Zum Inhalt springen

Ellipse

aus AufEinWort, der freien Forschung
Dies ist eine alte Version dieser Seite, zuletzt bearbeitet am 2. April 2026 um 08:03 Uhr durch Nikolaos (Diskussion | Beiträge) (Textersetzung - „== Weblinks ==“ durch „== Weblinks == Kategorie:Wikipedia.de Artikel“). Sie kann sich erheblich von der aktuellen Version unterscheiden.

Ellipse agr.-lat.-deu. Wrtdtng:: räumlich 'Inleib, Inleibung, Einlassung'

  • Ellipse f.
  • in der Geometrie ‘geschlossene ebene Kurve, für deren sämtliche Punkte die Summe der Abstände von zwei festen Brennpunkten konstant ist’,
  • in der Sprachwissenschaft ‘Auslassung von weniger wichtigen, aus dem Zusammenhang leicht ersichtlichen Redeteilen’.
  • Lat. ellīpsis ‘Mangel, das Auslassen eines Wortes’
    • ist Entlehnung von gleichbed. grie. élleipsis (ἔλλειψις),
      • einem Deverbativum zu grie. ellé͞ipein (ἐλλείπειν) ‘zurücklassen, mangeln, fehlen’,
        • aus grie. en (ἐν) ‘darin’ und lé͞ipein, leípein (λείπειν) ‘verlassen, zurücklassen, fehlen, schwinden’.
    • Lat. ellīpsis wird in nhd. Texte aufgenommen und bezeichnet
      • in mathematischen Schriften (nach dem Gebrauch bei Kepler u. a.)
        • den „unvollkommenen“ Kreis, dem die gleichmäßige Rundung „fehlt“ (1. Hälfte 16. Jh.),
      • und in grammatischen Schriften (nach antikem Vorbild) die Ersparung von Redeteilen (17. Jh.).
      • In beiden Verwendungen eingedeutscht zu Ellipse im 18. Jh.

Ellipse

Ellipse mit Mittelpunkt M, Brennpunkten F1 und F2, Scheitelpunkten S1,…,S4, Hauptachse (rot) und Nebenachse (grün)
Ellipse als Kegelschnitt.
Die Mittelachse des Kegels ist so weit geneigt, dass sich die Ellipse in der Seitenansicht von rechts in wahrer Größe zeigt.

Ellipsen (von altgriechisch ἔλλειψις élleipsis, deutsch ‚das Unterlassen, Ausbleiben, Zurückbleiben‘) sind in der Geometrie spezielle geschlossene ovale Kurven. Sie zählen neben den Parabeln und den Hyperbeln zu den Kegelschnitten. Eine anschauliche Definition verwendet die Eigenschaft, dass die Summe der Abstände eines Ellipsenpunktes von zwei vorgegebenen Punkten, den Brennpunkten, für alle Punkte gleich ist. Sind die Brennpunkte identisch, erhält man einen Kreis.

Jede Ellipse lässt sich in einem geeigneten kartesischen Koordinatensystem durch eine Gleichung

x2a2+y2b2=1

oder eine Parameterdarstellung

x(t)=acos⁡(t)
y(t)=bsin⁡(t)

beschreiben. Hieran erkennt man, dass man eine Ellipse als einen an der x-Achse um a und an der y-Achse um b gestreckten Einheitskreis auffassen kann.

Die Ellipse wurde von Apollonios von Perge (etwa 262–190 v. Chr.)[1] eingeführt und benannt, die Bezeichnung bezieht sich auf die Exzentrizität ε<1.[2]

Ellipsen treten nicht nur als ebene Schnitte eines Kegels auf. Auch auf Zylindern, Ellipsoiden, Hyperboloiden und elliptischen Paraboloiden gibt es Ellipsen.

In der Natur treten Ellipsen in Form von ungestörten keplerschen Planetenbahnen um die Sonne auf. Auch beim Zeichnen von Schrägbildern werden häufig Ellipsen benötigt, da ein Kreis durch eine Parallelprojektion im Allgemeinen auf eine Ellipse abgebildet wird (siehe Ellipse (Darstellende Geometrie)).

Definition einer Ellipse als geometrischer Ort

Ellipse: Definition mit Leitkreis
Ellipse als spezielle Hypotrochoide bei q=2 (Animation)

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Ellipsen zu definieren. Neben der üblichen Definition über gewisse Abstände von Punkten ist es auch möglich, eine Ellipse als Schnittkurve zwischen einer entsprechend geneigten Ebene und einem Kegel zu bezeichnen (siehe 1. Bild) oder als affines Bild des Einheitskreises.

Eine Ellipse ist der geometrische Ort aller Punkte P der Ebene, für die die Summe der Abstände zu zwei gegebenen Punkten F1 und F2 gleich einer gegebenen Konstante ist. Diese Konstante wird üblicherweise mit 2a bezeichnet. Die Punkte F1 und F2 heißen Brennpunkte:

E={P∣|PF2|+|PF1|=2a}

Um eine Strecke auszuschließen, setzt man voraus, dass 2a größer als der Abstand |F1F2| der Brennpunkte ist. Falls die beiden Brennpunkte zusammenfallen, ist E ein Kreis mit Radius a. Dieser einfache Fall wird in den folgenden Überlegungen oft stillschweigend ausgeschlossen, da die meisten Aussagen über Ellipsen im Kreisfall trivial werden.

Der Mittelpunkt M der Strecke F1F2‾ heißt Mittelpunkt der Ellipse. Die Gerade durch die Brennpunkte ist die Hauptachse und die dazu orthogonale Gerade durch M die Nebenachse. Die beiden Ellipsenpunkte S1 und S2 auf der Hauptachse sind die Hauptscheitel. Der Abstand der Hauptscheitel zum Mittelpunkt ist a und heißt die große Halbachse. Die beiden Ellipsenpunkte S3 und S4 auf der Nebenachse sind die Nebenscheitel, und ihr Abstand zum Mittelpunkt ist jeweils die kleine Halbachse b. Den Abstand e der Brennpunkte zum Mittelpunkt nennt man die lineare Exzentrizität und ε=e/a die numerische Exzentrizität. Mit dem Satz des Pythagoras gilt a2=e2+b2 (siehe rechts in der oberen Zeichnung, wo a (grün) die Hypotenuse und b und e die Katheten des entsprechenden rechtwinkligen Dreiecks sind).

