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Ebenengleichungen - von Parameterform in Koordinatenform umwandeln

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Parameterform in Koordinatenform



Eine Ebene in Parameterform wird in die entsprechende Koordinatenform umgewandelt, indem man nacheinander folgende Umwandlungen vornimmt:

  • von Parameterform in Normalform

  • von Normalform in Koordinatenform



Die Formen:


Parameterform Koordinatenform
$E:\vec{x}=\vec{a}+r\cdot\vec{b}+s\cdot\vec{c}$ $E:a_1x_1+a_2x_2+a_3x_3-b=0$



Weitere Umwandlungen




Übungsaufgaben

Wandle die folgenden Ebenen von Parameterform in Koordinatenform um.

  1. $E:\vec{x}=\begin{pmatrix}1\\2\\4 \end{pmatrix} + r \begin{pmatrix}0\\1\\1 \end{pmatrix} + s \begin{pmatrix}1\\0\\1 \end{pmatrix}$

    Lösung

    Parameterform der Ebene $E$

    $E:\vec{x}=\begin{pmatrix}1\\2\\4 \end{pmatrix} + r \begin{pmatrix}0\\1\\1 \end{pmatrix} + s \begin{pmatrix}1\\0\\1 \end{pmatrix}$

    Normalenvektor berechnen: Kreuzprodukt der Richtungsvektoren bestimmen

    $ \qquad \qquad \vec{n}=\begin{pmatrix}0\\1\\1 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix}1\\0\\1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}1\cdot 1-1\cdot 0\\ 1\cdot 1-0\cdot 1\\ 0\cdot 0-1\cdot 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}1\\1\\-1 \end{pmatrix} $

    $ \qquad \qquad \Rightarrow E: \begin{bmatrix}\vec{x} – \begin{pmatrix}1\\2\\4 \end{pmatrix} \end{bmatrix} ∘ \begin{pmatrix}1\\1\\-1 \end{pmatrix} = 0 $

    Normalform in Koordinatenform umwandeln durch Ausführen des Skalarproduktes (Ausmultiplizieren):

    $ \qquad \Rightarrow E: \begin{bmatrix}\vec{x} – \begin{pmatrix}1\\2\\4 \end{pmatrix} \end{bmatrix} ∘ \begin{pmatrix}1\\1\\-1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}x\\y\\z \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}1\\1\\-1 \end{pmatrix} – \begin{pmatrix}1\\2\\4 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}1\\1\\-1 \end{pmatrix} $

    $\qquad \begin{pmatrix}x\\y\\z \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}1\\1\\-1 \end{pmatrix} =x\cdot 1+y\cdot 1+z\cdot (-1)=x+y-z $

    $\qquad \begin{pmatrix}1\\2\\4 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}1\\1\\-1 \end{pmatrix} =1\cdot 1+2\cdot 1+4\cdot (-1)=-1 $

    Setzt man diese beiden Ergebnisse in die ausmultiplizierte Normalenform ein, erhält man

    $x+y-z+1=0$

    Also die Koordinatenform lautet:

    $E:x+y-z=-1$


  2. $E:\vec{x}=\begin{pmatrix}2\\3\\-1 \end{pmatrix} + r \begin{pmatrix}1\\0\\-1 \end{pmatrix} + s \begin{pmatrix}-3\\4\\2 \end{pmatrix}$

    Lösung

    Parameterform der Ebene $E$

    $E:\vec{x}=\begin{pmatrix}2\\3\\-1 \end{pmatrix} + r \begin{pmatrix}1\\0\\-1 \end{pmatrix} + s \begin{pmatrix}-3\\4\\2 \end{pmatrix}$

    Normalenvektor berechnen: Kreuzprodukt der Richtungsvektoren bestimmen

    $ \qquad \qquad \vec{n}=\begin{pmatrix}1\\0\\-1 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix}-3\\4\\2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}0\cdot 2-(-1)\cdot 4\\ -1\cdot (-3)-2\cdot 1\\ 1\cdot 4-0\cdot (-3) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}4\\1\\4 \end{pmatrix} $

    $ \qquad \qquad \Rightarrow E: \begin{bmatrix}\vec{x} – \begin{pmatrix}2\\3\\-1 \end{pmatrix} \end{bmatrix} ∘ \begin{pmatrix}4\\1\\4 \end{pmatrix} = 0 $

    Normalform in Koordinatenform umwandeln durch Ausführen des Skalarproduktes (Ausmultiplizieren):

    $ \qquad \Rightarrow E: \begin{bmatrix}\vec{x} – \begin{pmatrix}2\\3\\-1 \end{pmatrix} \end{bmatrix} ∘ \begin{pmatrix}4\\1\\4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}x\\y\\z \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}4\\1\\4 \end{pmatrix} – \begin{pmatrix}2\\3\\-1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}4\\1\\4 \end{pmatrix} $

    $\qquad \begin{pmatrix}x\\y\\z \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}4\\1\\4 \end{pmatrix} =x\cdot 4+y\cdot 1+z\cdot 4 = 4x+y+4z $

    $\qquad \begin{pmatrix}2\\3\\-1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}4\\1\\4 \end{pmatrix} =2\cdot 4+3\cdot 1+ (-1)\cdot 4=7 $

