Vektoren in Koordinaten

Vectors in Coordinates

Mathematik Klasse 12 21 Aufgaben
VektorenKoordinatenBasisAbstandBetragKerncurriculum

Bezüglich einer Orthonormalbasis wird jeder Vektor zu einem Zahlentripel, und die geometrischen Operationen werden zu Rechenoperationen an den Koordinaten: Addition und Vervielfachung geschehen koordinatenweise, der Betrag folgt aus dem Satz des Pythagoras — in der Ebene |a| = √(a₁² + a₂²), im Raum √(a₁² + a₂² + a₃²) —, und der Abstand zweier Punkte ist der Betrag ihres Verbindungsvektors. Zwei Vektoren sind genau dann parallel, wenn der eine ein Vielfaches des anderen ist; ein Einheitsvektor entsteht durch Teilen durch den Betrag. Der Vektor hat dabei eine Doppelnatur — geometrisches Objekt und Zahlentripel zugleich —, und nur der ständige Wechsel zwischen beiden Sichtweisen bewahrt die Vektorgeometrie davor, zum „Buchstabenrechnen" zu verkommen (Malle 2005).

Leicht
Multiple Choice #1 15s ▶ Testen

Was ist eine Orthonormalbasis {i⃗, j⃗} der Ebene?

  • ● Zwei zueinander senkrechte Einheitsvektoren
  • ○ Zwei beliebige Vektoren
  • ○ Zwei parallele Einheitsvektoren
  • ○ Drei Vektoren im Raum
Orthonormal = orthogonal (senkrecht) + normiert (Betrag 1). {i⃗, j⃗} mit i⃗ ⊥ j⃗ und |i⃗| = |j⃗| = 1.
Lückentext #2 10s ▶ Testen

Der Vektor a⃗(3; −2) in Koordinatendarstellung bedeutet a⃗ = 3i⃗ + (___) j⃗.

✓ Antwort: −2
a⃗(3; −2) = 3i⃗ + (−2)j⃗ = 3i⃗ − 2j⃗.
Zahleneingabe #3 15s ▶ Testen

Berechne den Betrag des Vektors a⃗(3; 4).

✓ Antwort: 5
|a⃗| = √(3² + 4²) = √(9 + 16) = √25 = 5.
Zahleneingabe #4 15s ▶ Testen

Berechne den Betrag des Vektors v⃗(2; −1; 2).

✓ Antwort: 3
|v⃗| = √(2² + (−1)² + 2²) = √(4 + 1 + 4) = √9 = 3.
Lückentext #5 10s ▶ Testen

Wenn a⃗(a₁; a₂) und b⃗(b₁; b₂), dann ist a⃗ + b⃗ = (___ ; ___).

✓ Antwort: (a₁ + b₁; a₂ + b₂)
Vektoren werden komponentenweise addiert: (a₁ + b₁; a₂ + b₂).
Multiple Choice #6 25s ▶ Testen

Gegeben: a⃗(3; 2), b⃗(−1; 1). Welche Koordinaten hat 2a⃗ − 3b⃗?

  • ● (9; 1)
  • ○ (3; 5)
  • ○ (5; 7)
  • ○ (0; −1)
2a⃗ = (6; 4), 3b⃗ = (−3; 3). 2a⃗ − 3b⃗ = (6−(−3); 4−3) = (9; 1).
Zahleneingabe #7 20s ▶ Testen

Berechne den Abstand der Punkte A(1; 3) und B(−5; 2). Gib den Wert gerundet auf eine Dezimalstelle an.

✓ Antwort: 6.1
AB = √((−5−1)² + (2−3)²) = √(36 + 1) = √37 ≈ 6,08 ≈ 6,1.
Zahleneingabe #8 20s ▶ Testen

Berechne den Abstand der Punkte P(3; 0; 0) und Q(0; 3; 0) im Raum. Gib den Wert gerundet auf eine Dezimalstelle an.

✓ Antwort: 4.2
PQ = √((0−3)² + (3−0)² + (0−0)²) = √(9 + 9) = √18 = 3√2 ≈ 4,24 ≈ 4,2.
Multiple Choice #9 20s ▶ Testen

Der Einheitsvektor a⃗₀ in Richtung a⃗(6; 8) hat die Koordinaten:

  • ● (0,6; 0,8)
  • ○ (6; 8)
  • ○ (3; 4)
  • ○ (0,8; 0,6)
|a⃗| = √(36+64) = 10. a⃗₀ = a⃗/|a⃗| = (6/10; 8/10) = (0,6; 0,8).
Lückentext #10 15s ▶ Testen

Im Raum bilden drei nicht komplanare Vektoren a⃗, b⃗, c⃗ eine ___.

