Mathematik

Formeln für Winkel zwischen Vektoren

Hauptformel

Der Winkel α \alpha zwischen zwei Vektoren a \vec{a} und b \vec{b} wird berechnet durch:

α = arccos ( a b a b ) \alpha = \arccos\left(\frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}\right)

Der Winkel liegt immer im Bereich 0 ° α 180 ° 0° \leq \alpha \leq 180° .

Geometrische Interpretation

Das Skalarprodukt kann geometrisch interpretiert werden als:

a b = a b cos ( α ) \vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}| \cdot |\vec{b}| \cdot \cos(\alpha)

Daraus folgt: cos ( α ) = a b a b \cos(\alpha) = \frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}

Schrittweise Berechnung

Algorithmus zur Winkelberechnung zwischen 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} :

  1. Skalarprodukt berechnen: a b = a 1 b 1 + a 2 b 2 + a 3 b 3 \vec{a} \cdot \vec{b} = a_1b_1 + a_2b_2 + a_3b_3

  2. Beträge berechnen:

    • a = a 1 2 + a 2 2 + a 3 2 |\vec{a}| = \sqrt{a_1^2 + a_2^2 + a_3^2}
    • b = b 1 2 + b 2 2 + b 3 2 |\vec{b}| = \sqrt{b_1^2 + b_2^2 + b_3^2}
  3. Cosinus berechnen: cos ( α ) = a b a b \cos(\alpha) = \frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}

  4. Winkel bestimmen: α = arccos ( cos ( α ) ) \alpha = \arccos(\cos(\alpha))

Beispiel

Berechne den Winkel zwischen p = ( 2 1 2 ) \vec{p} = \begin{pmatrix}2\\1\\2\end{pmatrix} und q = ( 1 2 1 ) \vec{q} = \begin{pmatrix}1\\2\\-1\end{pmatrix} .

Schritt 1: p q = 2 1 + 1 2 + 2 ( 1 ) = 2 + 2 2 = 2 \vec{p} \cdot \vec{q} = 2 \cdot 1 + 1 \cdot 2 + 2 \cdot (-1) = 2 + 2 - 2 = 2

Schritt 2:

  • p = 2 2 + 1 2 + 2 2 = 9 = 3 |\vec{p}| = \sqrt{2^2 + 1^2 + 2^2} = \sqrt{9} = 3
  • q = 1 2 + 2 2 + ( 1 ) 2 = 6 |\vec{q}| = \sqrt{1^2 + 2^2 + (-1)^2} = \sqrt{6}

Schritt 3: cos ( α ) = 2 3 6 = 2 3 6 \cos(\alpha) = \frac{2}{3 \cdot \sqrt{6}} = \frac{2}{3\sqrt{6}}

Schritt 4: α = arccos ( 2 3 6 ) 73,9 ° \alpha = \arccos\left(\frac{2}{3\sqrt{6}}\right) \approx 73{,}9°

Spezialfälle

Wichtige Spezialfälle:

Situation Skalarprodukt Cosinus-Wert Winkel
Gleiche Richtung a b = a b \vec{a} \cdot \vec{b} = \lvert\vec{a}\rvert \cdot \lvert\vec{b}\rvert cos ( α ) = 1 \cos(\alpha) = 1 α = 0 ° \alpha = 0°
Orthogonal a b = 0 \vec{a} \cdot \vec{b} = 0 cos ( α ) = 0 \cos(\alpha) = 0 α = 90 ° \alpha = 90°
Entgegengesetzt a b = a b \vec{a} \cdot \vec{b} = -\lvert\vec{a}\rvert \cdot \lvert\vec{b}\rvert cos ( α ) = 1 \cos(\alpha) = -1 α = 180 ° \alpha = 180°

Parallelität und Orthogonalität

Parallelitätsbedingung: Zwei Vektoren a \vec{a} und b \vec{b} sind parallel, wenn: a = k b \vec{a} = k \cdot \vec{b} für ein k 0 k \neq 0

Orthogonalitätsbedingung: Zwei Vektoren sind orthogonal, wenn: a b = 0 \vec{a} \cdot \vec{b} = 0

Beispiele

Parallelität prüfen: u = ( 2 4 2 ) \vec{u} = \begin{pmatrix}2\\4\\-2\end{pmatrix} und v = ( 1 2 1 ) \vec{v} = \begin{pmatrix}1\\2\\-1\end{pmatrix}

u = 2 v \vec{u} = 2 \cdot \vec{v} → Die Vektoren sind parallel mit α = 0 ° \alpha = 0° .

Orthogonalität prüfen: r = ( 1 2 1 ) \vec{r} = \begin{pmatrix}1\\2\\1\end{pmatrix} und s = ( 1 1 1 ) \vec{s} = \begin{pmatrix}1\\-1\\1\end{pmatrix}

r s = 1 1 + 2 ( 1 ) + 1 1 = 1 2 + 1 = 0 \vec{r} \cdot \vec{s} = 1 \cdot 1 + 2 \cdot (-1) + 1 \cdot 1 = 1 - 2 + 1 = 0

→ Die Vektoren sind orthogonal mit α = 90 ° \alpha = 90° .

🔖 Formel