Matrizen: Unterschied zwischen den Versionen

[+/-]

Widgets

Widgets

Letzte Änderungen
Gewünschte Seiten
Wer ist online?
Aus Matura Wiki
Wechseln zu: Navigation, Suche
K (Textersetzung - „http://snvbrwvobs2.snv.at/matura.wiki/“ durch „https://www1.vobs.at/maturawiki/“)
 
(33 dazwischenliegende Versionen von 2 Benutzern werden nicht angezeigt)
Zeile 1: Zeile 1:
<bs:pageaccess groups="Editor" />
+
Die Matrizenrechnung ist ein nützliches Werkzeug, um ein Gleichungssystem mit vielen linearen Gleichungen zu lösen oder auch um Tabellen übersichtlich darzustellen, also um lineare Zusammenhänge zwischen mehreren Größen herzustellen.
  
 +
=Einführung=
 +
==Einführung==
 +
Will man ein lineares Gleichungssystem lösen, kann das mit den bereits bekannten Verfahren wie Additions-, Gleichsetzungs- oder dem Substitutionsverfahren geschehen, doch wird das bei einem großen Gleichungssystem schnell unübersichtlich und mühsam. Daher wird eine neue Schreibweise eingeführt.
  
 +
Das Gleichungssytem
 +
\begin{align}
 +
a_{11} x_1 + a_{12} x_2 + a_{13} x_3 &= y_1 \\
 +
a_{21} x_1 + a_{22} x_2 + a_{23} x_3 &= y_2 \\
 +
\end{align}
 +
bei dem $x_1 , x_2, x_3$ gesucht sind, kann auch in Matrixschreibweise geschrieben werden:
 +
$$\begin{pmatrix}
 +
a_{11} & a_{12} & a_{13} \\
 +
a_{21}&a_{22}&a_{23}\\
 +
\end{pmatrix} \cdot
 +
\begin{pmatrix}
 +
x_1 \\ x_2 \\ x_3
 +
\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}
 +
y_1 \\ y_2
 +
\end{pmatrix},$$
  
 +
wobei die Matrizenmultiplikation weiter unten erklärt wird.
 +
Man nennt
  
Matrizen sind eine nützliche Darstellung, um ein Gleichungssystem mit vielen linearen Gleichungen zu lösen oder auch um Tabellen übersichtlich darzustellen, also um lineare Zusammenhänge zwischen mehreren Größen herzustellen.
+
$$ \begin{pmatrix}
 +
a_{11} & a_{12} & a_{13}\\
 +
a_{21} & a_{22} & a_{23}\\
 +
\end{pmatrix}
 +
$$ eine $2\times3$ Matrix, sie besteht aus 2 [[Zeilen]] und 3 [[Spalten]],
 +
$\begin{pmatrix}
 +
x_1 \\ x_2 \\ x_3
 +
\end{pmatrix}$ nennt man eine $3 \times 1$ Matrix und $\begin{pmatrix}
 +
y_1 \\ y_2
 +
\end{pmatrix}$ eine $2 \times 1$ Matrix.
 +
Der erste Index gibt dabei an in der welcher Zeile und der zweite Index in welcher Spalte sich die Zahl befindet. Hier bilden zum Beispiel $a_{11}$, $ a_{12}$ und $ a_{13}$ die erste Zeile, $a_{21}$, $ a_{22}$ und $ a_{23} $ die zweite Zeile. $a_{11}$ und $ a_{21}$ bilden die erste Spalte, $a_{12}$ und $a_{22}$ die zweite Spalte und $ a_{13}$ und $ a_{23}$ und die dritte Spalte
  
  
== Einführung ==
+
Mit $A:=\begin{pmatrix}
+
a_{11} & a_{12} & a_{13}\\
Eine  $2\times2$ Matrix besteht aus 2 Zeilen und 2 Spalten, sie sieht zum Beispiel so aus
+
a_{21} & a_{22} & a_{23}\\
 +
\end{pmatrix}$ , $\vec{x} =\begin{pmatrix}
 +
x_1 \\ x_2 \\ x_3
 +
\end{pmatrix}$ und $\vec{y}=\begin{pmatrix}
 +
y_1 \\ y_2
 +
\end{pmatrix}$ kann man das Gleichungssystem sehr kompakt als
 +
$A \cdot \vec{x}= \vec{y}$ schreiben. Das Lösen des Gleichungssystems erfolgt dann über [https://www1.vobs.at/maturawiki/index.php/Äquivalenzumformungen Äquivalenzumformen] von $(A|\vec{y})$, d.h. der Matrix
  
$
 
\qquad \qquad \qquad \qquad  \qquad \qquad \qquad \begin{pmatrix}
 
a_{11} & a_{12}  \\
 
a_{21} & a_{22}  \\
 
\end{pmatrix}
 
$
 
  
 +
$$\left( \begin{array}{ccc}
 +
a_{11} & a_{12} &a_{13}\\
 +
a_{21} & a_{22} &a_{23}\\
 +
\end{array} \right| \left. \begin{array}{c} y_1 \\y_2 \end{array}\right)$$
  
  
Der erste Index gibt dabei an in der welcher Zeile und der zweite Index in welcher Spalte sich die Zahl befindet. Hier bilden zum Beispiel $a_{11}$ und $ a_{12}$ die erste Zeile, $a_{21}$  und $ a_{22} $ die zweite Zeile, $a_{11}$ und $ a_{21}$ die erste Spalte und $a_{12}$  und $a_{22}$ die zweite Spalte.
 
  
Beispiel: $a_{11}=3 \qquad a_{12}=6 \qquad a_{21}=7 \qquad a_{22}=8$  
+
Beispiel: $a_{11}=3 \qquad a_{12}=6 \qquad a_{13}=2 \qquad a_{21}=7 \qquad a_{22}=8 \qquad a_{23}=1$
  
$
+
$$
\qquad  A= \begin{pmatrix}
+
 
3 & 6 \\
+
  A= \begin{pmatrix}
7 & 8 \\
+
3 & 6 &2\\7 & 8 &1\\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
$
+
$$
  
  
Zeile 35: Zeile 68:
  
  
{{Vorlage:Beispiel|1= Was ist die erste Zeile der Matrix $\quad F= \begin{pmatrix}
+
{{Vorlage:Beispiel|1= Gib die erste Zeile der Matrix $\quad F= \begin{pmatrix}
 
8 & 12 &17 \\
 
8 & 12 &17 \\
 
3,9 & 5 & 84,7 \\
 
3,9 & 5 & 84,7 \\
 
4,5 &63 & 9,6\\
 
4,5 &63 & 9,6\\
\end{pmatrix}  $ und was ist die 3. Spalte der Matrix $F$?
+
\end{pmatrix}  $ und die 3. Spalte der Matrix $F$ an!
  
 
|2=  1.Zeile $\left( 8 \quad 12 \quad 17  \right) $
 
|2=  1.Zeile $\left( 8 \quad 12 \quad 17  \right) $
Zeile 57: Zeile 90:
 
\vdots & \vdots   &\ddots & \vdots \\
 
\vdots & \vdots   &\ddots & \vdots \\
 
a_{m1} & a_{m2} &  \dots    &   a_{mn}
 
a_{m1} & a_{m2} &  \dots    &   a_{mn}
\end{pmatrix}
+
\end{pmatrix} \quad \in \mathbb{R}^{m \times n}  \qquad \forall m,n \in \mathbb{N}
 
$
 
$
  
 
Die  $m\times n$ Matrix hat $m$ Zeilen und $n$ Spalten.}}
 
Die  $m\times n$ Matrix hat $m$ Zeilen und $n$ Spalten.}}
  
{{Vorlage:Merke|1=Eine quadratische Matrix hat die gleiche Anzahl an Zeilen und Spalten.}}
+
{{Vorlage:Merke|1=Eine [[quadratische Matrix|quadratische Matrix]] hat die gleiche Anzahl an Zeilen und Spalten, also $m=n$. Damit ein Gleichungssystem eine eindeutige Lösung haben kann, muss die Matrix $A$ quadratisch sein, das heißt gleich viele Gleichungen wie Unbekannte haben.}}
  
  
{{Vorlage:Merke|1= Bei der Addition von Matrizen, werden die einzelnen Komponenten miteinander addiert.
+
 
 +
{{Vorlage:Definition|1=Nullmatrix
 +
Die [[Nullmatrix|Nullmatrix]] $0_n$  ist wie folgt definiert:
 +
 
 +
$
 +
0= \begin{pmatrix}
 +
0  & \dots & 0 \\
 +
 
 +
\vdots  &  & \vdots \\
 +
0  & \dots & 0 \\
 +
\end{pmatrix} \quad \in \mathbb{R}^{n \times n} \qquad \forall n \in \mathbb{N}
 +
 +
 
 +
Es gilt $A + 0 =0+A =A$ und $ A \cdot 0 = 0 \cdot A=0$.}}
 +
 
 +
{{Vorlage:Definition|1=Einheitsmatrix
 +
Die [[Einheitsmatrix|Einheitsmatrix]] $I_n$ hat nur in der [[Hauptdiagonale|Hauptdiagonale]] (von links oben nach rechts unten) Einsen stehen. Sonst befinden sich überall Nullen. Zudem ist sie eine quadratische Matrix.
 +
 
 +
$
 +
I_n= \begin{pmatrix}
 +
1 & 0 & \dots & 0 \\
 +
0 & 1 & \dots & 0 \\
 +
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
 +
0 &0 & \dots & 1 \\
 +
\end{pmatrix} \quad \in \mathbb{R}^{n \times n} \qquad \forall n \in \mathbb{N}
 +
$
 +
 
 +
Die Einheitsmatrix wird benötigt, um ein lineares Gleichungssystem in Matrixform zu lösen und um die Inverse einer Matrix zu definieren, also $A \dot I= A$. Ist $B$ die Inverse zu $A$, dann $ A\cdot B = I =B \cdot A$.
 +
}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
{{Vorlage:Beispiel|1= Gib die Einheitsmatrix im dreidimensionalen Raum an!
 +
 
 +
 
 +
 
 +
|2=  $I_3= \begin{pmatrix}
 +
1 & 0 &0 \\
 +
0 & 1 & 0 \\
 +
0 &0 & 1\\
 +
\end{pmatrix}  $ }}
 +
 
 +
=Rechenregeln=
 +
==Rechenregeln==
 +
{{Vorlage:Merke|1= Bei der [[Addition|Addition]] von Matrizen, werden die gleichen Komponenten miteinander addiert.
  