    Setzt man diese beiden Ergebnisse in die ausmultiplizierte Normalenform ein, erhält man

    $4x+y+4z-7=0$

    Also die Koordinatenform lautet:

    $E:4x+y+4z=7$


  3. $E:\vec{x}=\begin{pmatrix}-2\\3\\-1 \end{pmatrix} + r \begin{pmatrix}-2\\0\\3 \end{pmatrix} + s \begin{pmatrix}-2\\3\\-4 \end{pmatrix}$

    Lösung
    Parameterform der Ebene $E$

    $E:\vec{x}=\begin{pmatrix}-2\\3\\-1 \end{pmatrix} + r \begin{pmatrix}-2\\0\\3 \end{pmatrix} + s \begin{pmatrix}-2\\3\\-4 \end{pmatrix}$

    Normalenvektor berechnen: Kreuzprodukt der Richtungsvektoren bestimmen

    $ \qquad \qquad \vec{n}=\begin{pmatrix}-2\\0\\3 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix}-2\\3\\-4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}0\cdot (-4)-3\cdot 3\\ 3\cdot (-2)-(-2)\cdot (-4)\\ (-2)\cdot 3-0\cdot (-2) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}-9\\-14\\-6 \end{pmatrix} $

    $ \qquad \qquad \Rightarrow E: \begin{bmatrix}\vec{x} – \begin{pmatrix}-2\\3\\-1 \end{pmatrix} \end{bmatrix} ∘ \begin{pmatrix}-9\\-14\\-6 \end{pmatrix} = 0 $

    Normalform in Koordinatenform umwandeln durch Ausführen des Skalarproduktes (Ausmultiplizieren):

    $ \qquad \Rightarrow E: \begin{bmatrix}\vec{x} – \begin{pmatrix}-2\\3\\-1 \end{pmatrix} \end{bmatrix} ∘ \begin{pmatrix}-9\\-14\\-6 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}x\\y\\z \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}-9\\-14\\-6 \end{pmatrix} – \begin{pmatrix}-2\\3\\-1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}-9\\-14\\-6 \end{pmatrix} $

    $\qquad \begin{pmatrix}x\\y\\z \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}-9\\-14\\-6 \end{pmatrix} =x\cdot (-9)+y\cdot (-14)+z\cdot (-6) = -9x-14y-6z $

    $\qquad \begin{pmatrix}-2\\3\\-1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}-9\\-14\\-6 \end{pmatrix} =-2\cdot (-9)+3\cdot (-14)+ (-1)\cdot (-6) = -18 $

    Setzt man diese beiden Ergebnisse in die ausmultiplizierte Normalenform ein, erhält man

    $-9x-14y-6z+18=0$

    Also die Koordinatenform lautet:

    $E:-9x-14y-6z=-18$


  4. $E:\vec{x}=\begin{pmatrix}3\\2\\4 \end{pmatrix} + r \begin{pmatrix}-1\\2\\4 \end{pmatrix} + s \begin{pmatrix}2\\1\\-1 \end{pmatrix}$

    Lösung
    Parameterform der Ebene $E$

    $E:\vec{x}=\begin{pmatrix}3\\2\\4 \end{pmatrix} + r \begin{pmatrix}-1\\2\\4 \end{pmatrix} + s \begin{pmatrix}2\\1\\-1 \end{pmatrix}$

    Normalenvektor berechnen: Kreuzprodukt der Richtungsvektoren bestimmen

    $ \qquad \qquad \vec{n}=\begin{pmatrix}-1\\2\\4 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix}2\\1\\-1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}2\cdot (-1)-4\cdot 1\\ 4\cdot 2-(-1)\cdot (-1)\\ (-1)\cdot 1-2\cdot 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}-6\\7\\-5 \end{pmatrix} $

    $ \qquad \qquad \Rightarrow E: \begin{bmatrix}\vec{x} – \begin{pmatrix}3\\2\\4 \end{pmatrix} \end{bmatrix} ∘ \begin{pmatrix}-6\\7\\-5 \end{pmatrix} = 0 $

    Normalform in Koordinatenform umwandeln durch Ausführen des Skalarproduktes (Ausmultiplizieren):

    $ \qquad \Rightarrow E: \begin{bmatrix}\vec{x} – \begin{pmatrix}3\\2\\4 \end{pmatrix} \end{bmatrix} ∘ \begin{pmatrix}-6\\7\\-5 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}x\\y\\z \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}-6\\7\\-5 \end{pmatrix} – \begin{pmatrix}3\\2\\4 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}-6\\7\\-5 \end{pmatrix} $

    $\qquad \begin{pmatrix}x\\y\\z \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}-6\\7\\-5 \end{pmatrix} =x\cdot (-6)+y\cdot 7+z\cdot (-5) = -6x+7y-5z $

    $\qquad \begin{pmatrix}3\\2\\4 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}-6\\7\\-5 \end{pmatrix} =3\cdot (-6)+2\cdot 7+ 4\cdot (-5) = -24 $

    Setzt man diese beiden Ergebnisse in die ausmultiplizierte Normalenform ein, erhält man

    $-6x+7y-5z+24=0$

    Also die Koordinatenform lautet:

    $E:-6x+7y-5z=-24$
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