Normalen- und Koordinatenform

Normal and coordinate form

Mathematik Klasse 13 18 Aufgaben
GeometrieEbenenAnalytische GeometrieNormalenvektor

Eine Ebene lässt sich auch durch einen Vektor n beschreiben, der senkrecht auf ihr steht: Der Normalenvektor folgt aus n·u = 0 und n·v = 0 oder aus dem Vektorprodukt u × v, die Normalenform lautet n·(X − A) = 0, die Koordinatenform n₁x₁ + n₂x₂ + n₃x₃ = d mit d = n·A. Der Abschnitt zeigt, wie man die Koeffizienten als Normalenvektor abliest und die Punktprobe in einer Zeile führt. Räumt aus, einen Spannvektor oder die Spurpunkt-Koordinaten für den Normalenvektor zu halten, X statt X − A zu schreiben und d zu vergessen. Bereitet die besondere Lage aus der Gleichung, Spurpunkte, Schnittwinkel und die Hesse’sche Normalform vor.

Der Normalenvektor

Kürzer als mit zwei Spannvektoren beschreibt man eine Ebene mit einem Vektor n, der senkrecht auf ihr steht, dem Normalenvektor. Er muss auf beiden Spannvektoren senkrecht stehen: und . Das Vektorprodukt liefert ihn sofort: Für u = (−1; 1; 0) und v = (−1; 0; 2) ist u × v = (2; 2; 1). Probe: n·u = −2 + 2 = 0 und n·v = −2 + 2 = 0. Jedes Vielfache von n ist ebenfalls ein Normalenvektor. Weil n auf jedem Vektor der Ebene senkrecht steht, ist er für Winkel und Abstände besonders nützlich.

Hier ist n = (2; 2; n₃). Verändere n₃: Bei welchem Wert werden beide Proben 0? Im Bild sieht man den rechten Winkel nicht.

Die Normalenform

Ein Punkt X liegt genau dann in der Ebene durch A, wenn der Vektor AX in der Ebene liegt, also senkrecht auf n steht. Das ist die Normalenform . Für n = (2; 2; 1) und A(2 | 0 | 0) lautet sie (2; 2; 1)·(X − (2; 0; 0)) = 0. Für X(0 | 1 | 2) ist AX = (−2; 1; 2) und das Skalarprodukt −4 + 2 + 2 = 0: X liegt in E. Ist das Skalarprodukt nicht 0, liegt X nicht in E.

Dreidimensionales Koordinatensystem (x₁ zum Betrachter, x₂ nach rechts, x₃ nach oben): A(2|0|0), X(0|1|2), Pfeil (2|0|0)→(0|1|2), Pfeil (2|0|0)→(4|2|1), Ebene x₁ 1 2 3 x₂ 1 2 3 x₃ 1 2 3 4 AX n A X
AX (gelb) liegt in der Ebene und steht senkrecht auf n (rosa): n·AX = 0.

Die Koordinatenform

Multipliziert man die Normalenform aus, entsteht n·X = n·A. Mit d = n·A ergibt das die Koordinatenform . Für das Segel: d = 2·2 + 2·0 + 1·0 = 4, also 2x₁ + 2x₂ + x₃ = 4. Die Koeffizienten sind die Komponenten von n und lassen sich direkt ablesen; d hängt vom Stützpunkt ab.

Die Punktprobe geht damit in einer Zeile: Für P(0 | 1 | 2) gilt 0 + 2 + 2 = 4, P liegt in E. Für R(1 | 1 | 2) ist die linke Seite 6, R liegt nicht in E.

Gezeigt ist 2x₁ + 2x₂ + x₃ = d, dazu P(1 | 1 | 0). Verändere d: Bei welchem d liegt P in der Ebene, und wie liegen die Ebenen zueinander?
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Welcher Vektor steht senkrecht auf u = (1; 2; 0) und auf v = (0; 1; 1)?

