Matrizen: Unterschied zwischen den Versionen

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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.
 
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.
  
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= Einführung =
+
=Einführung=
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== Einführung ==
+
==Einführung==
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+
  
 
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.
 
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.
  
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Das Gleichungssytem  
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Das Gleichungssytem
 
\begin{align}
 
\begin{align}
 
a_{11} x_1 + a_{12} x_2 + a_{13} x_3 &= y_1 \\
 
a_{11} x_1 + a_{12} x_2 + a_{13} x_3 &= y_1 \\
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a_{11} & a_{12} & a_{13} \\
 
a_{11} & a_{12} & a_{13} \\
 
a_{21}&a_{22}&a_{23}\\
 
a_{21}&a_{22}&a_{23}\\
−
\end{pmatrix} \cdot  
+
\end{pmatrix} \cdot
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
x_1 \\ x_2 \\ x_3
 
x_1 \\ x_2 \\ x_3
 
\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}
 
\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}
−
y_1 \\ y_2  
+
y_1 \\ y_2
 
\end{pmatrix},$$
 
\end{pmatrix},$$
  
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a_{21} & a_{22} & a_{23}\\
 
a_{21} & a_{22} & a_{23}\\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
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$$ eine $2\times3$ Matrix, sie besteht aus 2 [[Zeilen|Zeilen]] und 3 [[Spalten|Spalten]],  
+
$$ eine $2\times3$ Matrix, sie besteht aus 2 [[Zeilen]] und 3 [[Spalten]],
 
$\begin{pmatrix}
 
$\begin{pmatrix}
 
x_1 \\ x_2 \\ x_3
 
x_1 \\ x_2 \\ x_3
 
\end{pmatrix}$ nennt man eine $3 \times 1$ Matrix und $\begin{pmatrix}
 
\end{pmatrix}$ nennt man eine $3 \times 1$ Matrix und $\begin{pmatrix}
−
y_1 \\ y_2  
+
y_1 \\ y_2
 
\end{pmatrix}$ eine $2 \times 1$ Matrix.
 
\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
+
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
  
  
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x_1 \\ x_2 \\ x_3
 
x_1 \\ x_2 \\ x_3
 
\end{pmatrix}$ und $\vec{y}=\begin{pmatrix}
 
\end{pmatrix}$ und $\vec{y}=\begin{pmatrix}
−
y_1 \\ y_2  
+
y_1 \\ y_2
 
\end{pmatrix}$ kann man das Gleichungssystem sehr kompakt als
 
\end{pmatrix}$ kann man das Gleichungssystem sehr kompakt als
 
$A \cdot \vec{x}= \vec{y}$ schreiben. Das Lösen des Gleichungssystems erfolgt dann über [http://snvbrwvobs2.snv.at/matura.wiki/index.php/Äquivalenzumformungen Äquivalenzumformen] von $(A|\vec{y})$, d.h. der Matrix
 
$A \cdot \vec{x}= \vec{y}$ schreiben. Das Lösen des Gleichungssystems erfolgt dann über [http://snvbrwvobs2.snv.at/matura.wiki/index.php/Äquivalenzumformungen Äquivalenzumformen] von $(A|\vec{y})$, d.h. der Matrix
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$$\left( \begin{array}{ccc}
 
$$\left( \begin{array}{ccc}
−
a_{11} & a_{12} &a_{13}\\
+
a_{11} & a_{12} &a_{13}\\
−
a_{21} & a_{22} &a_{23}\\
+
a_{21} & a_{22} &a_{23}\\
 
\end{array} \right| \left. \begin{array}{c} y_1 \\y_2 \end{array}\right)$$
 
\end{array} \right| \left. \begin{array}{c} y_1 \\y_2 \end{array}\right)$$
  
  
  
−
Beispiel: $a_{11}=3 \qquad a_{12}=6 \qquad a_{13}=2 \qquad a_{21}=7 \qquad a_{22}=8     \qquad a_{23}=1$  
+
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}
 
   A= \begin{pmatrix}
−
3 & 6 &2\\
+
3 & 6 &2\\7 & 8 &1\\
−
7 & 8 &1\\
+
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
 
$$
 
$$
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−
{{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) $
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{{Vorlage:Definition|1=Nullmatrix
 
