Das Skalarprodukt: Winkel und Orthogonalität

Das Skalarprodukt (auch inneres Produkt oder Punktprodukt) ist eine fundamentale Operation mit Vektoren. Es liefert eine Zahl (Skalar) und wird für Winkelberechnungen und Orthogonalitätsprüfungen benötigt.

Definition des Skalarprodukts

Für zwei Vektoren $\vec{a}$ und $\vec{b}$ ist das Skalarprodukt die Summe der Produkte der entsprechenden Komponenten:

$$\vec{a} \cdot \vec{b} = a_1 b_1 + a_2 b_2 + a_3 b_3$$
Komponentenweise Multiplikation und Addition

📝 Beispiel: Skalarprodukt berechnen

$\vec{a} = (2, 3, -1)$ und $\vec{b} = (4, -2, 5)$

$\vec{a} \cdot \vec{b} = 2 \cdot 4 + 3 \cdot (-2) + (-1) \cdot 5$

$= 8 - 6 - 5$

$\vec{a} \cdot \vec{b} = -3$

Orthogonalität (Rechtwinkligkeit)

Zwei Vektoren stehen senkrecht aufeinander, wenn ihr Skalarprodukt 0 ist:

$$\vec{a} \perp \vec{b} \Leftrightarrow \vec{a} \cdot \vec{b} = 0$$
Vektoren sind orthogonal, wenn Skalarprodukt = 0

📝 Beispiel: Orthogonalität prüfen

Sind $\vec{a} = (1, 2, 1)$ und $\vec{b} = (2, -1, 0)$ orthogonal?

$\vec{a} \cdot \vec{b} = 1 \cdot 2 + 2 \cdot (-1) + 1 \cdot 0$

$= 2 - 2 + 0 = 0$

Ja, die Vektoren sind orthogonal!

Winkel zwischen Vektoren

Mit dem Skalarprodukt kannst du den Winkel zwischen zwei Vektoren berechnen:

$$\cos(\varphi) = \frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}$$
$$\varphi = \arccos\left(\frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}\right)$$

📝 Beispiel: Winkel berechnen

Berechne den Winkel zwischen $\vec{a} = (1, 0, 0)$ und $\vec{b} = (1, 1, 0)$

$\vec{a} \cdot \vec{b} = 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 + 0 \cdot 0 = 1$

$|\vec{a}| = \sqrt{1^2 + 0^2 + 0^2} = 1$

$|\vec{b}| = \sqrt{1^2 + 1^2 + 0^2} = \sqrt{2}$

$\cos(\varphi) = \frac{1}{1 \cdot \sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} \approx 0{,}707$

$\varphi = \arccos(0{,}707) = 45°$

Der Winkel beträgt 45°.

Wichtige Eigenschaften

Anwendungen

Anwendung Verwendung
Winkel zwischen GeradenSkalarprodukt der Richtungsvektoren
Winkel zwischen EbenenSkalarprodukt der Normalenvektoren
Orthogonalität prüfenSkalarprodukt = 0?
Normalenvektor findenSuche Vektor mit Skalarprodukt = 0

⚠️ Häufiger Fehler

Das Skalarprodukt ist KEIN Vektor, sondern eine Zahl! Verwechsle es nicht mit dem Kreuzprodukt, das einen Vektor liefert.

🎯 Tipp für die Prüfung

Merke: Wenn das Skalarprodukt positiv ist, ist der Winkel spitz (< 90°). Wenn es negativ ist, ist der Winkel stumpf (> 90°).

Vektoren noch unklar?

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