Komplette Übersicht der Vektorenrechnung

Grundlagen der Vektoren

Stell dir vor, du willst jemandem erklären, wie er von A nach B kommt - genau das machen Vektoren! Sie beschreiben Verschiebungen im Raum und brauchen dafür zwei Informationen: Richtung und Länge.

Du kannst Vektoren als Pfeile zeichnen oder mathematisch mit Koordinaten schreiben, zum Beispiel $\begin{pmatrix} 3\\2\end{pmatrix}$ - das bedeutet 3 Schritte nach rechts und 2 nach oben. Wenn du mehrere Verschiebungen hintereinander machst, addierst du einfach die Vektoren: $\vec{a} + \vec{b} = \vec{c}$.

Das Coole an Vektoren: Ein Vektor hat unendlich viele Repräsentanten - egal wo du den Pfeil hinzeichnest, solange Länge und Richtung stimmen, ist es derselbe Vektor. Gegenvektoren zeigen in die entgegengesetzte Richtung.

Merktipp: Vektoren sind wie Wegbeschreibungen - sie sagen dir, wie weit und in welche Richtung du gehen musst!

Geraden im Raum

Mit Vektoren kannst du jede Gerade super elegant beschreiben. Die Formel dafür ist: $g: \vec{x} = \vec{p} + r \cdot \vec{v}$. Das sieht komplizierter aus als es ist!

Der Stützvektor $\vec{p}$ gibt dir einen festen Punkt auf der Geraden, und der Richtungsvektor $\vec{v}$ zeigt dir, in welche Richtung die Gerade verläuft. Mit dem Parameter $r$ kannst du jeden beliebigen Punkt auf der Geraden erreichen.

Denk daran so: Du startest an einem bekannten Punkt und gehst dann in eine bestimmte Richtung - je nachdem, ob $r$ positiv, negativ oder null ist, kommst du an verschiedene Stellen auf der Geraden.

Praxistipp: Wenn du eine Gerade aufstellen musst, brauchst du nur zwei Punkte - einer wird dein Stützvektor, der andere hilft dir beim Richtungsvektor!

Lagebeziehungen von Geraden

Wenn sich zwei Geraden im Raum begegnen, können drei Dinge passieren: Sie sind identisch, parallel oder windschief zueinander. Das systematisch herauszufinden ist gar nicht so schwer!

Zuerst checkst du, ob die Richtungsvektoren kollinear sind - das bedeutet, ob sie in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung zeigen. Falls ja, machst du eine Punktprobe: Liegt der Stützvektor der einen Geraden auf der anderen? Wenn ja, sind die Geraden identisch, wenn nein, sind sie parallel.

Falls die Richtungsvektoren nicht kollinear sind, machst du eine Schnittpunktuntersuchung. Entweder findest du einen Schnittpunkt oder die Geraden sind windschief - das bedeutet, sie laufen aneinander vorbei ohne sich zu treffen.

Kollinearität checkst du so: $\begin{pmatrix} u_1 \\ u_2 \\ u_3 \end{pmatrix} = a \cdot \begin{pmatrix} v_1 \\ v_2 \\ v_3 \end{pmatrix}$. Wenn alle drei Zeilen das gleiche $a$ ergeben, sind die Vektoren kollinear.

GTR-Tipp: Für komplizierte Berechnungen kannst du den GTR nutzen: Matrix eingeben und mit rref( ) diagonalisieren!

Schnittpunkte berechnen

Schnittpunkte von Geraden zu finden ist wie ein mathematisches Puzzle - du musst nur systematisch vorgehen! Das Geheimnis liegt darin, die beiden Geradengleichungen gleichzusetzen.

Zuerst stellst du die Gleichung auf: $\vec{p_1} + r \cdot \vec{v_1} = \vec{p_2} + t \cdot \vec{v_2}$. Das ergibt ein lineares Gleichungssystem mit drei Zeilen (für x, y und z-Koordinate) und zwei Unbekannten ($r$ und $t$).

Jetzt wandelst du das System in eine Matrix um und diagonalisierst es. Wenn du eindeutige Werte für $r$ und $t$ bekommst, haben die Geraden einen Schnittpunkt. Setzt du einen der Parameter in die ursprüngliche Geradengleichung ein, erhältst du die Koordinaten des Schnittpunkts.

Das Skalarprodukt brauchst du für andere Berechnungen: $\vec{u} \cdot \vec{v} = u_1 \cdot v_1 + u_2 \cdot v_2 + u_3 \cdot v_3$. Es ist immer eine reelle Zahl, kein Vektor!

Erfolgsrezept: Strukturiert arbeiten ist alles - Gleichsetzen, Matrix aufstellen, diagonalisieren, Parameter einsetzen!

Orthogonalität und Winkel

Orthogonale Vektoren stehen senkrecht aufeinander - das erkennst du daran, dass ihr Skalarprodukt null ergibt: $\vec{u} \cdot \vec{v} = 0$. Das ist super praktisch für viele Aufgaben!

Für Winkel zwischen Vektoren brauchst du die Formel: $\cos\alpha = \frac{\vec{u} \cdot \vec{v}}{|\vec{u}||\vec{v}|}$. Die Beträge berechnest du mit $|\vec{u}| = \sqrt{u_1^2 + u_2^2 + u_3^2}$.

Den Winkel selbst findest du mit $\cos^{-1}$ auf dem Taschenrechner - vergiss nicht, auf "Degree" zu stellen! Der Winkel liegt immer zwischen 0° und 180°.

Ebenen brauchst du auch: Sie sind durch mindestens drei Punkte festgelegt, die nicht auf einer Geraden liegen. Die Parameterdarstellung lautet: $E: \vec{x} = \vec{OA} + s\vec{u} + t\vec{v}$, wobei $\vec{u}$ und $\vec{v}$ nicht parallel sein dürfen.

Rechentrick: Beim cos⁻¹ am GTR: MODE → Degree einstellen, dann 2nd → cos für cos⁻¹!