Bestimme den Winkel, den die beiden Vektoren einschließen!

Zu text-exercise-group 44362:
Nish 2018-11-13 01:16:07+0100
Bitte, falls jdn. mal Zeit und Lust hat:
Es sollte die Aufgabenlösungen zu allen Teilaufgaben, bis auf d), nach den neuesten Richtlinien überarbeitet werden! Teilaufgabe d) habe ich eben selber korrigiert. DIe aktuellen RIchtlinien zu den Inhalten findet man unter http://de.serlo.org/90253 ;)

LG und danke schonmal im Voraus,
Nish
Jonathan 2018-11-14 12:26:06+0100
Danke für den Hinweis, wurde überarbeitet.
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%%\vec v = \begin{pmatrix}3\\9\end{pmatrix}%% und %%\ \vec w = \begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}%%

Winkel zwischen zwei Vektoren berechnen

In dieser Aufgabe geht es darum, den Winkel zw. zwei Vektoren zu berechnen.
Du hast zwei Vektoren gegeben, deren gemeinsamen Winkel du berechnen sollst. Dies geht mit der Formel
In unserem Fall haben wir die beiden Vektoren v=(39)\vec v =\begin{pmatrix}3\\9\end{pmatrix} und w=(21)\vec w =\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}.
Diese setzen wir ein und erhalten:
$$\cos(\varphi) = \frac{\begin{pmatrix}3\\9\end{pmatrix} \circ \begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}}{\left|\begin{pmatrix}3\\9\end{pmatrix}\right| \cdot \left|\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}\right|}$$
Skizze der Vektoren:
Skizze

\,
und wenn du die Formel nach φ\varphi umformst:
$$\ \varphi = \cos^{-1}\left( \frac{\begin{pmatrix}3\\9\end{pmatrix} \circ \begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}}{\left|\begin{pmatrix}3\\9\end{pmatrix}\right| \cdot \left|\begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix}\right|}\right)$$
Schließlich bestimmst du das Skalarprodukt für den Zähler sowie die beiden Längen für den Nenner.
vw=(39)(21)=32+91=15\vec v \circ \vec w = \begin{pmatrix}3\\9\end{pmatrix} \circ \begin{pmatrix}2\\1\end{pmatrix} = 3 \cdot 2 + 9 \cdot 1 = 15
vw=(32+92)(22+12)|\vec v| \cdot |\vec w| = (\sqrt{3^2 + 9^2}) \cdot (\sqrt{2^2 + 1^2})
=905= \sqrt{90} \cdot \sqrt{5}
=152= 15\sqrt{2}
Aus der Division der beiden Ergebisse bekommst du nun den Faktor, den du in den Arkuskosinus einsetzt.
 φ=cos1(15152)\displaystyle \ \varphi = \cos^{-1} \left( \frac{15}{15\sqrt{2}} \right)
Schließlich kommst du auf den gesuchten Winkel.
Also beträgt der Schnittwinkel  φ=45\ \varphi = 45^\circ.

%%\vec v = \begin{pmatrix}6\\0\end{pmatrix}%% und %%\ \vec w = \begin{pmatrix}-1\\-3\end{pmatrix}%%

Winkel zwischen zwei Vektoren berechnen

In dieser Aufgabe geht es darum, den Winkel zw. zwei Vektoren zu berechnen.

Du hast zwei Vektoren gegeben, deren gemeinsamen Winkel du berechnen sollst. Dies geht mit der Formel $$\cos(\varphi) = \frac{\vec v \circ \vec w}{|\vec v| \cdot |\vec w|}$$

Skizze der Vektoren: Skizze

In unserem Fall haben wir die beiden Vektoren %%\vec v =\begin{pmatrix}6\\0\end{pmatrix}%% und %%\vec w =\begin{pmatrix}-1\\-3\end{pmatrix}%%. Diese setzen wir ein und erhalten:

$$\cos(\varphi) = \frac{\begin{pmatrix}6\\0\end{pmatrix} \circ \begin{pmatrix}-1\\-3\end{pmatrix}} {\left|\begin{pmatrix}6\\0\end{pmatrix}\right| \cdot \left|\begin{pmatrix}-1\\-3\end{pmatrix}\right|}$$

%%\,%%

und wenn du die Formel nach %%\varphi%% umformst:

$$\ \varphi = \cos^{-1}\left( \frac{\begin{pmatrix}6\\0\end{pmatrix} \circ \begin{pmatrix}-1\\-3\end{pmatrix}} {\left|\begin{pmatrix}6\\0\end{pmatrix}\right| \cdot \left|\begin{pmatrix}-1\\-3\end{pmatrix}\right|}\right)$$

Schließlich bestimmst du das Skalarprodukt für den Zähler sowie die beiden Längen für den Nenner.

