Ebene (Mathematik)

Die Ebene ist ein Grundbegriff der Geometrie. Allgemein handelt es sich um ein unendlich ausgedehntes flaches zweidimensionales Objekt.

Hierbei bedeutet unendlich ausgedehnt und flach, dass zu je zwei Punkten auch eine durch diese verlaufende Gerade komplett in der Ebene liegt. Zweidimensional bedeutet, dass - abgesehen von enthaltenen Geraden - kein echter Teilraum ebenfalls diese Eigenschaft hat.

Konkreter bezeichnet man mit Ebene je nach Teilgebiet der Mathematik allerdings durchaus verschiedene Objekte.

Ebene als eigenständiges Objekt

In der klassischen Geometrie etwa im Sinne von Euklids Elementen bildet die (euklidische) Ebene - in diesem Zusammenhang üblicherweise mit dem bestimmten Artikel bezeichnet - den Rahmen geometrischer Untersuchungen, etwa für Konstruktionen mit Zirkel und Lineal. Man kann sie sich vorstellen als Abstraktion der Zeichenebene (Papier) als unendlich ausgedehnt und unendlich flach, so wie die Gerade eine als unendlich dünn und unendlich lang vorgestellte Abstraktion des gezeichneten Strichs (Bleistiftlinie) ist. Die euklidische Geometrie wird heutzutage durch Hilberts Axiomensystem der euklidischen Geometrie beschrieben.

Ergänzt man Euklids affine Ebene um eine unendlich ferne Gerade und auf ihr liegende unendlich ferne Punkte, erhält man eine projektive Ebene.

Schwächt man das Hilbertschen Axiomensystem ab, so sind sogar endliche Strukturen möglich, die auch als affine oder projektive Ebene bezeichnet werden. Die Abbildung rechts zeigt eine endliche projektive Ebene mit sieben Punkten und sieben Geraden. Durch Entfernen einer beliebigen Gerade und der auf ihr liegenden Punkte erhält man eine endliche affine Ebene mit vier Punkten und sechs Geraden.

Seit Descartes die euklidische Ebene mit Koordinaten versehen hat, kann man die Euklidische Ebene identifizieren mit der Menge $\backslash mathbb\; R^2$ aller Paare reeller Zahlen. Oder andersherum: $\backslash mathbb\; R^2$ bildet ein Modell für die Hilbertschen Axiome der Ebene. Dieser reelle Vektorraum wird daher ebenfalls als Ebene bezeichnet. Auch die projektive Ebene lässt sich algebraisch beschreiben, nämlich als die Menge aller eindimensionalen Unterräume im $\backslash mathbb\; R^3$. Man fasst also die durch den Ursprung verlaufenden Geraden als Punkte der projektiven Ebene auf. Die Geraden der projektiven Ebene sind dann genau die zweidimensionalen Untervektorräume von $\backslash mathbb\; R^3$, also die durch den Ursprung verlaufenden „herkömmlichen“ Ebenen.

In Verallgemeinerung hiervon wird auch für beliebige Körper $K$ der zweidimensionale Vektorraum $K^2$ als affine Ebene bezeichnet; entsprechend für die projektive Ebene. Man beachte: Ist $K$ der Körper $\backslash mathbb\; C$ der komplexen Zahlen, die ja durch die Gaußsche Zahlenebene veranschaulicht werden, so ist bereits $\backslash mathbb\; C$ (reell) zweidimensional, wird aber als komplexe Gerade bezeichnet. Die Ebene $\backslash mathbb\; C^2$ ist reell vierdimensional, aber nur ein zweidimensionaler komplexer Vektorraum. Der Körper $K$ kann auch ein endlicher Körper sein. Im Fall $K=\backslash mathbb\; F\_2$ erhält man die oben beschriebene kleinste endliche affine Ebene mit vier Punkten bzw. die projektive Ebene mit sieben Punkten.

Ebene als Teilraum

Betrachtet man höherdimensionale geometrische Räume, so bezeichnet man jeden Teilraum, der isomorph zu einer Ebene im obigen Sinne ist, als eine Ebene. In einem dreidimensionalen Euklidischen Raum ist eine Ebene dabei festgelegt durch

• drei nicht kollineare Punkte
• eine Gerade und einen nicht auf ihr liegenden Punkt
• zwei sich schneidende Geraden oder
• zwei parallele Geraden

Liegen zwei Geraden windschief zueinander, so liegen sie dagegen nicht in einer gemeinsamen Ebene. Stattdessen gibt es dann zwei parallele Ebenen, deren jede je eine der Geraden enthält.

Zwei verschiedene Ebenen sind entweder parallel oder schneiden sich in einer Geraden, sie können im (dreidimensionalen) Raum also nicht windschief zueinander liegen. Im ersten Fall ist jede zur ersten Ebene senkrechte Gerade auch senkrecht zur zweiten. Die Länge der Strecke, die die Ebenen auf solch einer Geraden begrenzen, bezeichnet man als den Abstand der Ebenen. Im zweiten Fall betrachtet man eine zur Schnittgeraden senkrechte Ebene. Mit dieser schneiden sich die beiden ersten Ebenen in zwei Geraden. Den Winkel zwischen diesen Geraden bezeichnet man als Winkel zwischen den beiden Ebenen.

Nach Einführung von kartesischen Koordinaten bildet nicht nur jeder zweidimensionale Untervektorraum von $\backslash mathbb\; R^n$ (bzw. $K^n$) eine Ebene, sondern auch Translate hiervon, die den Ursprung nicht enthalten, das sind die affinen zweidimensionalen Unterräume.