  
Zeile 89: Zeile 169:
  
 
dann ist  
 
dann ist  
$$A B =  
+
$A +B =  
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
a_{11}   b_{11} & a_{12}  b_{12}   & \dots & a_{1n}   b_{1n}      \\
+
a_{11} b_{11} & a_{12}+ b_{12} & \dots +& a_{1n} b_{1n}      \\
a_{21} b_{21} & a_{22} b_{22}   &\dots  & a_{1n}  b_{2n}   \\
+
a_{21} + b_{21} & a_{22} + b_{22} &\dots  +& a_{1n}+   b_{2n}   \\
 
\vdots & \vdots  &\ddots & \vdots \\
 
\vdots & \vdots  &\ddots & \vdots \\
a_{m1}  b_{m1} &a_{m2} b_{m2} & \dots  &  a_{mn} b_{mn}
+
a_{m1}+ b_{m1} &a_{m2} + b_{m2} & + \dots  +&  a_{mn} + b_{mn}
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
$$ }}
+
$  
 +
 
 +
Bei der Addition müssen beide Matrizen dieselbe Dimension haben, das heißt dieselbe Anzahl von Zeilen und Spalten.}}
  
  
Zeile 104: Zeile 186:
 
$
 
$
 
A= \begin{pmatrix}
 
A= \begin{pmatrix}
a_{11} & a_{12} \\
+
a_{11} & a_{12} \\
a_{21} & a_{22} \\
+
a_{21} & a_{22} \\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
$  
+
$
  
 
$
 
$
 
B= \begin{pmatrix}
 
B= \begin{pmatrix}
b_{11} & b_{12} \\
+
b_{11} & b_{12} \\
b_{21} & b_{22} \\
+
b_{21} & b_{22} \\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
$  
+
$
  
dann ist $ \qquad \qquad \qquad A B =  
+
dann ist $ \qquad \qquad \qquad A+ B =\begin{pmatrix}a_{11} & a_{12} \\
\begin{pmatrix}  
+
a_{11} & a_{12} \\
+
 
a_{21} & a_{22}
 
a_{21} & a_{22}
 +
\end{pmatrix}  +  \begin{pmatrix}  b_{11} & b_{12} \\
 +
b_{21} & b_{22}
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
 
+
=
\begin{pmatrix}
+
b_{11} & b_{12}  \\
+
b_{21} & b_{22}
+
\end{pmatrix} =
+
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
a_{11}   b_{11} & a_{12}   b_{12} \\
+
a_{11} + b_{11} & a_{12} + b_{12} \\
a_{21}   b_{21} & a_{22}   b_{22} \\
+
a_{21} + b_{21} & a_{22} + b_{22} \\
 
\end{pmatrix}$
 
\end{pmatrix}$
  
Zeile 141: Zeile 219:
 
\end{pmatrix}$.  
 
\end{pmatrix}$.  
  
|2=  $C D=
+
|2=  $C +D=
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
10 & 5  \\
 
10 & 5  \\
Zeile 150: Zeile 228:
  
  
 +
{{Vorlage:Beispiel|1= In der Firma $A$ wird 8 mal das Produkt 1 hergestellt, 5 mal Produkt 2, 12 mal Produkt 3 und 7 mal Produkt 4, in der Firma Firma $B$ wird 2 mal das Produkt 1 hergestellt, 1 mal Produkt 2, 3 mal Produkt 3 und 9 mal Produkt 4,
 +
Firma $C$ wird 0 mal das Produkt 1 hergestellt, 17 mal Produkt 2, 3 mal Produkt 3 und 9 mal Produkt 4,
 +
Firma $D$ wird 3 mal das Produkt 1 hergestellt, 4 mal Produkt 2, 2 mal Produkt 3 und 5 mal Produkt 4.
 +
Wie viel wird insgesamt von den jeweiligen Produkten hergestellt?
 +
 
  
 +
|2=  $A + B +C +D = \begin{pmatrix}
 +
8 & 5  \\
 +
12 & 7  \\
 +
\end{pmatrix}  + \begin{pmatrix}
 +
2 & 1  \\
 +
3 & 9  \\
 +
\end{pmatrix} +
 +
\begin{pmatrix}
 +
0 & 17  \\
 +
3 & 9  \\
 +
\end{pmatrix}+
 +
\begin{pmatrix}
 +
3 & 4  \\
 +
2 & 5  \\
 +
\end{pmatrix}=
 +
\begin{pmatrix}
 +
13 & 27  \\
 +
20 & 30  \\
 +
\end{pmatrix}$, es wird also insgesamt 13 mal das Produkt hergestellt, 27 mal Produkt 2, 20 mal Produkt 3 und 30 mal Produkt 4. }}
  
  
  
{{Vorlage:Merke|1= Bei der Multiplikation mit einem Skalar $k$ (einer reellen Zahl), wird jede Komponente einzeln mit dem Skalar multipliziert.
+
 
 +
 
 +
Addiere die beiden Matrizen und füge die Zahlen der Lösungsmatrix in die Zellen ein, dann klicke auf überprüfen.
 +
 
 +
<ggb_applet width="800" height="300" version="5.0" id=NzpNGGME />
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
Subtrahiere die beiden Matrizen und füge die Zahlen der Lösungsmatrix in die Zellen ein, dann klicke auf überprüfen.
 +
 
 +
<ggb_applet width="800" height="300" version="5.0" id=UgJMsJm9 />
 +
 
 +
 
 +
 
 +
{{Vorlage:Merke|1= Bei der [[Multiplikation mit einem Skalar|Multiplikation mit einem Skalar]] $k$ (einer reellen Zahl), wird jede Komponente einzeln mit dem Skalar multipliziert.
  
  
Zeile 183: Zeile 301:
  
  
 +
Multipliziere die Matrix mit dem Skalar und füge die Zahlen der Lösungsmatrix in die Zellen ein, dann klicke auf überprüfen.
  
 +
<ggb_applet width="800" height="300" version="5.0" id=DpYwSR4m />
  
 
 
 
{{Vorlage:Definition|1=Nullmatrix
 
Die Nullmatrix sieht wie folgt aus:
 
 
$
 
0= \begin{pmatrix}
 
0  & \dots & 0 \\
 
 
\vdots  &  & \vdots \\
 
0  & \dots & 0 \\
 
\end{pmatrix}
 
$  }}
 
 
{{Vorlage:Definition|1=Einheitsmatrix
 
Die Einheitsmatrix hat nur in der Hauptdiagonale (von links oben nach rechts unten) Einsen stehen. Sonst befinden sich überall Nullen. Zudem ist sie ein quadratische Matrix.
 
 
$
 
I_n= \begin{pmatrix}
 
1 & 0 & \dots & 0 \\
 
0 & 1 & \dots & 0 \\
 
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
 
0 &0 & \dots & 1 \\
 
\end{pmatrix}
 
 
}}
 
 
 
 
 
 
 
{{Vorlage:Beispiel|1= Wie sieht die Einheitsmatrix im dreidimensionalen Raum aus?
 
 
 
 
|2=  $I_3= \begin{pmatrix}
 
1 & 0 &0 \\
 
0 & 1 & 0 \\
 
0 &0 & 1\\
 
\end{pmatrix}  $ }}
 
  
  
  
 
{{Vorlage:Definition|1=Transponierte Matrix
 
{{Vorlage:Definition|1=Transponierte Matrix
Bei einer transponierten Matrix werden die Zeilen und Spalten miteinander vertauscht. Sei $A$ die ursprüngliche Matrix und $A^T$ die transponierte:
+
Bei einer [[transponierten Matrix|transponierten Matrix]] werden die Zeilen und Spalten miteinander vertauscht. Sei $A$ die ursprüngliche Matrix und $A^T$ die transponierte Matrix:
 
$A= \begin{pmatrix}
 
$A= \begin{pmatrix}
 
a_{11} & a_{12}  &a_{13}  \\
 
a_{11} & a_{12}  &a_{13}  \\
Zeile 251: Zeile 329:
  
  
{{Vorlage:Beispiel|1= Wie sieht die transponierten Matrizen zu der Matrix $B$ und $C$ aus?\\
+
{{Vorlage:Beispiel|1= Gib die transponierten Matrizen zu den Matrizen $B$ und $C$ an!
 
$\quad B= \begin{pmatrix}
 
$\quad B= \begin{pmatrix}
 
9 & 4  \\
 
9 & 4  \\
Zeile 267: Zeile 345:
 
9 & 654  \\
 
9 & 654  \\
 
4 & 274 \\
 
4 & 274 \\
\end{pmatrix} $ \\
+
\end{pmatrix} $   $\quad C^T= \begin{pmatrix}
 
+
$\quad C^T= \begin{pmatrix}
+
 
65 & 8,3 & 4\\
 
65 & 8,3 & 4\\
 
4,7 & 2,4 & 2\\
 
4,7 & 2,4 & 2\\
Zeile 290: Zeile 366:
  
 
Zwei Matrizen werden nach der Regel: Zeile mal Spalte multipliziert.
 
Zwei Matrizen werden nach der Regel: Zeile mal Spalte multipliziert.
Die Matrizenmultiplikation ist nicht kommutativ, das heißt: $A\cdot B \neq B \cdot A$.
+
Die [[Matrizenmultiplikation|Matrizenmultiplikation]] ist nicht kommutativ, das heißt: $A\cdot B \neq B \cdot A$.
Um $A \cdot B =C$ zu erhalten muss die Anzahl der Spalten von $A$ die selbe sein wie die Anzahl der Zeilen von $B$. Also wenn $A$ eine $m \times n$ Matrix ist, so $B$ eine $n \times p$ Matrix sein, wobei $m$ und $p$ beliebig sind und $n$ bei $A$ und $B$ die gleichen sein müssen. Außerdem ist dann $C$ eine $m \times p$ Matrix, sie hat also dieselbe Anzahl der Zeilen wie die Matrix $A$ und die selbe Spaltenanzahl wie die Matrix $B$.}}
+
Um $A \cdot B =C$ zu erhalten muss die Anzahl der Spalten von $A$ die selbe sein wie die Anzahl der Zeilen von $B$. Also wenn $A$ eine $m \times n$ Matrix ist und $B$ eine $n \times p$ Matrix, so sind $m$ und $p$ beliebig und $n$ muss bei $A$ und $B$ dieselbe Zahl sein. Außerdem ist dann $C$ eine $m \times p$ Matrix, sie hat also dieselbe Anzahl der Zeilen wie die Matrix $A$ und dieselbe Spaltenanzahl wie die Matrix $B$.}}
 +
 
 +
 
 +
 
 +
Sei die Matrix $A$ zum Beispiel eine $2 \times 3$ Matrix und $B$ eine $3 \times 4$ Matrix. Dann ist die Matrix $A \cdot B = C$ eine $2 \times 4$ Matrix.
  
 
 
Sei die Matrix $A$ zum Beispiel eine $2 \times 2$ Matrix und $B$ eine $2 \times 3$ Matrix. Dann ist die Matrix $A \cdot B = C$ eine $2 \times 3$ Matrix.
 
