Rechtwinkliges Dreieck

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Rechtwinkliges Dreieck
Rechtwinkliges Dreieck

Ein rechtwinkliges Dreieck ist ein Dreieck mit einem rechten Winkel. Es bildet die Grundlage für den Satz des Pythagoras, für Sinus und Kosinus und weitere trigonometrische Funktionen.

Bezeichnungen

Als Hypotenuse bezeichnet man die längste Seite eines rechtwinkligen Dreiecks. Sie liegt dem rechten Winkel gegenüber.

Als Kathete (aus dem griechischen káthetos, das Herabgelassene, Senkblei) wird jede der beiden kürzeren Seiten in einem rechtwinkligen Dreieck bezeichnet. Die Katheten sind also die beiden Seiten des rechtwinkligen Dreiecks, die den rechten Winkel bilden. In Bezug auf einen der beiden spitzen Winkel (in der Skizze α) des Dreiecks unterscheidet man die Ankathete dieses Winkels (die dem Winkel anliegende Kathete) und die Gegenkathete (die dem Winkel gegenüberliegende Kathete).

Berechnung und Konstruktion

Konstruktion SWW-Fall, gegeben sind Hypotenuse c und Winkel β
SSS-Fall: kleinstes Tripel: (3,4,5)

Ein rechtwinkliges Dreieck ist durch drei Bestimmungsstücke vollständig bestimmt: den rechten Winkel, eine Seite sowie eine weitere Seite oder einen weiteren Winkel. Des Weiteren ist die Höhe ha gleich der Kathete b sowie die Höhe hb gleich der Kathete a.

  • Sind beide Katheten gegeben, so lässt sich das Dreieck nach dem SWS-Fall behandeln.
Die Kathete b senkrecht auf die Kathete a anordnen. Der Abstand |AB| ergibt die fehlende Hypotenuse c und somit das Dreieck ABC.
  • Sind eine Kathete und die Hypotenuse gegeben, so wird der SSW-Fall angewandt.
Die Hypotenuse halbieren und über den Mittelpunkt M den Thaleskreis ziehen. Ist z. B. die Kathete b gegeben, schneidet der Kreisbogen um A mit dem Radius b den Thaleskreis in C. Die Verbindung C mit B vollendet das Dreieck ABC.
  • Sind eine Seite und ein nicht-rechter Winkel gegeben, so lässt sich über die Winkelsumme der dritte Winkel bestimmen. Danach kann man das Dreieck nach dem WSW- bzw. SWW-Fall behandeln.
Ist z. B. die Kathete a und der Winkel β gegeben (WSW-Fall), wird ab B eine gerade Linie gezogen, die mit der Kathete a den Winkel β bildet. Die abschließende Senkrechte auf a ab C schneidet die gerade Linie in A und erzeugt somit das Dreieck ABC.
Ist z. B., wie im nebenstehenden Bild zu sehen, die Hypotenuse c und der Winkel β gegeben (SWW-Fall), wird c halbiert und über den Mittelpunkt M der Thaleskreis gezogen. Beim Festlegen des Winkels β mit Scheitel B ergibt sich C auf dem Thaleskreis und damit die Kathete a. Die Verbindung C mit A liefert die Kathete b und vollendet somit das rechtwinklige Dreieck ABC.
Mathematische Formeln zum rechtwinkligen Dreieck
Umfang (und Halbumfang) U=a+b+c,U=2ρ+4r,U=ρ+ρa+ρb+ρc,s=U2

Rechtwinkliges Dreieck, Größen des Dreiecks

Flächeninhalt A=ab2,A=ρ(ρ+2r),A=ρρc=ρaρb,A=s(sc)=(sa)(sb)
Hypotenuse c=a2+b2,c=a2a2hc2,c=b2b2hc2 c=asin(α)=bcos(α),c=bsin(β)=acos(β)
Kathete a=c2b2,a=bhcb2hc2,a=c2(cc24hc2) a=csin(α)=ccos(β),a=btan(α)=bcot(β)
b=c2a2,b=ahca2hc2,b=c2(c+c24hc2) b=ccos(α)=csin(β),b=acot(α)=atan(β)
Höhe hc=abc,1hc2=1a2+1b2 hc=bsin(α)=acos(α),hc=asin(β)=bcos(β)
Winkel α+β=γ=90 α=arcsin(ac)=arccos(bc),α=arctan(ab)=arccot(ba)
β=arcsin(bc)=arccos(ac),β=arctan(ba)=arccot(ab)
Inkreisradius ρ=ab(a+b)+c=(a+b)c2=sc
Ankreisradien ρa=abc(ab)=c+(ab)2=sb,ρb=abc+(ab)=c(ab)2=sa,ρc=ab(a+b)c=(a+b)+c2=s ρa+ρ=a,ρb+ρ=b,ρcρ=ρa+ρb=c,ρc+ρ=a+b,ρaρb=ab
Umkreisradius r=c2

