Vektoren

Theorie-Zusammenfassung – Vektorgeometrie (BM)
Themen: Vektoren im Koordinatensystem · Kollinearität · Skalarprodukt & Winkel · Geraden · Die Ebene (Kreuzprodukt & Darstellungsformen)

1  Vektoren im Koordinatensystem

Was ist ein Vektor?

Ein Vektor beschreibt eine Verschiebung: er hat eine Richtung und eine Länge. Im Gegensatz zu einem Punkt ist ein Vektor nicht an einen festen Ort gebunden – man darf ihn beliebig parallel verschieben.

\[ \vec{a} = \matvec{a_1 \\ a_2 \\ a_3} \quad\text{(3D)} \qquad \vec{a} = \matvec{a_1 \\ a_2} \quad\text{(2D)} \]

Punkt vs. Vektor: Ein Punkt $A(1\,|\,0\,|\,-2)$ ist ein Ort. Ein Vektor $\vec{a}$ ist eine Bewegung von irgendwo nach irgendwo. Der Ortsvektor eines Punktes $A$ zeigt vom Ursprung $O$ zum Punkt $A$ und hat dieselben Zahlen wie die Koordinaten von $A$.

1.1  Vektor aus zwei Punkten

Das ist der mit Abstand wichtigste Grundschritt – fast jede Aufgabe beginnt damit.

Verbindungsvektor zweier Punkte
\[ \vec{AB} = B - A = \matvec{b_1 - a_1 \\ b_2 - a_2 \\ b_3 - a_3} \]

Merkhilfe:Spitze minus Schaft“ – Zielpunkt minus Startpunkt.

Beispiel

$A(1\,|\,0\,|\,-2)$, $B(3\,|\,6\,|\,4)$:

\[ \vec{AB} = B - A = \matvec{3-1 \\ 6-0 \\ 4-(-2)} = \matvec{2 \\ 6 \\ 6} \]

1.2  Betrag (Länge) eines Vektors

Vektor $\neq$ Betrag

Ein Vektor hat Richtung und Länge – er besteht aus Komponenten. Der Betrag $|\vec{a}|$ ist nur eine einzelne Zahl (die Länge), ohne Richtung. Vektor = Pfeil, Betrag = Länge dieses Pfeils.

Betrag über den Satz des Pythagoras
\[ |\vec{a}| = \sqrt{a_1^2 + a_2^2 + a_3^2} \]
Beispiel
\[ \vec{a} = \matvec{3 \\ 4} \;\Rightarrow\; |\vec{a}| = \sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{25} = 5 \]

Der Vektor zeigt in eine bestimmte Richtung und hat die Länge $5$.

1.3  Rechenoperationen

Addition, Subtraktion, skalare Multiplikation
\[ \vec{a} \pm \vec{b} = \matvec{a_1 \pm b_1 \\ a_2 \pm b_2 \\ a_3 \pm b_3}, \qquad k\cdot\vec{a} = \matvec{k\,a_1 \\ k\,a_2 \\ k\,a_3} \]

Beim Multiplizieren mit $k$ wird der Vektor gestreckt/gestaucht; ist $k<0$, kehrt sich zusätzlich die Richtung um.

1.4  Mittelpunkt einer Strecke

Mittelpunkt von $\overline{AB}$
\[ M = \frac{A+B}{2} = \matvec{\tfrac{a_1+b_1}{2} \\ \tfrac{a_2+b_2}{2} \\ \tfrac{a_3+b_3}{2}} \]

Wichtig: jede Koordinate einzeln mitteln – $x$ und $y$ (und $z$).

Beispiel

$B(3\,|\,-2)$, $C(-2\,|\,3)$:

\[ M = \matvec{\tfrac{3+(-2)}{2} \\ \tfrac{-2+3}{2}} = \matvec{0{,}5 \\ 0{,}5} \]

2  Kollinearität

Kollinear

Zwei Vektoren sind kollinear (parallel), wenn der eine ein Vielfaches des anderen ist:

\[ \vec{AC} = k \cdot \vec{AB} \qquad \text{für ein } k \in \R \]

Anschaulich: Sie zeigen in dieselbe oder genau entgegengesetzte Richtung.