{{Vorlage:Definition|1=Nullmatrix
−
Die [[Nullmatrix|Nullmatrix]] $=_n$  ist wie folgt definiert:
+
Die [[Nullmatrix|Nullmatrix]] $0_n$  ist wie folgt definiert:
  
 
$
 
$
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$
 
$
  
−
Die Einheitsmatrix wird benötigt, um ein lineares Gleichungssystem in Matrixform zu lösen und um die Inverse einer Matrix zu definieren, also $ A\cdot B = I =B \cdot A$.
+
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$.
 
}}
 
}}
  
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−
{{Vorlage:Beispiel|1= Wie sieht die Einheitsmatrix im dreidimensionalen Raum aus?
+
{{Vorlage:Beispiel|1= Gib die Einheitsmatrix im dreidimensionalen Raum an!
  
  
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=Rechenregeln=
 
=Rechenregeln=
 
==Rechenregeln==
 
==Rechenregeln==
−
 
 
{{Vorlage:Merke|1= Bei der [[Addition|Addition]] von Matrizen, werden die gleichen Komponenten miteinander addiert.
 
{{Vorlage:Merke|1= Bei der [[Addition|Addition]] von Matrizen, werden die gleichen Komponenten miteinander addiert.
  
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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}      \\
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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.}}
 
Bei der Addition müssen beide Matrizen dieselbe Dimension haben, das heißt dieselbe Anzahl von Zeilen und Spalten.}}
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$
 
$
 
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}  
+
\begin{pmatrix}
−
a_{11} & a_{12} \\
+
a_{11} & a_{12} \\
 
a_{21} & a_{22}
 
a_{21} & a_{22}
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
 +
 
   +
 
   +
 +
\begin{pmatrix} <span class="">'single_linebreak' style='background-color:lightgray'>¶</span> b_{11} & b_{12} \\
 +
b_{21} & b_{22}
 +
\end{pmatrix}
 +
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
−
b_{11} & b_{12}  \\
+
a_{11} + b_{11} & a_{12} + b_{12} \\
−
b_{21} & b_{22}
+
a_{21} + b_{21} & a_{22} + b_{22} \\
−
\end{pmatrix} =
+
−
\begin{pmatrix}
+
−
a_{11} + b_{11} & a_{12} + b_{12} \\
+
−
a_{21} + b_{21} & a_{22} + b_{22} \\
+
 
\end{pmatrix}$
 
\end{pmatrix}$
  
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{{Vorlage:Definition|1=Transponierte Matrix
 
{{Vorlage:Definition|1=Transponierte Matrix
−
Bei einer [[transponierten Matrix|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}  \\
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−
{{Vorlage:Beispiel|1= Wie sehen die transponierten Matrizen zu den Matrizen $B$ 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 381: Zeile 375:
 
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 $B$.}}
 
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 $2 \times 3$ 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 $C$?
 
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}
  
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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.
 
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]]
 
  
 +
 +
[[Datei:falkanordnung.png|400px|mini|Falk'sche Anordnung (Quelle: [http://www.texample.net/tikz/examples/matrix-multiplication/ texample])]]
  
 
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
−
$$\begin{pmatrix} 2 & 5 \\
+
$$\begin{pmatrix} 2 & 5 \\
 
4 & 7 \\
 
4 & 7 \\
 +
 
   \end{pmatrix}  
 
   \end{pmatrix}  
 
\cdot
 
\cdot
 
\begin{pmatrix} 8 &1 & 3 \\
 
\begin{pmatrix} 8 &1 & 3 \\
 
9 & 0 & 5 \\
 
9 & 0 & 5 \\
 +
 
   \end{pmatrix}  = \begin{pmatrix}
 
   \end{pmatrix}  = \begin{pmatrix}
 
  61 & 2 &  31\\
 
  61 & 2 &  31\\
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<ggb_applet width="800" height="300" version="5.0" id=aUjggvwq />
 
<ggb_applet width="800" height="300" version="5.0" id=aUjggvwq />
  
−
= Gozinto-Graphen =
+
=Gozinto-Graphen=
−
 
+
== 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.
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−
 
+
In einer Tabelle kann der Zusammenhang wie folgt aufgelistet werden:
−
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.
  
