \(g:\vec{x}= \left(\begin{array}{c} 0 \\ 0 \\ 3 \end{array}\right)+\lambda\cdot \left(\begin{array}{c} 0 \\ 0 \\ -4 \end{array}\right)\). Nutze das Lotfußpunktverfahren.

Lösung

Als Erstes wählst Du Dir einen beliebigen Punkt P auf der Geraden g.

\begin {align} P(0|0|3)\end {align}

Jetzt stellst Du die Lotgerade durch den Punkt P auf. Der Ortsvektor ist vom Punkt P und der Richtungsvektor der Normalenvektor der Ebene.

\begin{align} l:\vec{x}= \left(\begin{array}{c} 0 \\ 0 \\ 3 \end{array}\right)+\lambda\cdot \left(\begin{array}{c} -2 \\ 3 \\ 0 \end{array}\right)\end {align}

Setze nun die Lotgerade in die Ebenengleichung ein und berechne \(\lambda\).

\begin{align}-2x+3y&=-4 \\-2\cdot(-2\lambda)+3\cdot(3\lambda)&=-4 \\4\lambda+9\lambda&=-4 \\13\lambda&=-4 &|&:13 \\ \lambda &=-\frac{4}{13}\end{align}

Anschließend setzt Du den Wert für \(\lambda\) in die Lotgerade ein und berechnest den Ortsvektor eines Punkt S, welcher in der Ebene liegt und den kürzesten Abstand zu Punkt P hat.

\begin {align}l:\vec{x}&= \left(\begin{array}{c} 0 \\ 0 \\ 3 \end{array}\right)+\lambda\cdot \left(\begin{array}{c} -2 \\ 3 \\ 0 \end{array}\right) \\\\l:\vec{x}&= \left(\begin{array}{c} 0 \\ 0 \\ 3 \end{array}\right)-\frac{4}{13}\cdot \left(\begin{array}{c} -2 \\ 3 \\ 0 \end{array}\right) \\\\l:\vec{x}&= \left(\begin{array}{c} \frac{8}{13}\\ \frac{12}{13} \\ 3 \end{array}\right)\rightarrow S\left(\begin{array}{c}\frac{8}{13}|-\frac{12}{13}|3\end{array}\right)\end{align}

Als Nächstes stellst Du den Vektor von Punkt P und S auf.

\begin {align} \overrightarrow {PS}&=\left(\begin{array}{c}\frac{8}{13}-0 \\ -\frac{12}{13}-0 \\ 3-3 \end{array}\right) \\\\\overrightarrow {PS}&=\left(\begin{array}{c}\frac{8}{13} \\ -\frac{12}{13} \\ 0 \end{array}\right)\end {align}

Zum Schluss berechnest Du die Länge des Vektors \(\overrightarrow {PS}\).

\begin {align} |\overrightarrow {PS}|&=\sqrt {\left(\begin{array}{c}\frac{8}{13}\end{array}\right)^2+\left(\begin{array}{c} -\frac{12}{13}\end{array}\right)^2 +0^2} \\\\|\overrightarrow {PS}|&=\sqrt {\frac{64}{196}+\frac{144}{196}} \\\\|\overrightarrow {PS}|&= \frac {4\sqrt{13}}{13} \, [LE] \approx 1,094 \,[LE]\end {align}

Der Abstand zwischen der Ebene und der Geraden beträgt 1,094 [LE].

Aufgabe 4

Berechne den Abstand zwischen der Ebenen \(4x-5y-2z=6\) und der parallelen Geraden \(g:\vec{x}= \left(\begin{array}{c} 0 \\ 0 \\ 6 \end{array}\right)+\lambda\cdot \left(\begin{array}{c} 0,8 \\ -1 \\ 4,1 \end{array}\right)\) mithilfe der hesseschen Normalform.

Lösung

Zu Beginn wähle Dir einen beliebigen Punkt auf der Gerade g.

\begin{align}P(0|0|6)\end {align}

Jetzt schreibe die Ebene E in die hessesche Normalform um.

\begin {align}\frac{Ax+By+Cz+D}{\sqrt {A^2+B^2+C^2}}&=0 \\\\\frac{4x-5y-2z-6}{\sqrt {4^2+(-5)^2+(-2)^2}}&=0 \\\\\frac{4x-5y-2z-6}{\sqrt {45}}&=0\end {align}

Zum Schluss setze den Punkt P in die hessesche Normalform ein und berechne den Abstand der Geraden zur Ebene.

\begin {align}d(E,P)&= \frac{|4x-5y-2z-6|}{ \sqrt {45}} \\\\ d(E,P)&= \frac{|4 \cdot 0-5 \cdot 0-2 \cdot 6-6|}{ \sqrt {45}} \\\\ d(E,P)&= \frac {|-18|}{ \sqrt {45}} \\\\ d(E,P)&= \frac {6 \sqrt {5}}{5} \, [LE] \approx {2,683} \, [LE] \end{align}

Der Abstand der Geraden g zur parallelen Ebene E beträgt rund 2,683 [LE].

Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene – Das Wichtigste

  • Es gibt zwei Methoden, wie Du den Abstand zwischen Ebene und Gerade berechnen kannst.
    • die hessesche Normalform
    • das Lotfußpunktverfahren
  • Um den Abstand mit der hesseschen Normalform zu berechnen, gehst Du folgendermaßen vor:
    1. Du bestimmst einen beliebigen Punkt P der Geraden g.
    2. Schreibe die Ebene E in die Hessesche Normalform \(\frac{Ax+By+Cz+D}{\sqrt {A^2+B^2+C^2}}=0\) um.
    3. Setze den Punkt P in die Hessesche Normalform der Ebene E ein.
    4. Zum Schluss rechnest Du die Formel aus und erhältst den Abstand der Geraden g zu der parallelen Ebene E.
  • Mit den folgenden Schritten erhältst Du über das Lotfußpunktverfahren den Abstand einer Geraden und einer parallelen Ebene.
    1. Du stellst die Lotgerade auf. Der Normalenvektor der Ebene ist der Richtungsvektor und ein beliebiger Punkt P auf der Geraden g ist der Ortsvektor der Lotgerade.
    2. Berechne jetzt den Schnittpunkt S der Lotgerade mit der Ebene.
    3. Zum Schluss berechnest Du den Abstand zwischen dem Punkt P, dem Ortsvektor der Lotgerade, und dem Schnittpunkt S, von Lotgerade und Ebene.

Nachweise

  1. Faber (1971). Geometrie 1. Ernst Klett Verlag, Stuttgart.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene

Es gibt zwei Möglichkeiten, den Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene zu berechnen. 

Beim Lotfußpunktverfahren stellst Du eine Lotgerade auf und berechnest anschließend den Abstand der Schnittpunkte der Ebene und der Geraden mit der Lotgerade.

Bei der hesseschen Normalform schreibst Du die Ebenengleichung als hessesche Normalform um und setzt anschließend einen Punkt der Geraden in die Normalform ein. Wenn Du diese berechnest, erhältst Du den Abstand der Geraden zur Ebene.

Mit dem Lotfußpunktverfahren stellst Du den Abstand über die Schnittpunkte der Lotgerade mit der Ebene und Geraden auf. 

Wenn Du die hessesche Normalform nutzt, schreibst Du die Ebenengleichung in die hessesche Normalform um und setzt dann einen beliebigen Punkt der Gerade ein.

Finales Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene Quiz

Frage

Mithilfe welcher Methoden kannst Du den Abstand einer Geraden zu einer parallelen Ebene ermitteln?

Antwort anzeigen

Antwort

Lotfußpunktverfahren

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Frage

Wie kannst Du am leichtesten einen Punkt auf einer Geraden bestimmen?

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Antwort

Bei dem Stützvektor der Geraden handelt es sich um einen Punkt auf der Geraden. Diesen kannst Du einfach aus der Geradengleichung ablesen und musst nichts berechnen.

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Frage

Welchen Abstand hat eine in der Ebene liegende Gerade zur Ebene?

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Antwort

Die Ebene und Gerade haben einen Abstand von 0.

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Frage

Wie sind Ebenen definiert?

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Antwort

Ebenen sind unbegrenzte, gerade Flächen.

Ebenen werden durch drei Punkte, welche nicht auf einer Geraden liegen, definiert. Alternativ kann eine Ebene durch zwei nicht parallele Vektoren und einen Punkt dargestellt werden. Des Weiteren lässt sich eine Ebene durch zwei parallele Geraden oder zwei sich schneidende Geraden veranschaulichen.

Frage anzeigen

Frage

Welche Möglichkeiten der Lagebeziehung zwischen Ebene und Gerade gibt es?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Gerade kann parallel zur Ebene sein, die Ebene schneiden oder in der Ebene liegen.

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Frage

Beschreibe die Schritte zur Berechnung des Abstandes einer Geraden zu einer parallelen Ebene mithilfe der Hesseschen Normalform.

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Du bestimmst einen beliebigen Punkt P der Geraden g.
  2. Schreibe die Ebene E in die Hessesche Normalform um.
  3. Setze den Punkt P in die Hessesche Normalform der Ebene E ein.
  4. Zum Schluss rechnest Du die Formel aus und erhältst den Abstand der Geraden g zu der parallelen Ebene E.


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Frage

Beschreibe die Schritte zur Berechnung des Abstandes einer Geraden zu einer parallelen Ebene mithilfe des Lotfußpunktverfahrens.

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Du stellst die Lotgerade auf. Der Normalenvektor der Ebene ist der Richtungsvektor und ein beliebiger Punkt P auf der Geraden g ist der Ortsvektor der Lotgerade.
  2. Berechne jetzt den Schnittpunkt S der Lotgerade mit der Ebene.
  3. Zum Schluss berechnest Du den Abstand zwischen dem Punkt P, dem Ortsvektor der Lotgerade, und dem Schnittpunkt S, von Lotgerade und Ebene.

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Frage

Definiere das Lot.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Lot ist eine Gerade l, die durch einen Punkt P senkrecht zu einer Ebene E verläuft. Die Gerade l steht im rechten Winkel auf der Ebenen E.


Der Schnittpunkt des Lotes mit der Ebene E wird Lotfußpunkt genannt.

Frage anzeigen

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