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Worum geht es hier? In der Linearen Algebra (lernt man für gewöhnlich in der Oberstufe) interessiert man sich unter anderem dafür, wie man mit Ebenen rechnen kann. Eine Ebene ist durch drei Punkte eindeutig bestimmt. (stell es dir anschaulich so vor, dass du durch drei Punkte immer ein Blatt Papier legen kannst. ) Aber mit den drei Punkten kann man nicht so gut rechnen, deswegen bringt man die Ebene gerne in eine mathematisch schöne Form. Welche Formen der Ebenengleichung gibt es? Koordinatenform (Vektorrechnung) - rither.de. Hat man drei Punkte gegeben, so kann man die Parameterform, die Koordinatenform oder die Normalenform aufstellen. Am Einfachsten ist es, zunächst die Parameterform aufzustellen, weil man Richtungsvektoren schnell aus den Punkten errechnen kann, siehe unten. Dann kann man die Parameterform in Normalen- und Koordinatenform umrechnen. Kann ich mal ein Beispiel sehen? Klar. Gesucht: Ebene durch Punkte ( 3 | 4 | 1), ( 4 | 2 | 5) und ( 2 | 3 | 4) Erster Punkt ergibt Stützvektor. Richtungsvektoren sind Differenzen der Koordinaten der Punkte, also... Also Ebenengleichung in Parameterform: E: x= ( 3) +r ( 1) +s ( -1) 4 -2 -1 1 4 3 Normalenform von E: x= ( 3) +r ( 1) +s ( -1) 4 -2 -1 1 4 3 soll bestimmt werden Normalenvektor berechnen: Kreuzprodukt der Richtungsvektoren bestimmen × = ( (-2)⋅3-4⋅(-1)) 4⋅(-1)-1⋅3 1⋅(-1)-(-2)⋅(-1) = Wie kann man verschiedene Formen der Ebenengleichung ineinander umrechnen?
Beispiel 15 Der Normalenvektor $\vec{n}$ der Ebene $$ 2x_1 + 4x_2 - 3x_3 = -5 $$ ist $$ \vec{n} = \begin{pmatrix} 2 \\ 4 \\ -3 \end{pmatrix} $$ Koordinatenform umformen Koordinatenform gegeben Koordinatenform gesucht Koordinatenform in Parameterform Parameterform in Koordinatenform Koordinatenform in Normalenform Normalenform in Koordinatenform Zurück Vorheriges Kapitel Weiter Nächstes Kapitel
Um Ebene n in einem dreidimensionalen Koordinaten system darstellen zu können, brauchen wir bestimmte, eindeutig erkennbare Punkte. Hierzu nehmen wir die Schnittpunkte der Ebene mit den Achsen des Koordinatensystems. Diese nennt man auch Spurpunkte. Wir erinnern uns an die Aufgaben im Zweidimensionalen die Nullstellen von Funktionen - also die Schnittpunkte ihres Graphen mit der x-Achse - zu bestimmen (y=0) und den Schnittpunkt mit der y-Achse herauszufinden (x=0 einsetzen). Ebene aus drei Punkten - lernen mit Serlo!. Im räumlichen Fall gehen wir ebenso vor: Für alle Punkte auf der x 1 -Achse gilt, dass ihre x 2 - und x 3 -Koordinaten den Wert Null haben. Methode Hier klicken zum Ausklappen Um die Spurpunkte einer Ebene zu berechnen, setzen wir also in der Ebenengleichung (hier in Koordinatenform) die entsprechenden Koordinaten gleich Null. Beispiel Hier klicken zum Ausklappen Gegeben ist die Ebene E mit E: $2x_1+x_2+2x_3=4$. Bestimme die Spurpunkte der Ebene und stelle die Ebene in einem geeigneten Koordinatensystem dar. Schnittpunkt mit der x 1 -Achse (x 2 =x 3 =0): $2\cdot x_1+0+2\cdot 0=4 \iff x_1=2 \rightarrow$ S 1 (2|0|0) Schnittpunkt mit der x 2 -Achse (x 1 =x 3 =0): $2\cdot 0+x_2+2\cdot 0=4 \iff x_2=4 \rightarrow$ S 2 (0|4|0) Schnittpunkt mit der x 3 -Achse (x 1 =x 2 =0): $2\cdot 0+0+2\cdot x_3=4 \iff x_3=2 \rightarrow$ S 3 (0|0|2) Methode Hier klicken zum Ausklappen Um jetzt mit Hilfe der Spurpunkte die Lage der Ebene anzudeuten, verbinden wir die 3 Spurpunkte zu einem Dreieck.
Beide Ebenengleichungen unterscheiden sich nur um den Faktor 2. Offensichtlich gelten für die Koordinatenform die gleichen Rechengesetzte wie für Gleichungen. Eine Ebene in Koordinatenform hat also unendlich viele Darstellungsmöglichkeiten, die sich nur durch Äquivalenzumformungen unterscheiden. Dies ist aber auch logisch, denn der Normalenvektor einer Ebene hat ja keine vorgegebene Länge. Der Normalenvektor von E 1 E_1 ist n 1 ⃗ \vec{n_1} =(1/2/4) und der Normalenvektor von E 2 E_2 ist n 2 ⃗ \vec{n_2} =(2/4/8). Da der eine Vektor ein Vielfaches des anderen Vektors ist, unterscheiden sich beide Vektoren auch nur in der Länge! Auch der Vektor n 3 ⃗ \vec{n_3} =(-4/-8/-16) ist ein Normalenvektor der Ebene. Er ist nur drei mal so lang und zeigt in die andere Richtung. Mit ihm kann auch wieder eine Ebenegleichung für die gleiche Ebene aufgestellt werden. Dazu muss er skalar mit einem Stützvektor multipliziert werden. In der Darstellung oben ist zu sehen, dass auch O B ⃗ \vec{OB} =(0/2/0) so ein Stützvektor ist.
Koordinatenform einer Ebene aus Punkt und Normalenvektor In diesem Video erfährst du, wie du die Koordinatenform einer Ebene bestimmst, wenn bereits ein Punkt und ein Normalenvektor vorgegeben sind. Für Abstandsberechnungen und Winkelbestimmungen mit Ebenen, ebenso wie die Berechnung des Schnittpunkts einer Ebene mit einer Gerade ist eine Koordinatengleichung der Ebene erforderlich. Hier liegt der einfachste Fall zur Bestimmung dieser Gleichung vor, weil ein Normalenvektor bereits bekannt ist. Wichtig ist dabei, dass du folgende allgemeine Koordinatengleichung immer parat hast: $ax+by+cz=d$. Hierzu eine Beispiel-Aufgabe: Ein Lichtstrahl trifft im Punkt $P(3|2|3)$ senkrecht auf eine Leinwand, die in einer Ebene $E$ liegt. Die Richtung des Lichtstrahls ist durch den Vektor $\vec{v}=\left(\begin{array}{c}3\\ 1\\1\end{array}\right)$ gegeben. Bestimme eine Koordinatengleichung der Ebene $E$. Da der Lichtstrahl senkrecht auf die Leinwand trifft, steht der Vektor $\vec{v}$ senkrecht auf $E$, d. h. $\vec{v}$ ist ein Normalenvektor von $E$.
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