Typische Anwendung: Prüfen, ob drei Punkte $A$, $B$, $C$ auf einer Geraden liegen – bzw. ob sie ein Dreieck bilden.

Beispiel – Bilden $A$, $B$, $C$ ein Dreieck?

$A(1\,|\,0\,|\,-2)$, $B(3\,|\,6\,|\,4)$, $C(-2\,|\,-9\,|\,-11)$.

1. Zwei Richtungsvektoren vom selben Punkt aus:

\[ \vec{AB} = \matvec{2 \\ 6 \\ 6}, \qquad \vec{AC} = \matvec{-3 \\ -9 \\ -9} \]

2. Prüfen, ob $\vec{AC} = k\cdot\vec{AB}$:

\[ k = \tfrac{-3}{2}\;(\text{1. Komp.}),\quad k = \tfrac{-9}{6}=-\tfrac{3}{2}\;(\checkmark),\quad k = \tfrac{-9}{6}=-\tfrac{3}{2}\;(\checkmark) \]

In allen Komponenten dasselbe $k=-\tfrac{3}{2}$ $\Rightarrow$ kollinear $\Rightarrow$ kein Dreieck.

Achtung – worauf es ankommt
  • Beide Richtungsvektoren müssen vom gleichen Ausgangspunkt ausgehen (z. B. beide von $A$). $\vec{BA}/\vec{BC}$ oder $\vec{CA}/\vec{CB}$ gehen genauso – nur konsistent bleiben.
  • Du brauchst nur ein Vektorpaar zu prüfen: sind $\vec{AB}$ und $\vec{AC}$ kollinear, ist es $\vec{BC}$ automatisch auch.
  • Das $k$ muss in jeder Komponente gleich sein. Reicht es nur bei einer, sind die Vektoren nicht kollinear.
  • Streng genommen sind die Vektoren kollinear, nicht die Punkte – „Punkte sind kollinear“ ist gängige Kurzform für „liegen auf einer Geraden“.

3  Skalarprodukt und Winkel

Skalarprodukt

Das Skalarprodukt ordnet zwei Vektoren eine Zahl (kein Vektor!) zu. Es gibt zwei Darstellungen:

\[ \textbf{algebraisch:}\quad \vec{a}\cdot\vec{b} = a_1 b_1 + a_2 b_2 + a_3 b_3 \] \[ \textbf{geometrisch:}\quad \vec{a}\cdot\vec{b} = |\vec{a}|\cdot|\vec{b}|\cdot\cos(\varphi) \]

$\varphi$ ist der Winkel zwischen den beiden Vektoren.

Beispiel – algebraisch
\[ \vec{a}=\matvec{2\\3\\1},\ \vec{b}=\matvec{4\\-1\\2} \;\Rightarrow\; \vec{a}\cdot\vec{b} = 2\cdot4 + 3\cdot(-1) + 1\cdot2 = 8-3+2 = 7 \]

3.1  Orthogonalität

Senkrecht-Kriterium
\[ \vec{a}\cdot\vec{b} = 0 \quad\Longleftrightarrow\quad \vec{a} \perp \vec{b} \quad(\text{rechter Winkel}) \]

Denn bei $90^\circ$ ist $\cos(90^\circ)=0$.

3.2  Winkel zwischen zwei Vektoren

Winkelformel
\[ \cos(\varphi) = \frac{\vec{a}\cdot\vec{b}}{|\vec{a}|\cdot|\vec{b}|} \qquad\Rightarrow\qquad \varphi = \arccos\!\left(\frac{\vec{a}\cdot\vec{b}}{|\vec{a}|\cdot|\vec{b}|}\right) \]

Skalarprodukt aus Punkten: Du brauchst zuerst Vektoren. Aus Punkten $A$, $B$, $C$ bildest du z. B. $\vec{AB}=B-A$ und $\vec{AC}=C-A$ und rechnest erst dann das Skalarprodukt.

