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3.4 Geometrie im Rn ​

Wir identifizieren den uns vertrauten dreidimensionalen Raum R3 und die ebene Fläche R2 mit den jeweiligen Standardvektorräumen.
In diesem Unterkapitel betrachten wir ausschließlich den Standardvektorraum Rn mit dem Standardskalarprodukt
(x∣y)=x1y1+x2y2+⋯+xnyn.

Unser Ziel ist es, elementargeometrische Betrachtungen (Geraden, Ebenen etc.) auf Rn zu übertragen.

Definition: Gerade und Ebene ​

  1. Gerade:
    Seien x,v∈Rn mit v≠0.
    Dann heißt g:={x+λv:λ∈R} eine Gerade mit Aufpunkt x und Richtungsvektor v.

  2. Ebene:
    Seien x,v,w∈Rn, wobei v und w linear unabhängig sind.
    Dann heißt E:={x+λv+μw:λ,μ∈R} eine Ebene mit Aufpunkt x und Richtungsvektoren v und w.

Gerade durch zwei Punkte ​

Satz (Eindeutige Gerade durch zwei verschiedene Punkte) ​

Seien x,y∈Rn mit x≠y. Dann gibt es genau eine Gerade, die die Punkte x und y enthält.

Sie lautet: g={x+λ(y−x):λ∈R}.

Begründung:

  • Offensichtlich liegen x und y beide auf der beschriebenen Menge (einsetzen von λ=0 bzw. λ=1).
  • Wäre es eine andere Gerade, müsste sie denselben Richtungsvektor besitzen, da x und y eindeutig die Richtung bestimmen.

Bemerkung: Eindeutige Ebene durch drei Punkte ​

Ebenso kann man drei Punkte x,y,z∈Rn nutzen, um eine Ebene zu definieren, vorausgesetzt:

  1. x,y,z sind paarweise verschieden.
  2. Sie liegen nicht alle auf einer gemeinsamen Geraden.

Dann ist E={x+λ(y−x)+μ(z−x):λ,μ∈R}

die eindeutig bestimmte Ebene, weil y−x und z−x linear unabhängig sind.

Beispiel: Schnitt einer Geraden mit einer Ebene in R3 ​

Wir betrachten in R3: Die Gerade g, die die Punkte (3−42)und(324) enthält.

Die Ebene E={(100)+λ(1−11)+μ(102):λ,μ∈R}.

1. Darstellung der Geraden g Die Richtung ist ((3,2,4)T−(3,−4,2)T).

Also g={(3−42)+γ(062):γ∈R}.

2. Schnittmenge g∩E
Wir suchen x∈R3, das sowohl in g als auch in E liegt. Es muss also γ,λ,μ∈R geben mit

(3−42)+γ(062)=(100)+λ(1−11)+μ(102).

Dies führt auf das lineare Gleichungssystem:

{1+λ+μ=3,0+(−1)λ+0μ=−4−6γ,0+λ+2μ=2−2γ.

3. Lösung und Ergebnis
Man löst dieses System und findet eine eindeutige Lösung (λ,μ,γ).
Daraus ergibt sich ein genau ein Schnittpunkt x=(3−13).

Also |g∩E|=1; die Gerade schneidet die Ebene in genau einem Punkt.

Fazit ​

  • Geraden in Rn werden stets durch Aufpunkt x und Richtungsvektor v charakterisiert.
  • Ebenen benötigen zusätzlich einen weiteren, vom ersten Richtungsvektor linear unabhängigen Richtungsvektor.
  • Zwei Punkte bestimmen eindeutig eine Gerade, drei nicht kollineare Punkte bestimmen eindeutig eine Ebene.
  • Lineare Algebra liefert ein systematisches Verfahren, um Schnittmengen (bspw. Gerade–Ebene) zu berechnen.