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Topos Uranos

Zusammenfassung

Diese Lektion dehnt die Dreiecksberechnung, die sich mit den trigonometrischen Verhältnissen auf rechtwinklige Dreiecke beschränkte, auf alle Dreiecke aus: Sind drei ihrer Stücke unter den Seiten und Winkeln gegeben, so bestimmt sie die übrigen. Sie beweist, dass der Flächeninhalt eines Dreiecks die Hälfte des Produkts zweier Seiten mit dem Sinus des von ihnen eingeschlossenen Winkels ist, leitet daraus den Sinussatz und seinen Zusammenhang mit dem Radius des Umkreises her, beweist mit Koordinaten den Kosinussatz, der den Satz des Pythagoras als Sonderfall enthält, und gewinnt aus beiden die heronsche Formel, die den Flächeninhalt aus den drei Seiten liefert. Mit diesen Werkzeugen untersucht sie die Fälle der Dreiecksberechnung, insbesondere den mehrdeutigen Fall, in dem zwei Seiten und der einer von ihnen gegenüberliegende Winkel kein, ein oder zwei Dreiecke bestimmen, je nach der Diskriminante und den Vorzeichen der Lösungen einer quadratischen Gleichung. Schließlich misst sie den Winkel zwischen zwei Vektoren mithilfe des Skalarprodukts und zeigt, dass diese Formel und der Kosinussatz zwei Lesarten ein und derselben Tatsache sind; die Aufgaben wenden diese Ergebnisse auf die Seitenhalbierenden, auf die Messung unzugänglicher Entfernungen und auf die Diagonalen eines Parallelogramms an.

Lernziele

  1. Den Flächeninhalt eines Dreiecks aus zwei Seiten und dem von ihnen eingeschlossenen Winkel oder aus seinen drei Seiten mit der heronschen Formel berechnen.
  2. Den Sinussatz und den Kosinussatz beweisen und erkennen, auf welchen der beiden man sich je nach den verfügbaren Angaben am besten stützt.
  3. Ein Dreieck aus seinen drei Seiten, aus zwei Seiten und dem eingeschlossenen Winkel oder aus einer Seite und zwei Winkeln berechnen und die Anzahl der Lösungen diskutieren, wenn zwei Seiten und der einer von ihnen gegenüberliegende Winkel gegeben sind.
  4. Den Winkel zwischen zwei Vektoren mit dem Skalarprodukt berechnen und die Dreiecksberechnung auf geometrische Aufgaben und Messaufgaben anwenden.

Bezeichnungen und bekannte Tatsachen

In der Lektion über die trigonometrischen Verhältnisse wurden Sinus, Kosinus und Tangens eines spitzen Winkels als Quotienten von Seiten eines rechtwinkligen Dreiecks definiert und danach mithilfe des Einheitskreises auf jeden Winkel ausgedehnt. Ein rechtwinkliges Dreieck wird daher mit diesen Verhältnissen und mit dem Satz des Pythagoras berechnet. Nun haben die meisten Dreiecke, die in der Geometrie und in der Landvermessung vorkommen, keinen rechten Winkel; Ziel dieser Lektion ist es, sie alle zu berechnen.

In einem Dreieck mit den Ecken AA, BB und CC bezeichnet derselbe Großbuchstabe die Ecke und das Maß des Innenwinkels des Dreiecks an dieser Ecke, und der entsprechende Kleinbuchstabe bezeichnet die Länge der gegenüberliegenden Seite: aa ist die Länge der Seite BCBC, bb die der Seite CACA und cc die der Seite ABAB. Der Flächeninhalt des Dreiecks wird mit SS bezeichnet, der Abstand zweier Punkte PP und QQ mit d⁡(P,Q)\operatorname{d}(P, Q). Wie bei der Dreiecksberechnung üblich, werden die Winkel in Grad angegeben. Nun sind die trigonometrischen Funktionen für reelle Zahlen definiert, die Maße im Bogenmaß sind; nach der Umrechnungsregel der Lektion über Winkel und ihre Messung misst ein Winkel von gg Grad πg180\frac{\pi g}{180} Radiant, und man vereinbart Folgendes: sin⁡g∘\sin g^\circ bezeichnet sin⁡πg180\sin \frac{\pi g}{180}, und ebenso bei den anderen Funktionen; zum Beispiel cos⁡60∘=cos⁡π3=12\cos 60^\circ = \cos \frac{\pi}{3} = \frac{1}{2}. Ebenso liefert der Arkuskosinus, der Werte in [0,π]\icc{0}{\pi} annimmt, das Bogenmaß eines Winkels, das in Grad angegeben wird: Die Gleichung arccos⁡(−12)=120∘\arccos \left( -\frac{1}{2} \right) = 120^\circ bedeutet, dass arccos⁡(−12)=2π3\arccos \left( -\frac{1}{2} \right) = \frac{2\pi}{3} gilt, das Bogenmaß eines Winkels von 120∘120^\circ. Mit dieser Vereinbarung gilt alles Folgende ebenso im Bogenmaß, wenn man 180∘180^\circ durch π\pi ersetzt. Wie in der Lektion über Winkel und ihre Messung wird eine Tatsache der elementaren Geometrie vorausgesetzt, die dieser Kurs nicht beweist, weil er die synthetische Geometrie nicht entwickelt: Die drei Winkel eines Dreiecks ergeben zusammen zwei rechte Winkel.

A+B+C=180∘A + B + C = 180^\circ

Daraus folgt, dass jeder Winkel eines Dreiecks echt zwischen 0∘0^\circ und 180∘180^\circ liegt und dass höchstens einer von ihnen ein rechter oder ein stumpfer Winkel ist. Aus den vorangehenden Lektionen dieser Einheit werden außerdem die folgenden Tatsachen verwendet:

  • Der Punkt im Abstand rr vom Ursprung, auf dem Strahl, der mit der positiven waagerechten Halbachse den Winkel θ\theta bildet, hat die Koordinaten (rcos⁡θ,rsin⁡θ)\left( r \cos \theta, r \sin \theta \right): Er ist der zu θ\theta gehörige Punkt des Einheitskreises, multipliziert mit rr.
  • Der trigonometrische Pythagoras, sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1, und die Symmetrien des Supplementwinkels, sin⁡(180∘−θ)=sin⁡θ\sin \left( 180^\circ - \theta \right) = \sin \theta und cos⁡(180∘−θ)=−cos⁡θ\cos \left( 180^\circ - \theta \right) = -\cos \theta.
  • Gilt 0∘<θ<180∘0^\circ < \theta < 180^\circ, so ist der Sinus von θ\theta positiv; der Kosinus ist positiv, wenn θ\theta spitz ist, null, wenn er ein rechter Winkel ist, und negativ, wenn er stumpf ist.
  • Der Kosinus ist zwischen 0∘0^\circ und 180∘180^\circ streng monoton fallend und nimmt in diesem Intervall jeden Wert zwischen −1-1 und 11 genau einmal an; deshalb ist nach der Lektion über die Arkusfunktionen ein Winkel eines Dreiecks durch seinen Kosinus bestimmt, θ=arccos⁡x\theta = \arccos x.

Der Sinus hingegen bestimmt einen Winkel eines Dreiecks nicht: Die Winkel θ\theta und 180∘−θ180^\circ - \theta haben denselben Sinus, und der Arkussinus liefert nur den spitzen. Diese Asymmetrie zwischen Sinus und Kosinus wird im vorletzten Teil der Lektion erklären, warum gewisse Angaben zwei verschiedene Dreiecke zulassen.