Beispiel – gesuchte Variable $z$ (Winkel $60^\circ$)

Für welches $z$ schliessen $\vec{a}=\matvec{1\\0\\z}$ und $\vec{b}=\matvec{0\\1\\z}$ einen Winkel von $60^\circ$ ein?

1. Skalarprodukt: $\vec{a}\cdot\vec{b} = 1\cdot0 + 0\cdot1 + z\cdot z = z^2$

2. Beträge: $|\vec{a}| = |\vec{b}| = \sqrt{1+z^2}$, also $|\vec{a}|\cdot|\vec{b}| = \sqrt{1+z^2}\cdot\sqrt{1+z^2} = 1+z^2$ (Wurzel mal sich selbst: $\sqrt{x}\cdot\sqrt{x}=x$)

3. Einsetzen mit $\cos(60^\circ)=\tfrac12$:

\[ \frac{1}{2} = \frac{z^2}{1+z^2} \]

4. Auflösen (über Kreuz multiplizieren):

\[ 1+z^2 = 2z^2 \;\Rightarrow\; z^2 = 1 \;\Rightarrow\; \boxed{z = \pm 1} \]

Kontrolle mit $z=1$: $\vec{a}\cdot\vec{b}=1$, beide Beträge $\sqrt2$, also $\cos\varphi=\tfrac12 \Rightarrow 60^\circ$. ✓

Häufige Fehler
  • Skalarprodukt liefert eine Zahl, keinen Vektor.
  • Den Betrag nicht vergessen zu wurzeln – $|\vec{a}|$ ist die Wurzel der Quadratsumme.
  • Bei Punkten zuerst die Verbindungsvektoren bilden, nicht die Punktkoordinaten direkt multiplizieren.

4  Geraden mit Vektoren

Parameterform einer Geraden
\[ g:\quad \vec{r} = \vec{a} + t\cdot\vec{d}, \qquad t\in\R \]
  • $\vec{a}$ = Stützvektor (Ortsvektor eines Punktes auf der Geraden)
  • $\vec{d}$ = Richtungsvektor (gibt die Richtung an)
  • $t$ = Parameter – jedes $t$ liefert genau einen Punkt der Geraden

Richtungsvektor ablesen: In der Parameterform ist es genau der Vektor, der mit dem Parameter multipliziert wird.
Gerade durch zwei Punkte $A$, $B$: $\vec{a}=A$ als Stützvektor, $\vec{d}=\vec{AB}=B-A$ als Richtungsvektor.

4.1  Punktprobe – liegt ein Punkt auf der Geraden?

Setze den Punkt $P$ in die Geradengleichung ein und prüfe, ob es ein konsistentes $t$ gibt (ein Gleichungssystem – eine Gleichung pro Koordinate). Liefern alle Zeilen dasselbe $t$, liegt $P$ auf der Geraden.

Beispiel

$g:\ \vec{r}=\matvec{1\\2\\3}+t\matvec{2\\1\\-1}$,   $P(5\,|\,4\,|\,1)$:

\[ \begin{aligned} 5 &= 1+2t &&\Rightarrow t=2\\ 4 &= 2+1t &&\Rightarrow t=2 \;\checkmark\\ 1 &= 3-1t &&\Rightarrow t=2 \;\checkmark \end{aligned} \]

Alle gleich $\Rightarrow$ $P$ liegt auf $g$. (Käme einmal ein anderes $t$ heraus, läge $P$ nicht auf $g$.)

4.2  Schnittwinkel zweier Geraden

Der Winkel zwischen zwei Geraden ergibt sich aus ihren Richtungsvektoren $\vec{u}$ und $\vec{v}$.

Schnittwinkel
\[ \cos(\alpha) = \frac{|\vec{u}\cdot\vec{v}|}{|\vec{u}|\cdot|\vec{v}|} \]

Der Betrag im Zähler ist entscheidend – so erhältst du immer den spitzen Winkel ($0^\circ\le\alpha\le90^\circ$) zwischen den Geraden.

Beispiel

$g:\ \matvec{0\\-3}+s\matvec{3\\5}$,   $h:\ \matvec{9\\4}+t\matvec{-1\\1}$.

