Rechnen mit Vektoren

Zusammenfassung:
Bis jetzt haben wir die verschiedenen Arten von Vektoren kennengelernt. Nun wollen wir auch mit ihnen rechnen um verschiedene Aufgaben lösen zu können.
Bemerkung: Aufgrund grafischer Probleme bei der Darstellung von Vektoren, wird der "Vektorpfeil" über den Buchstaben weggelassen!
                    Bitte immer dazudenken!


Stichworte:













Addieren von Vektoren









graphische Addition

Addieren
Zwei Vektoren v und w werden graphisch addiert, indem man den Anfangspunkt von v mit dem Endpunkt von w durch einen Pfeil (=Vektor) verbindet, wobei die Spitze des Vektors v der Anfangspunkt des Vektors w ist. Den so entstandenen Vektor z nennt man die Summe der Vektoren v und w und schreibt z = v + w.


Ein Beispiel aus der Natur:

Fluss


Die Figur zeigt die neue Strömung, die beim Zusammenfließen zweier Flüsse ensteht:



rechnerische Addition
Aus den vorhergehenden Beispielen lässt sich folgende Regel für die rechnerische Addition von Vektoren aufstellen:

Die Koordinaten des Summenvektors erhält man rechnerisch durch:

Beispiel:

Die Summe zweier Vektoren v, w im Raum wird gebildet durch:

Beispiel:












Applet
Vektoren im R³



Subtraktion von Vektoren


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Was könnte die Gleichung z = u - v bedeuten?
Nun, u - v ist eine Kurzschreibweise für u + (-v), dh. es wird zum Vektor u der inverse Vektor von v addiert.

graphische Subtraktion

Subtrahieren


Zwei Vektoren u und v werden graphisch subtrahiert, indem man den inversen Vektor von v addiert. Den neuentstandenen Vektor c nennt man die Differenz der Vektoren a und b und schreibt c = u - v
.





rechnerische Subtraktion

Den Differenzvektor von a und b erhält man rechnerisch durch:

Beispiel:

Die Differenz zweier Vektoren a, b im Raum wird gebildet durch:

Beispiel :








Multiplikation eines Vektors mit einer reelen Zahl



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Vektoren v kann man mit einer reelen Zahl, einem sogenanntem Skalar , multiplizieren. Der Vektor xv hat als Repräsentanten Pfeile mit gleicher Richtung und x-facher Länge.

graphische Multiplikation
Multiplizieren

Beispiel: Führe folgende Vektoraddition durch:
v = a + a          

v =

Man kann erkennen, dass die Richtung von a erhalten bleibt, die Länge sich aber verdoppelt hat. Besser ist daher den Vektor v in der Form: v = 2a zu schreiben.

rechnerische Multiplikation

Beispiel: c = -2 =>

Multiplikation im Raum:

Beispiel: c= 3 =>


BEACHTE:
Bei der Multiplikation eines Vektors mit einem Skalar c (reele Zahl) ändert sich im Regelfall der Betrag (Länge) des Vektors,
die Orientierung bleibt unverändert!

Bemerkung: Mulitpliziert man einen Vektor mit der Zahl -1, so erhält man den inversen Vektor!


Beispiel: =>













Winkelsymmetrale



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In den vorigen Kapiteln haben wir die grundlegenden Rechenregeln für Vektoren kennengelernt, aber daraus noch keinen direkten Nutzen gezogen. Nun wollen wir das Erlernte in einer wichtigen Anwendung einsetzen:
Sind Richtung und Länge eines Vektors v bekannt, so kann man einen zweiten Vektor w durch Angabe seiner Länge und einem Winkel φ zum ersten Vektor v festlegen:



Bemerkung: Ist φ positiv , so wird der Vektor v im entgegengesetzten Uhrzeigersinn von w gezeichnet.
Als Scheitel dient der Anfangspunkt von v.


Ist φ negativ , so wird der Vektor v im Uhrzeiger von v gezeichnet.










Oft stellt sich die Frage nach der Richtung der Winkelsymmetralen des von zwei Vektoren gebildeten Winkels.
Im Allgemeinen entspricht die Richtung des zugehörigen Additionvektors nicht der Richtung der Winkelsymmetrale, wie man aus dem unteren Beispiel gut erkennen kann:

Parallelogramm

Besitzen die beiden Vektoren aber die gleiche Länge, so stimmt die Richtung des Additionsvektors mit der Richtung der Winkelsymmetralen überein:

Raute Die Addition a+b bzw. b+a bildet statt eines Parallelogramms eine Raute. Der Summenvektor entspricht der Diagonalen der Raute, welche bekanntlich den Winkel φ. Um die Richtung der Winkelsymmentralen zu erhalten, benötigt man also zwei Vektoren gleicher Länge. Da alle Einheitsvektoren die gleiche Länge besitzen, kann man sie zur Bestimmung der Winkelsymmetralen zweier Vektoren heranziehen:

Richtung der Winkelsymmentralen =










Mittelpunkt einer Strecke



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Ein weiteres wichtiges Werkzeug der Vektorrechnung ist die Berechnung des Mittelpunkts M einer Strecke:

Beispiel: Es ist der Mittelpunkt M der Strecke AB [ A( 2 | 5 ), B( 6 | 1) ] zu bestimmen.

Lösung: Fertigen wir zuerst eine Skizze an:

Mittelpunkt

Addiert man den Ortsvektor OA zum Ortsvektor OB, so erhält man den "Diagonalvektor" d des dargestellten Parallelogramms: d = OA + OB.
Wie man aus der Skizze erkennen kann, ist der Ortsvektor OM des Mittelpunkts der halbe Diagonalvektor. Somit erhalten wir folgende Formel zur Berechung des Mittelpunkts M:



Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Mittelpunkts wäre:

Mittelpunkt
Man addiert zum Ortsvektor OA den halben Vektor AB. Der Summenvektor ist der Ortsvektor OM, der zum Mittelpunkt M von AB zeigt.






















Querverweis
Arten von Vektoren








Teilungspunkt einer Strecke



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Betrachten wir die Punkte A,B und T1



AT1 ist halb so lang wie BT1, man sagt: " T1 teilt die Strecke AB innen im Verhältnis 1:2 ".

Eine weiter Situation:



AT2 ist wieder halb so lang wie BT2, man sagt: " T2 teilt die Strecke AB außen im Verhältnis 1:2 ".