{"id":33726,"date":"2021-04-28T13:00:03","date_gmt":"2021-04-28T13:00:03","guid":{"rendered":"https:\/\/toposuranos.com\/material\/?p=33726"},"modified":"2025-07-30T21:00:36","modified_gmt":"2025-07-30T21:00:36","slug":"gleichung-der-ellipsen-und-kreise","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/toposuranos.com\/material\/de\/gleichung-der-ellipsen-und-kreise\/","title":{"rendered":"Gleichung der Ellipsen und Kreise"},"content":{"rendered":"<p><center><\/p>\n<h1>Gleichung der Ellipsen und Kreise<\/h1>\n<p><em><strong>Zusammenfassung:<\/strong><br \/>\n   In dieser Unterrichtseinheit wird die Herleitung der Gleichung von Ellipsen aus ihrer geometrischen Definition erkl\u00e4rt, die besagt, dass die Summe der Abst\u00e4nde eines beliebigen Punktes der Ellipse zu zwei festen Brennpunkten konstant ist. Durch eine detaillierte algebraische Entwicklung wird die allgemeine Gleichung der Ellipsen und ihre kanonische Form abgeleitet sowie die Verbindung zwischen Ellipsen und Kreisen dargestellt. Es wird gezeigt, dass ein Kreis ein Sonderfall der Ellipse ist, wenn die Halbachsen gleich sind.<br \/>\n   <\/em><\/p>\n<p>   <strong>Lernziele:<\/strong><br \/>\n   Am Ende dieser Unterrichtseinheit wird der\/die Studierende in der Lage sein,<\/p>\n<ol style=\"text-align:left;\">\n<li><strong>Die Gleichung<\/strong> der Ellipsen aus ihrer geometrischen Definition herzuleiten.<\/li>\n<li><strong>Die allgemeine Form<\/strong> und die kanonische Form der Gleichung der Ellipsen zu erkennen.<\/li>\n<\/ol>\n<p>   INHALTSVERZEICHNIS<br \/>\n   <a href=\"#1\">Geometrische Formulierung<\/a><br \/>\n   <a href=\"#2\">Herleitung der Ellipsengleichung<\/a><br \/>\n   <a href=\"#3\">Allgemeine Gleichung der Ellipsen<\/a><br \/>\n   <a href=\"#4\">Kanonische Gleichung der Ellipsen<\/a><br \/>\n   <a href=\"#5\">Reduktion zur Kreisgleichung<\/a>\n   <\/p>\n<p><\/center><\/p>\n<p><center><iframe class=\"lazyload\" width=\"560\" height=\"315\" data-src=\"https:\/\/www.youtube.com\/embed\/HHiC0bp-Vyc\" title=\"YouTube video player\" frameborder=\"0\" allow=\"accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture\" allowfullscreen><\/iframe><\/center><br \/>\n<a name=\"1\"><\/a><\/p>\n<h2>Geometrische Formulierung<\/h2>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=HHiC0bp-Vyc&amp;t=133s\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\"><strong>Um die Gleichung zu erhalten, die eine Ellipse beschreibt,<\/strong><\/a> m\u00fcssen wir \u2013 wie bei den Parabeln \u2013 \u00fcber deren geometrische Bedeutung nachdenken. Eine Ellipse ist die Menge aller Punkte der Ebene, deren Summe der Abst\u00e4nde zu zwei festen Punkten, den sogenannten Brennpunkten, stets gleich ist.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" src=\"data:image\/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP\/\/\/yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7\" data-src=\"https:\/\/1.bp.blogspot.com\/-rHroj77w4-o\/YIhoGfTvE_I\/AAAAAAAAFAw\/2Yoa3Q2yrmknQMPObDz8wuyDoOehCug5QCLcBGAsYHQ\/s0\/elipse.PNG\" alt=\"Ellipse\" class=\" aligncenter lazyload\" width=\"338\" height=\"241\" \/><noscript><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/1.bp.blogspot.com\/-rHroj77w4-o\/YIhoGfTvE_I\/AAAAAAAAFAw\/2Yoa3Q2yrmknQMPObDz8wuyDoOehCug5QCLcBGAsYHQ\/s0\/elipse.PNG\" alt=\"Ellipse\" class=\" aligncenter lazyload\" width=\"338\" height=\"241\" \/><\/noscript><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Das hei\u00dft, es gilt:<\/p>\n<p style=\"text-align: center;\"><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">d(f_1,p) + d(f_2,p) = konstant<\/span>\n<p><a name=\"2\"><\/a><\/p>\n<h2>Herleitung der