Richtungsvektoren: $\vec{u}=\matvec{3\\5}$, $\vec{v}=\matvec{-1\\1}$.

\[ \vec{u}\cdot\vec{v} = 3\cdot(-1)+5\cdot1 = 2,\qquad |\vec{u}|=\sqrt{34},\ |\vec{v}|=\sqrt{2} \] \[ \alpha = \arccos\!\left(\frac{|2|}{\sqrt{34}\cdot\sqrt2}\right) = \arccos\!\left(\frac{2}{\sqrt{68}}\right) \approx 76^\circ \]
Lagebeziehungen zweier Geraden (3D) – Übersicht
  1. Richtungsvektoren kollinear?
    • Ja, und ein Punkt der einen liegt auf der anderen $\Rightarrow$ identisch.
    • Ja, aber Punkt liegt nicht darauf $\Rightarrow$ echt parallel.
  2. Richtungsvektoren nicht kollinear? Gleichungssystem lösen:
    • Lösung existiert $\Rightarrow$ Schnittpunkt (schneidend).
    • keine Lösung $\Rightarrow$ windschief.

5  Die Ebene

5.1  Kreuzprodukt (Vektorprodukt)

Kreuzprodukt

Das Kreuzprodukt zweier Vektoren ergibt einen neuen Vektor, der senkrecht auf beiden steht – den Normalvektor.

\[ \vec{a}\times\vec{b} = \matvec{a_1\\a_2\\a_3}\times\matvec{b_1\\b_2\\b_3} = \matvec{a_2 b_3 - a_3 b_2 \\ a_3 b_1 - a_1 b_3 \\ a_1 b_2 - a_2 b_1} \]
Merkschema (zeilenweise)

Für jede Zeile die eigene Zeile „abdecken“ und über Kreuz multiplizieren:

\[ \begin{aligned} n_1 &= a_2 b_3 - a_3 b_2\\ n_2 &= a_3 b_1 - a_1 b_3 \quad(\text{Achtung: „verkehrte“ Reihenfolge!})\\ n_3 &= a_1 b_2 - a_2 b_1 \end{aligned} \]
Wichtige Eigenschaften
  • $\vec{a}\times\vec{b}$ steht senkrecht auf $\vec{a}$ und auf $\vec{b}$ (Probe: Skalarprodukt $=0$).
  • Reihenfolge zählt: $\vec{b}\times\vec{a} = -(\vec{a}\times\vec{b})$.
  • Sind $\vec{a},\vec{b}$ kollinear, ist $\vec{a}\times\vec{b}=\vec{0}$.
  • Der Betrag $|\vec{a}\times\vec{b}|$ ist der Flächeninhalt des Parallelogramms, das von $\vec{a}$ und $\vec{b}$ aufgespannt wird. Dreiecksfläche $=\tfrac12|\vec{a}\times\vec{b}|$.
Beispiel
\[ \vec{a}=\matvec{2\\6\\6},\ \vec{b}=\matvec{-3\\-9\\-9} \;\Rightarrow\; \vec{a}\times\vec{b}=\matvec{6\cdot(-9)-6\cdot(-9)\\ 6\cdot(-3)-2\cdot(-9)\\ 2\cdot(-9)-6\cdot(-3)} =\matvec{0\\0\\0} \]

Ergebnis $\vec{0}$ – die Vektoren sind kollinear (vgl. Kollinearitäts-Kapitel).

5.2  Darstellungsformen einer Ebene

Es gibt drei gleichwertige Arten, eine Ebene $E$ zu beschreiben.

1) Parameterform
\[ E:\quad \vec{r} = \vec{a} + s\cdot\vec{u} + t\cdot\vec{v}, \qquad s,t\in\R \]

$\vec{a}$ = Stützvektor (ein Punkt der Ebene); $\vec{u},\vec{v}$ = zwei nicht kollineare Spannvektoren, die in der Ebene liegen.
Ebene durch drei Punkte $A,B,C$:   $\vec{a}=A$, $\vec{u}=\vec{AB}$, $\vec{v}=\vec{AC}$.