 
 
Wie erhält man nun die einzelnen Koeffizienten der Matrix $C$?
 
Wie erhält man nun die einzelnen Koeffizienten der Matrix $C$?
 +
 
  \url{https://www.youtube.com/watch?v=iLgfkgscafQ}
 
  \url{https://www.youtube.com/watch?v=iLgfkgscafQ}
  
Zeile 303: Zeile 380:
 
Falk'schen Anordnung erfolgen:
 
Falk'schen Anordnung erfolgen:
  
 
 
  {| class="wikitable"
 
  {| class="wikitable"
|-
+
<br />$ \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} & \dots & b_{1q} \\
|
+
 
| $ \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} & \dots & b_{1q} \\
+
 
   b_{21} & b_{22} & \dots & b_{2q} \\
 
   b_{21} & b_{22} & \dots & b_{2q} \\
 
   \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
 
   \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
 
   b_{p1} & b_{p2} & \dots & b_{pq} \\
 
   b_{p1} & b_{p2} & \dots & b_{pq} \\
 
   \end{pmatrix} $   
 
   \end{pmatrix} $   
|-
+
$ \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1p} \\a_{21} & a_{22} & \dots & a_{2p} \\
| $ \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1p} \\
+
 
a_{21} & a_{22} & \dots & a_{2p} \\
+
 
  \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
 
  \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
 
   a_{n1} & a_{n2} & \dots & a_{np}\\ \end{pmatrix} $  
 
   a_{n1} & a_{n2} & \dots & a_{np}\\ \end{pmatrix} $  
| $ \begin{pmatrix}
+
$ \begin{pmatrix}
 +
 
 
   c_{11} & c_{12} & \dots & c_{1q}\\
 
   c_{11} & c_{12} & \dots & c_{1q}\\
 
   c_{21} & c_{22} & \dots & c_{2q}  \\
 
   c_{21} & c_{22} & \dots & c_{2q}  \\
 
  \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
 
  \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
 
   c_{n1} & c_{n2} & \dots & c_{nq} \end{pmatrix} $
 
   c_{n1} & c_{n2} & \dots & c_{nq} \end{pmatrix} $
|}
+
 
+
Es werden die Spalten von $B$ über die Zeilen von $A$ gelegt, die Komponenten paarweise multipliziert und dann die Ergebnisse addiert.
     
+
 
 
+
  [[Datei:falkanordnung.png|400px|mini|Falk'sche Anordnung (Quelle: [http://www.texample.net/tikz/examples/matrix-multiplication/ texample])]]
Es werden dann eben die Spalten von $B$ über die Zeilen von $A$ gelegt, die Komponenten dann multipliziert und dann die Ergebnisse addiert.
+
+
   
+
<big><gallery>
+
falkanordnung.png|Falk'sche Anordnung
+
</gallery>
+
</big>
+
  
 
Wobei
 
Wobei
$$c_{11} = a_{11} \cdot b_{11}   a_{12} \cdot b_{21}   \dots   a_{1p} \cdot b_{p1} \\  
+
$$c_{11} = a_{11} \cdot b_{11}+ a_{12} \cdot b_{21} + \dots + a_{1p} \cdot b_{p1} \\
c_{12} = a_{11} \cdot b_{12}   a_{12} \cdot b_{22}   \dots   a_{1p} \cdot b_{p2} \\
+
c_{12} = a_{11} \cdot b_{12} + a_{12} \cdot b_{22} + \dots + a_{1p} \cdot b_{p2} \\
c_{1q} = a_{11} \cdot b_{1q}   a_{12} \cdot b_{2q}   \dots   a_{1p} \cdot b_{pq} \\
+
c_{1q} = a_{11} \cdot b_{1q} + a_{12} \cdot b_{2q} + \dots + a_{1p} \cdot b_{pq} \\
\vdots \\
+
\vdots \\
c_{21} = a_{21} \cdot b_{11}   a_{22} \cdot b_{21}   \dots   a_{2p} \cdot b_{p1}\\
+
c_{21} = a_{21} \cdot b_{11} + a_{22} \cdot b_{21} + \dots + a_{2p} \cdot b_{p1}\\
\vdots \\
+
\vdots \\
c_{nq} = a_{n1} \cdot b_{1q}   a_{n2} \cdot b_{2q}   \dots   a_{np} \cdot b_{pq}$$
+
c_{nq} = a_{n1} \cdot b_{1q} + a_{n2} \cdot b_{2q}+ \dots + a_{np} \cdot b_{pq}$$
+
 
+
 
+
 
 
Konkret heißt das an einem Beispiel:
 
Konkret heißt das an einem Beispiel:
 +
 
{| class="wikitable"
 
{| class="wikitable"
 
|-
 
|-
|  
+
||
| $ \begin{pmatrix} 8 &1 & 3 \\
+
||$ \begin{pmatrix} 8 &1 & 3 \\9 & 0 & 5 \\
9 & 0 & 5 \\
+
 
   \end{pmatrix} $   
 
   \end{pmatrix} $   
 
|-
 
|-
| $ \begin{pmatrix} 2 & 5 \\
+
||$ \begin{pmatrix} 2 & 5 \\4 & 7 \\
4 & 7 \\
+
 
   \end{pmatrix} $  
 
   \end{pmatrix} $  
| $ \begin{pmatrix}
+
||$ \begin{pmatrix}
 
   c_{11} & c_{12} &  c_{13}\\
 
   c_{11} & c_{12} &  c_{13}\\
 
   c_{21} & c_{22} &  c_{23}  \\
 
   c_{21} & c_{22} &  c_{23}  \\
 
   \end{pmatrix} $
 
   \end{pmatrix} $
 
|}
 
|}
 
+
 
 
Wobei
 
Wobei
$$c_{11} = 2 \cdot 8   5 \cdot 9 = 61\\  
+
$$c_{11} = 2 \cdot 8 + 5 \cdot 9 = 61\\
c_{12} = 2 \cdot 1   5 \cdot 0 =2\\
+
c_{12} = 2 \cdot 1 + 5 \cdot 0 =2\\
c_{13} = 2 \cdot 3   5 \cdot 5 =31\\
+
c_{13} = 2 \cdot 3 + 5 \cdot 5 =31\\
c_{21} = 4 \cdot 8   7 \cdot 9 =95\\
+
c_{21} = 4 \cdot 8 + 7 \cdot 9 =95\\
c_{22} = 4 \cdot 1   7 \cdot 0 =4\\
+
c_{22} = 4 \cdot 1 + 7 \cdot 0 =4\\
c_{23}= 4 \cdot 3   7 \cdot 5 =47$$
+
c_{23}= 4 \cdot 3 + 7 \cdot 5 =47$$
+
 
+
 
Also
 
Also
$$ \begin{pmatrix} 8 &1 & 3 \\
+
$$\begin{pmatrix} 2 & 5 \\
9 & 0 & 5 \\
+
  \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix}  2 & 5 \\
+
 
4 & 7 \\
 
4 & 7 \\
   \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}
+
 
 +
   \end{pmatrix}  
 +
\cdot
 +
\begin{pmatrix} 8 &1 & 3 \\
 +
9 & 0 & 5 \\
 +
 
 +
  \end{pmatrix}  = \begin{pmatrix}
 
  61 & 2 &  31\\
 
  61 & 2 &  31\\
 
  95 & 4 & 47  \\
 
  95 & 4 & 47  \\
Zeile 393: Zeile 462:
 
  \end{pmatrix}
 
  \end{pmatrix}
 
$
 
$
 
 
  
  
Zeile 400: Zeile 467:
 
   
 
   
 
  |2=  $C= \begin{pmatrix}
 
  |2=  $C= \begin{pmatrix}
45 21 0& 35-42 2\\
+
45+ 21+ 0& 35-42+ 2\\
72-3 0 &56 6 8\\
+
72-3 +0 &56+ 6+ 8\\
 
  \end{pmatrix}=
 
  \end{pmatrix}=
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
Zeile 410: Zeile 477:
 
}}
 
}}
  
== Gozinto-Graphen ==
 
  
 +
 +
 +
Multipliziere die beiden Matrizen und füge die Zahlen der Lösungsmatrix in die Zellen ein, dann klicke auf überprüfen.
 +
 +
<ggb_applet width="800" height="300" version="5.0" id=aUjggvwq />
 +
 +
=Gozinto-Graphen=
 +
==Gozinto-Graphen==
 
Gonzinto-Graphen dienen der Veranschaulichung der Zusammenhänge zwischen Roh-, Zwischen- und Endprodukten. Die Knoten stellen dabei die Teile dar und die Pfeile oder auch gerichtete Kanten die Mengenbeziehungen.
 
Gonzinto-Graphen dienen der Veranschaulichung der Zusammenhänge zwischen Roh-, Zwischen- und Endprodukten. Die Knoten stellen dabei die Teile dar und die Pfeile oder auch gerichtete Kanten die Mengenbeziehungen.
  
Zeile 418: Zeile 492:
 
In der Abbildung des Gozintographen wird der Zusammenhang zwischen den Rohstoffen $R_1 , R_2$ und $R_3$ mit den Zwischenprodukten $Z_1, Z_2, Z_3$ und den Endprodukten $E_1, E_2$ dargestellt.
 
In der Abbildung des Gozintographen wird der Zusammenhang zwischen den Rohstoffen $R_1 , R_2$ und $R_3$ mit den Zwischenprodukten $Z_1, Z_2, Z_3$ und den Endprodukten $E_1, E_2$ dargestellt.
  
 +
[[Datei:gozinto.pdf|400px|mini|Beispiel eines Gozintographen]]
  
<gallery>
+
In einer Tabelle kann der Zusammenhang wie folgt aufgelistet werden:
gozinto.pdf|Beispiel eines Gozintographen
+
</gallery>
+
 
+
 
+
In einer Tabelle kann der Zusammenhang wie folgt aufgelistet werden:  
+
  
 
{| class="wikitable"
 
{| class="wikitable"
 
|-
 
|-
!  
+
!
! $Z_1$  
+
!|$Z_1$
! $Z_2$
+
!|$Z_2$
! $Z_3$
+
!|$Z_3$
 
|-
 
|-
| $R_1$
+
||$R_1$
| 2
+
||2
| 5
+
||5
| 3  
+
||3
 
|-
 
|-
| $R_2$
+
||$R_2$
| 8
+
||8
| 9
+
||9
| 1
+
||1
 
|-
 
|-
| $R_3$
+
||$R_3$
| 6
+
||6
| 4
+
||4
| 2
+
||2
 
|}
 
|}
  
 
{| class="wikitable"
 
{| class="wikitable"
 
|-
 
|-
! !!$E_1$ !! $E_2$  
+
!
 +
!|$E_1$
 +
!|$E_2$
 
|-
 
|-
| $Z_1$ || 12 || 5
+
||$Z_1$
 +
||12
 +
||5
 
|-
 
|-
| $Z_2$ || 11 || 8
+
||$Z_2$
 +
||11
 +
||8
 
|-
 
|-
| $Z_3$ || 2 || 4
+
||$Z_3$
 +
||2
 +
||4
 
|}
 
|}
 
  
 
Die Tabelle kann aber ebenso in Matrixform umgeschrieben werden, wobei die Matrix $RZ$ den Zusammenhang der Rohstoffe mit den Zwischenprodukten und $ZE$ den der Zwischenprodukte mit den Endprodukten beschreibt.
 