Sätze

Pythagoras

Vorlage:Hauptartikel

  • Die Beziehung zwischen den Längen der Katheten und der Hypotenuse beschreibt der Satz des Pythagoras, der auch als Hypotenusensatz bezeichnet wird. (Der Satz lautet: Sind a und b die Seitenlängen der Katheten eines rechtwinkligen Dreiecks und ist c die Seitenlänge der Hypotenuse, so gilt die Gleichung a2+b2=c2). Der Satz des Pythagoras ist ein Spezialfall des Kosinussatzes. Der Kosinus von 90 ist 0, wodurch sich die Formel deutlich vereinfacht.
  • Anders formuliert besagt der Satz des Pythagoras, dass die Summe der Flächeninhalte der beiden Quadrate über den Katheten gleich dem Flächeninhalt des Quadrats über der Hypotenuse ist. Aus dieser Tatsache folgen der Kathetensatz und der Höhensatz (siehe auch Satzgruppe des Pythagoras). Die Höhe h=hc eines rechtwinkligen Dreiecks teilt die Hypotenuse in zwei Teile p und q, sodass die beiden Teildreiecke mit den Seiten p, a, h und q, h, b wiederum rechtwinklig sind. Bei Kenntnis zweier der sechs Angaben (a, b, c, p, q und h) lassen sich die fehlenden vier anderen Werte aus den in folgender Tabelle aufgeführten Formeln berechnen.
Satz des Pythagoras c2=a2+b2
Kathetensatz a2=cp
b2=cq
Höhensatz h2=pq

Thales

Vorlage:Hauptartikel

Höhensatz, Kathetensatz und trigonometrische Funktion

Vorlage:Hauptartikel

  • Der Fußpunkt der Höhe teilt die Hypotenuse in zwei Hypotenusenabschnitte. Der Kathetensatz und der Höhensatz machen Aussagen über die Längen dieser Teilstrecken.
  • Die trigonometrischen Funktionen beschreiben die rechnerischen Zusammenhänge zwischen den Winkeln und den Seitenverhältnissen.

Satz von Eddy

Der Satz wurde erst im Jahr 1991 formuliert, „ist aber sicher schon sehr viel älter“.[1]

Bild 2: Beweis durch Kreiswinkelsatz (Zentriwinkelsatz)
Bild 1: Beweis durch Symmetrie

Vorlage:Zitat

Es sei ein beliebiges Dreieck ABC mit der Hypotenuse c, dem Hypotenusenquadrat c2 und mit der Winkelhalbierenden wh des rechten Winkels am Scheitel C. Die Winkelhalbierende wh schneidet im Punkt F sowie im Punkt G das Hypotenusenquadrat c2 in zwei Vierecke ADGF und GEBF.

Beweise

A) Beweis durch Symmetrie, Bild 1,[1][2] gleichermaßen der Geometrische Beweis durch Ergänzung für den Satz des Pythagoras.

B) Ansatz für einen alternativen Beweis, Bild 2:

  • Die beiden Dreiecke IFM und IGJ müssen kongruent sein.
  • Dies trifft nur zu, wenn die Winkelhalbierende wh durch den Mittelpunkt des Hypotenusenquadrates c2 verläuft.

Zuerst wird der Mittelpunkt M der Hypotenuse c bestimmt, anschließend der Kreis k1 mit dem Radius |MB| um M eingezeichnet und die Mittelsenkrechte des Durchmessers |AB| mit den soeben erzeugten Schnittpunkten H, I und J eingetragen. Der Schnittpunkt I entspricht dem Mittelpunkt des Hypotenusenquadrates c2. Abschließend noch den Punkt A mit I verbinden.

Das einbeschriebene Dreieck AIC hat am Scheitel M den Zentriwinkel mit der Winkelweite gleich 90. Nach dem Kreiswinkelsatz (Zentriwinkelsatz) hat der Winkel ACI folglich die Winkelweite 45, damit verläuft die Winkelhalbierende wh ebenfalls durch den Mittelpunkt I des Hypotenusenquadrates c2.

Somit bestätigt sich, die beiden Dreiecke IFM und IGJ sind kongruent, demzufolge haben auch die Vierecke ADGF und GEBF gleiche Flächeninhalte.

