Worum geht es?
Eine -Matrix beschreibt eine lineare Abbildung der Ebene: Jeder Vektor wird auf abgebildet. Der Ursprung bleibt fest, Geraden bleiben Geraden, parallele Geraden bleiben parallel – das Koordinatengitter wird zu einem Gitter aus Parallelogrammen.
Die Spalten sind die Bilder der Einheitsvektoren: , und wegen der Linearität .
Bekannte Abbildungen haben feste Baupläne: Drehung um : , Spiegelung an der Ursprungsgeraden mit Winkel : , Scherung , Streckung , senkrechte Projektion auf die Gerade mit Winkel : .
Verkettung: Erst , dann anwenden ergibt (die zuerst angewendete Matrix steht rechts). Eintrag = Zeile von mal Spalte von . Im Allgemeinen ist .
Determinante: ist der orientierte Flächeninhalt des Bildes des Einheitsquadrats. Alle Flächen werden mit multipliziert, und . Bei kehrt sich der Umlaufsinn um, bei fällt die Ebene auf eine Gerade (oder einen Punkt): Die Abbildung ist nicht umkehrbar.
Inverse: Für gilt
Eigenvektoren: Ein Vektor mit wird nur gestreckt, seine Richtung bleibt erhalten. Die Eigenwerte sind die Lösungen des charakteristischen Polynoms
Ist die Diskriminante negativ (z. B. bei Drehungen um ), sind die Eigenwerte komplex und keine Richtung bleibt erhalten.
Iteration: beschreibt Prozesse in Schritten (Populationen, Kundenwanderung). Langfristig bestimmt der betragsgrößte Eigenwert das Verhalten; ein Eigenvektor zum Eigenwert ist ein Fixvektor (). Bei einer Übergangsmatrix (Einträge , Spaltensummen ) heißt der Fixvektor mit Summe stationäre Verteilung.
Ausprobieren
- Allgemein: Ziehe die Spitzen von und . Drücke „Abbildung abspielen“ oder verschiebe den Regler : Die Einheitsmatrix verformt sich stetig zu .
- Drehung um 90°, Spiegelung an y = x, Scherung, Kreis → Ellipse: Welche Geraden bleiben fest?
- AB ≠ BA: Drücke „Nacheinander abspielen“ und dann „Reihenfolge tauschen“. Die rot gepunktete Figur zeigt die andere Reihenfolge.
- Negative Determinante: Woran erkennst du im Bild, dass ist? Vergleiche mit Grundseite · Höhe des Parallelogramms. Projektion: Was ist der Kern?
- Symmetrische Matrix: Drücke „v einmal herumdrehen“. Wann liegen und auf einer Geraden? Das Diagramm hat dort Nullstellen. Vergleiche mit der Drehung um 60° und der Scherung.
- Inverse: „Hin mit A, zurück mit A⁻¹“. Was passiert bei der singulären Matrix?
- Alltag: Raumschiff drehen, schräge Schrift, Schatten, Spiegelbild im See, Kaleidoskop, Karten-App, Breitbild.
- Iteration: Population stabil, Population wachsend, Kundenwanderung. Ziehe den Startpunkt: Ändert sich das Ziel?
Aufgaben
Aufgabe 1: Matrix aus Bildern
Die Abbildung bildet auf und auf ab. Gib die Matrix an und berechne den Flächenfaktor. Aufgabe laden
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, : Flächen werden verdreifacht. Lösung zeigen
Aufgabe 2: Eigenwerte
Bestimme die Eigenwerte und Eigenvektoren von . Aufgabe laden
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oder ; Eigenvektoren und . Zeigen
Aufgabe 3: Welche Abbildung?
Welche Abbildung beschreibt ? Begründe mit den Bildern der Einheitsvektoren und zeige, dass es keine reellen Eigenwerte gibt.
Lösung anzeigen
und : eine Drehung um gegen den Uhrzeigersinn, . hat keine reelle Lösung (). Zeigen
Aufgabe 4: Reihenfolge
Berechne für und die Produkte und . Was bewirkt jeweils? Aufgabe laden
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(die Spalten von sind vertauscht), (die Zeilen sind vertauscht). Also , aber . Zeigen
Aufgabe 5: Rückweg
Berechne die Inverse von und prüfe sie am Punkt . Aufgabe laden
Lösung anzeigen
, also . Probe: und . Zeigen
Aufgabe 6: Kundenwanderung
Von Anbieter P bleiben jedes Jahr 90 % der Kunden, 10 % wechseln zu Q; von Q wechseln 20 % zu P. Anfangs sind alle Kunden bei P. Berechne die Anteile nach einem und nach zwei Jahren und die stationäre Verteilung. Aufgabe laden
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: , . Stationär: , also , ; mit folgt , . Zeigen
Ideen für den Unterricht
- Einsatz: Lineare Algebra im ersten Studienjahr; in der Oberstufe als Vertiefung im Anschluss an Vektoren, etwa in einem Seminar, im Profilfach oder in der Begabtenförderung. Übergangsmatrizen und Populationsmodelle kommen nur in manchen Lehrplänen direkt vor.
- Vermutungen sammeln: Erst Abbildungen durch Ziehen „bauen“ (Drehung, Spiegelung, Scherung), dann die Matrizen notieren und mit den Bauplänen vergleichen.
- Rechnen und Sehen verbinden: Mit „Werte zeigen“ aus rechnen die Lernenden zuerst (Determinante, Produkt, Inverse, Eigenwerte) und prüfen dann im Bild.
- Häufige Stolpersteine:
- Zeilen und Spalten werden vertauscht – die Bilder der Einheitsvektoren stehen in den Spalten.
- Bei wird zuerst angewendet gedacht; tatsächlich wirkt zuerst.
- Die Determinante wird als Flächeninhalt ohne Vorzeichen verstanden.
- Eigenvektoren werden für „die Vektoren, die sich nicht ändern“ gehalten – sie dürfen gestreckt oder umgedreht werden ().