Die Gleichung |PF2|+|PF1|=2a kann man auch so interpretieren (siehe Zeichnung Definition mit Leitkreis): Wenn c2 der Kreis um F2 mit Radius 2a ist, dann ist der Abstand des Punktes P zum Kreis c2 gleich dem Abstand des Punktes zum Brennpunkt F1:

|PF1|=|Pc2|

c2 heißt Leitkreis der Ellipse bzgl. des Brennpunktes F2. Diese Eigenschaft sollte man nicht verwechseln mit der Leitlinieneigenschaft einer Ellipse (s. unten). Aufgrund der Leitkreis-Eigenschaft ist eine Ellipse die Äquidistanz-Kurve zu jedem ihrer Brennpunkte und dem Leitkreis mit dem anderen Brennpunkt als Mittelpunkt.

Mit Hilfe Dandelinscher Kugeln beweist man:

Jeder Schnitt eines Kegels mit einer Ebene, die die Kegelspitze nicht enthält, und deren Neigung kleiner als die der Mantellinien des Kegels ist, ist eine Ellipse.

Ellipse in kartesischen Koordinaten

s. Ellipse in kartesischen Koordinaten

Eigenschaften

s. Ellipse (Eigenschaften)

Ellipse als affines Bild des Einheitskreises

s. Ellipse als affines Bild des Einheitskreises

Ellipse als affines Bild des Einheitskreises

Peripheriewinkelsatz und 3-Punkteform für Ellipsen

s. Ellipsen (Peripheriewinkelsatz und 3-Punkteform)

Ellipsen zeichnen

s. Ellipse (Ellipsen zeichnen)

Würfel mit Kreisen in Vogelperspektive

Ellipsen treten in der darstellenden Geometrie als Bilder von Kreisen auf. Es ist also wichtig, geeignete Werkzeuge zur Verfügung zu haben, mit denen man Ellipsen zeichnen kann. Es gibt im Wesentlichen drei Typen von Verfahren, mit denen Ellipsen gezeichnet werden:

  • einzelne Punkte, die man mit einem Kurvenlineal zu einer glatten Kurve verbindet,
  • stetige Konstruktionen, die man technisch als Ellipsenzirkel realisieren kann und
  • eine Approximation einer Ellipse mit Hilfe ihrer Scheitelkrümmungskreise und eines Kurvenlineals.

Den meisten Ellipsenzirkeln liegen die unten beschriebenen zwei Papierstreifenmethoden zugrunde. Diese waren schon den Griechen (Archimedes und Proklos) bekannt, wie man auch und vieles andere mehr in dem eigenständigen Artikel Ellipsograph des Archimedes nachlesen kann. Wenn kein Ellipsenzirkel zur Verfügung steht, ist die Approximation mit Hilfe der Scheitelkrümmungskreise die schnellste und beste Methode, eine Ellipse zu zeichnen.

Für jede hier beschriebene Methode ist die Kenntnis der beiden (Symmetrie-)Achsen und der Halbachsen a,b erforderlich. Ist dies nicht der Fall, was in der darstellenden Geometrie oft vorkommt, so muss man wenigstens den Mittelpunkt und zwei konjugierte Halbmesser kennen. Mit Hilfe der Rytz-Konstruktion lassen sich dann die Scheitel und damit die Achsen und Halbachsen ermitteln. Nur die Parallelogramm-Methode (s. unten) bietet die Möglichkeit, zu zwei konjugierten Halbmessern direkt (ohne Rytz) einzelne Punkte einer Ellipse zu konstruieren.

Gärtnerkonstruktion

Die definierende Eigenschaft einer Ellipse – die Summe der Abstände zu zwei Punkten ist konstant – nutzt die Gärtnerkonstruktion als einfache Möglichkeit, eine Ellipse zu zeichnen. Hierzu benötigt man einen Faden der Länge 2a und zwei Reißbrettstifte (oder Nägel, Stifte, …), um die beiden Enden des Fadens in den Brennpunkten der zu zeichnenden Ellipse zu befestigen. Führt man einen Stift mit Hilfe des gespannten Fadens (s. Bild) über die Zeichenfläche, so entsteht die durch die Länge des Fadens und die Lage der Brennpunkte definierte Ellipse. Diese einfache Methode gibt Gärtnern die Möglichkeit, ellipsenförmige Beete anzulegen, was der Methode den Namen gab.

Ellipse: Gärtnerkonstruktion

Eine Variation der Gärtnerkonstruktion zur Konstruktion konfokaler Ellipsen geht auf den irischen Bischof Charles Graves zurück.

Antiparallelogramm

Konstruktion über das Antiparallelogramm

Beim Abrollen eines Antiparallelogramms zeichnet der Schnittpunkt der beiden langen Stäbe eine Ellipse (blau im Bild). Die Enden des kurzen statischen Stabs definieren die Brennpunkte der Ellipse. Durch die symmetrische Geometrie ergibt sich theoretisch auch um den kurzen umlaufende Stab eine Ellipse (im Bild grün). Diese Konstruktionsvariante ist mit der Gärtnerkonstruktion verwandt. Betrachtet man nur den Anteil innerhalb der statischen Ellipse und ersetzt die beiden inneren Teilstücke der Stäbe mit einer Schur, ergibt sich die äquivalente Gärtnerkonstruktion. Die Mechanik des bewegten Antiparallelogramms ist ein Koppelgetriebe. Die innere Ellipse entspricht der Rastpolbahn, die äußere Ellipse ist die Gangpolbahn des umlaufenden kurzen Stabs.

Ellipsenzirkel des Frans van Schooten

Ellipsenzirkel des Frans van Schooten
(▶ Animation ansehen)

Im Jahr 1657 veröffentlichte Frans van Schooten in seinem Werk EXERCITATIONUM MATHEMATICARUM LIBRI QUINQUE[3] in LIBER IV[4] die Methode Gärtnerkonstruktion[5] und ein paar Seiten weiter einen Ellipsenzirkel.[6] Basis für den Ellipsenzirkel ist die Gärtnerkonstruktion.