Ellipsengleichung<\/h2>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=HHiC0bp-Vyc&amp;t=311s\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\"><strong>Ausgehend von der geometrischen Definition<\/strong><\/a> der Ellipsen k\u00f6nnen wir einen algebraischen Ausdruck herleiten, der sie beschreibt. Um dies zu vereinfachen, treffen wir jedoch einige Annahmen. Wir nehmen \u2013 ohne allgemeine G\u00fcltigkeit zu verlieren \u2013 an, dass die Brennpunkte die Positionen <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">f_1 =(-c,0)<\/span> und <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">f_2 =(c,0)<\/span> haben. Dann gilt f\u00fcr einen beliebigen Punkt <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">p=(x,y)<\/span>, der zur Ellipse geh\u00f6rt:<\/p>\n<p style=\"text-align: center;\"><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">\\sqrt{(x+c)^2 + y^2} + \\sqrt{(x-c)^2 + y^2} = 2a<\/span>\n<p><img decoding=\"async\" src=\"data:image\/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP\/\/\/yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7\" data-src=\"https:\/\/1.bp.blogspot.com\/-LtAamnh5D78\/YIiBshjM70I\/AAAAAAAAFA4\/hGiHx6jf_nMOOUHfH-Ywj34TyDJDGEv-wCLcBGAsYHQ\/s0\/ecuacion%2Bde%2Blas%2Belipses.PNG\" alt=\"Ellipsengleichung\" class=\" aligncenter lazyload\" width=\"412\" height=\"333\" \/><noscript><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/1.bp.blogspot.com\/-LtAamnh5D78\/YIiBshjM70I\/AAAAAAAAFA4\/hGiHx6jf_nMOOUHfH-Ywj34TyDJDGEv-wCLcBGAsYHQ\/s0\/ecuacion%2Bde%2Blas%2Belipses.PNG\" alt=\"Ellipsengleichung\" class=\" aligncenter lazyload\" width=\"412\" height=\"333\" \/><\/noscript><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Dabei ist <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">a\\in\\mathbb{R}<\/span> eine feste Konstante. Daraus k\u00f6nnen wir folgende \u00dcberlegung ableiten:<\/p>\n<table style=\"text-align: justify;\">\n<tbody>\n<tr>\n<td width=\"50\">(1)<\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">\\sqrt{(x+c)^2 + y^2} + \\sqrt{(x-c)^2 + y^2} = 2a<\/span><\/td>\n<td>; Geometrische Definition der Ellipse<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">\\sqrt{(x-c)^2 + y^2} = 2a - \\sqrt{(x+c)^2 + y^2}<\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>(2)<\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">(x-c)^2 + \\cancel{y^2} = 4a^2 -4a \\sqrt{(x+c)^2 + y^2} + (x+c)^2 + \\cancel{y^2}<\/span><\/td>\n<td>; Quadrieren von (1)<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">(x-c)^2 = 4a^2 -4a \\sqrt{(x+c)^2 + y^2} + (x+c)^2 <\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">\\cancel{x^2} -2xc + \\cancel{c^2} = 4a^2 -4a \\sqrt{(x+c)^2 + y^2} + \\cancel{x^2} +2xc + \\cancel{c^2} <\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">-2xc = 4a^2 -4a \\sqrt{(x+c)^2 + y^2} +2xc <\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">4a \\sqrt{(x+c)^2 + y^2} = 4a^2 +4xc = 4(a^2 + xc) <\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">a \\sqrt{(x+c)^2 + y^2} = a^2 + xc <\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>(3)<\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">a^2 [(x+c)^2 + y^2] = (a^2 + xc)^2 <\/span><\/td>\n<td>; Quadrieren von (2)<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">a^2 [x^2 + 2xc + c2 + y^2] = a^4 +2a^2xc + x^2c^2 <\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\"> a^2 x^2 + \\cancel{2xca^2} + a^2 c2 + a^2 y^2 = a^4 + \\cancel{2a^2xc} + x^2c^2 <\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\"> a^2 x^2 + a^2 c2 + a^2 y^2 = a^4 + x^2c^2 <\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\"> x^2 (a^2 - c^2) + a^2 y^2 = a^4 - a^2 c^2 =a^2(a^2-c^2) <\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\"> \\dfrac{x^2}{a^2} +\\dfrac{ y^2}{a^2-c^2} = 1 <\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>(4)<\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">0\\lt a^2 - c^2 =: b^2 <\/span><\/td>\n<td>; Die durch <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">b^2<\/span> dargestellte Zahl ist positiv, was aus der Abbildung ersichtlich ist.