Vektorgeometrie

Liebe Leute,

ich weiss nicht, ob man mir helfen kann… seit doch gut einer Weile beschäftigt mich eine Vektorgeometrie-Aufgabenstellung… sie klingt „einfach“, aber ich kann sie einfach nicht lösen.

Gegeben sind zwei Vektoren im 2-dimensionalen Raum, und die beiden Vektoren schliessen einen Winkel ein, und der ist gesucht.

Gegeben sind aber einzig die Längen der Vektoren (der eine 3, der andere hat die Länge 4), und zudem noch eine „Beziehung“: u+v steht senkrecht zu u+(v/2), wobei u und v eben diese Vektoren sind.

Ich hoffe, jemand hat mir einen Denkanstoss zur Lösung?

Besten Dank, freundliche Grüsse, Rob.

Hallo,

Gegeben sind zwei Vektoren im 2-dimensionalen Raum, und die
beiden Vektoren schliessen einen Winkel ein, und der ist
gesucht.

Gegeben sind aber einzig die Längen der Vektoren (der eine 3,
der andere hat die Länge 4), und zudem noch eine „Beziehung“:
u+v steht senkrecht zu u+(v/2), wobei u und v eben diese
Vektoren sind.

Du kannst einfach mal anfangen Gleichungen aufzustellen:

Eine Gleichung für die Länge von u
Eine Gleichung für die Länge von v
Eine Gleichung für „u+v steht senkrecht auf u+(v/2)“

u und v haben jeweils zwei Komponenten, du hast drei Gleichungen. Also gibt es keine eindeutige Lösung, aber wenn du Glück hast hängt die Lösung deines Problems nicht von dem nicht-bestimmten Parameter ab, der beim Lösen der Gleichungen übrig bleibt.

Grüße,
Moritz

Hallo Rob., hallo Moritz,

eine wirklich interessante Aufgabe.

Gegeben sind zwei Vektoren im 2-dimensionalen Raum,

Dass der Raum 2-dimensional ist muss man gar nicht voraussetzten, wie man gleich sieht.

und die
beiden Vektoren schliessen einen Winkel ein, und der ist
gesucht.

Gegeben sind aber einzig die Längen der Vektoren (der eine 3,
der andere hat die Länge 4), und zudem noch eine „Beziehung“:
u+v steht senkrecht zu u+(v/2), wobei u und v eben diese
Vektoren sind.

Ich nehme mal an |u| = 3 und |v| = 4. Es könnte ja auch umgekehrt sein.

Du kannst einfach mal anfangen Gleichungen aufzustellen:

Ich empfehle, die Gleichungen nicht für die Komponenten der Vektoren aufzustellen, sondern für die Vektoren selbst mit Hilfe des Skalarproduktes.
(* für die herkömmliche Multiplikation und . für das Skalarprodukt)

Eine Gleichung für die Länge von u

9 = 3 * 3 = u . u (1)

Eine Gleichung für die Länge von v

16 = 4 * 4 = v . v (2)

Eine Gleichung für „u+v steht senkrecht auf u+(v/2)“

(u + v) . (u + 0,5 * v) = 0
u.u + 1,5 * u.v + v.v = 0 (3)

Außerdem gilt:
u.v = |u| * |v| * cos(alpha) (4)

Man nehme (1), (2) und (4) und füge es (3) zu. (Vorsichtig unterheben). Jetzt unter ständigem Umrühren die Zutaten vermengen, bis sich das ganze nach alpha auflöst.

u und v haben jeweils zwei Komponenten,

… oder könnten auch noch viel mehr Komponenten haben, wenn man einen mehrdimensionalen Raum annimmt.

du hast drei
Gleichungen.

Man möchte aber nicht alle Unbekannten ermitteln, also braucht man auch gar nicht alle Gleichungen.

Also gibt es keine eindeutige Lösung,

Die Vektoren können ja auch beliebig liegen, solange ihre Winkel zueinander eindeutig sind.

aber wenn
du Glück hast hängt die Lösung deines Problems nicht von dem
nicht-bestimmten Parameter ab, der beim Lösen der Gleichungen
übrig bleibt.