  • Anzumerken ist: In der nebenstehenden originären Darstellung Ellipsenzirkel des Frans van Schooten kann die Ellipsenlinie nicht durch den Scheitelpunkt K gezogen werden, sondern nur, z. B. im Uhrzeigersinn, bis die Führungsschiene |GH| an der Zirkelnadel im Punkt I der Raute anliegt. Damit der Ellipsenzirkel eine komplette Ellipsenlinie zeichnen kann (auch durch die Scheitelpunkte L und K), ist es erforderlich, dass zumindest einmal die Einstechposition der Zirkelnadeln H und I in den Brennpunkten der Ellipse getauscht wird.
Prinzipskizze, Ellipsenzirkel des Frans van Schooten.
Die Kurve ist eine exakte Ellipse.

Die Hauptelemente des rautenförmigen Ellipsenzirkels sind die fünf gleich langen Stäbe mit ihren Gelenkpunkt-Abständen |OI|, |IP|, |PG|, |GO| und |GH| als Führungsschiene sowie der deutlich längere Diagonalstab ab O durch P mit dem Klemmelement Q für den Spielausgleich. Die Führungsschiene mit dem Gelenkpunkt-Abstand |GH| und der Diagonalstab überkreuzen sich im Punkt E und sind über Führungsnuten mithilfe eines sogenannten Gleitsteins dreh- und schiebbar verbunden. In diesem Gleitstein ist auch der Zeichenstift und ggf. der Handgriff montiert. Der zweite Gleitstein befindet sich im Gelenkpunkt P. In den Gelenkpunkten H und I des Ellipsenzirkels sind die Zirkelnadeln befestigt.

Die Länge z. B. des Stabes |IO| ist gleich der Länge der Hauptachse |KL|. Der Abstand der Gelenkpunkte H und I bestimmt die Länge der Nebenachse. Je kleiner dieser Abstand ist, umso mehr ähnelt die Ellipse einem Kreis.

Betrachtet man eine Hälfte der Raute OIPG, d. h. das gleichschenklige Dreieck IGO, so ist der Diagonalstab ab O durch P als Mittelsenkrechte MS des Gelenkpunkt-Abstandes |GI| erkennbar, die den Stab mit Gelenkpunkt-Abstand |GH| in E schneidet. Dadurch entsteht das zweite gleichschenklige Dreieck EIG mit den Schenkeln |EG| und |EI|. Wird nun der Ellipsenzirkel von Hand bewegt, durchläuft der Punkt G den Kreis k1 um den Punkt H mit dem Radius |GH| (gleich |KL|), dabei wirkt der Diagonalstab mit seinem Gelenkpunkt-Abstand |OP| konstant als Mittelsenkrechte der sich kontinuierlich verändernden gleichschenkligen Dreiecke IGO und EIG. Daraus folgt: In jeder gedrehten Stellung des Ellipsenzirkels gilt

|GH|=|EH|+|EG|=|EH|+|EI|.

Werden in die weiter oben beschriebene Definition einer Ellipse als geometrischer Ort die Bezeichnungen der betreffenden Punkte, u. a. die Brennpunkte H und I, aus der Darstellung des Ellipsenzirkels eingesetzt, ergibt sich

DefE={E∣|EH|+|EI|=|GH|}.

Damit wird aufgezeigt: Die mit dem rautenförmigen Ellipsenzirkel gezogenen Kurven sind Ellipsen.

Um eine Ellipse zu zeichnen, sticht man zuerst zur Lagefixierung des Ellipsenzirkels die Zirkelnadeln der Gelenkpunkte H und I in die Brennpunkte der Ellipse und zieht anschließend mithilfe des Handgriffs oder ggf. nur mit dem Zeichenstift die Ellipsenlinie.

Parameterdarstellung mit Sinus und Kosinus

Die übliche Parameterdarstellung einer Ellipse verwendet die Sinus- und Kosinusfunktion. Wegen cos2t+sin2t=1 beschreibt

(acos⁡t,bsin⁡t), 0≤t<2π

die Ellipse x2a2+y2b2=1 . Mit Hilfe dieser Darstellung lassen sich die folgenden Ellipsenkonstruktionen leicht verstehen.

Punktkonstruktion nach de La Hire

Die nach Philippe de La Hire (1640–1718) benannte Punktkonstruktion benutzt die beiden Scheitelkreise,[7] das sind die Kreise um den Mittelpunkt der Ellipse mit den Halbachsen a,b als Radien. Der Parameter t wird hier als der Steigungswinkel eines von M ausgehenden Strahls interpretiert. Mit der in der Zeichnung angegebenen Methode wird ein Punkt mit den Koordinaten (acos⁡t,bsin⁡t), also ein Ellipsenpunkt, konstruiert. Dieses Konstruktionsverfahren war allerdings auch schon in der Spätantike bekannt und ging damals auf Proklos Diadochos (412–485) zurück.[8]

Papierstreifenmethoden

Die beiden Papierstreifenmethoden verwenden zwei weitere Möglichkeiten der geometrischen Interpretation des Parameters t der obigen Parameterdarstellung einer Ellipse. Sie liefern die Grundlagen der meisten Ellipsenzirkel.

1. Methode

Die erste Methode verwendet einen Papierstreifen der Länge a+b. Der Punkt, in dem sich die Halbachsen treffen, wird mit P markiert. Wenn der Streifen nun so bewegt wird, dass die beiden Enden jeweils auf einer Achse gleiten, überstreicht der Punkt P die zu zeichnende Ellipse. Der Beweis ergibt sich aus der Parameterdarstellung (acos⁡t,bsin⁡t) und der Interpretation des Parameters als Winkel des Papierstreifens mit der x-Achse (s. Bild).

Eine weitere technische Realisierung des gleitenden Streifens kann man auch mit Hilfe eines Paares cardanischer Kreise erreichen (s. Animation). Der große Kreis hat den Radius a+b.