−
$$
+
$$ <span class="">'single_linebreak' style='background-color:lightgray'>¶</span> RZ
−
RZ=
+
 
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
−
2 & 5 & 3 \\
+
2 & 5 & 3 \\8 & 9 &1 \\ <span class="">'single_linebreak' style='background-color:lightgray'>¶</span> 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 581: Zeile 575:
 
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 598: Zeile 592:
 
=Input-Output-Matrix: Leontief-Modell=
 
=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 rechts unten zu sehen ist, dargestellt werden:
  
−
[[Datei:inpuoutput.pdf|400px|mini|Gozintograph des Input-Output-Modells]]
+
[[Datei:inpuoutput.pdf|400px]]
  
  
Zeile 623: Zeile 635:
  
 
$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 632: Zeile 644:
 
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 641: Zeile 654:
  
  
−
{{Vorlage:Beispiel|1= Gib die Input-Output-Matrix zu folgendem Gozintographen an:  
+
{{Vorlage:Beispiel|1= Gib die Input-Output-Matrix zu folgendem Gozintographen an:
  
−
[[Datei:beispiel_inpuoutput.pdf|400px|mini|Beispiel zum Input-Output-Modell]]
+
[[Datei:beispiel_inpuoutput.pdf|400px]]
  
  
−
|2=   $M=\begin{pmatrix}
+
 
 +
2= $M=\begin{pmatrix}
 +
 
 
  \frac{10}{43} &  \frac{5}{68} &  \frac{20}{64}  \\
 
  \frac{10}{43} &  \frac{5}{68} &  \frac{20}{64}  \\
−
\frac{15}{43} & \frac{15}{68} & \frac{36}{64} \\
+
\frac{15}{43} & \frac{15}{68} & \frac{36}{64} \\\frac{25}{43} & \frac{4}{68} & \frac{22}{64}\\
−
\frac{25}{43} & \frac{4}{68} & \frac{22}{64}\\
+
 
\end{pmatrix} \approx
 
\end{pmatrix} \approx
 
M=\begin{pmatrix}
 
M=\begin{pmatrix}
−
0,233 & 0,074 & 0,313 \\
+
0,233 & 0,074 & 0,313 \\
−
0,349 & 0,221 & 0,563\\
+
0,349 & 0,221 & 0,563\\
−
0,581 & 0,059 & 0,344\\
+
0,581 & 0,059 & 0,344\\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
 
$}}
 
$}}
 +
  
  
Zeile 664: Zeile 679:
  
 
=Saklierungsmatrix=
 
=Saklierungsmatrix=
−
 
+
<span style="background-color: #ffd700;"> Dieser und die folgenden Abschnitte sind nur für HTL-SchhülerInnen relevant. </span>
−
<span style="background-color:#FFD700"> Dieser und die folgenden Abschnitte sind nur für HTL-SchhülerInnen relevant. </span>
+
  
 
==Saklierungsmatrix==
 
==Saklierungsmatrix==
−
 
 
Um einen Vektor zu stauchen oder zu strecken, wird er mit einem Faktor multipliziert.
 
Um einen Vektor zu stauchen oder zu strecken, wird er mit einem Faktor multipliziert.
  
Zeile 676: Zeile 689:
 
z' &= z \cdot s_z
 
z' &= z \cdot s_z
 
\end{align*}
 
\end{align*}
−
In Matrixform kann er mit der Skalierungsmatrix multipliziert werden.  
+
In Matrixform kann er mit der Skalierungsmatrix multipliziert werden.
  
−
$$U=  
+
$$U=
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
s_x & 0 & 0\\
 
s_x & 0 & 0\\
Zeile 684: Zeile 697:
 
0& 0 &s_z \\
 
0& 0 &s_z \\
 
\end{pmatrix}
 
\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.
 
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.
  
Zeile 690: Zeile 703:
 
==Drehung==
 
==Drehung==
 
Die Drehung ist ein Beispiel für die Anwendung und Motivation der Matrizenmultiplikation.
 
