Vektorrechnung
Inhaltsverzeichnis
Koordinatensystem
Für die Vektorrechnung sind Koordinatensysteme ganz essentiell. Im zweidimensionalen Raum besitzt ein Koordinatensystem 2 Achsen:
- die x-Achse (waagrecht) und
- die y-Achse (senkrecht)
Diese sind unendlich lang und Spannen die vier sog. Quadranten auf, die meist mit den römischen Ziffern I-IV beschriftet werden (gesprochen: Erster Quadrant, Zweiter Quadrant etc.). Wo ein jeweiliger Quadrant liegt, kannst du mit Hilfe des Bildes rechts erkennen. Dort, wo die 2 Achsen einander treffen, liegt der sog. Ursprung; seine Koordinaten sind (0/0).
Was es außerdem noch zu beachten gibt, hast du vielleicht bereits selbst erkannt: An den gegenüberliegenden Seiten der x- und y-Achsen werden unterschiedliche Vorzeichen verwendet. So spricht man "links" des Ursprungs von der negativen, bzw. "rechts" des Ursprungs von der positiven x-Achse. Analog spricht man "oben" und "unten" von der positiven und negativen y-Achse.
Im dreidimensionalen Raum kommt dann einfach noch eine dritte - die z- - Koordinate dazu. Punkte und Vektoren besitzen dementsprechend dann auch 3 Koordinaten.
Punkte
In ein Koordinatensystem lassen sich Punkte eintragen. Diese besitzen, entsprechend ihrer Lage, Koordinaten. Im obigen Bild zB. haben wir die Punkte A und B, wobei sich A im ersten Quadranten befindet und B im vierten. Man schreibt: A(2/3,5) B(1/-2).
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Einen allgemeinen Punkt schreibt man an als P(x/y) ($\mathbb{R^2}$) bzw. P(x/y/z) ($\mathbb{R^3}$).
Die erste Koordinate entspricht also der x-Koordinate, die zweite der y-Koordinate, die eventuelle dritte der z-Koordinate. Punkte werden in der Regel mit Großbuchstaben bezeichnet. |
Koordinaten von Punkten lassen sich also ganz einfach ablesen. Die x/y-Koordinate entspricht dabei dem Abstand vom Ursprung zum Punkt in Richtung der jeweiligen Koordinatenachse. So erkennen wir im Bild rechts die folgenden Punkte:
- A(2/0)
- B(0/-2)
- C(-1/2)
Vektoren
Vektoren kann man sich wie Pfeile vorstellen. Sie besitzen eine Länge (Betrag) und eine Richtung. Auch sie bestehen, wie Punkte, je nach Dimension aus 2 bzw. 3 Koordinaten. Der Unterschied dabei ist, dass die Koordinaten hier keine Stellung im Koordinatensystem darstellen, sondern eine Bewegung. Auch die Schreibweise unterscheidet sich:
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Einen allgemeinen Vektor schreibt man an als $\vec{v}=\left( \begin{array}{c} x \\ y \end{array} \right)$ ($\mathbb{R^2}$) bzw. $\vec{v}=\left( \begin{array}{c} x \\ y \\ z \end{array} \right)$ ($\mathbb{R^3}$).
Vektoren werden in der Regeln mit Kleinbuchstaben mit Pfeil darüber bezeichnet. |
Zwischen 2 Punkten kann man nun einen Vektor definieren. Dabei gilt: "Spitze minus Schaft"
Im Beispiel rechts wollen wir den Vektor berchnen, der von A nach B geht, also den Vektor $\vec{AB}$. Der Punkt B(3/3,5) entspricht hierbei der Spitze, und der Punkt A(1/0,5) dem Schaft. Aber zuerst müssen wir uns mal ansehen, wie man Punkte und Vektoren denn überhaupt voneinander subtrahiert:
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Wenn du Punkte addieren oder subtrahieren möchtest, musst du dazu einfach die entsprechenden Koordinaten betrachten: $\left( \begin{array}{c} x_1 \\ y_1 \end{array} \right) +/- \left( \begin{array}{c} x_2 \\ y_2 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{c} x_1+/-x_2 \\ y_1+/-y_2 \end{array} \right)$ Die Punkte schreibt man dazu der Einfachheit halber wie Vektoren an (beachte, dass wir als Ergebnis auch einen Vektor erhalten!). Analog können wir also auch mit Vektoren rechnen. |
Für unser Beispiel bedeutet das folgendes: $B-A = \left( \begin{array}{c} 3 \\ 3,5 \end{array} \right) - \left( \begin{array}{c} 1 \\ 0,5 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{c} 3-1 \\ 3,5-3 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{c} 2 \\ 3 \end{array} \right) = \vec{AB}$
Beachte außerdem: $\vec{AB} = -\vec{BA}$
Wie Vektoren zueinander stehen
Vektoren können rein gar nichts miteinander zu tun haben, aber auch parallel zueinander oder gar identisch sein. Optisch lässt sich das oft sehr leicht erkennen (wie in den Bildern 1-4 unten), rechnerisch sind diese Feststellungen allerdings genauso möglich.
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Unter einem Vektor versteht man die Menge aller gleichlangen, gleichgerichteten und gleichorientierten Pfeile!
Der Start/Endpunkt spielen dabei keine Rolle! $\vec{v_1}$ und $\vec{v_2}$ im Bild rechts unten sind derselbe Vektor! |
Wir sehen, dass in Bild 1 und 2 die Vektoren parallel zueinander sind. Aber wie können wir das durch Rechnen herausfinden? Ganz einfach:
Vektoren stehen parallel zueinander, wenn sie linear unabhängig sind!
Linear unabhängig zu sein bedeutet, dass ein Vektor nicht als Vielfaches eines anderen Vektors dargestellt werden kann.
- Bild 1: $2\cdot \vec{v} = \vec{u} \Rightarrow l.a. \Rightarrow \vec{v} \parallel \vec{u}$
- Bild 2: $-1\cdot \vec{v} = \vec{w} \Rightarrow l.a. \Rightarrow \vec{v} \parallel \vec{w}$
- Bild 3: $\nexists k : k \cdot \vec{v} = \vec{t} \Rightarrow l.u. \Rightarrow \vec{v} \nparallel \vec{t}$
- Bild 4: $\vec{v_1} = \vec{v_2} = \vec{v} \Rightarrow \vec{v_1} \parallel \vec{v_2}$
Beispiel für linear unabhängige Vektoren:
Sei $\vec{a}=\left( \begin{array}{c} 2 \\ 5 \end{array} \right)$ und $\vec{b}=\left( \begin{array}{c} 4 \\ 3 \end{array} \right)$.
Wenn es ein k gibt, sodass $k \cdot \vec{a} = \vec{b}$, dann sind die beiden Vektoren voneinander linear abhängig, und somit auch parallel zueinander.
Wir erhalten somit 2 Gleichungen in einer Unbekannten:
$$I: 2k = 4
II: 5k = 3$$