Die Tabelle kann aber ebenso in Matrixform umgeschrieben werden, wobei die Matrix $RZ$ den Zusammenhang der Rohstoffe mit den Zwischenprodukten und $ZE$ den der Zwischenprodukte mit den Endprodukten beschreibt.
  
$$
+
$$ RZ=
RZ=
+
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
2 & 5 & 3 \\
+
2 & 5 & 3 \\8 & 9 &1 \\ 6&4&2\\
8 & 9 &1 \\
+
6&4&2\\
+
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
 
$$
 
$$
 
$$
 
$$
ZE=
+
ZE=\begin{pmatrix}
\begin{pmatrix}
+
12 & 5 \\
12 & 5 \\
+
11 & 8 \\
11 & 8 \\
+
 
2&4\\
 
2&4\\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
Zeile 482: Zeile 555:
 
Um eine Matrix zu erhalten, welche den Rohstoffbedarf für die Endprodukte beschreibt wird die Matrix $RZ$ mit der Matrix $ZE$ multipliziert. In unserem Beispiel ergibt das
 
Um eine Matrix zu erhalten, welche den Rohstoffbedarf für die Endprodukte beschreibt wird die Matrix $RZ$ mit der Matrix $ZE$ multipliziert. In unserem Beispiel ergibt das
  
\begin{equation*}
+
\begin{equation*} RE= RZ \cdot ZE= \begin{pmatrix}
RE= RZ \cdot ZE= \begin{pmatrix}
+
24 +55+ 6 & 10 +40+ 12\\
24 55 6 & 10 40 12\\
+
96 +99 +2 & 40+ 72+ 4\\
96 99 2 & 40 72 4\\
+
72 +44+ 4 & 30+ 32+ 8\\
72 44 4 & 30 32 8\\
+
\end{pmatrix}
\end{pmatrix}=  
+
=
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
85 &62\\
 
85 &62\\
Zeile 502: Zeile 575:
 
Der '''Inputvekor''' beschreibt die benötigten Rohstoffe.
 
Der '''Inputvekor''' beschreibt die benötigten Rohstoffe.
  
 
+
=Input-Output-Matrix: Leontief-Modell=
 
==Input-Output-Matrix: Leontief-Modell==
 
==Input-Output-Matrix: Leontief-Modell==
 
+
Eine '''Input-Output-Tabelle''' für die Firmen A, B und C, mit $x_i=\sum_{k=1}^{3} x_{ik} y_i$, wobei $i=j$ den Eigenbedarf einer Firma beschreibt, wird in der folgenden Tabelle aufgezeigt.
Eine '''Input-Output-Tabelle''' für die Firmen A, B und C, mit $x_i=\sum_{k=1}^{3} x_{ik}   y_i$, wobei $i=j$ den Eigenbedarf einer Firma beschreibt, wird in der folgenden Tabelle aufgezeigt.
+
  
 
{| class="wikitable"
 
{| class="wikitable"
 
|-
 
|-
! Input / Output !! A !!B !! C !! Markt / Konsum !! Gesamtproduktion
+
!|Input / Output
 +
!|A
 +
!|B
 +
!|C
 +
!|Markt / Konsum
 +
!|Gesamtproduktion
 
|-
 
|-
| A || $x_{11}$ || $x_{12}$ || $x_{13}$ || $y_{1}$ || $x_{1}$
+
||A
 +
||$x_{11}$
 +
||$x_{12}$
 +
||$x_{13}$
 +
||$y_{1}$
 +
||$x_{1}$
 
|-
 
|-
| B || $x_{21}$ || $x_{22}$ || $x_{23}$ || $y_{2}$ || $x_{2}$
+
||B
 +
||$x_{21}$
 +
||$x_{22}$
 +
||$x_{23}$
 +
||$y_{2}$
 +
||$x_{2}$
 
|-
 
|-
| C || $x_{31}$ || $x_{32}$ || $x_{33}$ || $y_{3}$ || $x_{3}$
+
||C
 +
||$x_{31}$
 +
||$x_{32}$
 +
||$x_{33}$
 +
||$y_{3}$
 +
||$x_{3}$
 
|}
 
|}
  
 +
In einem Gozinto-Graphen kann dies, wie rechts unten zu sehen ist, dargestellt werden:
  
In einem Gozinto-Graphen kann dies wie folgt dargestellt werden:
+
[[Datei:inpuoutput.pdf|400px]]
  
  
<gallery>
 
inpuoutput.pdf|Gozintograph des Input-Output-Modells
 
</gallery>
 
  
  
Zeile 530: Zeile 620:
  
 
$P=\begin{pmatrix}
 
$P=\begin{pmatrix}
 +
 
  x_{11} &  x_{12} &  x_{13}  \\
 
  x_{11} &  x_{12} &  x_{13}  \\
x_{21} & x_{22} & x_{23} \\
+
x_{21} & x_{22} & x_{23} \\x_{31} & x_{32} & x_{33}\\
x_{31} & x_{32} & x_{33}\\
+
 
\end{pmatrix}.$
 
\end{pmatrix}.$
  
Zeile 539: Zeile 629:
 
Die Input-Output-Matrix ergibt sich dann zu:
 
Die Input-Output-Matrix ergibt sich dann zu:
 
$M=\begin{pmatrix}
 
$M=\begin{pmatrix}
 +
 
  \frac{x_{11}}{x_1} &  \frac{x_{12}}{x_2} &  \frac{x_{13}}{x_3}  \\
 
  \frac{x_{11}}{x_1} &  \frac{x_{12}}{x_2} &  \frac{x_{13}}{x_3}  \\
\frac{x_{21}}{x_1} & \frac{x_{22}}{x_2} & \frac{x_{23}}{x_3} \\
+
\frac{x_{21}}{x_1} & \frac{x_{22}}{x_2} & \frac{x_{23}}{x_3} \\
  
\frac{x_{31}}{x_1} & \frac{x_{32}}{x_2} & \frac{x_{33}}{x_3}\\
+
\frac{x_{31}}{x_1} & \frac{x_{32}}{x_2} & \frac{x_{33}}{x_3}\\
 
\end{pmatrix}.$
 
\end{pmatrix}.$
  
Zeile 548: Zeile 639:
  
  
 +
{{Vorlage:Beispiel|1= Gib die Input-Output-Matrix zu folgendem Gozintographen an:
 +
[[Datei:beispiel_inpuoutput.pdf|400px]]
  