Wenn der Lehrer Glück hat, hat er eine Aufgabe gestellt, die die Schüler lösen können. Ich habe es auch schon erlebt, dass der Lehrer Pech hatte, was aber erst in der Schulaufgabe auffiel.

Viele Grüße
Stefan

Hossa :smile:

Die Bedingung, dass zwei Vektoren senkrecht aufeinander stehen bedeutet, dass ihr Skalarprodukt gleich Null ist. In deinem Fall bedeutet dies:

\left(\vec u+\vec v\right)\cdot\left(\vec u+\frac{\vec v}{2}\right)=0

Die linke Seite kann man ausrechnen:

\vec u\cdot\vec u+\vec v\cdot\vec u+\vec u\cdot\frac{\vec v}{2}+\vec v\cdot\frac{\vec v}{2}=0

\vec u^2+\frac{3}{2}\vec u\cdot\vec v+\frac{1}{2}\vec v^2=0

Das Skalarprodukt aus zwei identischen Vektoren ist gleich dem Quadrat der Länge dieser Vektoren

\vec u^2=u^2\quad;\quad\vec v^2=v^2

und das Skalarprodukt zweier beliebiger Vektoren ist gleich dem Produkt der Vektorlängen multipliziert mit dem Cosinus des Winkels zwischen den Vektoren

\vec u\cdot\vec v=uv\cdot\cos\phi

Damit lautet die obige Gleichung:

u^2+\frac{3}{2}uv\cdot\cos\phi+\frac{v^2}{2}=0

Diese Gleichung kann man nach dem gesuchten Winkel Phi umstellen:

\cos\phi=-\frac{2}{3uv}\left(u^2+\frac{v^2}{2}\right)

Nun weißt du, dass einer der Vektoren die Länge 4 und der andere die Länge 3 hat. Leider ist nicht angegeben, welcher Vektor welche Länge hat, also machen wir eine Fallunterscheidung:

1. Fall: u=4, v=3

Diese Werte in die Gleichung eingesetzt liefern:

\cos\phi=-\frac{1}{18}\left(16+\frac{9}{2}\right)=-\frac{41}{36}

Da der Cosinus eines Winkels nie kleiner als -1 sein kann, liefert dieser Fall keine Lösung.

2. Fall: u=3, v=4

Diese Werte in die Gleichung eingesetzt liefern:

\cos\phi=-\frac{1}{18}\left(9+\frac{16}{2}\right)=-\frac{17}{18}

Dieser Fall liefert die gesuchte Lösung. Der Winkel ist

\phi=\arccos\left(-\frac{17}{18}\right)\approx160,81^o

Viele Grüße

Hasenfuß

Guten Tag, „Hasenfuss“

Erstmal vielen herzlichen Dank für die schöne Schritt-für-Schritt Lösung zum ‚Problem‘.

Zunächst möchte ich bemerken, dass der Autor dieser Aufgabe zu einer „anderen“ Lösung gekommen ist. Er hat einen Zwischenwinkel \phi von 99.6° erhalten. (Ein Lösungsweg ist nicht aufgeführt).

Zu Ihrem Lösungsweg habe ich noch eine Frage: Jener Schritt zu Beginn ist mir noch nicht ganz klar:

Ich verstehe, dass das Skalarprodukt von (u+v) und (u+v/2) gleich null sein muss, damit diese senkrecht aufeinander stehen. Jedoch bin ich mir nicht sicher, ob

\left(\vec u+\vec v\right)\cdot\left(\vec
u+\frac{\vec v}{2}\right)=0

gleich

\vec u\cdot\vec u+\vec v\cdot\vec u+\vec
u\cdot\frac{\vec v}{2}+\vec v\cdot\frac{\vec v}{2}=0

ist.