Eine Variation der 1. Papierstreifenmethode[9] geht von der Beobachtung aus, dass der Mittelpunkt N des Papierstreifens sich auf dem Kreis mit Mittelpunkt M und Radius a+b2 bewegt. Man kann also den Papierstreifen in der Mitte (Punkt N) trennen und an dieser Stelle ein Gelenk einfügen und den zuvor auf der y-Achse gleitenden Punkt in den Mittelpunkt der Ellipse verlegen. Nach dieser Operation bleibt das abgeknickte Ende des Papierstreifens fest (im Punkt M) und der unveränderte Teil des Streifens samt dem Punkt P bewegt sich wie zuvor. Der Vorteil dieser Variation ist: Man benötigt nur einen technisch anspruchsvollen Gleitschuh. Auch gegenüber der cardanischen Realisierung der 1. Papierstreifenmethode ist diese Variation technisch einfacher.
Man beachte, dass immer dasjenige Ende des Streifens, das auf der Nebenachse gleitet, in den Mittelpunkt verlegt wird!

Ellipse: 2. Papierstreifenmethode

2. Methode:

Die zweite Papierstreifenmethode geht von einem Papierstreifen der Länge a aus. Man markiert den Punkt, der den Streifen in zwei Teile der Längen b und a−b zerlegt. Der Streifen wird so auf den Achsen positioniert, wie im Bild zu sehen ist. Der Teil, der die Länge a−b besitzt, liegt zwischen den Achsen. Das freie Ende P beschreibt dann die zu zeichnende Ellipse. Der Beweis ergibt sich aus der Zeichnung: Der Punkt P kann durch die Parameterdarstellung (acos⁡t,bsin⁡t) beschrieben werden. Dabei ist t der Steigungswinkel des Papierstreifens.

Diese Methode benötigt zu ihrer technischen Realisierung auch zwei Gleitschuhe, ist aber flexibler als die erste Papierstreifenmethode. Sie ist die Grundlage für viele Ellipsenzirkel (s. Weblink Ellipsenzirkel).

Bemerkung: Auch hier ist eine Variation durch Abknicken des Streifenteils zwischen den Achsen möglich. Es ist dann, wie bei der ersten Methode, nur ein Gleitschuh nötig.

Approximation einer Ellipse mit Hilfe der Scheitelkrümmungskreise

Approximation mit Scheitelkrümmungskreisen

Aus der Formelsammlung (s. unten) ergibt sich:

Der Krümmungsradius für die Hauptscheitel S1,S2 ist b2a ,
der Krümmungsradius für die Nebenscheitel S3,S4 ist a2b .

Die Zeichnung zeigt eine einfache Methode, die Krümmungsmittelpunkte M1=(a−b2a,0),M3=(0,b−a2b) des Scheitels S1 und des Nebenscheitels S3 zeichnerisch zu bestimmen:

  1. Markiere den Hilfspunkt H=(a,b) und zeichne die Gerade S1S3.
  2. Zeichne die Gerade durch H, die senkrecht zur Geraden S1S3 verläuft.
  3. Die Schnittpunkte M1,M3 dieser Geraden mit den Ellipsenachsen sind die gesuchten Krümmungsmittelpunkte (Beweis: einfache Rechnung).

Die Krümmungsmittelpunkte der restlichen Scheitel ergeben sich aus Symmetrie. Man zeichnet die beiden restlichen Scheitelkrümmungskreise. Mit Hilfe eines Kurvenlineals lässt sich dann eine gute Näherung der Ellipse zeichnen.

Steiner-Erzeugung einer Ellipse (Parallelogramm-Methode)

Ellipse: Steiner-Erzeugung
Steiner-Erzeugung als Animation

Die folgende Idee, einzelne Punkte einer Ellipse zu konstruieren, beruht auf der Steiner-Erzeugung eines Kegelschnitts (nach dem Schweizer Mathematiker Jakob Steiner):

Hat man für zwei Geradenbüschel in zwei Punkten S1,S2 (alle Geraden durch den Punkt S1 bzw. S2) eine projektive, aber nicht perspektive Abbildung π des einen Büschels auf das andere, so bilden die Schnittpunkte zugeordneter Geraden einen nichtausgearteten Kegelschnitt.[10][11]

Für die Erzeugung einzelner Punkte der Ellipse x2a2+y2b2=1 gehen wir von den Geradenbüscheln in den Scheiteln S1,S2 aus. Sei nun P=(0,b) der obere Nebenscheitel der Ellipse und A=(−a,2b),B=(a,2b). Dann ist P der Mittelpunkt des Rechtecks S1,S2,B,A. Wir unterteilen die Rechteckseite AB‾ in n gleiche Stücke, übertragen diese Unterteilung mittels einer Parallelprojektion in Richtung der Diagonalen AS2 auf die Strecke S2B‾ (s. Bild) und nummerieren die Unterteilungen wie im Bild. Die benutzte Parallelprojektion zusammen mit der Umkehrung der Orientierung vermittelt die nötige projektive Abbildung der Büschel in S1 und S2. Die Schnittpunkte der zugeordneten Geraden S1Bi und S2Ai liegen dann auf der durch die Vorgaben (3 Punkte, 2 Tangenten) eindeutig bestimmten Ellipse. Mit Hilfe der Punkte C1,… lassen sich Punkte auf dem 2. Viertel der Ellipse bestimmen. Analog erhält man Punkte der unteren Hälfte der Ellipse.

Bemerkung:
a) Benutzt man statt der Scheitel zwei Punkte eines anderen Durchmessers, so muss man für P einen Punkt des konjugierten Durchmessers wählen und arbeitet dann mit einem Parallelogramm statt eines Rechtecks. Daher rührt auch der manchmal gebräuchliche Name Parallelogramm-Methode.
b) Den Beweis dieser Methode kann man auch am Einheitskreis nachrechnen. Da Teilverhältnisse und Parallelität bei affinen Abbildungen invariant bleiben, ist der Beweis dann auch allgemeingültig. (Eine Ellipse ist ein affines Bild des Einheitskreises!)

Auch für Parabel und Hyperbel gibt es Steiner-Erzeugungen.