%%\vec v \circ \vec w = \begin{pmatrix}6\\0\end{pmatrix} \circ \begin{pmatrix}-1\\-3\end{pmatrix} = -6%%

%%|\vec v| \cdot |\vec w|%%

%%= (\sqrt{6^2 + 0^2}) \cdot (\sqrt{(-1)^2 + (-3)^2})%%

%%= 6 \cdot \sqrt{10}%%

Aus der Division der beiden Ergebisse bekommst du nun den Faktor, den du in den Arkuskosinus einsetzt.

$$\ \varphi = \cos^{-1} \left( \frac{-6}{6\sqrt{10}} \right)$$ $$ = \cos^{-1} \left( \frac{-1}{\sqrt{10}} \right) = 108,4^\circ $$

Schließlich kommst du auf den gesuchten Winkel.

Also beträgt der Schnittwinkel %%\varphi = 108,4^\circ%%.

%%\vec v = \begin{pmatrix}-5\\-22,5\end{pmatrix}%% und %%\ \vec w = \begin{pmatrix}2\\9\end{pmatrix}%%

Winkel zwischen zwei Vektoren berechnen

In dieser Aufgabe geht es darum, den Winkel zw. zwei Vektoren zu berechnen.

Du hast zwei Vektoren %%\vec v =\begin{pmatrix}-5\\-22,5\end{pmatrix}%% und %%\vec w =\begin{pmatrix}2\\9\end{pmatrix}%% gegeben, deren gemeinsamen Winkel du berechnen sollst. Dies geht mit der Formel

$$\cos(\varphi) = \frac{\vec v \circ \vec w}{|\vec v| \cdot |\vec w|} = \frac{\begin{pmatrix}-5\\-22,5\end{pmatrix} \circ \begin{pmatrix}2\\9\end{pmatrix}} {\left|\begin{pmatrix}-5\\-22,5\end{pmatrix}\right| \cdot \left|\begin{pmatrix}2\\9\end{pmatrix}\right|} = \frac{(-5) \cdot 2 + (-22,5) \cdot 9}{\sqrt{(-5)^2 + (-22,5)^2} \cdot \sqrt{2^2 + 9^2}}$$

$$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{-212,5}{2,5 \cdot \sqrt{85} \cdot \sqrt{85}} = -1$$

Danach bildest du den Arkuskosinus und kommst auf:

$$\varphi = \cos^{-1}(-1) = 180^\circ$$

Anschaulich bedeutet das, dass die beiden Vektoren genau entgegengesetzt gerichtet sind bzw. dass sich %%\vec v%% als %%\vec v = k \cdot \vec w%% schreiben lässt, wobei %%k%% eine reelle Zahl.

%%\vec v = \begin{pmatrix}1,3\\-2,4\end{pmatrix}%% und %%\ \vec w = \begin{pmatrix}-4,5\\3\end{pmatrix}%%

Winkel zwischen zwei Vektoren berechnen

In dieser Aufgabe geht es darum, den Winkel zw. zwei Vektoren zu berechnen.

Du hast zwei Vektoren %%\vec v =\begin{pmatrix}1,3\\-2,4\end{pmatrix}%% und %%\vec w =\begin{pmatrix}-4,5\\3\end{pmatrix}%% gegeben, deren gemeinsamen Winkel du berechnen sollst. Dies geht mit der Formel

$$\cos(\varphi) = \frac{\vec v \circ \vec w}{|\vec v| \cdot |\vec w|} = \frac{\begin{pmatrix}1,3\\-2,4\end{pmatrix} \circ \begin{pmatrix}-4,5\\3\end{pmatrix}} {\left|\begin{pmatrix}1,3\\-2,4\end{pmatrix}\right| \cdot \left|\begin{pmatrix}-4,5\\3\end{pmatrix}\right|} = \frac{1,3 \cdot (-4,5) + (-2,4) \cdot 3}{\sqrt{1,3^2 + (-2,4)^2} \cdot \sqrt{(-4,5)^2 + 3^2}}$$

$$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{-13,05}{0,1 \cdot \sqrt{745} \cdot 1,5 \cdot \sqrt{13}} \approx -0,884$$

Danach bildest du den Arkuskosinus und kommst auf:

$$\varphi = \cos^{-1}(-0,884) = 152,13^\circ$$

also beträgt der Winkel %%\varphi = 152,13^\circ%%.

a=(13)a=\begin{pmatrix}1\\3\end{pmatrix} \\ und b=(93)b=\begin{pmatrix}-9\\3\end{pmatrix}
Tipp: Was kannst du über das Skalarprodukt der beiden Vektoren aussagen?

