Mathematik

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Skalarprodukt: Das Skalarprodukt zweier Vektoren a = ( a 1 a 2 a 3 ) \vec{a} = \begin{pmatrix}a_1\\a_2\\a_3\end{pmatrix} und b = ( b 1 b 2 b 3 ) \vec{b} = \begin{pmatrix}b_1\\b_2\\b_3\end{pmatrix} wird berechnet durch:

a b = a 1 b 1 + a 2 b 2 + a 3 b 3 \vec{a} \cdot \vec{b} = a_1 \cdot b_1 + a_2 \cdot b_2 + a_3 \cdot b_3

Orthogonalität: Zwei Vektoren a \vec{a} und b \vec{b} sind orthogonal (stehen senkrecht zueinander), wenn ihr Skalarprodukt null ist:

a b = 0 \vec{a} \cdot \vec{b} = 0

Rechengesetze für das Skalarprodukt:

  1. Kommutativgesetz: a b = b a \vec{a} \cdot \vec{b} = \vec{b} \cdot \vec{a}
  2. Assoziativgesetz: r ( a b ) = ( r a ) b r \cdot (\vec{a} \cdot \vec{b}) = (r \cdot \vec{a}) \cdot \vec{b}
  3. Distributivgesetz: a ( b + c ) = a b + a c \vec{a} \cdot (\vec{b} + \vec{c}) = \vec{a} \cdot \vec{b} + \vec{a} \cdot \vec{c}
  4. Betragsbeziehung: a a = a 2 \vec{a} \cdot \vec{a} = |\vec{a}|^2

Prüfe dich

Aufgabe 1: Skalarprodukt berechnen

Berechne das Skalarprodukt der Vektoren u = ( 2 3 1 ) \vec{u} = \begin{pmatrix}2\\-3\\1\end{pmatrix} und v = ( 4 1 2 ) \vec{v} = \begin{pmatrix}4\\1\\-2\end{pmatrix} .

u v = 2 4 + ( 3 ) 1 + 1 ( 2 ) = 8 3 2 = 3 \vec{u} \cdot \vec{v} = 2 \cdot 4 + (-3) \cdot 1 + 1 \cdot (-2) = 8 - 3 - 2 = 3

Aufgabe 2: Orthogonalität prüfen

Prüfe, ob die Vektoren a = ( 1 2 1 ) \vec{a} = \begin{pmatrix}1\\2\\-1\end{pmatrix} und b = ( 3 1 1 ) \vec{b} = \begin{pmatrix}3\\-1\\1\end{pmatrix} orthogonal sind.

a b = 1 3 + 2 ( 1 ) + ( 1 ) 1 = 3 2 1 = 0 \vec{a} \cdot \vec{b} = 1 \cdot 3 + 2 \cdot (-1) + (-1) \cdot 1 = 3 - 2 - 1 = 0

Da das Skalarprodukt null ist, sind die Vektoren orthogonal.

Aufgabe 3: Fehlenden Koordinaten bestimmen

Bestimme den Wert von k k , so dass die Vektoren p = ( 2 k 3 ) \vec{p} = \begin{pmatrix}2\\k\\3\end{pmatrix} und q = ( 1 2 1 ) \vec{q} = \begin{pmatrix}1\\-2\\1\end{pmatrix} orthogonal sind.

Für Orthogonalität muss gelten: p q = 0 \vec{p} \cdot \vec{q} = 0

p q = 2 1 + k ( 2 ) + 3 1 = 2 2 k + 3 = 5 2 k = 0 \vec{p} \cdot \vec{q} = 2 \cdot 1 + k \cdot (-2) + 3 \cdot 1 = 2 - 2k + 3 = 5 - 2k = 0

Auflösen nach k k : 5 2 k = 0 5 - 2k = 0 2 k = 5 2k = 5 k = 2,5 k = 2{,}5

Aufgabe 4: Anwendung der Rechengesetze

Vereinfache den Ausdruck 3 ( a b ) + a ( 2 b ) 3 \cdot (\vec{a} \cdot \vec{b}) + \vec{a} \cdot (2\vec{b}) mithilfe der Rechengesetze des Skalarprodukts.

3 ( a b ) + a ( 2 b ) 3 \cdot (\vec{a} \cdot \vec{b}) + \vec{a} \cdot (2\vec{b})

Mit dem Assoziativgesetz: = 3 ( a b ) + 2 ( a b ) = 3 \cdot (\vec{a} \cdot \vec{b}) + 2 \cdot (\vec{a} \cdot \vec{b})

Ausklammern: = ( 3 + 2 ) ( a b ) = 5 ( a b ) = (3 + 2) \cdot (\vec{a} \cdot \vec{b}) = 5 \cdot (\vec{a} \cdot \vec{b})

🎯 Abschluss