Ellipsen in der Computergrafik

Besonders in der Computergrafik lohnt sich die Ableitung einer Ellipse aus einer Kreisform. Eine achsenparallele Ellipse ist dabei einfach ein Kreis, der in einer der Koordinatenrichtungen gestaucht oder gedehnt, mit anderen Worten: anders skaliert wurde. Eine allgemeine, in beliebigem Winkel gedrehte Ellipse kann man aus so einer achsenparallelen Ellipse durch Scherung erhalten, s. a. Bresenham-Algorithmus. Die Punkte werden also numerisch berechnet und gezeichnet.

Beispiele

Formelsammlung (Ellipsengleichungen)

Ellipsengleichung (kartesische Koordinaten)

Mittelpunkt (0|0),

x2a2+y2b2=1.

Aufgelöst nach y2:

y2=b2(1−x2a2)=(a2−x2)(a2−e2)a2=(a2−x2)(1−ε2)

Die letzte Form ist praktisch, um eine Ellipse mit Hilfe der beiden Bahnelemente, numerische Exzentrizität und große Halbachse, darzustellen.

Mittelpunkt (x0|y0), Hauptachse parallel zur x-Achse:

(x−x0)2a2+(y−y0)2b2=1.

Ellipsengleichung (Parameterform)

Mittelpunkt (0|0), Hauptachse als x-Achse:

(xy)=(acos⁡tbsin⁡t)mit0≤t<2π.

Mittelpunkt (x0|y0), Hauptachse parallel zur x-Achse:

(xy)=(x0+acos⁡ty0+bsin⁡t)mit0≤t<2π.

Mittelpunkt (x0|y0), Hauptachse um α bezüglich x-Achse rotiert:

(xy)=(x0+acos⁡tcos⁡α−bsin⁡tsin⁡αy0+acos⁡tsin⁡α+bsin⁡tcos⁡α)mit0≤t<2π.
Ellipsenkonstruktion nach Diadochos / de la Hire

Dabei bezeichnet t den Parameter dieser Darstellung. Dieser entspricht nicht dem Polarwinkel φ zwischen der x-Achse und der Geraden, die durch den Ursprung und den jeweiligen Ellipsenpunkt führt, sondern z. B. dem Polarwinkel zwischen der x-Achse und der Geraden, die durch den Ursprung und dem affinen Punkt A des Ellipsenpunktes P auf dem Umkreis der Ellipse führt (vgl. nebenstehende Abbildung zur Konstruktion nach Proklos Diadochos / Philippe de la Hire).

y′=aby=xabtan⁡φ=xtan⁡t=asin⁡t⟹(xy′)=a(cos⁡tsin⁡t)

In der Astronomie heißt dieser Parameter bei Keplerellipsen die exzentrische Anomalie, bei Meridianellipsen in der Geodäsie heißt er parametrische oder reduzierte Breite, vgl. Referenzellipsoid.

Für nicht rotierte Ellipsen, also α=0, hängt der Polarwinkel φ, der durch tan⁡φ=y/x definiert ist, mit dem Parameter t zusammen über:

tan⁡φ=batan⁡t=1−ε2tan⁡t

Ellipsengleichung (Polarkoordinaten bzgl. des Mittelpunkts)

Hauptachse waagrecht, Mittelpunkt als Pol, Polarachse längs Hauptachse nach rechts:

r(φ)=aba2sin2φ+b2cos2φ=b1−ε2cos2φ∈[b,a]mit0≤φ<2π
Exzentrische Anomalie t und wahre Anomalie φR bzgl. des rechten Brennpunkts sowie wahre Anomalie φL bzgl. des linken Brennpunkts als Funktion des Polarwinkels φ für verschiedene numerische Exzentrizitäten ε

In kartesischen Koordinaten ausgedrückt, parametrisiert durch den Winkel der Polarkoordinaten, wobei der Mittelpunkt der Ellipse bei (0|0) und ihre Hauptachse entlang der x-Achse liegt:

(xy)=b1−ε2cos2φ(cos⁡φsin⁡φ)mit0≤φ<2π
Herleitung

Aus der Ellipsengleichung in kartesischen Koordinaten (x/a)2+(y/b)2=1 und der Parametrisierung der kartesischen in Polarkoordinaten x=rcos⁡φ und y=rsin⁡φ folgt:

r2cos2φa2+r2sin2φb2=1⟹r2(b2cos2φ+a2sin2φ)=a2b2

Umstellen und Radizieren liefert den Radius abhängig vom Polarwinkel.

Ellipsengleichung (Polarkoordinaten bzgl. eines Brennpunkts)

Hauptachse waagrecht, rechter Brennpunkt als Pol, Polarachse längs Hauptachse nach rechts (Halbparameter p=b2/a):

rR(φR)=a2−e2a+ecos⁡φR=p1+εcos⁡φR∈[rperi,rapo]mit0≤φR<2π

Hauptachse waagrecht, linker Brennpunkt als Pol, Polarachse längs Hauptachse nach rechts:

rL(φL)=a2−e2a−ecos⁡φL=p1−εcos⁡φL∈[rperi,rapo]mit0≤φL<2π

Der Wertebereich der Radien erstreckt sich von der Periapsisdistanz rperi bis zur Apoapsisdistanz rapo, die folgende Werte haben:

rperi=p1+ε=a(1−ε) ,rapo=p1−ε=a(1+ε)

In kartesischen Koordinaten ausgedrückt, parametrisiert durch den Winkel φR bzw. φL der Polarkoordinaten, wobei der rechte Brennpunkt der Ellipse bei (e|0), der linke Brennpunkt bei (−e|0) liegt:

(xy)=(e0)+p1+εcos⁡φR(cos⁡φRsin⁡φR)mit0≤φR<2π
(xy)=(−e0)+p1−εcos⁡φL(cos⁡φLsin⁡φL)mit0≤φL<2π

Der Winkel φR bzw. φL, je nachdem, welcher Pol Bezugspunkt ist, heißt in der Astronomie die wahre Anomalie.

Herleitung

Man betrachtet ein Dreieck, das von den beiden Fixpunkten FL, FR und einem beliebigen Punkt P auf der Ellipse aufgespannt wird.