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 $$R_{\alpha}=  
+
In $\mathbb{R}^2$ und $\alpha \in [0, 2 \pi[$ wird die Drehung (gegen den Uhrzeigersinn) eines Vektors $v$ um den Winkel $\alpha $ durch die Multiplikation des Vektors mit der Drehmatrix $$R_{\alpha}=
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
−
\cos(\alpha) & -\sin(\alpha) \\
+
\cos(\alpha) & -\sin(\alpha) \\
−
\sin(\alpha) & \cos(\alpha) \\
+
\sin(\alpha) & \cos(\alpha) \\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
−
$$  
+
$$
 
erreicht: $v'=R_\alpha \cdot v$.
 
erreicht: $v'=R_\alpha \cdot v$.
  
 
In $\mathbb{R}^3$ ergeben sich für die Drehungen um die
 
In $\mathbb{R}^3$ ergeben sich für die Drehungen um die
 +
  
  
 
* x-Achse:
 
* x-Achse:
  
−
$$R_x(\alpha)=  
+
$$R_x(\alpha)=
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
1&0 & 0\\
 
1&0 & 0\\
−
0& \cos(\alpha) & -\sin(\alpha) \\
+
0& \cos(\alpha) & -\sin(\alpha) \\
−
0& \sin(\alpha) & \cos(\alpha) \\
+
0& \sin(\alpha) & \cos(\alpha) \\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
−
$$  
+
$$
  
−
*y-Achse:
+
* y-Achse:
  
−
$$R_y(\alpha)=  
+
$$R_y(\alpha)=
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
\cos(\alpha) &0 & \sin(\alpha) \\
 
\cos(\alpha) &0 & \sin(\alpha) \\
−
0& 1 & 0 \\
+
0& 1 & 0 \\
−
- \sin(\alpha)& 0 & \cos(\alpha) \\
+
- \sin(\alpha)& 0 & \cos(\alpha) \\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
−
$$  
+
$$
  
 
* z-Achse
 
* z-Achse
  
  
−
$$R_z(\alpha)=  
+
$$R_z(\alpha)=
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
\cos(\alpha) & -\sin(\alpha) & 0\\
 
\cos(\alpha) & -\sin(\alpha) & 0\\
−
\sin(\alpha) & \cos(\alpha) & 0 \\
+
\sin(\alpha) & \cos(\alpha) & 0 \\
−
0& 0 & 1 \\
+
0& 0 & 1 \\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
−
$$  
+
$$
  
  
Zeile 741: Zeile 755:
 
A=\begin{pmatrix}
 
A=\begin{pmatrix}
 
0\\ 0\\ 0\\
 
0\\ 0\\ 0\\
−
\end{pmatrix}, & &
+
\end{pmatrix}, & &
 
B=\begin{pmatrix}
 
B=\begin{pmatrix}
 
2\\ 0 \\ 0\\
 
2\\ 0 \\ 0\\
−
\end{pmatrix}, & &
+
\end{pmatrix}, & &
 
C=\begin{pmatrix}
 
C=\begin{pmatrix}
 
2\\ 2 \\ 0\\
 
2\\ 2 \\ 0\\
−
\end{pmatrix}, & &
+
\end{pmatrix}, & &
 
D=\begin{pmatrix}
 
D=\begin{pmatrix}
 
0 \\ 2 \\ 0\\
 
0 \\ 2 \\ 0\\
Zeile 764: Zeile 778:
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
 
\end{align*}
 
\end{align*}
−
um die x-Achse um den Winkel $\alpha= 45^{\circ}$ gedreht wird?  
+
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}
  
−
|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{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*}
 
\begin{align*}
−
A_x= A\cdot R_x(45^{\circ}) =  
+
A_x= A\cdot R_x(45^{\circ}) = \begin{pmatrix} 0\\ 0\\ 0\\ \end{pmatrix}, & &
−
\begin{pmatrix} 0\\ 0\\ 0\\ \end{pmatrix}, & &
+
B_x=\begin{pmatrix} 2\\ 0 \\ 0\\ \end{pmatrix}, & &
−
B_x=\begin{pmatrix} 2\\ 0 \\ 0\\ \end{pmatrix}, & &
+
C_x=\begin{pmatrix} 2\\ \sqrt{2} \\ \sqrt{2} \\ \end{pmatrix}, & &
−
C_x=\begin{pmatrix} 2\\ \sqrt{2} \\ \sqrt{2} \\ \end{pmatrix}, & &
+
 