 +
|2= $M=\begin{pmatrix}
  
 +
\frac{10}{43} &  \frac{5}{68} &  \frac{20}{64}  \\
 +
\frac{15}{43} & \frac{15}{68} & \frac{36}{64} \\\frac{25}{43} & \frac{4}{68} & \frac{22}{64}\\
 +
\end{pmatrix} \approx
 +
\begin{pmatrix}
 +
0,233 & 0,074 & 0,313 \\
 +
0,349 & 0,221 & 0,563\\
 +
0,581 & 0,059 & 0,344\\
 +
\end{pmatrix}
 +
$}}
 +
 +
 +
 +
 +
 +
 +
 +
=Saklierungsmatrix=
 +
<span style="background-color: #ffd700;"> Dieser und die folgenden Abschnitte sind nur für HTL-SchhülerInnen relevant. </span>
 +
 +
==Saklierungsmatrix==
 +
Um einen Vektor zu stauchen oder zu strecken, wird er mit einem Faktor multipliziert.
 +
 +
\begin{align*}
 +
x'&=x \cdot s_x\\
 +
y'&=y\cdot s_y \\
 +
z' &= z \cdot s_z
 +
\end{align*}
 +
In Matrixform kann er mit der Skalierungsmatrix multipliziert werden.
 +
 +
$$U=\begin{pmatrix}s_x & 0 & 0\\
 +
0 & s_y & 0 \\
 +
0& 0 &s_z \\
 +
\end{pmatrix}
 +
$$
 +
Dabei gibt $s_x$ die Skalierung in x-Richtung, $s_y$ die Skalierung in y-Richtung und $s_z$ die Skalierung in z-Richtung an.
 +
 +
[[Datei:skalierung wuerfel a.png|thumb|Skalierung eines Würfels]]
 +
[[Datei:skalierung wuerfel b.png|thumb|Skalierung eines Würfels]]
 +
 +
=Drehung=
 +
==Drehung==
 +
Die Drehung ist ein Beispiel für die Anwendung und Motivation der Matrizenmultiplikation. In $\mathbb{R}^2$ und $\alpha \in [0, 2 \pi[$ wird die Drehung (gegen den Uhrzeigersinn) eines Vektors $v$ um den Winkel $\alpha $ durch die Multiplikation des Vektors mit der Drehmatrix $$R_{\alpha}
 +
 +
\begin{pmatrix}
 +
\cos(\alpha) & -\sin(\alpha) \\\sin(\alpha) & \cos(\alpha) \\
 +
\end{pmatrix}
 +
$$
 +
erreicht: $v'=R_\alpha \cdot v$.
 +
 +
In $\mathbb{R}^3$ ergeben sich für die Drehungen um die
 +
 +
 +
 +
* x-Achse:
 +
 +
$$R_x(\alpha)=\begin{pmatrix}1&0 & 0\\
 +
0& \cos(\alpha) & -\sin(\alpha) \\
 +
0& \sin(\alpha) & \cos(\alpha) \\
 +
\end{pmatrix}
 +
$$
 +
 +
* y-Achse:
 +
 +
$$R_y(\alpha)=\begin{pmatrix}\cos(\alpha) &0 & \sin(\alpha) \\
 +
0& 1 & 0 \\
 +
- \sin(\alpha)& 0 & \cos(\alpha) \\
 +
\end{pmatrix}
 +
$$
 +
 +
* z-Achse
 +
 +
 +
$$R_z(\alpha)=\begin{pmatrix}\cos(\alpha) & -\sin(\alpha) & 0\\
 +
\sin(\alpha) & \cos(\alpha) & 0 \\
 +
0& 0 & 1 \\
 +
\end{pmatrix}
 +
$$
 +
 +
 +
 +
 +
 +
 +
{{Vorlage:Beispiel|1= Welche Koordinaten erhältst du , wenn der Würfel mit den Eckpunkten
 +
\begin{align*}
 +
A=\begin{pmatrix}
 +
0\\ 0\\ 0\\
 +
\end{pmatrix}, & &
 +
B=\begin{pmatrix}
 +
2\\ 0 \\ 0\\
 +
\end{pmatrix}, & &
 +
C=\begin{pmatrix}
 +
2\\ 2 \\ 0\\
 +
\end{pmatrix}, & &
 +
D=\begin{pmatrix}
 +
0 \\ 2 \\ 0\\
 +
\end{pmatrix}, \\
 +
E=\begin{pmatrix}
 +
0 \\ 0 \\2 \\
 +
\end{pmatrix}, & &
 +
F=\begin{pmatrix}
 +
2 \\ 0 \\2 \\
 +
\end{pmatrix}, & &
 +
G=\begin{pmatrix}
 +
2 \\ 2\\ 2\\
 +
\end{pmatrix}, & &
 +
H=\begin{pmatrix}
 +
0 \\2 \\2\\
 +
\end{pmatrix}
 +
\end{align*}
 +
um die x-Achse um den Winkel $\alpha= 45^{\circ}$ gedreht wird?
 +
 +
|2= Unter der Verwendung der Drehmatrix
 +
$R_x(45^{\circ}) =\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0& \cos5^{\circ}) & -\sin(45^{\circ}) \\ 0 & \sin(45^{\circ}) & \cos(45^{\circ}) \\ \end{pmatrix}
 +
 +
= \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \frac{1}{\sqrt{2} } & -\frac{1}{\sqrt{2} } \\ 0 & \frac{1}{\sqrt{2} } & \frac{1}{\sqrt{2} } \\ \end{pmatrix}$ ergeben sich die Punkte des gedrehten Würfels durch die Muliplikation des ursprünglichen Punktes mit der Rotationsmatrix
 +
\begin{align*}
 +
A_x= A\cdot R_x(45^{\circ}) = \begin{pmatrix} 0\\ 0\\ 0\\ \end{pmatrix}, & &
 +
B_x=\begin{pmatrix} 2\\ 0 \\ 0\\ \end{pmatrix}, & &
 +
C_x=\begin{pmatrix} 2\\ \sqrt{2} \\ \sqrt{2} \\ \end{pmatrix}, & &
 +
D_x=\begin{pmatrix} 0 \\ \sqrt{2} \\ \sqrt{2}\\ \end{pmatrix}, \\
 +
E_x=\begin{pmatrix} 0 \\ -\sqrt{2} \\\sqrt{2} \\ \end{pmatrix}, & &
 +
F_x=\begin{pmatrix} 2 \\ -\sqrt{2} \\\sqrt{2} \\ \end{pmatrix}, & &
 +
G_x=\begin{pmatrix} 2 \\ 0\\ 2\sqrt{2}\\ \end{pmatrix}, & &
 +
H_x=\begin{pmatrix} 0 \\0 \\2\sqrt{2}\\ \end{pmatrix}.
 +
\end{align*} }}
 +
 +
 +
 +
[[Datei:wuerfel_x.png|thumb|right|400px|Drehung des Würfels um die x-Achse]]
 +
 +
=homogene Koordinaten=
 +
==homogene Koordinaten==
 +
Homogene Koordinaten werden zum Beispiel verwendet wenn eine Verschiebung eines Vektors durchgeführt werden soll, also wenn eine nicht lineare Transformation stattfindet.
 +
 +
 +
 +
Euklidische Koordinaten in $\mathbb{R}^3$ werden wie folgt in homogenen Koordinaten umgeschrieben
 +
$$\begin{pmatrix}
 +
x\\ y\\ z
 +
\end{pmatrix} \mapsto
 +
\begin{bmatrix}
 +
x \\ y\\ z\\1
 +
\end{bmatrix} .$$
 +
 +
 +
 +
=Schiebung=
 +
==Schiebung==
 +
Die Schiebung eines Vektors $\begin{pmatrix}
 +
x\\ y\\
 +
\end{pmatrix}$ um den Vektor $\begin{pmatrix}
 +
t_x \\ t_y \\
 +
\end{pmatrix}$ ist nicht linear und deshalb müssen die Koordinaten in homogenen Koordinaten geschrieben werden, damit man die Schiebung in Matrixform schreiben kann.
 +
 +
 +
So erhält man für die Translation:
 +
 +
\begin{align*}
 +
x'&=x + t_z \\
 +
y'&= y +t_y \\
 +
\end{align*} $\Rightarrow$
 +
 +
\begin{equation*}
 +
\begin{pmatrix}
 +
x'\\ y' \\ 1\\
 +
\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}
 +
1 &0&t_x\\
 +
0&1& t_y\\
 +
0&0&1\\
 +
\end{pmatrix} \cdot\begin{pmatrix}
 +
x\\ y\\1\\
 +
\end{pmatrix}.
 +
\end{equation*}
 +
 +
 +
 +
 +
 +
 +
Im $\mathbb{R}^3$ ergibt sich für die Schiebung
 +
 +
\begin{equation*}
 +
T_3=\begin{pmatrix}
 +
1&0 &0&t_x \\
 +
0& 1 &0&t_y \\
 +
0&0&1& t_z \\
 +
0&0&0&1
 +
\end{pmatrix}
 +
\end{equation*}
 +
 +
 +
[[Datei:schiebung wuerfel b.png|thumb|right|400px|Schiebung eines Würfels]]
 +
 +
=Spiegelung=
 +
==Spiegelung==
 +
Die Spiegelung ist ein Sonderfall der Skalierung mit entweder $s_x=-1$, $s_y=-1$ oder $s_z=-1$, je nachdem um welche Achse gespiegelt werden soll, die anderen Skalierungsfaktoren sollen dabei den Wert $1$ annehmen.
 +
 +
 +
Es ergeben sich also die verschiedenen Spiegelungsmatrizen, je nach Spiegelungsachse:
 +
im $\mathbb{R}^2$:
 +
 +
* um die x-Achse:
 +
 +
$S_x=\begin{pmatrix}
 +
1&0 \\
 +
0& -1 \\
 +
\end{pmatrix}$
 +
 +
 +
 +
* um die y-Achse:
 +
 +
$S_y=\begin{pmatrix}-1&0 \\
 +
0& 1 \\
 +
\end{pmatrix}$
 +
 +
 +
 +
[[Datei:computerspiele.png|thumb|right|400px|Spiegelung]]
 +
 +
 +
 +
 +
-im $\mathbb{R}^3$
 +
 +
* um die yz-Ebene:
 +
 +
\begin{equation*} S_{yz}=
 +
\begin{pmatrix}
 +
-1&0 &0\\0& 1 &0\\
 +
0&0&1
 +
\end{pmatrix}
 +
\end{equation*}
 +
 +
 +
 +
* um die xz-Ebene:
 +
 +
\begin{equation*} S_{xz}=
 +
\begin{pmatrix}
 +
1&0 &0\\0& -1 &0\\
 +
0&0&1
 +
\end{pmatrix}
 +
\end{equation*}
 +
 +
 +
 +
 +
 +
* um die xy-Ebene:
 +
 +
\begin{equation*} S_{xy}=
 +
\begin{pmatrix}
 +
1&0 &0\\0& 1 &0\\
 +
0&0&-1
 +
\end{pmatrix}
 +
\end{equation*}
 +
 +
 +
 +
 +
 +
 +
 +
 +
===Spiegelung an einer Geraden===
 +
Die Spiegelung eines Punktes im $\mathbb{R}^2$ an einer Gerade $g: y=ax+b$ erfolgt in homogenen Koordinaten in den folgenden fünf Schritten:
 +
 +
 +
 +
1.) Das Koordinatensystem so verschieben, dass die Spiegelungsachse durch den Koordinatenursprung geht.
 +
 +
2.) Die Spiegelungsachse soll um den Winkel $\arctan(a)$ gedreht werden, so dass sie mit der x-Achse zusammenfällt.
 +
 +
3.) Spieglung an der x-Achse.
 +
 +
4.) In Ausgangsposition zurückdrehen, also  Schritt 2) in die andere Richtung.
 +
 +
5.) Die Spiegelungsachse zurück schieben, also wie in Schritt 1), nur in die andere Richtung schieben.
 +
 +
Damit die Matrizen alle miteinander multipliziert werden können, müssen sie in den selben Koordinaten geschrieben werden, da eine Translation angewendet wird, sollten alle Matrizen in homogenen Koordinaten angeschrieben werden.
 +
 +
Für die jeweiligen Schritte gibt es eine passende Matrix, werden die fünf Matrizen miteinander multipliziert erhält man die Spiegelungsmatrix um die Gerade $g$, mit $arctan(a):=t$.
 +
 +
$$
 +
\begin{pmatrix}
 +
1 & 0 & 0\\
 +
0 & 1 & b \\
 +
0& 0 & 1 \\
 +
\end{pmatrix}
 +
 +
\cdot
 +
\begin{pmatrix}
 +
\cos\left(t\right) & -\sin\left(t\right) & 0\\
 +
\sin\left(t\right) & \cos\left(t\right) & 0 \\
 +
0& 0 & 1 \\
 +
\end{pmatrix}
 +
\cdot\begin{pmatrix}
 +
1 & 0 & 0\\
 +
0 & -1 & 0 \\
 +
0& 0 & 1 \\
 +
\end{pmatrix}
 +
\cdot
 +
\begin{pmatrix}
 +
\cos\left(-t\right) & -\sin\left(-t\right) & 0\\
 +
\sin\left(-t\right) & \cos\left(-t\right) & 0 \\
 +
0& 0 & 1 \\
 +
\end{pmatrix}
 +
\cdot
 +
\begin{pmatrix}
 +
1 & 0 & 0\\
 +
0 & 1 & -b \\
 +
0& 0 & 1 \\
 +
\end{pmatrix}
 +
$$
  
== Matura-Aufgaben==
+
=Matura-Aufgaben=
 +
==Matura-Aufgaben==
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=127&file=RGB-Farbmodell.pdf RGB-Farbmodell}}
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=71&file=Spiegelung_an_einer_Geraden.pdf "Spiegelung an einer Geraden"}}
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= http://www.michael-leitgeb.at/srdp/teilb1/Farben_2/Farben_2.pdf "Farben (2)"}}
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= http://www.michael-leitgeb.at/srdp/teilb1/KP1_16_C2_06/KP1_16_C2_06.pdf" "KP1_16_C2_06}}
  
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1=   "URL1" "Aufgabentitel1"}}
+
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= http://www.michael-leitgeb.at/srdp/teilb1/Teemischung/Teemischung.pdf "Teemischung"}}
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= http://www.michael-leitgeb.at/srdp/teilb1/Rohstoffbedarf/Rohstoffbedarf.pdf "Rohstoffbedarf"}}
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= http://www.michael-leitgeb.at/srdp/teilb1/Konfiserie/Konfiserie.pdf "Konfiserie"}}
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=525&file=Zweistufige_Produktion.pdf "Zweistufige Produktion"}}
 +
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1= https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=530&file=Kosten_und_Gewinn.pdf "Kosten und Gewinn"}}

Aktuelle Version vom 29. Mai 2019, 10:45 Uhr

Die Matrizenrechnung ist ein nützliches Werkzeug, um ein Gleichungssystem mit vielen linearen Gleichungen zu lösen oder auch um Tabellen übersichtlich darzustellen, also um lineare Zusammenhänge zwischen mehreren Größen herzustellen.