<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>(5)<\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">{\\dfrac{x^2}{a^2} +\\dfrac{ y^2}{b^2} = 1}<\/span><\/td>\n<td>; Aus (3) und (4)<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">\\boxed{\\left(\\dfrac{x}{a}\\right)^2 + \\left(\\dfrac{y}{b}\\right)^2 = 1}<\/span><\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p style=\"text-align: center;\">Dies ist letztlich das, was wir als \u201eGleichung der Ellipsen\u201c bezeichnen.<\/p>\n<p><a name=\"3\"><\/a><\/p>\n<h2>Allgemeine Gleichung der Ellipsen<\/h2>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=HHiC0bp-Vyc&amp;t=706s\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\"><strong>Die soeben erhaltene Gleichung<\/strong><\/a> kann durch Translationstransformationen in ihre allgemeine Form \u00fcberf\u00fchrt werden, indem man die Ersetzungen <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">x\\longmapsto (x-h)<\/span> und <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">y\\longmapsto (y-k)<\/span> vornimmt. Dadurch gelangen wir zur allgemeinen Form der Ellipsengleichung:<\/p>\n<p style=\"text-align: center;\"><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">\\boxed{\\left(\\dfrac{x-h}{a}\\right)^2 + \\left(\\dfrac{y-k}{b}\\right)^2 = 1}<\/span>\n<p style=\"text-align: justify;\">Dies ist eine Ellipse mit dem Mittelpunkt im Punkt <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">(h,k)<\/span>\n<p><img decoding=\"async\" src=\"data:image\/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP\/\/\/yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7\" data-src=\"https:\/\/1.bp.blogspot.com\/-lkxt91FvMTs\/YIiQaL9wpII\/AAAAAAAAFBA\/sUxc6ajd6tcPymC8g4oh3M0l2CTI-xOvgCLcBGAsYHQ\/s0\/elipsegeneral.PNG\" alt=\"allgemeine Ellipse\" class=\" aligncenter lazyload\" width=\"469\" height=\"373\" \/><noscript><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/1.bp.blogspot.com\/-lkxt91FvMTs\/YIiQaL9wpII\/AAAAAAAAFBA\/sUxc6ajd6tcPymC8g4oh3M0l2CTI-xOvgCLcBGAsYHQ\/s0\/elipsegeneral.PNG\" alt=\"allgemeine Ellipse\" class=\" aligncenter lazyload\" width=\"469\" height=\"373\" \/><\/noscript><br \/>\n<a name=\"4\"><\/a><\/p>\n<h2>Kanonische Gleichung der Ellipsen<\/h2>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=HHiC0bp-Vyc&amp;t=761s\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\"><strong>Durch Anwendung von Algebra auf diese Form<\/strong><\/a> erh\u00e4lt man die kanonische Gleichung der Ellipsen:<\/p>\n<table style=\"text-align: justify;\">\n<tbody>\n<tr>\n<td width=\"50\">(1)<\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">\\left(\\dfrac{x-h}{a}\\right)^2 + \\left(\\dfrac{y-k}{b}\\right)^2 = 1<\/span><\/td>\n<td>; allgemeine Gleichung der Ellipsen<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">b^2 (x-h)^2 + a^2(y-k)^2 = a^2 b^2<\/span><\/td>\n<td>; Alles mit <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">a^2b^2<\/span> multiplizieren<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">b^2 [x^2-2xh+h^2] + a^2[y^2-2yk + k^2] = a^2 b^2<\/span><\/td>\n<td>; Quadrate entwickeln<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\"> b^2 x^2-2hb^2 x + h^2b^2 + a^2 y^2-2ka^2y + k^2a^2 = a^2 b^2<\/span><\/td>\n<td>; Klammern aufl\u00f6sen<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><\/td>\n<td><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\"> b^2 