D_x=\begin{pmatrix} 0 \\ \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}, & &
 
E_x=\begin{pmatrix} 0 \\ -\sqrt{2} \\\sqrt{2} \\ \end{pmatrix}, & &
Zeile 783: Zeile 797:
  
  
−
[[Datei:wuerfel_x.png|400px|mini|Drehung des Würfels um die x-Achse]]
+
[[Datei:wuerfel_x.png|thumb|right|400px|Drehung des Würfels um die x-Achse]]
  
 
=homogene Koordinaten=
 
=homogene Koordinaten=
Zeile 798: Zeile 812:
 
x \\ y\\ z\\1
 
x \\ y\\ z\\1
 
\end{bmatrix} .$$
 
\end{bmatrix} .$$
−
+
 
 +
 
  
 
=Schiebung=
 
=Schiebung=
 
==Schiebung==
 
==Schiebung==
−
 
 
Die Schiebung eines Vektors $\begin{pmatrix}
 
Die Schiebung eines Vektors $\begin{pmatrix}
 
x\\ y\\
 
x\\ y\\
 
\end{pmatrix}$ um den Vektor $\begin{pmatrix}
 
\end{pmatrix}$ um den Vektor $\begin{pmatrix}
 
t_x \\ t_y \\
 
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.  
+
\end{pmatrix}$ ist nicht linear und deshalb müssen die Koordinaten in homogenen Koordinaten geschrieben werden, damit man die Schiebung in Matrixform schreiben kann.
  
  
Zeile 836: Zeile 850:
 
Im $\mathbb{R}^3$ ergibt sich für die Schiebung
 
Im $\mathbb{R}^3$ ergibt sich für die Schiebung
  
−
\begin{equation*}  
+
\begin{equation*}
 
T_3=\begin{pmatrix}
 
T_3=\begin{pmatrix}
 
1&0 &0&t_x \\
 
1&0 &0&t_x \\
Zeile 849: Zeile 863:
 
=Spiegelung=
 
=Spiegelung=
 
==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.
 
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.
  
Zeile 859: Zeile 869:
 
im $\mathbb{R}^2$:
 
im $\mathbb{R}^2$:
  
−
*um die x-Achse:
+
* um die x-Achse:
  
 
$S_x=\begin{pmatrix}
 
$S_x=\begin{pmatrix}
Zeile 868: Zeile 878:
  
  
−
*um die y-Achse:
+
* um die y-Achse:
−
$S_y=\begin{pmatrix}
+
 
−
-1&0 \\
+
$S_y=\begin{pmatrix}-1&0 \\
 
0& 1 \\
 
0& 1 \\
 
\end{pmatrix}$
 
\end{pmatrix}$
Zeile 881: Zeile 891:
 
-im $\mathbb{R}^3$
 
-im $\mathbb{R}^3$
  
−
*um die yz-Ebene:
+
* um die yz-Ebene:
  
 
\begin{equation*}
 
\begin{equation*}
−
S_{yz}=  
+
S_{yz}=
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
-1&0 &0\\
 
-1&0 &0\\
Zeile 894: Zeile 904:
  
  
−
*um die xz-Ebene:
+
* um die xz-Ebene:
  
 
\begin{equation*}
 
\begin{equation*}
−
S_{xz}=  
+
S_{xz}=
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
1&0 &0\\
 
1&0 &0\\
Zeile 908: Zeile 918:
  
  
−
*um die xy-Ebene:
+
 
 +
* um die xy-Ebene:
  
 
\begin{equation*}
 
\begin{equation*}
−
S_{xy}=  
+
S_{xy}=
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
1&0 &0\\
 
1&0 &0\\
Zeile 924: Zeile 935:
  
  
−
 
−
 
−
=== Spiegelung an einer Geraden ===
 
  
  
  
 +
===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:
 
Die Spiegelung eines Punktes im $\mathbb{R}^2$ an einer Gerade $g: y=ax+b$ erfolgt in homogenen Koordinaten in den folgenden fünf Schritten:
  
Zeile 935: Zeile 944:
  
 
  1.) Das Koordinatensystem so verschieben, dass die Spiegelungsachse durch den Koordinatenursprung geht.
 