  • ● n = (2; −1; 1)
  • ○ n = (−2; 1; 1)
  • ○ n = (1; 3; 1)
Proben: (2; −1; 1)·(1; 2; 0) = 2 − 2 = 0 und (2; −1; 1)·(0; 1; 1) = −1 + 1 = 0. Bei (−2; 1; 1) stimmt die Probe mit v nicht (1 + 1 = 2), (1; 3; 1) = u + v steht auf keinem der beiden senkrecht.
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

n = (1; 1; 1) ist ein Normalenvektor der Ebene mit den Spannvektoren u = (1; −1; 0) und v = (0; 1; −1).

✓ Wahr
n·u = 1 − 1 + 0 = 0 und n·v = 0 + 1 − 1 = 0: n steht auf beiden Spannvektoren senkrecht.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Welcher Vektor ist ein Normalenvektor der Ebene durch S₁, S₂ und S₃?

  • ● n = (2; 2; 1)
  • ○ n = (−2; 2; 0)
  • ○ n = (2; 2; 4)
S₁S₂ × S₁S₃ = (−2; 2; 0) × (−2; 0; 4) = (8; 8; 4) = 4 · (2; 2; 1). (−2; 2; 0) ist ein Spannvektor und liegt in der Ebene, (2; 2; 4) enthält die Achsenabschnitte statt eines senkrechten Vektors.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Welche Gleichung ist die Normalenform der Ebene durch A(1 | 2 | 3) mit dem Normalenvektor n = (2; −1; 4)?

  • ● (2; −1; 4)·(X − (1; 2; 3)) = 0
  • ○ (2; −1; 4)·X = 0
  • ○ (1; 2; 3)·(X − (2; −1; 4)) = 0
Normalenvektor n vor dem Malpunkt, dahinter X − A: Der Vektor AX muss senkrecht auf n stehen. Bei „n·X = 0“ fehlt das Abziehen von A (das wäre eine Ebene durch den Ursprung), in der dritten Gleichung sind n und A vertauscht.
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Welcher Punkt liegt in der Ebene E: (2; 2; 1)·(X − (2; 0; 0)) = 0?

  • ● P(1 | 1 | 0)
  • ○ Q(0 | 0 | 1)
  • ○ R(2 | 1 | 1)
P: X − A = (−1; 1; 0), und (2; 2; 1)·(−1; 1; 0) = −2 + 2 + 0 = 0. Bei Q ist (−2; 0; 1) das Ergebnis −3, bei R ist (0; 1; 1) das Ergebnis 3: nicht senkrecht auf n.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Welche Koordinatenform hat die Ebene mit dem Normalenvektor n = (1; −2; 3) durch A(2 | 1 | 1)?

  • ● x₁ − 2x₂ + 3x₃ = 3
  • ○ x₁ − 2x₂ + 3x₃ = 0
  • ○ 2x₁ + x₂ + x₃ = 3
Die Koeffizienten sind die Komponenten von n, und d = n·A = 1 · 2 − 2 · 1 + 3 · 1 = 3. Bei „= 0“ wurde d vergessen (Ebene durch den Ursprung), die dritte Gleichung nimmt die Koordinaten von A als Koeffizienten.
Wahr / Falsch #7 15s ▶ Testen

Die Ebene 3x₁ − x₂ + 2x₃ = 5 hat den Normalenvektor (3; 1; 2).

✓ Falsch
Der Koeffizient von x₂ ist −1: Der Normalenvektor ist (3; −1; 2). Die Vorzeichen der Koeffizienten gehören zum Normalenvektor, die 5 dagegen nicht.
Multiple Choice #8 20s ▶ Testen

Welcher Punkt liegt in der Ebene E: 2x₁ + 2x₂ + x₃ = 4?

  • ● P(1 | 1 | 0)
  • ○ Q(2 | 1 | 1)
  • ○ R(1 | 2 | −1)
P: 2 · 1 + 2 · 1 + 0 = 4. Q: 4 + 2 + 1 = 7 (die Koordinatensumme 4 ist unerheblich), R: 2 + 4 − 1 = 5.
Wahr / Falsch #9 15s ▶ Testen

Im Bild scheint P(3 | 1,5 | 2) im Segel E: 2x₁ + 2x₂ + x₃ = 4 zu liegen. P liegt tatsächlich in E.

