Vektoren als Verschiebungen

Vectors as translations

Mathematik Klasse 12 16 Aufgaben
GeometrieVektorenKoordinaten

Ein Vektor beschreibt eine Verschiebung: Alle gleich langen, gleich gerichteten Pfeile stellen denselben Vektor dar, wo der Pfeil beginnt, ist gleichgültig. Im Raum gibt man ihn als Spaltenvektor mit drei Zahlen an, je eine für jede Achsenrichtung; der Pfeil von O zu einem Punkt P ist sein Ortsvektor mit den Koordinaten von P. Räumt das Fehlbild „ein Vektor ist ein fester Pfeil an einem Ort“ aus und die Verwechslung von Punkt und Ortsvektor (Nguyen & Meltzer 2003). Bereitet den Verbindungsvektor, das Rechnen mit Vektoren und später Geradengleichungen vor.

Die Drohne fliegt weiter: 1 nach vorn, 2 nach rechts, 2 nach oben. Diese Bewegung heißt Verschiebung, und sie hängt nicht davon ab, wo die Drohne startet. Ein Vektor beschreibt eine Verschiebung. Als Pfeil gezeichnet, steht er für alle gleich langen, gleich gerichteten Pfeile, die Pfeilklasse; wo der Pfeil beginnt, ist gleichgültig. Gleiche Länge allein macht noch keinen gleichen Vektor.

Verschiebe den Startpunkt A. Der zweite Pfeil wandert mit, die Zahlen des Vektors bleiben gleich.

Ein Vektor ist also kein fester Ort. Zwei Pfeile an verschiedenen Stellen stellen denselben Vektor dar, wenn sie gleich lang und gleich gerichtet sind, und ein Pfeil, der im Ursprung beginnt, ist nur einer von unendlich vielen.

Im Raum gibt man einen Vektor durch drei Zahlen an, den Spaltenvektor:

Er verschiebt um v₁ in x₁-, um v₂ in x₂- und um v₃ in x₃-Richtung. Negative Zahlen gehen gegen die Achsenrichtung. In Aufgabentexten schreiben wir den Spaltenvektor in einer Zeile mit Semikolon, etwa .

Stelle v₁, v₂ und v₃ ein: Der gelbe Pfeil ist die Summe der drei Achsenschritte.

Der Pfeil vom Ursprung O zu einem Punkt P heißt Ortsvektor . Seine Zahlen sind die Koordinaten von P: für . Der Punkt P ist ein Ort, der Vektor eine Verschiebung – deshalb die verschiedene Schreibweise.

Dreidimensionales Koordinatensystem (x₁ zum Betrachter, x₂ nach rechts, x₃ nach oben): P(3|4|2), Pfeil (0|0|0)→(3|4|2) x₁ 1 2 x₂ 1 2 3 4 5 x₃ 1 2 3 OP P(3|4|2)
Der Ortsvektor OP führt von O zu P(3 | 4 | 2): OP = (3; 4; 2).
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Der Pfeil von A(0 | 0 | 0) nach B(2 | 0 | 1) stellt einen Vektor dar. Welcher Pfeil stellt denselben Vektor dar?

  • ● der Pfeil von C(1 | 1 | 1) nach D(3 | 1 | 2)
  • ○ der Pfeil von C(1 | 1 | 1) nach D(2 | 0 | 1)
  • ○ der Pfeil von C(1 | 1 | 1) nach D(3 | 1 | 1)
Der Vektor verschiebt um (2; 0; 1). C + (2; 0; 1) = D(3 | 1 | 2). Ein Pfeil mit demselben Endpunkt B (oder nur zwei passenden Zahlen) ist ein anderer Vektor.
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

Die Pfeile a und b im Bild sind gleich lang. Sie stellen denselben Vektor dar.

✓ Falsch
Auch die Richtung muss übereinstimmen. Im Bild sind a und b gleich lang, zeigen aber nach rechts bzw. nach oben: verschiedene Vektoren.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Im Bild sind drei Pfeile gezeichnet. Welche stellen denselben Vektor dar?

  • ● a und b
  • ○ a und c
  • ○ b und c
a und b sind parallel, gleich lang und gleich gerichtet. c hat dieselbe Länge, zeigt aber „nach unten“: ein anderer Vektor.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Eine Drohne fliegt 3 m in x₁-Richtung, 2 m gegen die x₂-Richtung und 4 m nach oben. Welcher Vektor beschreibt den Flug?

  • ● (3; −2; 4)
  • ○ (3; 2; 4)
  • ○ (4; −2; 3)
Die Zahlen stehen in der Reihenfolge x₁, x₂, x₃; „gegen die x₂-Richtung“ ist negativ: (3; −2; 4).
Wahr / Falsch #5 15s ▶ Testen

Der Vektor (0; 0; 5) beschreibt eine Verschiebung um 5 Einheiten senkrecht nach oben.