✓ Antwort: Basis
Drei nicht komplanare (nicht in einer Ebene liegende) Vektoren bilden eine Basis des Raumes. Jeder Raumvektor kann als Linearkombination dargestellt werden.
Zahleneingabe #11 15s ▶ Testen

Gegeben: a⃗(−3; 6), b⃗(2; 8), c⃗(−4; −4). Berechne die x-Koordinate von x⃗ = a⃗ + b⃗ + c⃗.

✓ Antwort: -5
x-Koordinate: −3 + 2 + (−4) = −5.
Wahr / Falsch #12 10s ▶ Testen

Die Basisvektoren i⃗, j⃗, k⃗ des kartesischen Koordinatensystems im Raum sind paarweise orthogonal und haben jeweils den Betrag 1.

✓ Wahr
Richtig. {i⃗, j⃗, k⃗} ist eine Orthonormalbasis: i⃗ ⊥ j⃗, i⃗ ⊥ k⃗, j⃗ ⊥ k⃗ und |i⃗| = |j⃗| = |k⃗| = 1.
Multiple Choice #13 15s ▶ Testen

Ein Vektor heißt Linearkombination von a⃗₁, a⃗₂, ..., a⃗ₙ, wenn er in der Form:

  • ● r₁a⃗₁ + r₂a⃗₂ + ... + rₙa⃗ₙ geschrieben werden kann
  • ○ a⃗₁ · a⃗₂ · ... · a⃗ₙ darstellbar ist
  • ○ a⃗₁ + a⃗₂ + ... + a⃗ₙ darstellbar ist
  • ○ |a⃗₁| + |a⃗₂| + ... + |a⃗ₙ| darstellbar ist
Eine Linearkombination ist eine Summe aus skalar multiplizierten Vektoren mit beliebigen reellen Koeffizienten r₁, r₂, ..., rₙ.
Lückentext #14 15s ▶ Testen

Die Koordinaten des Mittelpunkts M der Strecke A(x₁; y₁) und B(x₂; y₂) sind M = (___; ___).

✓ Antwort: ((x₁+x₂)/2; (y₁+y₂)/2)
Der Mittelpunkt hat die Koordinaten M = ((x₁+x₂)/2; (y₁+y₂)/2).
Wahr / Falsch #15 10s ▶ Testen

Jeder Vektor des Raumes kann nach einer Orthonormalbasis {i⃗, j⃗, k⃗} eindeutig in Koordinaten zerlegt werden.

✓ Wahr
Richtig. Nach dem Zerlegungssatz kann jeder Vektor p⃗ eindeutig als p⃗ = xi⃗ + yj⃗ + zk⃗ geschrieben werden.
Mittel
Wahr / Falsch #1 20s ▶ Testen

Zwei Vektoren a⃗(a₁; a₂) und b⃗(b₁; b₂) sind parallel genau dann, wenn b₁ = r·a₁ und b₂ = r·a₂ für eine reelle Zahl r ≠ 0.

✓ Wahr
Richtig. a⃗ ∥ b⃗ genau dann, wenn b⃗ = r·a⃗ für ein r ≠ 0, also b₁ = r·a₁ und b₂ = r·a₂.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Zeige, dass das Dreieck A(3; −1; 6), B(0; −4; 2), C(3; 2; 1) gleichschenklig ist. Berechne |AB|. Gib den gerundeten Wert auf eine Dezimalstelle an.

✓ Antwort: 5.8
AB = √((0−3)² + (−4+1)² + (2−6)²) = √(9+9+16) = √34 ≈ 5,83 ≈ 5,8.
Zahleneingabe #3 20s ▶ Testen

Berechne die Länge der Raumdiagonale eines Quaders mit den Kantenlängen 4, 6 und 3.

✓ Antwort: 7.8
Raumdiagonale = √(4² + 6² + 3²) = √(16 + 36 + 9) = √61 ≈ 7,81 ≈ 7,8.
Zahleneingabe #4 20s ▶ Testen

Gegeben: A(4; 0; 0), B(4; 6; 0), D(0; 0; 3) als Eckpunkte eines Quaders. Berechne den Abstand OB (O = Ursprung). Gib den gerundeten Wert auf eine Dezimalstelle an.

✓ Antwort: 7.2
OB = √(4² + 6² + 0²) = √(16 + 36) = √52 = 2√13 ≈ 7,21 ≈ 7,2.
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Für welchen Wert von t sind die Vektoren a⃗(2; t) und b⃗(6; 9) parallel?

  • ● t = 3
  • ○ t = 6
  • ○ t = 4,5
  • ○ t = 18
a⃗ ∥ b⃗ ⟺ b⃗ = r·a⃗: 6 = 2r → r = 3; 9 = t·3 → t = 3.
Zahleneingabe #6 20s ▶ Testen

Berechne den Einheitsvektor in Richtung a⃗(3; 4; 12): Welchen Betrag hat a⃗?

✓ Antwort: 13
|a⃗| = √(9 + 16 + 144) = √169 = 13. Der Einheitsvektor ist a⃗₀ = (3/13; 4/13; 12/13).