Nicht jedes unter den Begriff der Ebene fallende mathematische Objekt lässt sich als Teilraum eines entsprechenden höherdimensionalen Raumes auffassen. So ist etwa die Moulton-Ebene eine affine Ebene, in der der Satz von Desargues nicht gilt, während er in jedem dreidimensionalen affinen Raum – und damit in jeder enthaltenen Ebene – immer gilt.

Ebenengleichung

Im Falle einer Teilebene höherdimensionale Räume, insb. des $\backslash Bbb\; R^n$, lässt sich diese Ebene auf verschiedene Weise beschreiben durch geeignete Gleichungen für den Ortsvektor $\backslash vec\; r$ bzw. für die Koordinaten $x,y,z$ (ggf. weitere).

Gleichungen im dreidimensionalen Raum

Bekannt ist vor allem die Normalenform, welche sich eines Normalenvektors $\backslash vec\; n$ der Ebene bedient. Weiter wird eine Zahl $\backslash lambda$ angegeben, um die Position der Ebene zu bestimmen, da der Normalenvektor nur die Schräglage der Ebene festlegt; er definiert eine Schar von parallelen Ebenen. Die Vektoren $\backslash vec\; q$ vom Ursprung zu einem Punkt auf der Ebene erfüllen dann die Gleichung

$\backslash vec\; n\; \backslash cdot\; \backslash vec\; q\; =\; \backslash lambda$.

Beispiel:

$\backslash vec\; n\; =\; \backslash begin\{pmatrix\}\; 1\; \backslash \backslash \; -2\; \backslash \backslash \; 3\; \backslash end\{pmatrix\}\; ,\; \backslash ;\; \backslash vec\; q\; =\; \backslash begin\{pmatrix\}\; x\; \backslash \backslash \; y\; \backslash \backslash \; z\; \backslash end\{pmatrix\}\; ,\; \backslash ;\; \backslash lambda\; =\; 5\; \backslash ;\; :\; \backslash quad\; x-2y+3z=5$

Eine andere gängige Variante ist die Parameterdarstellung, bei welcher ein Punkt $P$ auf der Ebene gegeben ist und zwei auf der Ebene verlaufende linear unabhängige Vektoren $\backslash vec\; v\_1,\; \backslash vec\; v\_2$. Das Kreuzprodukt dieser beiden Vektoren ergibt einen Normalenvektor:

$\backslash vec\; v\_1\; \backslash times\; \backslash vec\; v\_2\; =\; \backslash vec\; n$.

Die Ebene wird definiert durch die Gleichung

$\backslash vec\; q\; =\; P\; +\; s\; \backslash cdot\; \backslash vec\; v\_1\; +\; t\; \backslash cdot\; \backslash vec\; v\_2$

Jedes Wertepaar $s,t\; \backslash in\; \backslash mathbb\{R\}$ liefert einen Vektor $\backslash vec\; q$ zu einem Punkt auf der Ebene. Dieser Vektor erfüllt die oben angeführte Normalengleichung.

Die obige Beispielebene sieht in Parameterdarstellung so aus:

$P\; =\; (5/0/0),\; \backslash ;\; \backslash vec\; v\_1\; =\; \backslash begin\{pmatrix\}\; 5\; \backslash \backslash \; 1\; \backslash \backslash \; -1\; \backslash end\{pmatrix\}\; ,\; \backslash ;\; \backslash vec\; v\_2\; =\; \backslash begin\{pmatrix\}\; 2\; \backslash \backslash \; 1\; \backslash \backslash \; 0\; \backslash end\{pmatrix\}$

$\backslash vec\; q\; =\; \backslash begin\{pmatrix\}\; 5\; \backslash \backslash \; 0\; \backslash \backslash \; 0\; \backslash end\{pmatrix\}\; +\; s\; \backslash cdot\; \backslash begin\{pmatrix\}\; 5\; \backslash \backslash \; 1\; \backslash \backslash \; -1\; \backslash end\{pmatrix\}\; +\; t\; \backslash cdot\; \backslash begin\{pmatrix\}\; 2\; \backslash \backslash \; 1\; \backslash \backslash \; 0\; \backslash end\{pmatrix\}$

Verallgemeinerungen auf höhere Dimensionen

In höherdimensionalen Räumen $\backslash Bbb\; R^n$ funktioniert die Parameterdarstellung weiterhin. Es gibt aber kein Kreuzprodukt mehr, mit dem man hieraus einen (bis auf die Länge) eindeutig bestimmten Normalenvektor erhält. Stattdessen muss man ein der Normalenform analoges Verfahren anders beschreiben. Man benötigt insgesamt $n-2$ linear unabhängige Normalenvektoren zu der Ebene und hat dann für jeden hiervon eine Gleichung der Form $\backslash vec\; n\_i\; \backslash cdot\; \backslash vec\; r\; =\; b\_i$, $i=1,\backslash ldots,n-2$, welche alle simultan zu erfüllen sind. Dies kann man zusammenfassen zu

$A\backslash cdot\; \backslash vec\; r\; =\; \backslash vec\; b,$

wobei $A$ eine $(n-2)\backslash times\; n$-Matrix und $\backslash vec\; b$ ein Vektor mit $n-2$ Komponenten ist. Die Zeilen von $A$ entsprechen den $\backslash vec\; n\_i$, die Komponenten von $\backslash vec\; b$ den $b\_i$. Die Bedingung, dass die $\backslash vec\; n\_i$ linear unabhängig sein müssen, entspricht der Bedingung, dass $A$ den Rang $n-2$ haben muss.

Siehe auch

• Planiversum
• Spurgerade
• Affine Ebene