Einführung

Will man ein lineares Gleichungssystem lösen, kann das mit den bereits bekannten Verfahren wie Additions-, Gleichsetzungs- oder dem Substitutionsverfahren geschehen, doch wird das bei einem großen Gleichungssystem schnell unübersichtlich und mühsam. Daher wird eine neue Schreibweise eingeführt.

Das Gleichungssytem \begin{align} a_{11} x_1 + a_{12} x_2 + a_{13} x_3 &= y_1 \\ a_{21} x_1 + a_{22} x_2 + a_{23} x_3 &= y_2 \\ \end{align} bei dem $x_1 , x_2, x_3$ gesucht sind, kann auch in Matrixschreibweise geschrieben werden: $$\begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21}&a_{22}&a_{23}\\ \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} y_1 \\ y_2 \end{pmatrix},$$

wobei die Matrizenmultiplikation weiter unten erklärt wird. Man nennt

$$ \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13}\\ a_{21} & a_{22} & a_{23}\\ \end{pmatrix} $$ eine $2\times3$ Matrix, sie besteht aus 2 Zeilen und 3 Spalten, $\begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{pmatrix}$ nennt man eine $3 \times 1$ Matrix und $\begin{pmatrix} y_1 \\ y_2 \end{pmatrix}$ eine $2 \times 1$ Matrix. Der erste Index gibt dabei an in der welcher Zeile und der zweite Index in welcher Spalte sich die Zahl befindet. Hier bilden zum Beispiel $a_{11}$, $ a_{12}$ und $ a_{13}$ die erste Zeile, $a_{21}$, $ a_{22}$ und $ a_{23} $ die zweite Zeile. $a_{11}$ und $ a_{21}$ bilden die erste Spalte, $a_{12}$ und $a_{22}$ die zweite Spalte und $ a_{13}$ und $ a_{23}$ und die dritte Spalte


Mit $A:=\begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13}\\ a_{21} & a_{22} & a_{23}\\ \end{pmatrix}$ , $\vec{x} =\begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{pmatrix}$ und $\vec{y}=\begin{pmatrix} y_1 \\ y_2 \end{pmatrix}$ kann man das Gleichungssystem sehr kompakt als $A \cdot \vec{x}= \vec{y}$ schreiben. Das Lösen des Gleichungssystems erfolgt dann über Äquivalenzumformen von $(A|\vec{y})$, d.h. der Matrix


$$\left( \begin{array}{ccc} a_{11} & a_{12} &a_{13}\\ a_{21} & a_{22} &a_{23}\\ \end{array} \right| \left. \begin{array}{c} y_1 \\y_2 \end{array}\right)$$


Beispiel: $a_{11}=3 \qquad a_{12}=6 \qquad a_{13}=2 \qquad a_{21}=7 \qquad a_{22}=8 \qquad a_{23}=1$

$$ A= \begin{pmatrix} 3 & 6 &2\\7 & 8 &1\\ \end{pmatrix} $$




Bsp.png

Gib die erste Zeile der Matrix $\quad F= \begin{pmatrix} 8 & 12 &17 \\ 3,9 & 5 & 84,7 \\ 4,5 &63 & 9,6\\ \end{pmatrix} $ und die 3. Spalte der Matrix $F$ an!

1.Zeile $\left( 8 \quad 12 \quad 17 \right) $

3.Spalte $\left(\begin{array}{c} 17 \\ 84,7 \\ 9,6 \end{array}\right)$





Definition
Grün rufezeichen.png
$m \times n$ Matrix

$ \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} &\dots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots &\ddots & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \dots & a_{mn} \end{pmatrix} \quad \in \mathbb{R}^{m \times n} \qquad \forall m,n \in \mathbb{N} $

Die $m\times n$ Matrix hat $m$ Zeilen und $n$ Spalten.


Merke
Rotes rufezeichen.png
Eine quadratische Matrix hat die gleiche Anzahl an Zeilen und Spalten, also $m=n$. Damit ein Gleichungssystem eine eindeutige Lösung haben kann, muss die Matrix $A$ quadratisch sein, das heißt gleich viele Gleichungen wie Unbekannte haben.



Definition
Grün rufezeichen.png
Nullmatrix

Die Nullmatrix $0_n$ ist wie folgt definiert:

$ 0= \begin{pmatrix} 0 & \dots & 0 \\ \vdots & & \vdots \\ 0 & \dots & 0 \\ \end{pmatrix} \quad \in \mathbb{R}^{n \times n} \qquad \forall n \in \mathbb{N} $

Es gilt $A + 0 =0+A =A$ und $ A \cdot 0 = 0 \cdot A=0$.


Definition
Grün rufezeichen.png
Einheitsmatrix

Die Einheitsmatrix $I_n$ hat nur in der Hauptdiagonale (von links oben nach rechts unten) Einsen stehen. Sonst befinden sich überall Nullen. Zudem ist sie eine quadratische Matrix.

$ I_n= \begin{pmatrix} 1 & 0 & \dots & 0 \\ 0 & 1 & \dots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 &0 & \dots & 1 \\ \end{pmatrix} \quad \in \mathbb{R}^{n \times n} \qquad \forall n \in \mathbb{N} $

Die Einheitsmatrix wird benötigt, um ein lineares Gleichungssystem in Matrixform zu lösen und um die Inverse einer Matrix zu definieren, also $A \dot I= A$. Ist $B$ die Inverse zu $A$, dann $ A\cdot B = I =B \cdot A$.





Bsp.png

Gib die Einheitsmatrix im dreidimensionalen Raum an!

$I_3= \begin{pmatrix} 1 & 0 &0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 &0 & 1\\ \end{pmatrix} $


Rechenregeln

Merke
Rotes rufezeichen.png
Bei der Addition von Matrizen, werden die gleichen Komponenten miteinander addiert.


Sei die Matrix $ A= \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} &\dots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots &\ddots & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \dots & a_{mn} \end{pmatrix} $ und die Matrix $ B= \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} & \dots & b_{1n} \\ b_{21} & b_{22} &\dots & b_{2n} \\ \vdots & \vdots &\ddots & \vdots \\ b_{m1} & b_{m2} & \dots & b_{mn} \end{pmatrix} $


dann ist $A +B = \begin{pmatrix} a_{11} + b_{11} & a_{12}+ b_{12} + & \dots +& a_{1n} + b_{1n} \\ a_{21} + b_{21} & a_{22} + b_{22} + &\dots +& a_{1n}+ b_{2n} \\ \vdots & \vdots &\ddots & \vdots \\ a_{m1}+ b_{m1} &a_{m2} + b_{m2} & + \dots +& a_{mn} + b_{mn} \end{pmatrix} $

Bei der Addition müssen beide Matrizen dieselbe Dimension haben, das heißt dieselbe Anzahl von Zeilen und Spalten.



Bei der $2\times 2$ Matrix schaut das wie folgt aus

$ A= \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \\ \end{pmatrix} $

$ B= \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} \\ b_{21} & b_{22} \\ \end{pmatrix} $

dann ist $ \qquad \qquad \qquad A+ B =\begin{pmatrix}a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} \\ b_{21} & b_{22} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a_{11} + b_{11} & a_{12} + b_{12} \\ a_{21} + b_{21} & a_{22} + b_{22} \\ \end{pmatrix}$


Bsp.png

Addiere die Matrizen $\quad C= \begin{pmatrix} 8 & 6 \\ 0 & -4 \\ \end{pmatrix} \quad $ und $\quad D= \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 5 & 3 \\ \end{pmatrix}$.

$C +D= \begin{pmatrix} 10 & 5 \\ 5 & -1 \\ \end{pmatrix}$




Bsp.png

In der Firma $A$ wird 8 mal das Produkt 1 hergestellt, 5 mal Produkt 2, 12 mal Produkt 3 und 7 mal Produkt 4, in der Firma Firma $B$ wird 2 mal das Produkt 1 hergestellt, 1 mal Produkt 2, 3 mal Produkt 3 und 9 mal Produkt 4, Firma $C$ wird 0 mal das Produkt 1 hergestellt, 17 mal Produkt 2, 3 mal Produkt 3 und 9 mal Produkt 4, Firma $D$ wird 3 mal das Produkt 1 hergestellt, 4 mal Produkt 2, 2 mal Produkt 3 und 5 mal Produkt 4. Wie viel wird insgesamt von den jeweiligen Produkten hergestellt?

$A + B +C +D = \begin{pmatrix} 8 & 5 \\ 12 & 7 \\ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 3 & 9 \\ \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 17 \\ 3 & 9 \\ \end{pmatrix}+ \begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 2 & 5 \\ \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} 13 & 27 \\ 20 & 30 \\ \end{pmatrix}$, es wird also insgesamt 13 mal das Produkt hergestellt, 27 mal Produkt 2, 20 mal Produkt 3 und 30 mal Produkt 4.




Addiere die beiden Matrizen und füge die Zahlen der Lösungsmatrix in die Zellen ein, dann klicke auf überprüfen.



Subtrahiere die beiden Matrizen und füge die Zahlen der Lösungsmatrix in die Zellen ein, dann klicke auf überprüfen.



Merke
Rotes rufezeichen.png
Bei der Multiplikation mit einem Skalar $k$ (einer reellen Zahl), wird jede Komponente einzeln mit dem Skalar multipliziert.


$ k \cdot A= \begin{pmatrix} k \cdot a_{11} & k \cdot a_{12} & \dots & k \cdot a_{1n} \\ k \cdot a_{21} & k \cdot a_{22} & \dots & k \cdot a_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ k \cdot a_{m1} &k \cdot a_{m2} & \dots & k \cdot a_{mn} \\ \end{pmatrix} $



Bsp.png

Multipliziere die Matrix $\quad E= \begin{pmatrix} 7 & 2 \\ 9 & 0 \\ \end{pmatrix} \quad $ mit $3$.

