Zuletzt geändert: Fr, 10.11.2006

«K12/K13» Vektoren «PDF», «POD»




0.0.1 Vektoren

0.0.1.1 Lineare Abhängigkeit

Die Vektoren \vec a_1a1, \vec a_2a2, ..., \vec a_nan (n \in \mathds{N}n ) heißen linear unabhängig. ⇔

Aus \lambda_1 \vec a_1 + \lambda_2 \vec a_2 + \cdots + \lambda_n \vec a_n = \vec 0;λ1a1 + λ2a2 + + λnan = 0;

folgt: \lambda_1 = \lambda_2 = \cdots = \lambda_n = 0;λ1 = λ2 = = λn = 0;

(D.h. mit \vec a_1a1, \vec a_2a2, ... \vec a_nan lässt sich nur die triviale Nullsumme bilden.)

[Speziell für] n = 2n = 2: \left\{ \vec a_1, \vec a_2 \right\} a1,a2 [ist] linear unabhängig. ⇔ \vec a_1a1, \vec a_2a2 nicht kollinear.

[Ist bereits ein Nullvektor in einer Menge, die man auf lineare Ab­hän­gig­keit überprüft, so ist die Menge linear abhängig. (Vgl. mit Multiplikation mit 00!)]

0.0.1.2 Basis eines Vektorraums [siehe B. S. 126]

\vec b_1b1, \vec b_2b2, ..., \vec b_nbn sei Basis von VV und v \in Vv V .

Dann existiert ein eindeutiges nn-Tupel (v_1, v_2, \ldots, v_n)(v1,v2,,vn) [die Koordinaten] mit:

\vec v = v_1 \vec b_1 + v_2 \vec b_2 + \cdots v_n \vec b_n;v = v1b1 + v2b2 + vnbn; [wobei die v_i \vec b_ivibi Komponenten sind.]

0.0.1.2.1 [Beweis der Koordinateneindeutigkeit]

Annahme: Es existiert ein weiteres nn-Tupel (v_1', v_2', \ldots, v_n')(v1,v2,,vn) mit dieser Eigenschaft.

\vec v = v_1' \vec b_1 + v_2' \vec b_2 + \cdots v_n' \vec b_n;v = v1b1 + v2b2 + vnbn;

\vec 0 = \left(v_1 - v_1'\right) \vec b_1 + \left(v_2 - v_2'\right) \vec b_2 + \cdots \left(v_n - v_n'\right) \vec b_n;0 = v1 v1b1 + v2 v2b2 + vn vnbn;

Aufgrund der linearen Unabhängigkeit von \left\{ b_1, b_2, \ldots, b_n \right\} b1,b2,,bn folgt: v_i - v_i' = 0vi vi = 0, also v_i = v_i'vi = vi.

0.0.1.3 Das Skalarprodukt

\vec a \cdot \vec b = \left(\!\begin{smallmatrix}a_1\\a_2\end{smallmatrix}\!\right) \cdot \left(\!\begin{smallmatrix}b_1\\b_2\end{smallmatrix}\!\right) := a_1 b_1 + a_2 b_2;ab = a1 a2 b1 b2 := a1b1+a2b2;

Zwei Vektoren [die beide nicht der Nullvektor sind] stehen genau dann aufeinander senkrecht, wenn ihr Skalarprodukt 00 ist.

0.0.1.3.2 Wie lässt sich aus den Koordinaten zweier Vektoren der Winkel zwischen ihnen berechnen?

\vec a \vec b = \left|\vec a\right| \left|\vec b\right| \cdot \cos \varphi;ab = a b cosϕ;

\left|\vec a - \vec b\right|^2 = \left|\vec a\right|^2 + \left|\vec b\right|^2 - 2 \left|\vec a\right| \left|\vec b\right| \cdot \cos \varphi; a b2 = a2 + b2 2 a b cosϕ;

\left(\vec a - \vec b\right)^2 = \vec a^2 + \vec b^2 - 2 \left|\vec a\right| \left|\vec b\right| \cdot \cos \varphi; a b2 = a2 + b2 2 a b cosϕ;

\vec a^2 - 2 \vec a \vec b + \vec b^2 = \vec a^2 + \vec b^2 - 2 \left|\vec a\right| \left|\vec b\right| \cdot \cos \varphi;a2 2ab + b2 = a2 + b2 2 a b cosϕ;

\frac{\vec a \vec b}{\left|\vec a\right| \left|\vec b\right|} = \cos \varphi; ab ab = cosϕ;

0.0.1.4 Vektorprodukt
  • Definition: vgl. B. S. 238

  • Was ist \vec a \times \vec ba×b, wenn \vec aa und \vec bb kollinear sind?

    [Kollinearität zweier Vektoren, die beide nicht der Nullvektor sind ⇔ \vec a \times \vec b = \vec 0;a×b = 0;]

  • Geometrische Eigenschaften: vgl. B. S. 240

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    \left|\vec a \times \vec b\right| = \left|\vec a\right| \cdot \left|\vec b\right| \sin \angle(\vec a,\vec b); a ×b = a bsin(a,b);

  • Rechenregeln:

    • \vec a \times \vec b = -\vec b \times \vec a;a×b = b ×a;

    • \vec a \times \left(\vec b + \vec c\right) = \vec a \times \vec b + \vec a \times \vec c;a×b + c = a ×b + a ×c;

    • \lambda \cdot \left(\vec a \times \vec b\right) = \lambda \vec a \times \vec b = \vec a \times \lambda \vec b;λ a ×b = λa ×b = a × λb;

  • Spatvolumen: \left|\left(\vec a \times \vec b\right) \cdot \vec c\right| = \left|\vec a \cdot \left(\vec b \times \vec c\right)\right|; a ×b c = a b ×c;

    [Für \left|\vec n\right| = 1 n = 1 gilt: \vec a \cdot \vec n = \left|\vec a\right| \underbrace{\left|\vec n\right|}_1 \cdot \cos \angle(\vec a,\vec n) = \left|\vec a\right| \cos \angle(\vec a,\vec n) = \vec n_{\vec a};an = a n1 cos(a,n) = acos(a,n) = na;]