Zuletzt geändert: Mo, 11.12.2006

«K12/K13» Ebenen «PDF», «POD»




0.0.1 Ebenen

Echt parallele Geraden mit Aufpunkt auf gg bestimmen eine Ebene EE.

E = \left\{ X \middle| \vec X = \vec A_l + k \vec u \text{ mit } k \in \mathds{R} \wedge \vec A_l = \vec B + l \vec v \text{ mit } l \in \mathds{R} \wedge \left\{ \vec u, \vec v \right\} \text{nicht kollinear} \right\}\!;E = XX = Al + ku mit k Al = B + lv mit l u,vnicht kollinear;

Kürzer:

E{:}\, \vec X = \vec B + k \vec u + l \vec v; \quad k, l \in \mathds{R};E:X = B + ku + lv;k,l ;

0.0.1.1 Möglichkeiten der gegenseitigen Lage von Gerade und Ebene

E{:}\, \vec X = \vec P + k \vec u + l \vec v;E:X = P + ku + lv;

g{:}\, \vec X = \vec Q + r \vec w;g:X = Q + rw;

  • gg und EE sind parallel. ⇔

    Es gibt Repräsentanten der Richtungsvektoren, die in einer [gemeinsamen] Ebene liegen.

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Size: 296x127
Scaled to: 296x127

    \lambda_1 \vec u + \lambda_2 \vec v + \lambda_3 \vec w = \vec 0;λ1u + λ2v + λ3w = 0;

    Dabei sind nicht alle \lambda_iλi, i = 1, 2, 3i = 1,2,3 zugleich Null. (\lambda_1^2 + \lambda_2^2 + \lambda_3^2 \neq 0;λ12 + λ22 + λ320;)

    [D.h.] \vec uu, \vec vv, \vec ww sind komplanar.

  • [g \subset Eg E ⇔ die Richtungsvektoren sind komplanar und \text{Aufpunkt} \in EAufpunkt E]

  • \vec P + k \vec u + l \vec v = \vec Q + r \vec w;P+ ku + lv = Q + rw;

    • EE und gg echt parallel ⇔ die Gleichung hat keine Lösung;

    • g \subset Eg E ⇔ die Gleichung hat unendlich viele Lösungen ("die Punkte von gg")

    • gg und EE schneiden sich in einem Punkt ⇔ die Gleichung hat genau eine Lösung;]

0.0.1.2 Möglichkeiten der gegenseitigen Lage zweier Ebenen
  • Beide Ebenen sind in vektorieller Parameterform gegeben.

    E{:}\, \vec X = \vec A + k \vec u + l \vec v; \quad k, l \in \mathds{R}; \quad {}F{:}\, \vec X = \vec B + m \vec w + n \vec z; \quad m, n \in \mathds{R};E:X = A + ku + lv;k,l ;F:X = B + mw + nz;m,n ;

    • EE und FF sind parallel. ⇔

      \vec uu, \vec vv, \vec ww, \vec zz sind komplanar. ⇔

      \vec uu, \vec vv, \vec ww und \vec uu, \vec vv, \vec zz sind komplanar.

    • EE und FF ist echt parallel. ⇔

      E \parallel FE F und \left[\left(A \not\in F\right) \vee \left(B \not\in E\right) \vee \left(\overrightarrow{AB}\text{, }\vec u\text{, }\vec v\text{ nicht komplanar}\right)\right] AF BE ABuv nicht komplanar.

    • EE und FF sind identisch. ⇔

      E \parallel FE F und \left[\left(A \in F\right) \vee \left(B \in E\right) \vee \left(\overrightarrow{AB}\text{, }\vec u\text{, }\vec v\text{ komplanar}\right)\right] A F B E ABuv komplanar. ⇔

      \vec A + k \vec u + l \vec v = \vec B + m \vec w + n \vec z;A+ ku + lv = B + mw + nz; hat eine Lösungsmenge mit zwei frei wählbaren Lösungsvariablen (Ebenengleichung).

    • EE und FF schneiden sich in einer Geraden. ⇔ E \nparallel F;E F;

  • [BTW]

    • E \cap F = \varnothingE F = : Beim Versuch, die Lösung zu finden, tritt ein Widerspruch auf.

    • E \cap F = \text{Gerade }gE F = Gerade g: Lösungsmenge mit einer frei wählbaren Variable.

    • E \cap F = E = FE F = E = F: [Lösungsmenge mit zwei frei wählbaren Variablen.]

  • Eine Ebene ist in Parameter-, eine in Koordinatenform gegeben.

    E{:}\, a x_1 + b x_2 + c x_3 + d = 0; \quad {}F{:}\, \text{[}\vec X = \vec B + m \vec w + n \vec z; \quad m, n \in \mathds{R};\text{]}E:ax1 + bx2 + cx3 + d = 0;F:[X = B + mw + nz;m,n ;]

    Einsetzen von x_1x1, x_2x2, x_3x3 aus der Gleichung von FF in die Gleichung von EE ergibt eine Gleichung (∗) für mm und nn.

    • EE und FF [sind] identisch. ⇔ mm und nn sind frei wählbar bezüglich (∗).

    • EE und FF sind echt parallel. ⇔ (∗) ist nicht lösbar.