$3 \cdot E= \begin{pmatrix} 21 & 6 \\ 27 & 0 \\ \end{pmatrix}$


Multipliziere die Matrix mit dem Skalar und füge die Zahlen der Lösungsmatrix in die Zellen ein, dann klicke auf überprüfen.



Definition
Grün rufezeichen.png
Transponierte Matrix

Bei einer transponierten Matrix werden die Zeilen und Spalten miteinander vertauscht. Sei $A$ die ursprüngliche Matrix und $A^T$ die transponierte Matrix: $A= \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} &a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} &a_{32} & a_{33} \\ \end{pmatrix} $

dann ist

$A^T= \begin{pmatrix} a_{11} & a_{21} &a_{31} \\ a_{12} & a_{22} & a_{32} \\ a_{13} &a_{23} & a_{33} \\ \end{pmatrix} $




Bsp.png

Gib die transponierten Matrizen zu den Matrizen $B$ und $C$ an! $\quad B= \begin{pmatrix} 9 & 4 \\ 654 & 274 \\ \end{pmatrix} $ $\quad C= \begin{pmatrix} 65 & 4,7 &6 &9 &89 \\ 8,3 & 2,4 & 7 & 3&1 \\ 4 & 2 & 0 & 7,9 & 5\\ \end{pmatrix} $

$\quad B^T= \begin{pmatrix} 9 & 654 \\ 4 & 274 \\ \end{pmatrix} $ $\quad C^T= \begin{pmatrix} 65 & 8,3 & 4\\ 4,7 & 2,4 & 2\\ 6 & 7& 0 \\ 9& 3 & 7,9\\ 89 & 1 & 5\\ \end{pmatrix} $






Definition
Grün rufezeichen.png
Matrizenmultiplikation


Zwei Matrizen werden nach der Regel: Zeile mal Spalte multipliziert. Die Matrizenmultiplikation ist nicht kommutativ, das heißt: $A\cdot B \neq B \cdot A$. Um $A \cdot B =C$ zu erhalten muss die Anzahl der Spalten von $A$ die selbe sein wie die Anzahl der Zeilen von $B$. Also wenn $A$ eine $m \times n$ Matrix ist und $B$ eine $n \times p$ Matrix, so sind $m$ und $p$ beliebig und $n$ muss bei $A$ und $B$ dieselbe Zahl sein. Außerdem ist dann $C$ eine $m \times p$ Matrix, sie hat also dieselbe Anzahl der Zeilen wie die Matrix $A$ und dieselbe Spaltenanzahl wie die Matrix $B$.



Sei die Matrix $A$ zum Beispiel eine $2 \times 3$ Matrix und $B$ eine $3 \times 4$ Matrix. Dann ist die Matrix $A \cdot B = C$ eine $2 \times 4$ Matrix.

Wie erhält man nun die einzelnen Koeffizienten der Matrix $C$?

\url{https://www.youtube.com/watch?v=iLgfkgscafQ}

Die Durchführung der Matrizenmultiplikation kann mit Hilfe der Falk'schen Anordnung erfolgen:


$ \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} & \dots & b_{1q} \\ b_{21} & b_{22} & \dots & b_{2q} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ b_{p1} & b_{p2} & \dots & b_{pq} \\ \end{pmatrix} $ $ \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1p} \\a_{21} & a_{22} & \dots & a_{2p} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \dots & a_{np}\\ \end{pmatrix} $ $ \begin{pmatrix} c_{11} & c_{12} & \dots & c_{1q}\\ c_{21} & c_{22} & \dots & c_{2q} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ c_{n1} & c_{n2} & \dots & c_{nq} \end{pmatrix} $ Es werden die Spalten von $B$ über die Zeilen von $A$ gelegt, die Komponenten paarweise multipliziert und dann die Ergebnisse addiert.
Falk'sche Anordnung (Quelle: texample)

Wobei $$c_{11} = a_{11} \cdot b_{11}+ a_{12} \cdot b_{21} + \dots + a_{1p} \cdot b_{p1} \\ c_{12} = a_{11} \cdot b_{12} + a_{12} \cdot b_{22} + \dots + a_{1p} \cdot b_{p2} \\ c_{1q} = a_{11} \cdot b_{1q} + a_{12} \cdot b_{2q} + \dots + a_{1p} \cdot b_{pq} \\ \vdots \\ c_{21} = a_{21} \cdot b_{11} + a_{22} \cdot b_{21} + \dots + a_{2p} \cdot b_{p1}\\ \vdots \\ c_{nq} = a_{n1} \cdot b_{1q} + a_{n2} \cdot b_{2q}+ \dots + a_{np} \cdot b_{pq}$$


Konkret heißt das an einem Beispiel:

$ \begin{pmatrix} 8 &1 & 3 \\9 & 0 & 5 \\ \end{pmatrix} $
$ \begin{pmatrix} 2 & 5 \\4 & 7 \\ \end{pmatrix} $ $ \begin{pmatrix} c_{11} & c_{12} & c_{13}\\ c_{21} & c_{22} & c_{23} \\ \end{pmatrix} $

Wobei $$c_{11} = 2 \cdot 8 + 5 \cdot 9 = 61\\ c_{12} = 2 \cdot 1 + 5 \cdot 0 =2\\ c_{13} = 2 \cdot 3 + 5 \cdot 5 =31\\ c_{21} = 4 \cdot 8 + 7 \cdot 9 =95\\ c_{22} = 4 \cdot 1 + 7 \cdot 0 =4\\ c_{23}= 4 \cdot 3 + 7 \cdot 5 =47$$ Also $$\begin{pmatrix} 2 & 5 \\ 4 & 7 \\ \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 8 &1 & 3 \\ 9 & 0 & 5 \\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 61 & 2 & 31\\ 95 & 4 & 47 \\ \end{pmatrix} $$


Bsp.png

Berechne $A \cdot B = \begin{pmatrix} 5 & 7 & 1 \\ 8 & -1 & 4 \\ \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 9 & 7 \\ 3 & -6 \\ 0 & 2 \\ \end{pmatrix} $

$C= \begin{pmatrix} 45+ 21+ 0& 35-42+ 2\\ 72-3 +0 &56+ 6+ 8\\ \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} 66&-5\\ 69&70\\ \end{pmatrix} $



Multipliziere die beiden Matrizen und füge die Zahlen der Lösungsmatrix in die Zellen ein, dann klicke auf überprüfen.

Gozinto-Graphen

Gonzinto-Graphen dienen der Veranschaulichung der Zusammenhänge zwischen Roh-, Zwischen- und Endprodukten. Die Knoten stellen dabei die Teile dar und die Pfeile oder auch gerichtete Kanten die Mengenbeziehungen.


In der Abbildung des Gozintographen wird der Zusammenhang zwischen den Rohstoffen $R_1 , R_2$ und $R_3$ mit den Zwischenprodukten $Z_1, Z_2, Z_3$ und den Endprodukten $E_1, E_2$ dargestellt.

Beispiel eines Gozintographen

In einer Tabelle kann der Zusammenhang wie folgt aufgelistet werden:

  $Z_1$ $Z_2$ $Z_3$
$R_1$ 2 5 3
$R_2$ 8 9 1
$R_3$ 6 4 2
  $E_1$ $E_2$
$Z_1$ 12 5
$Z_2$ 11 8
$Z_3$ 2 4

Die Tabelle kann aber ebenso in Matrixform umgeschrieben werden, wobei die Matrix $RZ$ den Zusammenhang der Rohstoffe mit den Zwischenprodukten und $ZE$ den der Zwischenprodukte mit den Endprodukten beschreibt.

$$ RZ= \begin{pmatrix} 2 & 5 & 3 \\8 & 9 &1 \\ 6&4&2\\ \end{pmatrix} $$ $$ ZE=\begin{pmatrix} 12 & 5 \\ 11 & 8 \\ 2&4\\ \end{pmatrix} $$

Um eine Matrix zu erhalten, welche den Rohstoffbedarf für die Endprodukte beschreibt wird die Matrix $RZ$ mit der Matrix $ZE$ multipliziert. In unserem Beispiel ergibt das

\begin{equation*} RE= RZ \cdot ZE= \begin{pmatrix} 24 +55+ 6 & 10 +40+ 12\\ 96 +99 +2 & 40+ 72+ 4\\ 72 +44+ 4 & 30+ 32+ 8\\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 85 &62\\ 197 & 116\\ 120 & 70\\ \end{pmatrix}. \end{equation*}

Die Matrizen $RZ$, $ZE$ und $RE$ werden auch Produktionsmatrix genannt. Der Produktions-, Output- oder Nachfragevektor gibt an wie viel der Endprodukte produziert werden sollen. Der Bedarfsvektor gibt den Gesamtbedarf an Einzelteilen an für einen vorgesehenen Produktionsvektor. Also durch den Bedarfsvektor kann der Bedarf an Rohstoffen berechnet werden.

Im Preisvektor befinden sich die Preise für die einzelnen Rohstoffe. Der Inputvekor beschreibt die benötigten Rohstoffe.

Input-Output-Matrix: Leontief-Modell

Eine Input-Output-Tabelle für die Firmen A, B und C, mit $x_i=\sum_{k=1}^{3} x_{ik} y_i$, wobei $i=j$ den Eigenbedarf einer Firma beschreibt, wird in der folgenden Tabelle aufgezeigt.

Input / Output A B C Markt / Konsum Gesamtproduktion
A $x_{11}$ $x_{12}$ $x_{13}$ $y_{1}$ $x_{1}$
B $x_{21}$ $x_{22}$ $x_{23}$ $y_{2}$ $x_{2}$
C $x_{31}$ $x_{32}$ $x_{33}$ $y_{3}$ $x_{3}$

In einem Gozinto-Graphen kann dies, wie rechts unten zu sehen ist, dargestellt werden:

inpuoutput.pdf



Die Produktionsmatrix $P$ sieht daher folgendermaßen aus:

$P=\begin{pmatrix} x_{11} & x_{12} & x_{13} \\ x_{21} & x_{22} & x_{23} \\x_{31} & x_{32} & x_{33}\\ \end{pmatrix}.$

Um die Input-Output-Matrix zu erhalten die erste Spalte durch den Wert der Gesamtproduktion der ersten Zeile geteilt werden, die zweite Spalte durch den der zweiten Zeile und die dritte Spalte durch den der dritten Zeile, das heißt die Koeffizienten der Input-Output-Matrix ergeben sich als $a_{ij}= \frac{x_{ij}}{x_j}$

Die Input-Output-Matrix ergibt sich dann zu: $M=\begin{pmatrix} \frac{x_{11}}{x_1} & \frac{x_{12}}{x_2} & \frac{x_{13}}{x_3} \\ \frac{x_{21}}{x_1} & \frac{x_{22}}{x_2} & \frac{x_{23}}{x_3} \\ \frac{x_{31}}{x_1} & \frac{x_{32}}{x_2} & \frac{x_{33}}{x_3}\\ \end{pmatrix}.$



Bsp.png

Gib die Input-Output-Matrix zu folgendem Gozintographen an: Datei:beispiel inpuoutput.pdf

$M=\begin{pmatrix} \frac{10}{43} & \frac{5}{68} & \frac{20}{64} \\ \frac{15}{43} & \frac{15}{68} & \frac{36}{64} \\\frac{25}{43} & \frac{4}{68} & \frac{22}{64}\\ \end{pmatrix} \approx \begin{pmatrix} 0,233 & 0,074 & 0,313 \\ 0,349 & 0,221 & 0,563\\ 0,581 & 0,059 & 0,344\\ \end{pmatrix} $





Dieser und die folgenden Abschnitte sind nur für HTL-SchhülerInnen relevant.

