Zusammenfassung
Diese Lektion misst mit der Trigonometrie den Winkel, den zwei Geraden der Ebene bilden. Sie definiert den Steigungswinkel einer Geraden und beweist, dass sein Tangens die Steigung ist; mit der Formel für den Tangens einer Differenz gewinnt sie den Tangens des Schnittwinkels zweier Geraden aus ihren Steigungen, der die Orthogonalitätsbedingung als Sonderfall enthält, und mit dem Skalarprodukt gibt sie einen zweiten Ausdruck an, der auch für vertikale Geraden gilt und dessen Übereinstimmung mit dem ersten die Lagrange-Identität ist. Danach kennzeichnet sie die Winkelhalbierenden zweier Geraden als den geometrischen Ort der Punkte, die von beiden gleich weit entfernt sind, beweist, dass sie senkrecht aufeinander stehen, und gewinnt mit ihnen den Inkreismittelpunkt und den Inkreis eines Dreiecks. Zum Schluss werden Anwendungen zusammengestellt: die Höhe eines unzugänglichen Punktes mithilfe des Sinussatzes, die harmonische Schwingung als Schatten einer gleichförmigen Kreisbewegung, die Wurfweite eines Geschosses, die bei am größten und für Komplementwinkel gleich ist, und das Reflexionsgesetz als Eigenschaft des kürzesten Weges.
Lernziele
- Den Steigungswinkel einer Geraden und den Schnittwinkel zweier Geraden aus ihren Steigungen oder aus ihren Richtungsvektoren berechnen und Parallelität und Orthogonalität als Grenzfälle erkennen.
- Die Gleichungen der Winkelhalbierenden zweier Geraden als geometrischen Ort gleich weit entfernter Punkte gewinnen, die Innenwinkelhalbierende eines Dreiecks auswählen und seinen Inkreismittelpunkt und seinen Inkreis berechnen.
- Aufgaben über Höhen und Entfernungen mit Höhen- und Tiefenwinkeln lösen und dabei den Sinussatz mit den Additionstheoremen verbinden.
- Die harmonische Schwingung, die Wurfweite eines Geschosses und die Reflexion des Lichts mit trigonometrischen Funktionen beschreiben und ihre Eigenschaften aus den Identitäten dieser Einheit herleiten.
Der Steigungswinkel einer Geraden
In der Lektion von Kurs I über die Geradengleichung wurde die Richtung einer nicht vertikalen Geraden durch eine Zahl gemessen, ihre Steigung, und es wurde bewiesen, dass zwei nicht vertikale Geraden genau dann senkrecht aufeinander stehen, wenn das Produkt ihrer Steigungen ist. Diese Bedingung erkennt einen besonderen Winkel, den rechten, ohne irgendeinen Winkel zu messen. In der Lektion über die trigonometrischen Verhältnisse wurde außerdem gezeigt, dass der Tangens eines Winkels die Steigung der Geraden ist, die seinen Endschenkel enthält. Wenn dem so ist, ist die Steigung der Tangens eines Winkels, und die Winkel zwischen Geraden müssen sich mit der Trigonometrie berechnen lassen.
Der Steigungswinkel einer Geraden ist der Winkel mit , den die positive waagerechte Halbachse mit der Geraden bildet, gegen den Uhrzeigersinn von der Achse zur Geraden gemessen. Waagerechte Geraden haben den Steigungswinkel , vertikale den Steigungswinkel .
Genauer: Die Parallele zur Geraden durch den Ursprung enthält den Endschenkel eines Winkels und auch den von , weil die Punkte und des Einheitskreises einander gegenüberliegen; genau einer der Winkel der Form liegt in , und dieser ist der Steigungswinkel. Zwei Geraden sind genau dann parallel oder fallen zusammen, wenn sie denselben Steigungswinkel haben, denn dann, und nur dann, haben sie dieselbe Parallele durch den Ursprung.
Eine Gerade mit dem Steigungswinkel ist genau dann vertikal, wenn gilt; ist sie nicht vertikal, so ist ihre Steigung der Tangens ihres Steigungswinkels. Umgekehrt ist der Steigungswinkel einer Geraden mit der Steigung gleich , falls , und gleich , falls .
Alles lässt sich an der Parallelen zur Geraden durch den Ursprung ablesen, die den Punkt des Einheitskreises enthält. Die Abbildung verwendet die Geraden und .
Beweis
Sei eine Gerade mit dem Steigungswinkel , und sei ihre Parallele durch den Ursprung. Nach der Definition des Steigungswinkels enthält den Endschenkel von und insbesondere den Punkt ; ist nicht vertikal, so hat dieselbe Steigung, denn zwei parallele Geraden haben nach der Lektion von Kurs I über die Geradengleichung dieselbe Steigung. In der Abbildung ist .
Die Gerade ist genau dann vertikal, wenn ihre beiden Punkte dieselbe Abszisse haben, das heißt, wenn gilt. In ist die einzige Nullstelle des Kosinus ; und ist genau dann vertikal, wenn ihre Parallele es ist.
Ist nicht vertikal, so ist ihre Steigung die von , also der Quotient aus der Differenz der Ordinaten und der der Abszissen ihrer beiden Punkte.
Umgekehrt sei die Steigung von . Nach dem obigen Schritt ist der Steigungswinkel ein Winkel aus , dessen Tangens ist. Nach der Lektion über trigonometrische Gleichungen sind die Winkel mit dem Tangens die Zahlen , und genau eine davon liegt in : Da in liegt, ist dieser Winkel , falls , und , falls . In der Abbildung hat die Gerade den Steigungswinkel .
Zum Beispiel hat die Gerade den Steigungswinkel und die Gerade den Steigungswinkel . Das Vorzeichen der Steigung unterscheidet so die steigenden Geraden mit spitzem Steigungswinkel von den fallenden mit stumpfem Steigungswinkel.
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