Da die einzelnen Vektoren im Raum R^2 aus zwei Komponenten bestehen, z.B. \vec u=\left(u_{1}, u_{2}\right), ergibt das Skalarprodukt von u mal v somit beispielsweise u1v1 + u2v2. Ob das für die Weiter-Berechnung in diesem Fall dann überhaupt eine Rolle spielt, weiss ich jetzt eben nicht. Muss man die einzelnen Vektoren nicht vielleicht noch in ihren einzelnen Komponenten zerlegen?

Besten Dank und viele Grüsse,
Rob.

Hallo,

ich kann keinen Fehler in der Rechnung von Hasenfuß finden, somit glaube ich, dass sich der Lehrer verrechnet hat.

Da die einzelnen Vektoren im Raum
R^2; aus zwei Komponenten bestehen, z.B.
\vec u=\left(u_{1}, u_{2}\right),
ergibt das Skalarprodukt von u mal v somit beispielsweise u1v1

  • u2v2.

Das ist richtig. Wenn man die Komponenten kennt, kann man das Skalarprodukt so ausrechnen.

Muss
man die einzelnen Vektoren nicht vielleicht noch in ihren
einzelnen Komponenten zerlegen?

Nein, das hilft hier nicht weiter. Über die Komponenten ist nichts gegeben.

Gruß
Olaf

Guten Abend.

Danke für den Eintrag.

Die Lösung muss 99,6° sein. Nicht weil ich den Dozenten blind vertrauen muss, sondern weil nach rein-geometrischer Nachzeichnung dieser Aufgabe, die Lösung nicht anders als ~99° sein kann.

Wäre der Zwischenwinkel ~160°, so stehen [u+v] und [u+(v/2)] nicht senkrecht aufeinander… Mathematisch konnte ich das Problem jedoch weiterhin noch nicht lösen.

Diese Aufgabe hat für mich mittlerweilen einen „Denk-und Knobelaufgaben“-Status erreicht. Die Theorien dahinter verstehe ich in ihren Grundzügen. Eine Aufgabe in dieser Form würde auch nicht an einer Prüfung kommen, denke ich, zumal sie für eine einzige Aufgabe äusserst zeitintensiv zum Lösen scheint (5 Unbekannte)… . Nochmals möchte ich bei den Autoren für die Einträge herzlich danken,

Freundliche Grüsse,
Rob.

Hallo,

Die Lösung muss 99,6° sein. Nicht weil ich den Dozenten blind
vertrauen muss, sondern weil nach rein-geometrischer
Nachzeichnung dieser Aufgabe, die Lösung nicht anders als ~99°
sein kann.

Wäre der Zwischenwinkel ~160°, so stehen [u+v] und [u+(v/2)]
nicht senkrecht aufeinander.

OK, ich habe beides gezeichnet. Die beiden grünen Pfeile sind jeweils u+v und u+v/2. Dann sieh nach, wo ein rechter Winkel entsteht.

http://www.bilder-space.de/bilder/882cd3-1276292795.jpg

Oder poste mal Deine Zeichnung.

Gute Nacht.
Olaf

1 „Gefällt mir“

AHA!..:smiley:
Guten Morgen,

Auf einmal geht alles auf. Die Hasenfuss’sche Methode zur Lösung dieser Aufgabe ist die Beste!

Ich Ratte hatte tatsächlich einen Vorzeichenfehler gemacht… und das gleich zu Beginn! in der Aufgabenstellung! Im Buch sind die beiden senkrecht aufeinander stehenden Vektoren (u+v) und (u MINUS v/2). Gepostet hab ich hier (u+v) und (u PLUS v/2).

Hasenfuss hat Recht, der Lehrer hatte auch Recht, und Sie haben mit der Grafik auch absolut Recht. Ich habe soeben die „neuen“ Vektoren mit der Hasenfuss’schen Methode durchgerechnet, und bekommen habe ich immer das richtige Resultat!

Schön. Mathematik ist schön!

Besten Dank nochmals, und freundliche Grüsse

Rob!