Mathematik verstehen 6, Schulbuch

193 10.3 Normalvektordarstellung einer Ebene im Raum 10.3 Normalvektordarstellung einer Ebene im Raum Normalvektordarstellung (Gleichung) einer Ebene L Wir betrachten eine Ebene E, die durch einen Punkt P und einen Normalvektor ​→n ​* ​ℝ 3 ​gegeben ist. Für jeden von P verschiedenen Punkt X * ​ℝ 3 ​gilt: X * E É ​→n ​© ​ → PX ​ É ​→n ​· ​ → PX ​ = 0 É ​→ n ​​ · (X – P) = 0 É ​→ n ​​ · X = ​→n ​· P Die Äquivalenz X * E É ​→n​·X=​→n​· P gilt aber auch für X = P, da hier beide Aussagen wahr sind. Für ​→n ​= (​n 1​ 1 ​​n 2​ ​1 ​​n 3 ​), X = (x 1 y 1 z) und P = (p​ 1​ 1 ​​p 2​ ​1 ​​p 3 ​) geht die Gleichung ​ →n​·X=​→n​· P über in: ​(​ ​n 1​ n​ ​ 2​ n​ 3​) ​· ​(​ x y ​ z ​) ​= ​(​ ​n 1​ n​ ​ 2​ n​ 3​) ​· ​( ​ ​p 1​ p​ ​ 2​ p​ 3​) ​bzw. n1 x + n2 y + n3 z = n1 p1 + n2 p2 + n3 p3 Setzt man zur Abkürzung noch n​ 1 p​ 1 ​+ ​n 2 p​ 2 ​+ ​n 3 p​ 3 ​= c, erhalten wir: n​ 1 x​ + ​n 2 y​ + ​n 3 z​ = c. Satz Ist E eine Ebene im Raum durch den Punkt P = (p​ 1​ 1 ​​p 2​ ​1 ​​p 3 ​) und ​→n ​≠ ​→o​ein Normalvektor von E, dann gilt für alle X * ​ℝ 3:​ X * E É ​→n​·X=​→n ​· P bzw. (x 1 y 1 z) * E É n​ 1 x​ + ​n 2 y​ + ​n 3 z​ = c mit c = ​n 1 p​ 1 ​+ ​n 2 p​ 2 ​+ ​n 3 p​ 3​ Definition Die Gleichung ​→n​·X=​→n ​· P bzw. ​n 1 x​ + ​n 2 y​ + ​n 3 z​ = c nennt man eine Normalvektordarstellung (oder kurz Gleichung) der Ebene E. Die Ebene E kann so dargestellt werden: E = {X * ​​ℝ 3​‡ ​→n​·X=​→n​· P} = {(x 1 y 1 z) * ​ℝ 3 ​‡ ​n 1 x​ + ​n 2 y​ + ​n 3 z​ = c} 10.19 Ermittle eine Gleichung der Ebene durch P = (3 1 1 1 – 2) mit dem Normalvektor ​→n ​= (1 1 2 1 – 3)! LÖSUNG ​ →n​·X=​→n ​· P É ​​( ​ 1 2 ​ – 3 ​)​ · ​(​ x y ​ z ​) ​= ​( ​ 1 2 ​ – 3 ​) ​· ​( ​ 3 1 ​ – 2 ​)​ É É x + 2 y – 3 z = 1 · 3 + 2 · 1 + (– 3) · (– 2) É x+2y–3z=11 Jede Ebene mit dem Normalvektor ​→n ​= (​n 1​ 1 ​​n 2​ ​1 ​​n 3 ​) kann durch eine Gleichung der Form n​ 1 x​ + n​ 2 y​ + n​ 3 z​ = c dargestellt werden. Umgekehrt stellt jede solche Gleichung eine Ebene mit dem Normalvektor ​→n ​= (​n 1​ 1 ​​n 2​ ​1 ​​n 3 ​) dar (sofern n​ 1 ,​ n​ 2 ,​ n​ 3 ​nicht alle gleich 0 sind). Ein Normalvektor kann somit unmittelbar aus der Gleichung abgelesen werden. BEISPIEL Die Ebene E: 4x – 3y + z = 7 besitzt den Normalvektor ​ →n ​= (4 1 – 3 1 1). Insgesamt kennen wir nun zwei Darstellungen für Ebenen in ​ℝ 3:​ Parameterdarstellung einer Ebene: Normalvektordarstellung (Gleichung) einer Ebene: X = P + u · ​→a​+v·​ → b ​ ​→n​·X=​→n ​· P bzw. ​​n 1 ​x + ​n 2 y​ + ​n 3 z​ = c BEACHTE Eine lineare Gleichung in x, y stellt eine Gerade in R2 dar. Eine lineare Gleichung in x, y, z stellt aber nicht eine Gerade in R3, sondern eine Ebene in R3 dar. Eine Gerade in R3 kann man nur durch eine Parameterdarstellung oder als Schnitt zweier Ebenen darstellen. n E P X Ó Applet 4j6k6w n E P X kompakt S. 199 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

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