Fortgeschritten Kurzaufgabe 5 Punkte ~15 Min. Mathematik & Logik

Vektoren: Betrag, Skalarprodukt und Orthogonalität

Aufgabenstellung

Gegeben sind die Vektoren a=(3t1)\vec{a} = \begin{pmatrix} 3 \\ t \\ 1 \end{pmatrix} und b=(214)\vec{b} = \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 4 \end{pmatrix}.

  • (a) Bestimmen Sie den Wert von tt so, dass a\vec{a} und b\vec{b} orthogonal zueinander sind.
  • (b) Berechnen Sie für diesen Wert von tt den Betrag von a\vec{a} und den Winkel zwischen a\vec{a} und dem Vektor c=(100)\vec{c} = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}.

Lösungsweg

Schritt 1: Orthogonalitätsbedingung (a)

Zwei Vektoren sind orthogonal, wenn ihr Skalarprodukt null ist:

ab=32+t(1)+14=0\vec{a} \cdot \vec{b} = 3 \cdot 2 + t \cdot (-1) + 1 \cdot 4 = 0

6t+4=06 - t + 4 = 0

10t=010 - t = 0

t=10\boxed{t = 10}

Schritt 2: Betrag von a\vec{a} (b)

Mit t=10t = 10: a=(3101)\vec{a} = \begin{pmatrix} 3 \\ 10 \\ 1 \end{pmatrix}

a=32+102+12=9+100+1=110|\vec{a}| = \sqrt{3^2 + 10^2 + 1^2} = \sqrt{9 + 100 + 1} = \sqrt{110}

a=11010,49\boxed{|\vec{a}| = \sqrt{110} \approx 10{,}49}

Schritt 3: Winkel zwischen a\vec{a} und c\vec{c} (b)

cos(α)=acac=31+100+101101=3110\cos(\alpha) = \frac{\vec{a} \cdot \vec{c}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{c}|} = \frac{3 \cdot 1 + 10 \cdot 0 + 1 \cdot 0}{\sqrt{110} \cdot 1} = \frac{3}{\sqrt{110}}

α=arccos ⁣(3110)arccos(0,2862)\alpha = \arccos\!\left(\frac{3}{\sqrt{110}}\right) \approx \arccos(0{,}2862)

α73,4°\boxed{\alpha \approx 73{,}4°}

Ergebnis

FrageAntwort
Parameter ttt=10t = 10
Betrag a\|\vec{a}\|11010,49\sqrt{110} \approx 10{,}49
Winkel α\alpha73,4°\approx 73{,}4°

Schlagwörter

vektorenskalarproduktorthogonalitaetbetrag