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Vektoroperationen und Betrag berechnen

Aufgabenstellung

Gegeben sind die Vektoren a⃗=(2−13)\vec{a} = \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \end{pmatrix}, b⃗=(−421)\vec{b} = \begin{pmatrix} -4 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix} und c⃗=(15−2)\vec{c} = \begin{pmatrix} 1 \\ 5 \\ -2 \end{pmatrix}.

  • (a) Berechnen Sie a⃗+b⃗\vec{a} + \vec{b}, a⃗−c⃗\vec{a} - \vec{c} und 3a⃗−2b⃗3\vec{a} - 2\vec{b}. (3 BE)
  • (b) Bestimmen Sie ∣a⃗∣|\vec{a}|, ∣b⃗∣|\vec{b}| und ∣a⃗−b⃗∣|\vec{a} - \vec{b}|. (3 BE)
  • (c) Bestimmen Sie den Einheitsvektor a⃗0\vec{a}_0 in Richtung von a⃗\vec{a}. (2 BE)
  • (d) Für welchen Wert von tt sind a⃗\vec{a} und d⃗=(6t9)\vec{d} = \begin{pmatrix} 6 \\ t \\ 9 \end{pmatrix} kollinear? (2 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Vektoroperationen (a)

a⃗+b⃗=(2+(−4)−1+23+1)=(−214)\vec{a} + \vec{b} = \begin{pmatrix} 2+(-4) \\ -1+2 \\ 3+1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ 4 \end{pmatrix}

a⃗−c⃗=(2−1−1−53−(−2))=(1−65)\vec{a} - \vec{c} = \begin{pmatrix} 2-1 \\ -1-5 \\ 3-(-2) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ -6 \\ 5 \end{pmatrix}

3a⃗−2b⃗=(6−39)−(−842)=(14−77)3\vec{a} - 2\vec{b} = \begin{pmatrix} 6 \\ -3 \\ 9 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} -8 \\ 4 \\ 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 14 \\ -7 \\ 7 \end{pmatrix}

a⃗+b⃗=(−214),a⃗−c⃗=(1−65),3a⃗−2b⃗=(14−77)\boxed{\vec{a}+\vec{b} = \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ 4 \end{pmatrix}, \quad \vec{a}-\vec{c} = \begin{pmatrix} 1 \\ -6 \\ 5 \end{pmatrix}, \quad 3\vec{a}-2\vec{b} = \begin{pmatrix} 14 \\ -7 \\ 7 \end{pmatrix}}

Schritt 2: Beträge (b)

∣a⃗∣=4+1+9=14≈3,742|\vec{a}| = \sqrt{4 + 1 + 9} = \sqrt{14} \approx 3{,}742

∣b⃗∣=16+4+1=21≈4,583|\vec{b}| = \sqrt{16 + 4 + 1} = \sqrt{21} \approx 4{,}583

a⃗−b⃗=(6−32),∣a⃗−b⃗∣=36+9+4=49=7\vec{a} - \vec{b} = \begin{pmatrix} 6 \\ -3 \\ 2 \end{pmatrix}, \quad |\vec{a}-\vec{b}| = \sqrt{36 + 9 + 4} = \sqrt{49} = 7

∣a⃗∣=14,∣b⃗∣=21,∣a⃗−b⃗∣=7\boxed{|\vec{a}| = \sqrt{14}, \quad |\vec{b}| = \sqrt{21}, \quad |\vec{a}-\vec{b}| = 7}

Schritt 3: Einheitsvektor (c)

a⃗0=a⃗∣a⃗∣=114(2−13)\vec{a}_0 = \frac{\vec{a}}{|\vec{a}|} = \frac{1}{\sqrt{14}} \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \end{pmatrix}

a⃗0=114(2−13)≈(0,535−0,2670,802)\boxed{\vec{a}_0 = \frac{1}{\sqrt{14}} \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \end{pmatrix} \approx \begin{pmatrix} 0{,}535 \\ -0{,}267 \\ 0{,}802 \end{pmatrix}}

Schritt 4: Kollinearität (d)

a⃗\vec{a} und d⃗\vec{d} sind kollinear, wenn d⃗=k⋅a⃗\vec{d} = k \cdot \vec{a} für ein k∈Rk \in \mathbb{R}.

Aus der ersten Komponente: 6=k⋅2⇒k=36 = k \cdot 2 \Rightarrow k = 3.

Kontrolle dritte Komponente: k⋅3=9k \cdot 3 = 9 ✓

Zweite Komponente: t=k⋅(−1)=−3t = k \cdot (-1) = -3.

t=−3\boxed{t = -3}

Ergebnis

FrageAntwort
a⃗+b⃗\vec{a} + \vec{b}(−2;  1;  4)⊤(-2;\; 1;\; 4)^\top
a⃗−c⃗\vec{a} - \vec{c}(1;  −6;  5)⊤(1;\; -6;\; 5)^\top
3a⃗−2b⃗3\vec{a} - 2\vec{b}(14;  −7;  7)⊤(14;\; -7;\; 7)^\top
∣a⃗∣\lvert\vec{a}\rvert14≈3,74\sqrt{14} \approx 3{,}74
∣a⃗−b⃗∣\lvert\vec{a}-\vec{b}\rvert77
Einheitsvektor a⃗0\vec{a}_0114(2;  −1;  3)⊤\frac{1}{\sqrt{14}}(2;\;-1;\;3)^\top
Kollinearität: tt−3-3