Die Abstände zwischen diesen Punkten betragen: FLFR‾=2e sowie FLP‾=rL und nach der Definition der Ellipse FRP‾=2a−rL. Der Winkel bei FL sei φL=∠FRFLP. Mit dem Kosinussatz gilt nun:

(2a−rL)2=(2e)2+rL2−2(2e)rLcos⁡φL⟹rL(a−e⏟aεcos⁡φL)=a2−e2⏟pa

Analog verläuft die Herleitung für den rechten Pol. Die Abstände lauten FLFR‾=2e und FRP‾=rR und FLP‾=2a−rR. Der Winkel bei FR sei π−φR=∠PFRFL, da φR=∠(SR,FR,P) definiert ist, wobei SR den rechten Hauptscheitel markiert.

(2a−rR)2=(2e)2+rR2−2(2e)rRcos⁡(π−φR)⏟−cos⁡φR⟹rR(a+e⏟aεcos⁡φR)=a2−e2⏟pa
Alternative Herleitung

Durch Gleichsetzen der zweier Darstellungen von rL2−rR2 erhält man:

rL2−rR2=[y2+(x+e)2]−[y2+(x−e)2]=4ex=4aεxrL2−rR2=(rL+rR)(rL−rR)=2a(rL−rR)}⟹rL−rR=2εx

Dies entspricht einerseits mit rR=2a−rL und x=rLcos⁡φL−e

2rL−2a=2ε(rLcos⁡φL−e)⟹rL(1−εcos⁡φL)=a−εe≡p

und andererseits mit rL=2a−rR und x=rRcos⁡φR+e:

2a−2rR=2ε(rRcos⁡φR+e)⟹rR(1+εcos⁡φR)=a−εe≡p

Formelsammlung (Kurveneigenschaften)

Tangentengleichung (kartesische Koordinaten)

Mittelpunkt (0|0), Hauptachse als x-Achse, Berührpunkt (xB|yB):

xBxa2+yByb2=1⟺xB(x−xB)a2+yB(y−yB)b2=0

Mittelpunkt (x0|y0) Hauptachse parallel zur x-Achse, Berührpunkt (xB|yB):

(xB−x0)(x−x0)a2+(yB−y0)(y−y0)b2=1

Tangentengleichung (Parameterform)

Ein (unnormierter) Tangentenvektor an die Ellipse hat die Gestalt:

T→=ddt(acos⁡tbsin⁡t)=(−asin⁡tbcos⁡t)=(−ay/bbx/a)

Die Tangentengleichung lautet in vektorieller Darstellung mit Mittelpunkt bei (0|0), Hauptachse als x-Achse und Berührpunkt bei (xB|yB):

(xy)=(xByB)+μ(−ayB/bbxB/a)mitμ∈ℝ

Beziehung zwischen Polar- und Normalenwinkel

Die Winkel der Ellipsentangente

Zwischen Polarwinkel φ und Normalenwinkel β und Ellipsenparameter t besteht folgender Zusammenhang (siehe nebenstehende Grafik)

tan⁡φ=batan⁡t=b2a2tan⁡β=(1−ε2)tan⁡β
Herleitung

Der Zusammenhang des Polarwinkels φ und dem Steigungswinkel der Normalen β (siehe Grafik rechts) lässt sich z. B. so finden:

Auflösen der Tangentengleichung nach y

y=b2yB−b2xBa2yBx

ergibt die Tangentensteigung tan⁡(α)=−tan⁡(π−α)=Δy/Δx als Koeffizient von x zu

tan⁡α=−b2a2xByB=−b2a21tan⁡φ.

Mit tan⁡α=tan⁡(β+π/2)=−1/tan⁡β erhält man den gesuchten Zusammenhang zwischen β und φ.

Normalengleichung (kartesische Koordinaten)

Mittelpunkt (0|0), Hauptachse als x-Achse, Berührpunkt (xB|yB):

(1−yyB)b2a2+xxB=1

oder auch

b2(yyB−1)=a2(xxB−1)

Normalengleichung (Parameterform)

Ein (unnormierter) Normalenvektor an die Ellipse hat die Gestalt:

N→=(bcos⁡tasin⁡t)=(bx/aay/b)

Die Normalengleichung lautet in vektorieller Darstellung mit Mittelpunkt bei (0|0), Hauptachse als x-Achse und Berührpunkt bei (xB|yB):

(xy)=(xByB)+μ(bxB/aayB/b)mitμ∈ℝ

Krümmungsradien und -mittelpunkte

Krümmungsradius im Punkt (xp|yp):

r=a2b2(xp2a4+yp2b4)3/2=1a4b4(a4yp2+b4xp2)3

Mittelpunkt des Krümmungskreises, Krümmungsmittelpunkt M(ξ|η):

ξ=e2xp3a4η=−e2yp3b4|e2=a2ε2=a2−b2

Krümmungsradius und -mittelpunkt in einem der beiden Hauptscheitel (±a|0):

rH=p=b2aMH(ξ=±e2a|η=0)

Krümmungsradius und -mittelpunkt in einem der beiden Nebenscheitel (0|±b):

rN=a2bMN(ξ=0|η=±e2b)

Formelsammlung (Flächeninhalt und Umfang)

Flächeninhalt

Mit den Halbachsen a und b:

A=πab=πa21−ε2

Ist die Ellipse durch eine implizite Gleichung

αx2+βxy+γy2+1=0

gegeben, dann beträgt ihr Flächeninhalt

A=2π4αγ−β2.
Ellipsensektor

Für eine Ellipse mit den Halbachsen a und b und einen Sektor, der mit der großen Halbachse den Winkel φ∈]0,π2[ einschließt, gilt:

ASektor=ab2arctan⁡(abtan⁡(φ))

Beschreibt man den Ellipsensektor statt durch den Polarwinkel durch den Parameter t aus der Parameterdarstellung (x,y)=(acos⁡t,bsin⁡t), so erhält man die Formel

ASektor=ab2t.

Umfang

Formel

Der Umfang U einer Ellipse mit großer Halbachse a und kleiner Halbachse b berechnet sich zu

U=4a⋅E(ε),

wobei E(k) für das vollständige elliptische Integral zweiter Art steht. Die numerische Exzentrizität ε berechnet sich bei Ellipsen als

ε=1−b2a2.
Diagramm zur Berechnung des Ellipsenumfangs U=k⋅a mit k=4E(ε)

Man beachte, dass bei der numerischen Berechnung elliptischer Integrale mittels Funktionsbibliotheken verschiedene Parameterkonventionen Verwendung finden.