  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.
 
  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.
 
  3.) Spieglung an der x-Achse.
−
 
 
  4.) In Ausgangsposition zurückdrehen, also  Schritt 2) in die andere Richtung.
 
  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.
 
  5.) Die Spiegelungsachse zurück schieben, also wie in Schritt 1), nur in die andere Richtung schieben.
  
Zeile 951: Zeile 956:
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
1 & 0 & 0\\
 
1 & 0 & 0\\
−
0 & 1 & b \\
+
0 & 1 & b \\
−
0& 0 & 1 \\
+
0& 0 & 1 \\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
 +
 
  \cdot
 
  \cdot
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
\cos\left(t\right) & -\sin\left(t\right) & 0\\
 
\cos\left(t\right) & -\sin\left(t\right) & 0\\
−
\sin\left(t\right) & \cos\left(t\right) & 0 \\
+
\sin\left(t\right) & \cos\left(t\right) & 0 \\
−
0& 0 & 1 \\
+
0& 0 & 1 \\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
−
\cdot
+
\cdot\begin{pmatrix}
−
\begin{pmatrix}
+
 
1 & 0 & 0\\
 
1 & 0 & 0\\
−
0 & -1 & 0 \\
+
0 & -1 & 0 \\
−
0& 0 & 1 \\
+
0& 0 & 1 \\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
 
\cdot
 
\cdot
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
\cos\left(-t\right) & -\sin\left(-t\right) & 0\\
 
\cos\left(-t\right) & -\sin\left(-t\right) & 0\\
−
\sin\left(-t\right) & \cos\left(-t\right) & 0 \\
+
\sin\left(-t\right) & \cos\left(-t\right) & 0 \\
−
0& 0 & 1 \\
+
0& 0 & 1 \\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
 
\cdot
 
\cdot
 
\begin{pmatrix}
 
\begin{pmatrix}
 
1 & 0 & 0\\
 
1 & 0 & 0\\
−
0 & 1 & -b \\
+
0 & 1 & -b \\
−
0& 0 & 1 \\
+
0& 0 & 1 \\
 
\end{pmatrix}
 
\end{pmatrix}
−
$$  
+
$$
−
= Matura-Aufgaben=
+
−
 
+
−
== Matura-Aufgaben==
+
  
−
{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1=   https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=127&file=RGB-Farbmodell.pdf RGB-Farbmodell}}
+
=Matura-Aufgaben=
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{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1=   https://aufgabenpool.srdp.at/bhs/download.php?qid=71&file=Spiegelung_an_einer_Geraden.pdf "Spiegelung an einer Geraden"}}
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==Matura-Aufgaben==
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{{Vorlage:Bifie-Aufgabe|1=   http://www.michael-leitgeb.at/srdp/teilb1/Farben_2/Farben_2.pdf "Farben (2)"}}
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Version vom 30. Juni 2017, 08:00 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} 'single_linebreak' style='background-color:lightgray'>¶ 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.

$$ 'single_linebreak' style='background-color:lightgray'>¶ RZ \begin{pmatrix} 2 & 5 & 3 \\8 & 9 &1 \\ 'single_linebreak' style='background-color:lightgray'>¶ 6&4&2\\ \end{pmatrix} $$ $$ ZE\begin{pmatrix} 12 & 5 \\ 11 & 8 \\ 2&4\\ \end{pmatrix} $$

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 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 M=\begin{pmatrix} 0,233 & 0,074 & 0,313 \\ 0,349 & 0,221 & 0,563\\ 0,581 & 0,059 & 0,344\\ \end{pmatrix} $

{{{2}}}





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.

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? 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*}

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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*}


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:

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




-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 $arctan(a):=t$.

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