Mathematik

Aufgaben

Verbindungsvektoren berechnen

Berechne die Verbindungsvektoren zwischen den gegebenen Punkten.

  1. A ( 1 2 3 ) A(1|2|3) und B ( 4 1 7 ) B(4|1|7)

A B = B A = ( 4 1 7 ) ( 1 2 3 ) = ( 3 1 4 ) \vec{AB} = B - A = \begin{pmatrix}4\\1\\7\end{pmatrix} - \begin{pmatrix}1\\2\\3\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}3\\-1\\4\end{pmatrix}

  1. P ( 0 5 2 ) P(0|5|-2) und Q ( 3 1 4 ) Q(-3|1|4)

P Q = Q P = ( 3 1 4 ) ( 0 5 2 ) = ( 3 4 6 ) \vec{PQ} = Q - P = \begin{pmatrix}-3\\1\\4\end{pmatrix} - \begin{pmatrix}0\\5\\-2\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}-3\\-4\\6\end{pmatrix}

  1. M ( 1 0 2 ) M(-1|0|2) und N ( 2 3 1 ) N(2|-3|1)

M N = N M = ( 2 3 1 ) ( 1 0 2 ) = ( 3 3 1 ) \vec{MN} = N - M = \begin{pmatrix}2\\-3\\1\end{pmatrix} - \begin{pmatrix}-1\\0\\2\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}3\\-3\\-1\end{pmatrix}

Beträge von Vektoren

Berechne die Länge (den Betrag) der gegebenen Vektoren.

  1. v = ( 3 4 0 ) \vec{v} = \begin{pmatrix}3\\4\\0\end{pmatrix}

v = 3 2 + 4 2 + 0 2 = 9 + 16 + 0 = 25 = 5 |\vec{v}| = \sqrt{3^2 + 4^2 + 0^2} = \sqrt{9 + 16 + 0} = \sqrt{25} = 5

  1. w = ( 1 2 2 ) \vec{w} = \begin{pmatrix}1\\-2\\2\end{pmatrix}

w = 1 2 + ( 2 ) 2 + 2 2 = 1 + 4 + 4 = 9 = 3 |\vec{w}| = \sqrt{1^2 + (-2)^2 + 2^2} = \sqrt{1 + 4 + 4} = \sqrt{9} = 3

  1. u = ( 6 2 3 ) \vec{u} = \begin{pmatrix}-6\\2\\3\end{pmatrix}

u = ( 6 ) 2 + 2 2 + 3 2 = 36 + 4 + 9 = 49 = 7 |\vec{u}| = \sqrt{(-6)^2 + 2^2 + 3^2} = \sqrt{36 + 4 + 9} = \sqrt{49} = 7

Einheitsvektoren bestimmen

Bestimme den Einheitsvektor zu den gegebenen Vektoren.

  1. a = ( 4 0 3 ) \vec{a} = \begin{pmatrix}4\\0\\3\end{pmatrix}

Zunächst den Betrag berechnen: a = 4 2 + 0 2 + 3 2 = 16 + 0 + 9 = 25 = 5 |\vec{a}| = \sqrt{4^2 + 0^2 + 3^2} = \sqrt{16 + 0 + 9} = \sqrt{25} = 5

Einheitsvektor: e a = 1 5 ( 4 0 3 ) = ( 0,8 0 0,6 ) \vec{e_a} = \frac{1}{5} \begin{pmatrix}4\\0\\3\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}0{,}8\\0\\0{,}6\end{pmatrix}

  1. b = ( 2 2 1 ) \vec{b} = \begin{pmatrix}2\\-2\\1\end{pmatrix}

Zunächst den Betrag berechnen: b = 2 2 + ( 2 ) 2 + 1 2 = 4 + 4 + 1 = 9 = 3 |\vec{b}| = \sqrt{2^2 + (-2)^2 + 1^2} = \sqrt{4 + 4 + 1} = \sqrt{9} = 3

Einheitsvektor: e b = 1 3 ( 2 2 1 ) = ( 2 3 2 3 1 3 ) \vec{e_b} = \frac{1}{3} \begin{pmatrix}2\\-2\\1\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}\frac{2}{3}\\-\frac{2}{3}\\\frac{1}{3}\end{pmatrix}

Abstände zwischen Punkten

Berechne den Abstand zwischen den gegebenen Punkten.