✓ Wahr
Nur die dritte Komponente ist von 0 verschieden: Die Verschiebung geht in x₃-Richtung, also nach oben.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

Welcher Vektor beschreibt die Verschiebung vom Punkt A zum Punkt B im Bild?

  • ● (2; 3; 2)
  • ○ (3; 4; 2)
  • ○ (1; 1; 0)
A(1 | 1 | 0) und B(3 | 4 | 2): 3 − 1 = 2, 4 − 1 = 3, 2 − 0 = 2. Die Koordinaten von B (3; 4; 2) oder von A wären Ortsvektoren, keine Verschiebung von A nach B.
Multiple Choice #7 20s ▶ Testen

Wie lautet der Ortsvektor des Punktes P(3 | −1 | 5)?

  • ● (3; −1; 5)
  • ○ (5; −1; 3)
  • ○ (−3; 1; −5)
Der Ortsvektor OP hat dieselben Zahlen wie P in derselben Reihenfolge. Das Umdrehen der Vorzeichen wäre der Pfeil von P nach O.
Wahr / Falsch #8 15s ▶ Testen

Der Ortsvektor des Punktes A(0 | 4 | 0) ist der Pfeil vom Ursprung zu A und hat die Zahlen (0; 4; 0).

✓ Wahr
Der Ortsvektor führt von O zum Punkt, seine Zahlen sind die Koordinaten des Punktes.
Multiple Choice #9 20s ▶ Testen

Der Pfeil vom Ursprung O zum Punkt P ist eingezeichnet. Welcher Vektor ist OP?

  • ● (2; 3; 1)
  • ○ (3; 2; 1)
  • ○ (1; 3; 2)
P(2 | 3 | 1): Der Ortsvektor hat die Zahlen 2, 3, 1 in der Reihenfolge x₁, x₂, x₃.
Mittel
Zahleneingabe #1 20s ▶ Testen

Der Pfeil von P(1 | 1 | 1) nach Q(4 | 3 | 2) stellt einen Vektor dar. Um wie viele Einheiten verschiebt er in x₂-Richtung?

✓ Antwort: 2
Von P nach Q wächst x₂ von 1 auf 3: Verschiebung um 2 in x₂-Richtung.
Zahleneingabe #2 15s ▶ Testen

Der Vektor (4; −1; 6) verschiebt einen Punkt. Um wie viele Einheiten ändert sich die x₃-Koordinate?

✓ Antwort: 6
Die dritte Komponente gibt die Verschiebung in x₃-Richtung an: 6.
Zahleneingabe #3 15s ▶ Testen

Der Ortsvektor von R ist (7; 2; −4). Welche x₃-Koordinate hat R?

✓ Antwort: -4
Die Zahlen des Ortsvektors sind die Koordinaten: R(7 | 2 | −4).
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Der Pfeil von A(1 | 2 | 3) nach B(2 | 4 | 3) stellt einen Vektor dar. Derselbe Vektor wird am Punkt C(5 | 0 | 1) angesetzt und endet in D. Welche x₂-Koordinate hat D?

✓ Antwort: 2
Der Vektor verschiebt um (1; 2; 0). D = C + (1; 2; 0) = (6 | 2 | 1), also x₂ = 2.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Der Punkt A(1 | 2 | 3) wird durch den Vektor (2; 0; −5) verschoben. Welche x₃-Koordinate hat der Bildpunkt?

✓ Antwort: -2
x₃ ändert sich um −5: 3 + (−5) = −2. Der Bildpunkt ist (3 | 2 | −2).
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Der Ortsvektor von P ist (2; 5; 1). Der Punkt Q entsteht aus P durch Verschiebung um (1; −3; 4). Welche x₂-Koordinate hat Q?

✓ Antwort: 2
P(2 | 5 | 1); Q = P + (1; −3; 4) = (3 | 2 | 5). x₂: 5 − 3 = 2.
KI-bewertete Rechnung #4 240s ▶ Testen

Der Vektor v = (2; −1; 3) verschiebt den Punkt A(1 | 4 | 2) in den Punkt B. Bestimme B und zeichne v als Pfeil ab A. Gib die Ortsvektoren von A und B an und begründe in zwei Sätzen, warum der Pfeil von O nach B nicht derselbe Vektor ist wie der Pfeil von A nach B. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: B = A + v = (1 + 2 | 4 − 1 | 2 + 3) = (3 | 3 | 5). Ortsvektoren: OA = (1; 4; 2), OB = (3; 3; 5). Der Pfeil von A nach B stellt v = (2; −1; 3) dar; der Pfeil von O nach B hat die Zahlen (3; 3; 5) und ist ein anderer Vektor, weil Länge und Richtung nicht übereinstimmen.
v verschiebt jeden Punkt um (2; −1; 3), also B = A + v. OB führt vom Ursprung nach B, AB von A nach B: Beide haben verschiedene Zahlen, sind also verschiedene Vektoren.