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Aufgabe:

Berechne den Normalabstand des Punktes A=(1 2 3 4) zum vektorraum V für

a) V:= <(1 1 1 1), (0 0 1 1), (-1 0 0 1)>


Problem/Ansatz:

Kann mir jemand den Rechenweg (auch bildlich) erklären, bitte?

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Aloha :)

Wir benötigen zunächst einen Vektor \(\vec n\), der auf den 3 Vektoren senkrecht steht:

$$\left(\begin{array}{rrrr}1 & 1 & 1 & 1\\0 & 0 & 1 & 1\\-1 & 0 & 0 & 1\end{array}\right)\cdot\begin{pmatrix}n_1\\n_2\\n_3\\n_4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix}\quad\implies\quad\vec n=\alpha\left(\begin{array}{r}1\\-1\\-1\\1\end{array}\right)\quad;\quad\alpha\in\mathbb R$$Ich habe nur das Ergebnis des LGS angegeben, wenn du bei der Berechnung Fragen hast, bitte einfach in den Kommentaren stellen.

Für \(\alpha=\frac{1}{\sqrt{1^2+(-1)^2+(-1)^2+1^2}}=\frac{1}{\sqrt4}=\frac{1}{2}\) erhalten wir den normierten Vektor:$$\vec n^0=\left(\begin{array}{r}1/2\\-1/2\\-1/2\\1/2\end{array}\right)$$

Der Vektorraum \(\vec V\) muss den Nullpunkt enthalten. Daher können wir den Ortsvektor \(\vec a=(1;2;3;4)^T\) vom Ursprung zum Punkt \(A\) auf \(\vec n^0\) projezieren, um den Abstand \(d\) zu berechnen.$$d=\vec n^0\cdot \vec a=\left(\begin{array}{r}1/2\\-1/2\\-1/2\\1/2\end{array}\right)\cdot\left(\begin{array}{r}1\\2\\3\\4\end{array}\right)=\frac{1}{2}-\frac{2}{2}-\frac{3}{2}+\frac{4}{2}=0$$

Der Punkt \(A(1;2;3;4)\) hat also den Abstand \(0\) vom Vektorraum \(V\), also liegt \(A\) in \(V\). Und tatsächlich gilt:$$\left(\begin{array}{r}1\\2\\3\\4\end{array}\right)=2\cdot\left(\begin{array}{r}1\\1\\1\\1\end{array}\right)+1\cdot\left(\begin{array}{r}0\\0\\1\\1\end{array}\right)+1\cdot\left(\begin{array}{r}-1\\0\\0\\1\end{array}\right)$$

Avatar von 152 k 🚀

Erstmals vielen vielen Dank! Aber wir haben die Matrizen noch nicht behandelt. Gibt´s da einen anderen Rechenweg?

Die Matrixschreibweise ist im Prinzip eine Kurzform für:

$$\begin{pmatrix}1\\1\\1\\1\end{pmatrix}\cdot\begin{pmatrix}n_1\\n_2\\n_3\\n_4\end{pmatrix}=0\quad\Longleftrightarrow\quad n_1+n_2+n_3+n_4=0$$$$\begin{pmatrix}0\\0\\1\\1\end{pmatrix}\cdot\begin{pmatrix}n_1\\n_2\\n_3\\n_4\end{pmatrix}=0\quad\Longleftrightarrow\quad n_3+n_4=0$$$$\begin{pmatrix}-1\\0\\0\\1\end{pmatrix}\cdot\begin{pmatrix}n_1\\n_2\\n_3\\n_4\end{pmatrix}=0\quad\Longleftrightarrow\quad -n_1+n_4=0$$Aus diesen 3 Gleichungen kannst du den Normalenvektor \(\vec n\) bestimmen. Aus der ersten Gleichung und der zweiten Gleichung:$$n_1+n_2+n_3+n_4=0\quad;\quad n_3+n_4=0$$ folgt sofort, dass \(n_1+n_2=0\) gelten muss, bzw.:$$n_2=-n_1$$Aus der letzten Gleichung folgt:$$n_4=n_1$$und aus der zweiten Gleichung folgt:$$n_3=-n_4=-n_1$$Wir können also alle Komponenten von \(\vec n\) durch \(n_1\) ausdrücken:

$$\vec n=\begin{pmatrix}n_1\\n_2\\n_3\\n_4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}n_1\\-n_1\\-n_1\\n_1\end{pmatrix}=n_1\begin{pmatrix}1\\-1\\-1\\1\end{pmatrix}$$Wenn du jetzt \(n_1=\frac{1}{\sqrt{1^2+(-1)^2+(-1)^2+1^2}}=\frac{1}{2}\) wählst, hat der Normalenvektor die Länge \(1\) und es folgt:$$\vec n^0=\begin{pmatrix}1/2\\-1/2\\-1/2\\1/2\end{pmatrix}$$

Was sind in dem Fall n1 n2 n3 n4? Welche Vektoren muss ich denn skalar multiplizieren?

Die \(n_1\), \(n_2\), \(n_3\), \(n_4\) sind die Komponenten des Normalenvektor \(\vec n\), der auf allen 3 Vektoren aus der Basis senkrecht steht. Das heißt, jeder Basisvektor muss multipliziert mit \(\vec n\) den Wert \(0\) ergeben. Daraus kann man \(\vec n\) wie gezeigt bestimmen.

Okay, vielen Dank! Kann ich dir eventuell Fragen stellen, falls welche auftauchen?

Klar. Wenn sich die Fragen auf die konkrete Aufgabe beziehen, dann gerne hier... Sonst mach bitte einen neuen Thread auf.

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