  1. A ( 1 2 3 ) A(1|2|3) und B ( 4 6 3 ) B(4|6|3)

d ( A , B ) = ( 4 1 ) 2 + ( 6 2 ) 2 + ( 3 3 ) 2 = 9 + 16 + 0 = 25 = 5 d(A,B) = \sqrt{(4-1)^2 + (6-2)^2 + (3-3)^2} = \sqrt{9 + 16 + 0} = \sqrt{25} = 5

  1. P ( 0 0 0 ) P(0|0|0) und Q ( 3 4 12 ) Q(3|4|12)

d ( P , Q ) = ( 3 0 ) 2 + ( 4 0 ) 2 + ( 12 0 ) 2 = 9 + 16 + 144 = 169 = 13 d(P,Q) = \sqrt{(3-0)^2 + (4-0)^2 + (12-0)^2} = \sqrt{9 + 16 + 144} = \sqrt{169} = 13

  1. R ( 1 2 1 ) R(-1|2|1) und S ( 2 2 5 ) S(2|-2|5)

d ( R , S ) = ( 2 ( 1 ) ) 2 + ( 2 2 ) 2 + ( 5 1 ) 2 = 9 + 16 + 16 = 41 d(R,S) = \sqrt{(2-(-1))^2 + (-2-2)^2 + (5-1)^2} = \sqrt{9 + 16 + 16} = \sqrt{41}

Anwendungsaufgaben

Löse die folgenden Aufgaben aus dem Sachkontext.

Aufgabe 1: Navigation im Raum

Ein Flugzeug befindet sich an Position A ( 10 5 2 ) A(10|5|2) (in km) und fliegt zum Punkt B ( 25 12 5 ) B(25|12|5) .

  1. Bestimme den Flugvektor.
  2. Berechne die Flugdistanz.
  1. Flugvektor: A B = ( 25 12 5 ) ( 10 5 2 ) = ( 15 7 3 ) \vec{AB} = \begin{pmatrix}25\\12\\5\end{pmatrix} - \begin{pmatrix}10\\5\\2\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}15\\7\\3\end{pmatrix}

  2. Flugdistanz: A B = 15 2 + 7 2 + 3 2 = 225 + 49 + 9 = 283 16,8  km |\vec{AB}| = \sqrt{15^2 + 7^2 + 3^2} = \sqrt{225 + 49 + 9} = \sqrt{283} \approx 16{,}8 \text{ km}

Aufgabe 2: Würfel im Raum

Ein Würfel hat die Eckpunkte A ( 0 0 0 ) A(0|0|0) , B ( 4 0 0 ) B(4|0|0) , C ( 4 4 0 ) C(4|4|0) und D ( 0 4 0 ) D(0|4|0) als Grundfläche. Der Würfel hat die Höhe 4.

  1. Bestimme die Koordinaten aller acht Eckpunkte.
  2. Berechne die Länge der Raumdiagonale.
  1. Die acht Eckpunkte sind:

    • Grundfläche: A ( 0 0 0 ) A(0|0|0) , B ( 4 0 0 ) B(4|0|0) , C ( 4 4 0 ) C(4|4|0) , D ( 0 4 0 ) D(0|4|0)
    • Deckfläche: E ( 0 0 4 ) E(0|0|4) , F ( 4 0 4 ) F(4|0|4) , G ( 4 4 4 ) G(4|4|4) , H ( 0 4 4 ) H(0|4|4)
  2. Raumdiagonale von A nach G: d ( A , G ) = ( 4 0 ) 2 + ( 4 0 ) 2 + ( 4 0 ) 2 = 16 + 16 + 16 = 48 = 4 3 6,93 d(A,G) = \sqrt{(4-0)^2 + (4-0)^2 + (4-0)^2} = \sqrt{16 + 16 + 16} = \sqrt{48} = 4\sqrt{3} \approx 6{,}93

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