Fortgeschritten Kurzaufgabe 5 Punkte ~12 Min. Mathematik & Logik

Vektorausdrücke: Skalar, Vektor oder undefiniert

Aufgabenstellung

Gegeben sind die Vektoren a\vec{a}, b\vec{b}, cR3\vec{c} \in \mathbb{R}^3.

  • (a) Entscheiden Sie für jeden der folgenden Ausdrücke, ob das Ergebnis ein Skalar, ein Vektor oder nicht definiert ist:

    (i) (ab)c(\vec{a} \cdot \vec{b}) \cdot \vec{c}

    (ii) (a×b)c(\vec{a} \times \vec{b}) \cdot \vec{c}

    (iii) (ab)×c(\vec{a} \cdot \vec{b}) \times \vec{c}

    (iv) a×b|\vec{a} \times \vec{b}|

  • (b) Bestimmen Sie alle Werte von rr, für die der Winkel zwischen u=(2r1)\vec{u} = \begin{pmatrix} 2 \\ r \\ 1 \end{pmatrix} und v=(12r)\vec{v} = \begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ r \end{pmatrix} mindestens 90°90° beträgt.

Lösungsweg

Schritt 1: Typen bestimmen (a)

(i) (ab)c(\vec{a} \cdot \vec{b}) \cdot \vec{c}: ab\vec{a} \cdot \vec{b} ist ein Skalar ss. Dann ist scs \cdot \vec{c} ein Vektor.

(i) Vektor\boxed{\text{(i) Vektor}}

(ii) (a×b)c(\vec{a} \times \vec{b}) \cdot \vec{c}: a×b\vec{a} \times \vec{b} ist ein Vektor. Skalarprodukt mit c\vec{c} ergibt einen Skalar (Spatprodukt).

(ii) Skalar\boxed{\text{(ii) Skalar}}

(iii) (ab)×c(\vec{a} \cdot \vec{b}) \times \vec{c}: ab\vec{a} \cdot \vec{b} ist ein Skalar. Das Kreuzprodukt eines Skalars mit einem Vektor ist nicht definiert.

(iii) Nicht definiert\boxed{\text{(iii) Nicht definiert}}

(iv) a×b|\vec{a} \times \vec{b}|: a×b\vec{a} \times \vec{b} ist ein Vektor. Der Betrag eines Vektors ist ein Skalar.

(iv) Skalar\boxed{\text{(iv) Skalar}}

Schritt 2: Winkel mindestens 90° (b)

Der Winkel α\alpha zwischen u\vec{u} und v\vec{v} beträgt mindestens 90°90°, wenn cos(α)0\cos(\alpha) \leq 0, also wenn uv0\vec{u} \cdot \vec{v} \leq 0:

uv=21+r(2)+1r=22r+r=2r\vec{u} \cdot \vec{v} = 2 \cdot 1 + r \cdot (-2) + 1 \cdot r = 2 - 2r + r = 2 - r

2r0r22 - r \leq 0 \quad \Rightarrow \quad r \geq 2

r2\boxed{r \geq 2}

Für r=2r = 2 stehen die Vektoren senkrecht aufeinander (α=90°\alpha = 90°). Für r>2r > 2 ist der Winkel stumpf.

Ergebnis

AusdruckTyp
(ab)c(\vec{a} \cdot \vec{b}) \cdot \vec{c}Vektor
(a×b)c(\vec{a} \times \vec{b}) \cdot \vec{c}Skalar
(ab)×c(\vec{a} \cdot \vec{b}) \times \vec{c}Nicht definiert
a×b\|\vec{a} \times \vec{b}\|Skalar
Winkel 90°\geq 90°r2r \geq 2

Schlagwörter

vektorenskalarproduktkreuzprodukttypen