x^2- 2hb^2 x + a^2 y^2-2ka^2y +(h^2b^2 + k^2a^2 - a^2 b^2) = 0 <\/span><\/td>\n<td>; Konstante Terme zusammenfassen<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p style=\"text-align: justify;\">In diesem letzten Ausdruck k\u00f6nnen wir die Ersetzungen <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">A:=b^2,<\/span> <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">B:=-2hb^2,<\/span> <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">C:=a^2,<\/span> <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">D:=-2ka^2<\/span> und <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">E:=h^2b^2 + k^2a^2 - a^2 b^2<\/span> vornehmen. So sehen wir, dass Ellipsen durch Gleichungen der Form beschrieben werden k\u00f6nnen:<\/p>\n<p style=\"text-align: center;\"><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">Ax^2 + Bx + Cy^2 + Dy + E = 0<\/span>\n<p style=\"text-align: justify;\">Dies ist das, was wir als \u201ekanonische Gleichung der Ellipsen\u201c bezeichnen.<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">Aus diesen Entwicklungen lassen sich einige Bedingungen f\u00fcr die Konstanten der kanonischen Gleichung ableiten. Die wichtigste ist, dass <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">A<\/span> und <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">B<\/span> dasselbe Vorzeichen haben m\u00fcssen \u2013 andernfalls handelt es sich nicht mehr um eine Ellipse, sondern um eine Hyperbel. Es gibt noch weitere Bedingungen f\u00fcr die Konstanten in der kanonischen Darstellung, aber deren Betrachtung ist an dieser Stelle nicht effizient. Wir werden sie im Detail besprechen, wenn wir die Charakterisierung von Ellipsen und Hyperbeln behandeln.<\/p>\n<p><a name=\"5\"><\/a><\/p>\n<h2>Reduktion zur Kreisgleichung<\/h2>\n<p style=\"text-align: justify;\"><a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=HHiC0bp-Vyc&amp;t=948s\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\"><strong>Ein Punkt, den wir betrachten werden,<\/strong><\/a> wenn wir \u00fcber die Charakterisierung der Ellipsen sprechen, ist, dass die Konstanten <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">a<\/span> und <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">b<\/span> in der allgemeinen Gleichung den Halbachsen der Ellipse entsprechen. Wenn wir beide Halbachsen gleichsetzen, also <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">a=b=r<\/span>, dann verwandelt sich die Ellipse in einen Kreis mit dem Radius <span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">r<\/span>.<\/p>\n<h3>Allgemeine Gleichung der Kreise<\/h3>\n<p style=\"text-align: justify;\">Auf diese Weise ergibt sich die allgemeine Gleichung der Kreise als:<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">(x-h)^2 + (y-k)^2 = r^2<\/span>\n<h3>Kanonische Gleichung der Kreise<\/h3>\n<p style=\"text-align: justify;\">In \u00e4hnlicher Weise erh\u00e4lt man die kanonische Gleichung der Kreise:<\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span class=\"katex-eq\" data-katex-display=\"false\">Ax^2 + Bx + Cy^2 + Dy + E = 0<\/span>\n<p style=\"text-align: justify;\">In ihrer kanonischen Form stimmt sie mit der der Ellipsen \u00fcberein, da \u2013 wie wir gesehen haben \u2013 Kreise ein Spezialfall von Ellipsen sind.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Gleichung der Ellipsen und Kreise Zusammenfassung: In dieser Unterrichtseinheit wird die Herleitung der Gleichung von Ellipsen aus ihrer geometrischen Definition erkl\u00e4rt, die besagt, dass die Summe der Abst\u00e4nde eines beliebigen Punktes der Ellipse zu zwei festen Brennpunkten konstant ist. 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