Bestimmung des Winkels

Die Berechnung des Winkels zwischen zwei Vektoren verwendet die Länge der jeweiligen Vektoren und das Skalarprodukt zwischen den beiden. Ein Spezialfall liegt vor, wenn das Skalarprodukt 00 ist. Das ist genau dann der Fall, wenn die beiden Vektoren senkrecht aufeinander stehen.
Berechne das Skalarprodukt zwischen a\vec a und b\vec b!
ab=(13)(93)=1(9)+33=9+9=0\,\vec a\odot\vec b = \begin{pmatrix}1\\3\end{pmatrix} \odot \begin{pmatrix}-9\\3\end{pmatrix} = 1 \cdot (-9)+ 3 \cdot 3 = -9+9 = 0
Das Skalarprodukt von a\vec a und b\vec b ist also 00. Daher stehen die beiden Vektoren senkrecht aufeinander und der eingeschlossene Winkel beträgt also φ=90\varphi=90^\circ.

%%a = \begin{pmatrix}-2\\7\end{pmatrix} \\%% und %%\ b = \begin{pmatrix}5\\3\end{pmatrix}%%

Berechnung des Winkels

Um den eingeschlossenen Winkel zwischen den Vektoren zu berechnen, benötigst du die Länge der beiden Vektoren und das Skalarprodukt von %%\vec a%% und %%\vec b%%. Berechne nun zunächst diese Größen!

Länge der Vektoren berechnen

Zur Berechnung der Länge eines Vektors bildest du das Skalarprodukt des Vektors mit sich selbst und ziehst dann die Wurzel daraus.

Du berechnest zunächst das Skalarprodukt von %%\vec a%% mit sich selbst und %%\vec b%% mit sich selbst:

%%\vec a \odot \vec a =\begin{pmatrix} -2\\7\end{pmatrix} \odot \begin{pmatrix} -2\\7\end{pmatrix}= (-2)\cdot (-2) + 7\cdot 7 = 53%%

%%\vec b \odot \vec b =\begin{pmatrix} 5\\3\end{pmatrix} \odot \begin{pmatrix} 5\\3\end{pmatrix}= 5\cdot 5 + 3\cdot 3 = 34%%

Indem du jetzt jeweils die Wurzel aus dem Skalarprodukt ziehst, erhältst du die Längen der Vektoren:

%%\left | \vec a \right | = \sqrt{\vec a \odot \vec a} = \sqrt{53}%% und %%| \vec b | = \sqrt{\vec b \odot \vec b} = \sqrt{34}%%

Skalarprodukt berechnen

Jetzt musst du das Skalarprodukt der beiden Vektoren berechnen.

Das Skalarprodukt wird allgemein gebildet durch %%\,\vec a\odot\vec b = \begin{pmatrix}a_1\\a_2\end{pmatrix} \odot \begin{pmatrix}b_1\\b_2\end{pmatrix} = a_1 \cdot b_1 + a_2 \cdot b_2%%.

Hier also:

%%\,\vec a\odot\vec b = \begin{pmatrix}-2\\7\end{pmatrix} \odot \begin{pmatrix}5\\3\end{pmatrix} = (-2) \cdot 5 + 7 \cdot 3 = -10 + 21 = 11%%

Das Skalarprodukt von %%\vec a%% und %%\vec b%% ist somit %%11%%.

Winkel berechnen

Mit den bisher berchneten Größen kannst du jetzt den gesuchten Winkel berechnen. Dafür benutzt du die Formel zur Winkelberechnung:

%%\displaystyle \varphi=\cos^{-1}\left(\frac{\vec a\odot\vec b}{\left|\vec a\right|\cdot|\vec b|}\right)%%

Setze jetzt die bereits berechneten Größen ein!

%%\displaystyle \varphi=\cos^{-1}\left(\frac{\vec a\odot\vec b}{\left|\vec a\right|\cdot|\vec b|}\right)=\cos^{-1}\left(\frac{11}{\sqrt{53}\cdot \sqrt{34}}\right)=74,98^\circ%%

Der Winkel zwischen den beiden Vektoren beträgt %%\varphi =74,98^\circ%%.