2.1 Vektoren (Fortsetzung)

Rechnen mit Vektoren

FĂŒr Vektoren gibt es zunĂ€chst einmal zwei Rechenoperationen: Die Addition von Vektoren und die skalare Multiplikation (Skalierung) von Vektoren, die man nicht mit dem spĂ€ter noch auftretenden Skalarprodukt zwischen zwei Vektoren verwechseln sollte.

Die HintereinanderausfĂŒhrung von zwei Parallelverschiebungen \(\overrightarrow {PQ}\) und \(\overrightarrow{QR}\) ergibt wieder eine Parallelverschiebung, nĂ€mlich \(\overrightarrow{PR}\), denn der Punkt P wird ja zunĂ€chst nach Q und von Q aus nach R verschoben, insgesamt also von P nach R.

Geometrisch kann man sich das sehr anschaulich klarmachen, indem man die entsprechenden Vektorpfeile aneinandersetzt.

Beispiel:

KrĂ€fte sind vektorielle GrĂ¶ĂŸen. Die resultierende Gesamtkraft, wenn an einem Punkt zwei KrĂ€fte angreifen, erhĂ€lt man durch Vektoraddition.

Addition von KrÀften beim Schleppen eines Schiffs

Beispiel (Tragwerksberechnung):

Unter einem Fachwerk versteht man ein Tragwerk aus geraden, masselosen StĂ€ben, bei denen jeder Stab an zwei Knoten gelenkig mit anderen StĂ€ben verbunden ist, z.B. bei BrĂŒcken, KrĂ€nen oder Strommasten.

An den Knoten können Ă€ußere KrĂ€fte angreifen, außerdem sind eventuell einer oder mehrere der Knoten fest oder verschiebbar gelagert.

Figures/fachwerk

In der Technischen Mechanik bestimmt man die auftretenden KrÀfte durch Gleichgewichtsbedingungen, d.h. an jedem einzelnen Knoten muss die vektorielle Addition der dort angreifenden KrÀfte \(\vec{0}\) ergeben.

Dies fĂŒhrt dann auf ein Lineares Gleichungssystem, wie wir es in Kapitel 4 behandeln.

FĂŒr die Vektoraddition gelten Ă€hnliche Rechenregeln wie fĂŒr die Addition von reellen Zahlen.

Rechenregeln der Vektoraddition
  • \(\;\; \vec{x}+\vec{y}=\vec{y}+\vec{x}\; \; \; \; \) (KommutativitĂ€t)

  • \(\;\; (\vec{x}+\vec{y})+ \vec{z}=\vec{x} +(\vec{y}+\vec{z})\; \; \; \; \) (AssoziativitĂ€t)

  • \(\;\; \vec{x}+\vec{0}= \vec{0}+ \vec{x}=\vec{x}\), d.h. der Nullvektor ist das neutrale Element

  • \(\;\; \vec{x}+(-\vec{x})= \vec{0}\), d.h. \(-\vec{x}\; \; \) ist das inverse Element von \(\vec{x}\)

Beispiel:

Vektoren kann man zum Addieren also einfach "AneinanderhÀngen":

\(\sum\limits_{j=1}^6\vec{v}_j=\vec{w}\)


Figures/vektorsumme


DarĂŒber hinaus kann man Vektoren mit einem reellen Faktor skalieren. Der Vektor \(\alpha \vec{v}\) hat dieselbe Richtung wie \(\vec{v}\), aber die \(\alpha \)-fache LĂ€nge. Wenn \(\alpha <0\) ist, dann zeigen \(\vec{v}\) und \(\alpha \vec{v}\) in entgegengesetzte Richtungen.

Insbesondere erhĂ€lt man fĂŒr \(\alpha =-1\) den schon angesprochenen Vektor \(-\vec{v}=(-1)\vec{v}\), der dieselbe LĂ€nge wie \(\vec{v}\), aber die genau entgegengesetzte Richtung hat.

Rechenregeln fĂŒr die Multiplikation von Vektoren

\(\begin{array}{rcl}\alpha\cdot(\beta\cdot\vec{x})&=&(\alpha\cdot\beta)\cdot\vec{x}\\1\cdot\vec{x}&=&\vec{x}\\\alpha\cdot(\vec{x}+\vec{y})&=&\alpha\cdot\vec{x}+\alpha\cdot\vec{y}\;\;\;\;\text{(Distributivgesetz)}\\ (\alpha+\beta)\cdot\vec{x}&=&\alpha\cdot\vec{x}+\beta\cdot\vec{x}\;\;\;\;\text{(Distributivgesetz)}\end{array}\)


In Koordinaten werden Vektoren komponentenweise addiert bzw. subtrahiert, es ist also

\(\vec{x}+\vec{y}=\left(\begin{array}{c}x_1\\x_2\\ \vdots\\x_n\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}y_1\\y_2\\{\vdots}\\y_n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}x_1+y_1\\x_2+y_2\\{\vdots}\\x_n+y_n\end{array}\right)\)


Auch die Skalierung erfolgt komponentenweise, d.h. fĂŒr eine beliebige Zahl \(\alpha \in \mathbb{R}\) gilt:

\(\alpha\cdot\vec{x}=\alpha\cdot\left(\begin{array}{c}x_1\\x_2\\{\vdots}\\x_n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\alpha x_1\\\alpha x_2\\{\vdots}\\\alpha x_n\end{array}\right).\)

Beispiel:

\(3\left(\begin{array}{r} 2\\ -3\\ 1\end{array}\right) +\left(\begin{array}{r} 2\\ 5\\ 0 \end{array}\right) - \left(\begin{array}{r} -2\\ 1\\ 2\end{array}\right) = \left(\begin{array}{r} 10 \\ -5 \\ 1 \end{array}\right)\)


Einen weiteren Zusammenhang zwischen Punkten in der Ebene bzw. im Raum und Vektoren stellt die folgende Definition her.

Definition (Ortsvektor):

Sei im \(\mathbb{R}^2\) oder \(\mathbb{R}^3\) ein kartesisches Koordinatensystem gegeben. Dann ist zu jedem Punkt P der Ortsvektor \(\vec{p}\) von P gegeben als

\(\vec{p}=\overrightarrow{OP}.\)


Insbesondere ist fĂŒr zwei Punkte P und Q mit Ortsvektoren \(\vec{p}\) und \(\vec{q}\) immer \(\overrightarrow {PQ}=\vec{q}-\vec{p}\).

Last modified: Wednesday, 23 January 2019, 4:04 PM