Der Winkel α zwischen zwei Vektoren a und b wird berechnet durch:
α=arccos(∣a∣⋅∣b∣a⋅b)
Der Winkel liegt immer im Bereich 0°≤α≤180°.
Das Skalarprodukt kann geometrisch interpretiert werden als:
a⋅b=∣a∣⋅∣b∣⋅cos(α)
Daraus folgt:
cos(α)=∣a∣⋅∣b∣a⋅b
Algorithmus zur Winkelberechnung zwischen a=a1a2a3 und b=b1b2b3:
-
Skalarprodukt berechnen: a⋅b=a1b1+a2b2+a3b3
-
Beträge berechnen:
- ∣a∣=a12+a22+a32
- ∣b∣=b12+b22+b32
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Cosinus berechnen: cos(α)=∣a∣⋅∣b∣a⋅b
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Winkel bestimmen: α=arccos(cos(α))
Berechne den Winkel zwischen p=212 und q=12−1.
Schritt 1: p⋅q=2⋅1+1⋅2+2⋅(−1)=2+2−2=2
Schritt 2:
- ∣p∣=22+12+22=9=3
- ∣q∣=12+22+(−1)2=6
Schritt 3: cos(α)=3⋅62=362
Schritt 4: α=arccos(362)≈73,9°
Wichtige Spezialfälle:
Situation |
Skalarprodukt |
Cosinus-Wert |
Winkel |
Gleiche Richtung |
a⋅b=∣a∣⋅∣b∣ |
cos(α)=1 |
α=0° |
Orthogonal |
a⋅b=0 |
cos(α)=0 |
α=90° |
Entgegengesetzt |
a⋅b=−∣a∣⋅∣b∣ |
cos(α)=−1 |
α=180° |
Parallelitätsbedingung: Zwei Vektoren a und b sind parallel, wenn:
a=k⋅b für ein k=0
Orthogonalitätsbedingung: Zwei Vektoren sind orthogonal, wenn:
a⋅b=0
Parallelität prüfen:
u=24−2 und v=12−1
u=2⋅v → Die Vektoren sind parallel mit α=0°.
Orthogonalität prüfen:
r=121 und s=1−11
r⋅s=1⋅1+2⋅(−1)+1⋅1=1−2+1=0
→ Die Vektoren sind orthogonal mit α=90°.