Herleitung

Ellipsen mit gleichem Umfang

Der Umfang U einer Ellipse kann nicht exakt durch elementare Funktionen ausgedrückt werden. Er kann aber mithilfe eines Integrals dargestellt werden, das daher elliptisches Integral genannt wird.

Die Formel für die Bogenlänge L einer Kurve 𝒞 lautet

L=∫𝒞|γ′(t)|dt.

Für die Ellipse mit der Parameterdarstellung (acos⁡t,bsin⁡t),0≤t<2π, ergibt sich unter Berücksichtigung der Symmetrie für den Umfang U

U=4∫0π/2a2⋅sin2t+b2⋅cos2tdt.

Ausklammern von a2, Verwendung von sin2t=1−cos2t und ε2=1−b2a2 führt zu

U=4a⋅∫0π21−ε2⋅cos2tdt .

Durch die Substitution ϑ=π2−t,dt=−dϑ erhalten wir die folgende Form:[12]

E(ε)=∫0π21−ε2⋅sin2ϑdϑ.

Das Integral E(ε) nennt man vollständiges elliptisches Integral zweiter Art.

Der Umfang U der Ellipse ist damit

U=4a⋅E(ε),ε=1−b2a2.

Der Umfang U hängt also von der numerischen Exzentrizität ε und der großen Halbachse a ab. Mithilfe des nebenstehenden Diagramms kann bei gegebener Exzentrizität ε der Wert des Faktors k=4E(ε) für den Umfang U=k⋅a abgelesen werden. k liegt für jede Ellipse zwischen den Extremfällen k=4 (ε=1, entartete Ellipse als Linie) und k=2π (ε=0, Ellipse wird zum Kreis).

Aus dieser Formel resultiert jene zusätzliche Formel[13] für den Umfang, die sowohl für den Fall a > b als auch für den Fall a < b reell ist:

U=4(a+b)E(a−ba+b)−8aba+bK(a−ba+b).

Das Integral K nennt man vollständiges elliptisches Integral erster Art.

Reihenentwicklung

U=4aE(ε)==2aπ(1−∑i=1∞(∏j=1i2j−12j)2ε2i2i−1)==2aπ[1−(12)2ε2−(1⋅32⋅4)2ε43−…−(1⋅3⋅5⋯(2n−1)2⋅4⋅6⋯2n)2ε2n2n−1−…]

Die numerische Exzentrizität ε ist gleich dem elliptischen Modul vom vollständigen Elliptischen Integral zweiter Art!

Für ε nahe 1 konvergiert diese Reihenentwicklung extrem langsam. Es empfiehlt sich daher eine numerische Integration, z. B. nach dem Romberg-Verfahren.

Eine Reihe, die schneller konvergiert, beruht auf der Gauß-Kummer-Reihe.[14] Für eine Ellipse mit den Halbachsen a und b (mit a>b) wird der Landensche Tochtermodul von der numerischen Exzentrizität ε, also der Modul λ:=a−ba+b=(1−1−ε2)(1+1−ε2)−1 definiert. Dann ergibt sich:[15]

U=π(a+b)∑n=0∞(12n)2λ2n=π(a+b)(1+∑n=0∞((2nn)(n+1)22n+1)2 λ2n+2)=π(a+b)(1+λ24+λ464+λ6256 +25λ816384+⋯+ (1⋅3⋅5⋯(2n−1)2⋅4⋅6⋅8⋯(2n+2))2λ2n+2+⋯)

Näherungen

Näherung mit Hilfe des arithmetischen Mittels der Halbachsen
U≈π(a+b)
Genauigkeit dieser Formel
Exz. ε q = b / a Fehler
= 0,000 1,000 0 (Kreis: exakt)
< 0,051 > 0,9987 < 10−7
< 0,090 > 0,996 < 10−6
< 0,1582 > 0,9874 < 10−5
< 0,277 > 0,961 < 0,01 %
< 0,46 > 0,885 < 0,1 %
< 0,75 > 0,66 < 1 %
< 0,83 > 0,55 < 2 %
< 0,927 > 0,37 < 5 %
< 0,978 > 0,21 < 10 %
< 0,999 > 0,044 < 18,3 %
< 1,000 > 0,000 < 21,46 %
Näherung mit Hilfe des quadratischen Mittels der Halbachsen
U≈2π12(a2+b2)=π2(a2+b2)
U≈2π12(a2+a2(1−ε2))=2πa1−ε22
Genauigkeit dieser Formel
Exz. ε q = b / a Fehler
= 0,000 = 1,0000 0 (Kreis: exakt)
< 0,016 > 0,9999 < 10−9
< 0,026 > 0,9997 < 10−8
< 0,047 > 0,9989 < 10−7
< 0,084 > 0,9965 < 10−6
< 0,149 > 0,9888 < 10−5
< 0,262 > 0,9651 < 0,01 %
< 0,450 > 0,8930 < 0,1 %
< 0,720 > 0,6937 < 1 %
< 0,808 > 0,5891 < 2 %
< 0,914 > 0,4037 < 5 %
< 0,977 > 0,2104 < 10 %
< 1,000 > 0,0000 < 14,91 %
Näherungsformel nach Srinivasa Ramanujan
U≈π((a+b)+3(a−b)210(a+b)+a2+14ab+b2)=π(a+b)(1+3λ210+4−3λ2) mit λ:=a−ba+b

Diese Näherung ist in einem weiten ε-Bereich von 0≤ε≤0,9 sehr genau und ergibt im ganzen Bereich stets einen etwas zu kleinen Wert, der monoton mit ε zunimmt.

