Hessesche Normalform
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Die hessesche Normalform (nach Ludwig Otto Hesse) ist in der analytischen Geometrie eine Gleichung, die eine Ebene im Euklidischen Raum R3 oder eine Gerade im R2 beschreibt:
Wenn in einem gegebenen Koordinatensystem der Ortsvektor eines Punktes P der Ebene E ist (kurz: ), dann gilt
Dabei ist
- der normierte Normalenvektor von E, welcher vom Koordinatenursprung zur Ebene zeigt, und
- d ≥ 0 der Abstand der Ebene vom Ursprung des Koordinatensystems.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Herleitung / Berechnung aus der Normalgleichung
In der Normalgleichung
- ,
ist die Ebene durch einen Normalenvektor sowie einen beliebigen Ortsvektor eines Punktes gegeben. Das Vorzeichen von sei so gewählt, dass
- ist.
Indem man durch seinen Betrag dividiert, erhält man den normierten Normalenvektor
und es gilt
- .
Indem man
berechnet, erhält man die Hessesche Normalform
- .
d ist hierin der Abstand vom Ursprung, denn da für jeden Punkt der Ebene gilt, gilt es insbesondere auch für den Punkt Q (Fußpunkt des Lotes vom Ursprung auf die Ebene E) mit . Dann ist nach Definition des Skalarproduktes
- .
Der Betrag von ist aber der Abstand der Ebene vom Ursprung.
[Bearbeiten] Berechnung aus drei Ortsvektoren über ein Gleichungssystem
Hat man 3 Ortsvektoren x1, x2 und x3 von Punkten der Ebene gegeben (die nicht auf einer Geraden liegen) und will daraus die Hessesche Normalform berechnen, wertet man die folgenden Gleichungen aus:
Die dritte Gleichung ist redundant. Das Gleichungssystem ist daher erst lösbar, indem man als zusätzliche Bedingung die Normiertheit
- ,
also
verlangt. Einfacher ist es, den übrig behaltenen Freiheitsgrad, nämlich den Betrag (l2-Norm) des Vektors , zunächst beliebig zu wählen und dann zu normieren, indem man durch dividiert.
[Bearbeiten] Beispiel
, , .
Zu lösen ist:
- n1 + n2 − n3 = 0
- n1 − 2n2 + n3 = 0
- − 2n1 + n2 = 0
Lösung:
Hessesche Normalform:
[Bearbeiten] Berechnung über das Kreuzprodukt
Ein anderer Weg zur Berechnung des Normalenvektors führt über das Kreuzprodukt. Man erhält in diesem Falle ein eindeutiges Ergebnis
- ,
wobei man aber auch hier i. A. noch normieren muss:
Aus
- Da gilt:
- Definition des skalaren Produktes:
- Und da n auf die Länge 1 normiert ist, kann man schreiben:
ergibt sich schließlich wieder der Abstand der Ebene zum Nullpunkt. Diese Abstandsberechnung ist ein wichtiges Anwendungsgebiet der Hesseschen Normalform. Allgemein erhält man den Abstand s eines beliebigen Punktes P von der Ebene E, wenn man den Ortsvektor von P für in die Hessesche Normalform einsetzt:
Ist s < 0, so liegt P in demselben Halbraum von E wie der Ursprung, bei positivem Vorzeichen von s im anderen Halbraum.
[Bearbeiten] Verallgemeinerung
Die Hessesche Normalform (nicht aber die Berechnung über das Kreuzprodukt) kann man ganz allgemein zur Beschreibung (n-1)-dimensionaler Hyperebenen im n-dimensionalen Raum verwenden.
Siehe auch: Jordansche Normalform, Geradengleichung