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Rechenoperationen

Addition von Vektoren

Beispiel:
Rechnerische und graphische Addition zweier Vektoren a⃗=(21)\vec{a} = \left(\begin{matrix}2\\ 1 \end{matrix}\right) und b⃗=(2−2) \vec{b} =\left(\begin{matrix}2\\ -2 \end{matrix}\right)
Rechnerisch: a⃗+b⃗=(21)+(2−2)=(2+21−2)=(4−1)=b⃗+a⃗\vec{a} + \vec{b} = \left(\begin{matrix}2\\ 1 \end{matrix}\right)+ \left(\begin{matrix}2\\ -2 \end{matrix}\right) = \left(\begin{matrix}2+2\\ 1-2 \end{matrix}\right) =\left(\begin{matrix}4\\ -1 \end{matrix}\right) =\vec{b} +\vec{a}
Graphisch:

Subtraktion von Vektoren

Beispiel:
Rechnerische und graphische Addition zweier Vektoren a⃗=(21)\vec{a} = \left(\begin{matrix}2\\ 1 \end{matrix}\right) und b⃗=(2−2) \vec{b} = \left(\begin{matrix}2\\ -2 \end{matrix}\right)
Rechnerisch: a⃗−b⃗=(21)−(2−2)=(2−21−(−2))=(03)\vec{a} - \vec{b} = \left(\begin{matrix}2\\ 1 \end{matrix}\right)- \left(\begin{matrix}2\\ -2 \end{matrix}\right) = \left(\begin{matrix}2-2\\ 1-(-2) \end{matrix}\right) =\left(\begin{matrix}0\\ 3 \end{matrix}\right)
Graphisch:

Skalarmultiplikation: Verlängern und verkürzen von Vektoren

Beispiel:

Gegeben ist der Vektor \vec{a} = \left(\begin{matrix}1\\ 2 \end{matrix}\right). Dieser wird mit einem Skalar λ\lambda multipliziert.

Rechnerische Multiplikation


a. Verlängerung: Für λ=2\lambda=2 gilt λ⋅a⃗=2⋅a⃗=(2⋅12⋅2)=\lambda \cdot \vec{a} = 2 \cdot \vec{a} = \left(\begin{matrix} 2 \cdot 1\\ 2 \cdot 2 \end{matrix}\right)= (24)\left(\begin{matrix}2\\ 4 \end{matrix}\right)

b. Verkürzung: Für λ=12\lambda=\frac{1}{2} gilt λ⋅a⃗=12⋅a⃗=(12⋅112⋅2)=\lambda \cdot \vec{a} =\frac{1}{2} \cdot \vec{a} = \left(\begin{matrix} \frac{1}{2} \cdot 1\\ \frac{1}{2} \cdot 2 \end{matrix}\right)= (121)\left(\begin{matrix}\frac{1}{2}\\ 1 \end{matrix}\right)

c. Umkehrung der Richtung: Für λ=−1\lambda=-1 gilt λ⋅a⃗=((−1)⋅1(−1)⋅2)=\lambda \cdot \vec{a} = \left(\begin{matrix} (-1)\cdot 1\\ (-1) \cdot 2 \end{matrix}\right)= (−1−2)=−a⃗\left(\begin{matrix}- 1\\ -2 \end{matrix}\right)= -\vec{a}

Graphische Multiplikation:

  • a⃗\vec{a} : grauer Vektor

  • Verlängerung für λ=2\lambda=2 : blauer Vektor

  • Verkürzung für λ=12\lambda=\frac{1}{2}: roter Vektor

  • Umkehrung der Richtung für λ=−1\lambda=-1: grüner Vektor

Zur Addition, Subtraktion und Skalarmultiplikation finden Sie unter https://youtu.be/RqrbuQ5wCKE ein Video des studiVEMINT-Projekts der Universität Paderborn.

Der Einheitsvektor

Beispiel:

Der Vektor a⃗=(34) \vec{a} = \left(\begin{matrix}3\\ 4 \end{matrix}\right) soll normiert werden.

Länge: ∣a⃗∣=32+42=25=5|\vec{a}|=\sqrt{3^2+4^2}=\sqrt{25}=5
Der normierte Vektor ist : ea⃗=15(34)=(3545) \vec{e_a}=\frac{1}{5}\left(\begin{matrix}3\\ 4 \end{matrix}\right)=\left(\begin{matrix}\frac{3}{5}\\ \frac{4}{5}\end{matrix}\right)
Die Länge des normierten Vektors ist: ∣ea⃗∣=(35)2+(45)2=32+4252=32+4252=255=1|\vec{e_a}|=\sqrt{(\frac{3}{5})^2+(\frac{4}{5})^2}=\sqrt{\frac{3^2+4^2}{5^2}}=\frac{\sqrt{3^2+4^2}}{\sqrt{5^2}}=\frac{\sqrt{25}}{5}=1

Linearkombinationen

Also: für λ=μ\lambda =\mu ,     λ⋅(a⃗+b⃗)=λ⋅a⃗+λ⋅b⃗ \lambda \cdot (\vec{a}+ \vec{b})= \lambda \cdot \vec{a}+\lambda \cdot \vec{b}
\hspace{0.8cm} für a⃗=b⃗\vec{a}=\vec{b} ,     (λ+μ)⋅a⃗=λ⋅a⃗+μ⋅a⃗ (\lambda+\mu) \cdot \vec{a} = \lambda \cdot \vec{a}+\mu \cdot \vec{a}

Anwendung: Bestimmung eines Richtungsvektors aus Ortsvektoren

Gegeben sind die Punkte P1(x1/y1) P_1 (x_1/y_1) und P2(x2/y2)P_2 (x_2/y_2)
mit den Ortsvektoren OP1⃗=(x1y1) \vec{OP_1} = \left(\begin{matrix}x_1\\ y_1 \end{matrix}\right) und OP2⃗=(x2y2) \vec{OP_2} = \left(\begin{matrix}x_2\\ y_2 \end{matrix}\right)
und Vektor a⃗\vec{a} durch den Anfangspunkt P1(x1/y1) P_1 (x_1/y_1) und den Endpunkt P2(x2/y2) P_2 (x_2/y_2):

Der Vektor a⃗\vec{a} ergibt sich damit aus:

a⃗=P1P2⃗=P1O⃗+OP2⃗=−OP1⃗+OP2⃗=(x2−x1y2−y1)=(axay) \vec{a} = \vec{P_1P_2} = \vec{P_1O} + \vec{OP_2} = - \vec{OP_1} + \vec{OP_2} = \left(\begin{matrix}x_2 - x_1\\ y_2 - y_1 \end{matrix}\right) = \left(\begin{matrix}a_x\\ a_y \end{matrix}\right)