Der relative Fehler beträgt:

Bereich rel. Fehler
0,0000 ≤ ε ≤ 0,8820 < 10−9
0,8820 < ε ≤ 0,9242 < 10−8
0,9242 < ε ≤ 0,9577 < 10−7
0,9577 < ε ≤ 0,9812 < 10−6
0,9812 < ε ≤ 0,9944 < 10−5
0,9944 < ε ≤ 0,9995 < 10−4
0,9995 < ε ≤ 1,0000 < 0,000403

Für ε=λ=1 erhält man statt 4 den nur geringfügig zu kleinen Wert 1411π=3,99839…

Schriftzeichen

Unicode enthält im Block Verschiedene Symbole und Pfeile vier Ellipsensymbole, die als Grafikzeichen oder Schmuckzeichen in beliebigem Text (auch Fließtext) verwendet werden können:

Unicode Zeichen Name LaTeX[16]
U+2B2C ⬬ black horizontal ellipse (Vollflächige horizontale Ellipse) \EllipseSolid
U+2B2D ⬭ white horizontal ellipse (Hohle horizontale Ellipse) \Ellipse
U+2B2E ⬮ black vertical ellipse (Vollflächige vertikale Ellipse)  Anm.
U+2B2F ⬯ white vertical ellipse (Hohle vertikale Ellipse)  Anm.
Anm. 
Durch Rotation der horizontalen Variante mit Hilfe des Paketes rotating, das bei den üblichen LaTeX-Distributionen vorinstalliert ist.

LaTeX kennt außerdem noch eine hohle horizontale Ellipse mit Schatten rechts: \EllipseShadow.[16]

Siehe auch

Wiktionary: Ellipse – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Ellipsen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Berechnungen

Konstruktion

Für alle folgenden Links wird ein Java-Plug-in benötigt.

Literatur

  • Achim Ilchmann: Die Ellipse im protestantischen Kirchenbau: Die Kirche „Zur Gotteshilfe“ in Waltershausen. In: Insitu 2024/2, S. 241–247.
  • Cornelie Leopold: Geometrische Grundlagen der Architekturdarstellung. Verlag W. Kohlhammer, Stuttgart 2005, ISBN 3-17-018489-X, S. 55–66.
  • Peter Proff: Die Deutung der Begriffe „Ellipse“, „Parabel“ und „Hyperbel“ nach Apollonios v. Perge. In: „Gelêrter der arzeniê, ouch apotêker“. Beiträge zur Wissenschaftsgeschichte. Festschrift zum 70. Geburtstag von Willem F. Daems. Hrsg. von Gundolf Keil, Horst Wellm Verlag, Pattensen/Hannover 1982 (= Würzburger medizinhistorische Forschungen, 24), ISBN 3-921456-35-5, S. 17–34.

Einzelnachweise

  1. ↑ Peter Proff: Die Deutung der Begriffe „Ellipse“, „Parabel“ und „Hyperbel“ nach Apollonios v. Perge. In: „gelêrter der arzeniê, ouch apotêker“. Beiträge zur Wissenschaftsgeschichte. Festschrift zum 70. Geburtstag von Willem F. Daems. Hrsg. von Gundolf Keil, Horst Wellm Verlag, Pattensen/Hannover 1982 (= Würzburger medizinhistorische Forschungen, 24), ISBN 3-921456-35-5, S. 17–34; hier S. 17.
  2. ↑ I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew (Begründer), Günter Grosche (Bearb.), Eberhard Zeidler (Hrsg.): Teubner-Taschenbuch der Mathematik. Teubner, Stuttgart 1996, ISBN 3-8154-2001-6, S. 24.
  3. ↑ Frans van Schooten: EXERCITATIONUM MATHEMATICARUM LIBRI QUINQUE. Lugdunum Batavorum [= Leiden]: Johannes Elsevirius, 1656–1657, Inhaltsübersicht, S. 7 Online-Kopie (Google).
  4. ↑ Frans van Schooten: EXERCITATIONUM MATHEMATICARUM, LIBER IV. SIVE DE ORGANICA CONICARUM SECTIONUM IN PLANO DESCRIPTIONE, … Titelseite, S. 293 Online-Kopie (Google).
  5. ↑ Frans van Schooten: EXERCITATIONUM MATHEMATICARUM LIBER IV … Gärtnerkonstruktion, S. 325–326 Online-Kopie (Google).
  6. ↑ Frans van Schooten: EXERCITATIONUM MATHEMATICARUM LIBER IV … Ellipsenzirkel, S. 341–343 Online-Kopie (Google).
  7. ↑ Karl Strubecker: Vorlesungen über darstellende Geometrie. Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen, 1967, S. 25–26 (Online-Kopie)
  8. ↑ Max Steck: Proklus Diadochus, Euklid – Kommentar. Hrsg.: Max Steck. Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina, Halle an der Saale 1945, S. 240.
    zitiert nach
    Dietmar Herrmann: Die antike Mathematik. Eine Geschichte der griechischen Mathematik, ihrer Probleme und Lösungen. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-37611-5, S. 388 f., doi:10.1007/978-3-642-37612-2_25 (google.de).
  9. ↑ J. van Mannen: Seventeenth century instruments for drawing conic sections. In: The Mathematical Gazette. Vol. 76, 1992, S. 222–230.
  10. ↑ Erich Hartmann: Projektive Geometrie. (PDF; 180 kB). Kurzskript, TU Darmstadt, S. 12–16.
  11. ↑ Jacob Steiner’s Vorlesungen über synthetische Geometrie. B. G. Teubner, Leipzig 1867. 2. Teil, S. 96. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  12. ↑ Das Minuszeichen wird durch die Substitution der Integrationsgrenzen eliminiert.
  13. ↑ Eric W. Weisstein: Elliptic Integral. Abgerufen am 3. September 2021 (englisch).
  14. ↑ Eine von der hier aufgeführten Formel abweichende Form (die natürlich die gleichen Werte erzeugt) ist auf math.wolfram.com angeführt.
  15. ↑ Gérard P. Michon: Perimeter of an Ellipse. Abschnitt Very Precise Fast Computations. Auf: numericana.com. Abgerufen am 26. Juli 2015.
  16. ↑ a b Scott Pakin: The Comprehensive LaTeX Symbol List. (PDF; 32,2 MB) 3. Januar 2024; (englisch, Informationen zur Datei in Wikimedia Commons; siehe Tabelle „bbding Geometric Shapes“).