Saklierungsmatrix

Um einen Vektor zu stauchen oder zu strecken, wird er mit einem Faktor multipliziert.

\begin{align*} x'&=x \cdot s_x\\ y'&=y\cdot s_y \\ z' &= z \cdot s_z \end{align*} In Matrixform kann er mit der Skalierungsmatrix multipliziert werden.

$$U=\begin{pmatrix}s_x & 0 & 0\\ 0 & s_y & 0 \\ 0& 0 &s_z \\ \end{pmatrix} $$ Dabei gibt $s_x$ die Skalierung in x-Richtung, $s_y$ die Skalierung in y-Richtung und $s_z$ die Skalierung in z-Richtung an.

Skalierung eines Würfels
Skalierung eines Würfels

Drehung

Die Drehung ist ein Beispiel für die Anwendung und Motivation der Matrizenmultiplikation. In $\mathbb{R}^2$ und $\alpha \in [0, 2 \pi[$ wird die Drehung (gegen den Uhrzeigersinn) eines Vektors $v$ um den Winkel $\alpha $ durch die Multiplikation des Vektors mit der Drehmatrix $$R_{\alpha} \begin{pmatrix} \cos(\alpha) & -\sin(\alpha) \\\sin(\alpha) & \cos(\alpha) \\ \end{pmatrix} $$ erreicht: $v'=R_\alpha \cdot v$.

In $\mathbb{R}^3$ ergeben sich für die Drehungen um die


  • x-Achse:

$$R_x(\alpha)=\begin{pmatrix}1&0 & 0\\ 0& \cos(\alpha) & -\sin(\alpha) \\ 0& \sin(\alpha) & \cos(\alpha) \\ \end{pmatrix} $$

  • y-Achse:

$$R_y(\alpha)=\begin{pmatrix}\cos(\alpha) &0 & \sin(\alpha) \\ 0& 1 & 0 \\ - \sin(\alpha)& 0 & \cos(\alpha) \\ \end{pmatrix} $$

  • z-Achse


$$R_z(\alpha)=\begin{pmatrix}\cos(\alpha) & -\sin(\alpha) & 0\\ \sin(\alpha) & \cos(\alpha) & 0 \\ 0& 0 & 1 \\ \end{pmatrix} $$




Bsp.png

Welche Koordinaten erhältst du , wenn der Würfel mit den Eckpunkten \begin{align*} A=\begin{pmatrix} 0\\ 0\\ 0\\ \end{pmatrix}, & & B=\begin{pmatrix} 2\\ 0 \\ 0\\ \end{pmatrix}, & & C=\begin{pmatrix} 2\\ 2 \\ 0\\ \end{pmatrix}, & & D=\begin{pmatrix} 0 \\ 2 \\ 0\\ \end{pmatrix}, \\ E=\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\2 \\ \end{pmatrix}, & & F=\begin{pmatrix} 2 \\ 0 \\2 \\ \end{pmatrix}, & & G=\begin{pmatrix} 2 \\ 2\\ 2\\ \end{pmatrix}, & & H=\begin{pmatrix} 0 \\2 \\2\\ \end{pmatrix} \end{align*} um die x-Achse um den Winkel $\alpha= 45^{\circ}$ gedreht wird?

Unter der Verwendung der Drehmatrix

$R_x(45^{\circ}) =\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0& \cos5^{\circ}) & -\sin(45^{\circ}) \\ 0 & \sin(45^{\circ}) & \cos(45^{\circ}) \\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \frac{1}{\sqrt{2} } & -\frac{1}{\sqrt{2} } \\ 0 & \frac{1}{\sqrt{2} } & \frac{1}{\sqrt{2} } \\ \end{pmatrix}$ ergeben sich die Punkte des gedrehten Würfels durch die Muliplikation des ursprünglichen Punktes mit der Rotationsmatrix \begin{align*} A_x= A\cdot R_x(45^{\circ}) = \begin{pmatrix} 0\\ 0\\ 0\\ \end{pmatrix}, & & B_x=\begin{pmatrix} 2\\ 0 \\ 0\\ \end{pmatrix}, & & C_x=\begin{pmatrix} 2\\ \sqrt{2} \\ \sqrt{2} \\ \end{pmatrix}, & & D_x=\begin{pmatrix} 0 \\ \sqrt{2} \\ \sqrt{2}\\ \end{pmatrix}, \\ E_x=\begin{pmatrix} 0 \\ -\sqrt{2} \\\sqrt{2} \\ \end{pmatrix}, & & F_x=\begin{pmatrix} 2 \\ -\sqrt{2} \\\sqrt{2} \\ \end{pmatrix}, & & G_x=\begin{pmatrix} 2 \\ 0\\ 2\sqrt{2}\\ \end{pmatrix}, & & H_x=\begin{pmatrix} 0 \\0 \\2\sqrt{2}\\ \end{pmatrix}. \end{align*}



Drehung des Würfels um die x-Achse

homogene Koordinaten

Homogene Koordinaten werden zum Beispiel verwendet wenn eine Verschiebung eines Vektors durchgeführt werden soll, also wenn eine nicht lineare Transformation stattfindet.


Euklidische Koordinaten in $\mathbb{R}^3$ werden wie folgt in homogenen Koordinaten umgeschrieben $$\begin{pmatrix} x\\ y\\ z \end{pmatrix} \mapsto \begin{bmatrix} x \\ y\\ z\\1 \end{bmatrix} .$$


Schiebung

Die Schiebung eines Vektors $\begin{pmatrix} x\\ y\\ \end{pmatrix}$ um den Vektor $\begin{pmatrix} t_x \\ t_y \\ \end{pmatrix}$ ist nicht linear und deshalb müssen die Koordinaten in homogenen Koordinaten geschrieben werden, damit man die Schiebung in Matrixform schreiben kann.


So erhält man für die Translation:

\begin{align*} x'&=x + t_z \\ y'&= y +t_y \\ \end{align*} $\Rightarrow$

\begin{equation*} \begin{pmatrix} x'\\ y' \\ 1\\ \end{pmatrix} =\begin{pmatrix} 1 &0&t_x\\ 0&1& t_y\\ 0&0&1\\ \end{pmatrix} \cdot\begin{pmatrix} x\\ y\\1\\ \end{pmatrix}. \end{equation*}




Im $\mathbb{R}^3$ ergibt sich für die Schiebung

\begin{equation*} T_3=\begin{pmatrix} 1&0 &0&t_x \\ 0& 1 &0&t_y \\ 0&0&1& t_z \\ 0&0&0&1 \end{pmatrix} \end{equation*}


Schiebung eines Würfels

Spiegelung

Die Spiegelung ist ein Sonderfall der Skalierung mit entweder $s_x=-1$, $s_y=-1$ oder $s_z=-1$, je nachdem um welche Achse gespiegelt werden soll, die anderen Skalierungsfaktoren sollen dabei den Wert $1$ annehmen.


Es ergeben sich also die verschiedenen Spiegelungsmatrizen, je nach Spiegelungsachse: im $\mathbb{R}^2$:

  • um die x-Achse:

$S_x=\begin{pmatrix} 1&0 \\ 0& -1 \\ \end{pmatrix}$


  • um die y-Achse:

$S_y=\begin{pmatrix}-1&0 \\ 0& 1 \\ \end{pmatrix}$


Spiegelung



-im $\mathbb{R}^3$

  • um die yz-Ebene:

\begin{equation*} S_{yz}= \begin{pmatrix} -1&0 &0\\0& 1 &0\\ 0&0&1 \end{pmatrix} \end{equation*}


  • um die xz-Ebene:

\begin{equation*} S_{xz}= \begin{pmatrix} 1&0 &0\\0& -1 &0\\ 0&0&1 \end{pmatrix} \end{equation*}



  • um die xy-Ebene:

\begin{equation*} S_{xy}= \begin{pmatrix} 1&0 &0\\0& 1 &0\\ 0&0&-1 \end{pmatrix} \end{equation*}





Spiegelung an einer Geraden

Die Spiegelung eines Punktes im $\mathbb{R}^2$ an einer Gerade $g: y=ax+b$ erfolgt in homogenen Koordinaten in den folgenden fünf Schritten:


1.) Das Koordinatensystem so verschieben, dass die Spiegelungsachse durch den Koordinatenursprung geht.

2.) Die Spiegelungsachse soll um den Winkel $\arctan(a)$ gedreht werden, so dass sie mit der x-Achse zusammenfällt.

3.) Spieglung an der x-Achse.

4.) In Ausgangsposition zurückdrehen, also Schritt 2) in die andere Richtung.

5.) Die Spiegelungsachse zurück schieben, also wie in Schritt 1), nur in die andere Richtung schieben.

Damit die Matrizen alle miteinander multipliziert werden können, müssen sie in den selben Koordinaten geschrieben werden, da eine Translation angewendet wird, sollten alle Matrizen in homogenen Koordinaten angeschrieben werden.

Für die jeweiligen Schritte gibt es eine passende Matrix, werden die fünf Matrizen miteinander multipliziert erhält man die Spiegelungsmatrix um die Gerade $g$, mit $arctan(a):=t$.

$$ \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & b \\ 0& 0 & 1 \\ \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} \cos\left(t\right) & -\sin\left(t\right) & 0\\ \sin\left(t\right) & \cos\left(t\right) & 0 \\ 0& 0 & 1 \\ \end{pmatrix} \cdot\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & -1 & 0 \\ 0& 0 & 1 \\ \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} \cos\left(-t\right) & -\sin\left(-t\right) & 0\\ \sin\left(-t\right) & \cos\left(-t\right) & 0 \\ 0& 0 & 1 \\ \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & -b \\ 0& 0 & 1 \\ \end{pmatrix} $$