    • EE und FF schneiden sich [in einer Gerade]. ⇔ Die Lö­sungs­men­ge hat eine frei wählbare Variable; m = m(n); n = n(m)m = m(n);n = n(m) [XXX IMHO ist diese Notation mathematisch unsinnig – mm bzw. nn können nicht eine Funktion (von \mathds{R} nach \mathds{R}) und eine reelle Zahl zugleich sein.]

  • [Beide Ebenen sind in Koordinatenform gegeben.]

    \left.\begin{array}{@{}l} {} E{:}\, a x_1 + b x_2 + c x_3 + d = 0; \\ {} F{:}\, \alpha x_1 + \beta x_2 + \gamma x_3 + \delta = 0; \end{array}\right\} \text{Gleichungssystem für }x_1,x_2,x_3 E:ax1 + bx2 + cx3 + d = 0; F:αx1 + βx2 + γx3 + δ = 0; Gleichungssystem fr x1,x2,x3

    • [EE und FF sind identisch. ⇔ Gleichung von EE ist ein Vielfaches von der von FF.]

    • [EE und FF sind echt parallel. ⇔ Die Koeffizienten von EE sind Vielfache von denen von FF, aber d \neq \deltadδ.]

    • [EE und FF schneiden sich in einer Geraden. ⇔ Die Koeffizienten von EE sind nicht Vielfache von denen von FF.]

0.0.1.3 [Winkel zwischen Ebene und Gerade/Normal(en)form einer Ebene

\angle(E,g) = \angle(p,g);(E,g) = (p,g);

\vec uu, \vec vv: Richtungsvektoren von EE

\vec n \perp E;n E;

\vec n \cdot \vec u = \vec n \cdot \vec v = 0;nu = n v = 0;]

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Size: 380x241
Scaled to: 380x241

X \in E;X E;\vec n \cdot \overrightarrow{AX} = 0;nAX = 0;

\vec n \cdot \left(\vec X - \vec A\right) = 0;nX A = 0; (vektorielle Normalform einer Ebene)

\left(\!\begin{smallmatrix}n_1\\n_2\\n_3\end{smallmatrix}\!\right) \left[\left(\!\begin{smallmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{smallmatrix}\!\right) - \left(\!\begin{smallmatrix}a_1\\a_2\\a_3\end{smallmatrix}\!\right)\right] = n_1 x_1 + n_2 x_2 + n_3 x_3 \underbrace{- \left(n_1 a_1 + n_2 a_2 + n_3 a_3\right)}_{n_0} = n_1 x_1 + n_2 x_2 + n_3 x_3 + n_0 = 0; n1 n2 n3 x1 x2 x3 a1 a2 a3 = n1x1 + n2x2 + n3x3 n1a1 + n2a2 + n3a3 n0 = n1x1 + n2x2 + n3x3 + n0 = 0; (skalare Normalform/Koordinatenform einer Ebene)

\vec n \cdot \overrightarrow{AX} > 0;nAX > 0;\vec XX liegt bezüglich \vec nn im oberen (positiven) Halbraum

"na langsam wird halt doch sichtbar, dass die Mathematik eine Universalwissenschaft ist"

0.0.1.3.1 [Hesse-Normierungen]
0.0.1.3.1.1 1. Hesse-Normierung für \text{Ursprung} \not\in EUrsprungE

Ursprung im unteren Halbraum, d.h. \vec n \vec A > 0nA > 0.

Senkrechte Projektion von \overrightarrow{AX}AX auf die Richtung von \vec nn ergibt den Abstand von XX zur Ebene.

d(X,E) = \left|\overrightarrow{AX}\right| \underbrace{\left|\frac{\vec n}{\left|\vec n\right|}\right|}_{1} \cdot \cos \underbrace{\angle\!\left(\vec n, \overrightarrow{AX}\right)}_{\angle\!\left(\frac{\vec n}{\left|\vec n\right|}, \overrightarrow{AX}\right)} = \overrightarrow{AX} \cdot \vec n^0 = \vec n^0 \cdot \left(\vec X - \vec A\right) > 0d(X,E) = AX n n1 cosn,AXn n,AX = AXn0 = n0 X A > 0 für XX im oberen Halbraum.

d(X,E) = \left|\overbrace{\underbrace{\vec n_0}_{\text{HESSEvektor}} \cdot \overrightarrow{AX}}^{\text{HESSEterm (HT)}}\right|;d(X,E) = n0 HESSEvektor AXHESSEterm (HT);

0.0.1.3.1.2 2. Hesse-Normierung

Der Normalenvektor soll die Länge 11 haben.

HT(X) = 0;HT(X) = 0;X \in E;X E;

HT(X) < 0;HT(X) < 0;XX und Ursprung liegen im gleichen Halbraum

0.0.1.3.2 HESSEnormalform einer Ebene (HNF)

HT(X) = \vec n_0 \cdot \left(\vec X - \vec A\right) = \vec n_0 \vec X - \vec n_0 \vec A = 0HT(X) = n0 X A = n0X n0A = 0 mit \left|\vec n_0\right| = 1 n0 = 1 und \vec n_0 \cdot \vec A > 0;n0A > 0;

0.0.1.3.2.3 Umschreiben der Normalform in die HESSEnormalform

[Normalform:] \vec n \vec X - \vec n \vec A = 0;nXnA = 0;

[HESSEnormalform:] \dfrac{\vec n \vec X - \vec n \vec A}{\left|\vec n\right| \cdot \operatorname{sgn} \vec n \vec A} = 0;nXnA n sgnnA = 0;