2) Normalenform
\[ E:\quad \vec{n}\cdot\bigl(\vec{r}-\vec{a}\bigr) = 0 \]

$\vec{n}$ = Normalvektor (steht senkrecht auf der Ebene), $\vec{a}$ = Stützvektor. Idee: Jeder Verbindungsvektor $\vec{r}-\vec{a}$ innerhalb der Ebene steht senkrecht auf $\vec{n}$, das Skalarprodukt ist also $0$.

3) Koordinatenform (Normalform)
\[ E:\quad n_1 x + n_2 y + n_3 z = d \]

Die Koeffizienten $n_1,n_2,n_3$ sind genau die Komponenten des Normalvektors. $d$ erhältst du, indem du einen bekannten Punkt der Ebene einsetzt.

5.3  Umwandlungen

Parameterform → Koordinatenform
  1. Normalvektor über das Kreuzprodukt der Spannvektoren: $\vec{n}=\vec{u}\times\vec{v}$.
  2. $n_1,n_2,n_3$ als Koeffizienten einsetzen: $n_1x+n_2y+n_3z=d$.
  3. $d$ bestimmen: Stützpunkt $\vec{a}$ einsetzen.
Beispiel – Ebene durch drei Punkte

$A(1\,|\,0\,|\,0)$, $B(0\,|\,2\,|\,0)$, $C(0\,|\,0\,|\,3)$.

1. Spannvektoren:

\[ \vec{u}=\vec{AB}=\matvec{-1\\2\\0},\qquad \vec{v}=\vec{AC}=\matvec{-1\\0\\3} \]

2. Normalvektor:

\[ \vec{n}=\vec{u}\times\vec{v} =\matvec{2\cdot3-0\cdot0\\ 0\cdot(-1)-(-1)\cdot3\\ (-1)\cdot0-2\cdot(-1)} =\matvec{6\\3\\2} \]

3. Koordinatenform: $6x+3y+2z=d$. Punkt $A(1|0|0)$ einsetzen:

\[ 6\cdot1+3\cdot0+2\cdot0 = 6 \;\Rightarrow\; d=6 \] \[ \boxed{E:\ 6x+3y+2z = 6} \]

Probe mit $C(0|0|3)$: $6\cdot0+3\cdot0+2\cdot3 = 6$ ✓

Koordinatenform → Parameterform (kurz)

Normalvektor ablesen ($\vec{n} = (n_1,n_2,n_3)$), drei Punkte der Ebene finden (z. B. Achsenschnittpunkte), daraus Stütz- und Spannvektoren bilden.

Spickzettel – Formeln auf einen Blick

Kompakt
Vektor aus Punkten
$\vec{AB}=B-A$
Betrag / Länge
$|\vec{a}|=\sqrt{a_1^2+a_2^2+a_3^2}$
Mittelpunkt
$M=\tfrac{A+B}{2}$
Kollinear
$\vec{AC}=k\cdot\vec{AB}$ (gleiches $k$ in allen Komp.)
Skalarprodukt
$\vec{a}\cdot\vec{b} = a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3$
Senkrecht
$\vec{a}\cdot\vec{b}=0$
Winkel (Vektoren)
$\cos\varphi=\dfrac{\vec{a}\cdot\vec{b}}{|\vec{a}|\,|\vec{b}|}$
Winkel (Geraden)
$\cos\alpha=\dfrac{|\vec{u}\cdot\vec{v}|}{|\vec{u}|\,|\vec{v}|}$
Gerade
$\vec{r}=\vec{a}+t\,\vec{d}$
Kreuzprodukt
$\vec{a}\times\vec{b}=\matvec{a_2b_3-a_3b_2\\ a_3b_1-a_1b_3\\ a_1b_2-a_2b_1}$
Ebene (Parameter)
$\vec{r}=\vec{a}+s\,\vec{u}+t\,\vec{v}$
Ebene (Normalen)
$\vec{n}\cdot(\vec{r}-\vec{a})=0$
Ebene (Koordinaten)
$n_1x+n_2y+n_3z=d$