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Punkte in einer Ebene

Aufrufe: 358     Aktiv: 10.11.2024 um 18:23

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Liebes Forum,
überprüft werden soll folgende Aussage:

v sei nicht Nullvektor. Zudem gelte: v•OA=v•OB=v•OC=v•OD (alles Vektoren)
Dann liegen die Punkte A, B, C und D in einer gemeinsamen Ebene mit Normalenvektor v.

Meine Überlegung:
Wenn die Ebene durch den Koordinatenursprung geht, stimmt die Aussage und die alle Skalarprodukte ergeben in diesem Fall 0.
Die Frage ist eher, kann auch Gleichheit der Produkte vorliegen, die ungleich 0 ist? Und dann die Frage: liegen Punkt dann dennoch in einer gemeinsamen Ebene?


Danke für die Hilfe,
schönes WE!

handfeger0
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gefragt

Punkte: 152

 

Wenn ihr die Hessesche Normalform schon gehabt habt, ist alles ganz simpel.
Wenn nicht, dann ist es kompliziert.
Drum meine Frage: hattet ihr die Hessesche Normalform?
  ─   m.simon.539 08.11.2024 um 23:42

Hatten wir, ja.   ─   handfeger0 09.11.2024 um 11:10

Du kannst es also mit deren Hilfe erklären bitte!   ─   handfeger0 09.11.2024 um 11:24
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1 Antwort
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Ok, jetzt, wo ich's aufgeschrieben habe, ist es doch nicht so einfach wie es mir schien.

Also: Lt. Wiki ist die Hessesche Normalform einer Ebene so definiert:
Gegeben ein Vektor n0 mit Länge 1, und eine Zahl d0.
Dann ist die Menge aller x, für die xn0d=0 gilt, eine Ebene.

Nun setze ich l=|v|= Länge von v, und w=1lv.
Dann setze ich s=0Aw.
Wenn s<0, dann setze ich d=s und n0=w,
ansonsten setze ich d=s und n0=w.
Dann ist n0 ein Vektor der Länge 1, und d0, also so, wie es für die Hessesche Normalform sein soll.
Sei nun E die Ebene, die alle x enthält, für die xn0d=0 gilt.

Dann ist für s<0:     0An0d=0Awd=sd=dd=0.
Für s0 gilt obige Gleichung ebenfalls.
Also gilt die obige Gleichung in jedem Falle, also liegt A in der Ebene E.

Nun zum Punkt B:
Es ist für s0 :     0Bn0=0Bw=1l0Bv=1l0Av=0Aw=0An0=d.
Für s<0 gilt gilt obige Gleichung ebenfalls.
Also gilt die obige Gleichung in jedem Falle, also liegt B in der Ebene E.

Analog zeigt man, dass C und D in der Ebene E liegen.
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Punkte: 2.62K

 

Diesen Ansatz verstehe ich leider nicht, habe aber einen eigenen, der glaube ich auch Sinn ergibt (freue mich auf deine Enschätzung):
Zu prüfende Aussage:

Sei OA*n=OB*n=OC*n=OD*n, dann liegen A,B,C und D in eine gemeinsamen Ebene E mit Normalenvektor n.

Es gilt: OA*n=OB*n=OC*n=OD*n=(OA-O)*k*n0=(OB-O)*k*n0=(OC-O)*k*n0=(OD-O)*k*n0. Dabei ist k eine reelle Zahl, n0 der Normaleneinheitsvektor und O der Koordinatenursprung. Man kann nun in der Gleichungskette :k teilen und erhält die äquivalente Kette: OA*n0=OB*n0=OC*n0=OD*n0.

Sei F eine Hilfsebene, die den Koordinatenursprung enthält mit Normaleneinheitsvektor n0. Dann gilt mithilfe der Abstandsformel der Hessischen Normalenform: (OR-OP)*n0=d ; dabei ist P ein Punkt der Ebene F (in unserem Fall o.B.d.A. sei P der Ursprung), OR der Ortsvektor eines beliebigen Punktes im Raum und d der Abstand von R zur Ebene F.

Mit unseren obigen Vorüberlegungen und der Hesseschen Normalenform der Ebene F, haben jetzt aber die Punkte A,B,C und D den gleichen Abstand zur Ebene F und definieren somit eine zu F parallele Ebene E, die ebenfalls den Normalenvektor n0 besitzt. Da dieser kollinear zu n ist, ist die Aussage bewiesen.
  ─   handfeger0 09.11.2024 um 15:35

Ja, passt so ungefähr. Es gibt nur ein paar Nickeligkeiten:

Das d aus der Hesseschen Normalform darf nicht negativ sein. Also muss das Vorzeichen k so gewählt werden, dass d0.

Dein k könnte auch 0 sein, und dann kann man durch k nicht teilen.

Das ist alles nur Formalkram, aber im größten Teil meiner Antwort geht es genau darum, diese formalen Nickeligkeiten zu umschiffen.

Statt z.B. "OB-O" kann man auch einfach nur "OB" schreiben.


  ─   m.simon.539 09.11.2024 um 16:36

wenn n nicht der Nullvektor war, kann doch k auch nicht null sein oder?
Was ich ich noch frage: Es könnte ja sein, dass A und B z.B. aus unterschiedlichen Seiten der Hilfsebene F liegen. Dann würden sie die Gleichung auch erfüllen aber nicht in einer ebene liegen.

Wie kann man das vermeiden?
  ─   handfeger0 09.11.2024 um 18:46

Stimmt, k ist niemals 0.

Das Problem mit den unterschiedlichen Seiten der Hilfsebene habe ich nicht gesehen; gut, dass Du es gemerkt hat. Dieses Problem ist im Grunde genommen das "d0"-Problem in meinem vorigen Kommentar.

Wenn Du die Hessesche Normalform kennst, dann müsstest Du ja auch die Koordinatenform kennen. Mit der kannst Du dieses Problem gar nicht.

Dann lautet die Ebene einfach: E={x;xn=a} mit n=v und a=0Av.
Jetzt ist es einfach auszurechnen, dass A, B, C und D in E liegen.
  ─   m.simon.539 10.11.2024 um 02:36

Lieber m.simon. Danke für deine Zeit. Habe nochmal nachgedacht, und eine sehr einfache Variante (ohne Hesse) gefunden.

Seien A, B, C und D beliebige aber feste Punkte im R^3. Dann ist durch die Gleichung (x-a)*v=0 eine Ebene im Raum definiert. Dabei ist a der Ortsvektor des Punktes A (Stützpunkt der Ebene) und v ein Normalenvektor der Ebene. Es gilt: (x-a)*v=0 <->x*v=a*v , sprich, es sind alle Punkte teil der gleichen Ebene, wie A, deren Skalarprodukt den selben Wert ergibt, wie a*v. Dies gilt für die Punkte B,C und D nach Voraussetzung. Demnach liegen alle Punkte in der selben E, die v als Normalenvektor hat.

Was denkst du über diese (wie ich finde) sehr einfache Version?
  ─   handfeger0 10.11.2024 um 14:10

Diese Lösung gefällt mir gut.   ─   m.simon.539 10.11.2024 um 18:23

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