✓ Falsch
Einsetzen: 2 · 3 + 2 · 1,5 + 2 = 11 ≠ 4. P liegt nicht in E: Im Schrägbild sitzt P auf derselben Sichtlinie wie der Segelpunkt (1 | 0,5 | 1), aber weiter vorn und höher.
Mittel
Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

Berechne die erste Komponente von u × v für u = (1; 2; 3) und v = (2; 0; 1).

✓ Antwort: 2
(u × v)₁ = u₂v₃ − u₃v₂ = 2 · 1 − 3 · 0 = 2.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Berechne n·(X − A) für n = (2; 1; 0), A(1 | 1 | 1) und X(3 | 2 | 5).

✓ Antwort: 5
X − A = (2; 1; 4), und n·(X − A) = 2 · 2 + 1 · 1 + 0 · 4 = 5. Das ist nicht 0: X liegt nicht in der Ebene.
Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

Die Ebene 2x₁ − x₂ + 3x₃ = d geht durch A(1 | 4 | 2). Bestimme d.

✓ Antwort: 4
d = 2 · 1 − 4 + 3 · 2 = 4.
Zahleneingabe #4 20s ▶ Testen

Setze P(2 | −1 | 3) in 3x₁ + 2x₂ − x₃ ein. Welchen Wert hat die linke Seite?

✓ Antwort: 1
3 · 2 + 2 · (−1) − 3 = 6 − 2 − 3 = 1.
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Die Ebene hat die Spannvektoren u = (1; 0; 2) und v = (0; 1; 3). Ein Normalenvektor hat die Form n = (a; b; 1). Bestimme a.

✓ Antwort: -2
n = u × v = (0 · 3 − 2 · 1; 2 · 0 − 1 · 3; 1 · 1 − 0 · 0) = (−2; −3; 1). Also a = −2 (und b = −3). Probe: n·u = −2 + 0 + 2 = 0.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Die Ebene E hat den Normalenvektor n = (1; 2; −1) und enthält A(3 | 0 | 2). Der Punkt X(5 | y | 3) liegt in E. Bestimme y.

✓ Antwort: -0.5
X − A = (2; y; 1). n·(X − A) = 2 + 2y − 1 = 0, also 2y = −1 und y = −0,5.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Die Ebene mit dem Normalenvektor n = (1; 2; c) durch A(1 | 1 | 1) hat die Koordinatenform x₁ + 2x₂ + c·x₃ = 7. Bestimme c.

✓ Antwort: 4
d = n·A = 1 · 1 + 2 · 1 + c · 1 = 3 + c. Aus 3 + c = 7 folgt c = 4.
Zahleneingabe #4 30s ▶ Testen

Für welchen Wert von t liegt P(t | 2 | 1) in der Ebene 2x₁ − x₂ + 4x₃ = 10?

✓ Antwort: 4
Einsetzen: 2t − 2 + 4 = 10, also 2t = 8 und t = 4.
KI-bewertete Rechnung #5 240s ▶ Testen

Eine Ebene E geht durch A(1 | 0 | 0), B(1 | 2 | 1) und C(3 | 0 | 2). Bestimme einen Normalenvektor, die Normalenform und die Koordinatenform von E und prüfe, ob P(2 | 0 | 1) in E liegt. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: AB = (0; 2; 1), AC = (2; 0; 2). n = AB × AC = (2 · 2 − 1 · 0; 1 · 2 − 0 · 2; 0 · 0 − 2 · 2) = (4; 2; −4), gekürzt n = (2; 1; −2). Normalenform: (2; 1; −2)·(X − (1; 0; 0)) = 0. Koordinatenform: d = n·A = 2, also 2x₁ + x₂ − 2x₃ = 2 (Probe mit B: 2 + 2 − 2 = 2, mit C: 6 + 0 − 4 = 2). P(2 | 0 | 1): 4 + 0 − 2 = 2 = d, also liegt P in E.
Aus den Spannvektoren folgt n; d = n·A; die Punktprobe in Koordinatenform ist eine Zeile.