Weitere Sätze

  • In dem rechtwinkligen Dreieck ABC schneiden die Kreise um A und B mit den Radien |AC|, bzw. |BC| die Hypotenuse AB in den Punkten D und E.
Dann hat die Strecke DE dieselbe Länge wie der Durchmesser des Inkreises (Figuren 1 und 2).
Beweis:
Die Differenz aus der Summe der Kathetenlängen und der Hypotenusenlänge beträgt (x+r)+(y+r)(x+y)=2r (Figur 2).
Somit hat die Überlappung der bis zur Hypotenuse gedrehten Katheten die Länge 2r=DE (Figuren 1 und 2).
  • In dem rechtwinkligen Dreieck ABC ist die Summe der Inkreisradien r, r1 und r2 der Dreiecke ABC, ADC und DBC gleich der Länge der Höhe CD (Figuren 2, 3 und 4).
Beweis:
2r+2r1+2r2=(AC+BCAB)+(AD+CDAC)+(BD+CDBC)=2CD (Figuren 2, 3 und 4).
Hieraus folgt die Behauptung, nämlich r+r1+r2=CD[3][4]
  • In einem rechtwinkligen Dreieck halbiert die Winkelhalbierende des rechten Winkels auch den von der Höhe und der Seitenhalbierenden auf der Hypotenuse eingeschlossenen Winkel (Figur 5).
Figur 5
Figur 6
Beweis:
In dem gelben rechtwinkligen Dreieck sind CD die Winkelhalbierende, CH die Höhe und CM die Seitenhalbierende des rechten Winkels. Es ist zu zeigen, dass CD auch den Winkel MCH halbiert.
Das Dreieck ist dargestellt als Teil eines Quadrats mit der Seitenlänge b. Die Strecken CH, CD und CM sind bis zu ihren jeweiligen Schnittpunkten Q bzw. R bzw. S mit den Quadratseiten verlängert. Die Behauptung folgt dann aus der paarweisen Kongruenz der rechtwinkligen Dreiecke ABC, CQP und CAS (Übereinstimmung in ihren Kathetenlängen a und b und dem eingeschlossenen rechten Winkel) sowie der daraus resultierenden Kongruenz der Dreiecke CRQ und CSR, aus denen sich das zu der Diagonalen CR symmetrische (Drachen-)Viereck CSRQ zusammensetzt.
  • Verbindet man in einem rechtwinkligen Dreieck die Kathetenmittelpunkte mit dem Höhenfußpunkt auf der Hypotenuse, so hat das aus den beiden Verbindungsstrecken und den beiden jeweils halben Katheten gebildete Viereck einen rechten Innenwinkel beim Höhenfußpunkt (Figur 6).
Beweis:
HK ist die Seitenhalbierende von CA im rechtwinkligen Dreieck CAH und HL die Seitenhalbierende von CB im rechtwinkligen Dreieck BCH. Deshalb ist |HK| Thaleskreisradius von CAH und |HL| Thaleskreisradius von BCH. Daraus folgt, dass das Dreieck AHK gleichschenklig mit der Schenkellänge b2 und den Basiswinkeln HAK und KAH und das Dreieck HBL gleichschenklig mit der Schenkellänge a2 und den Basiswinkeln BHL und LBH ist. Da die Winkel HAK und KHA bzw. LBH und BHL jeweils dieselben Weiten haben und das Dreieck ABC rechtwinklig ist, addieren sich die Winkelweiten von KHA und BHL zu 90. Damit hat auch der Winkel LHK die Weite 90, woraus die Behauptung folgt.[5]
Folgerung:
Wegen der Längengleichheit der Strecken CL und LH sowie der Strecken CK und KH ist das grüne Viereck CKHL ein spezielles Drachenviereck mit zwei gegenüberliegenden rechten Winkeln. Seine diagonale Symmetrieachse LK teilt es in die rechtwinkligen Dreiecke KLC und LKH, die einen gemeinsamen Thaleskreis besitzen. Hieraus folgt, dass das Drachenviereck CKHL auch ein Sehnenviereck ist.
  • Der Inkreisradius r eines rechtwinkligen Dreiecks mit den Kathetenlängen a und b und der Hypotenusenlänge c ist auf zwei Arten in Abhängigkeit von den drei Seitenlängen darstellbar (Figur 7):
r=aba+b+c
r=a+bc2
Figur 8
Figur 7
Der Beweis basiert auf den Eigenschaften des Inkreises im rechtwinkligen Dreieck. Mit Hilfe von Figur 7 ergibt sich
ab=r(a+b+c),
woraus unmittelbar die erste Behauptung folgt.
In Figur 8 lässt sich
c=(ar)+(br)
ablesen. Durch einfache Umformung erhält man sofort die zweite Behauptung.[6]

Beziehungen zum Goldenen Schnitt

Goldener Schnitt im rechtwinkligen Dreieck

Gegeben sei ein rechtwinkliges Dreieck ABC, in dem die beiden Kathetenlängen a und b sowie die Hypotenusenlänge c in dieser Reihenfolge die ersten drei Glieder einer geometrischen Folge bilden, also a=1, b=q und c=q2 mit q+. Es seien c1 die Länge des längeren Hypotenusenabschnitts, c2 die des kürzeren Hypotenusenabschnitts, h die Höhe auf c und H der Fußpunkt von h. Dann gilt:

b=Φ,
c=Φ.

Hieraus folgt unmittelbar:

b ist das geometrische Mittel von a und c,
c1=1,
c2=Φ1,
h=1Φ,
die Dreiecke CAH, BCH und ABC sind paarweise zueinander ähnlich.

Beweis der ersten beiden Behauptungen:

a2+b2=c21+q2=q4q4q21=0.

Da eine Streckenlänge stets positiv ist, gilt somit

b=Φ und c=Φ.[7]

Vorlage:Siehe auch

Ungleichungen

Vorlage:Hauptartikel

Abb. 1: a+bc2
Abb. 2: a+b=c2

Für die Katheten a und b gilt (ab)20, also a2+b22ab. Addition von a2+b2 ergibt 2a2+2b2a2+2ab+b2, also 2(a2+b2)(a+b)2. Nach dem Satz des Pythagoras folgt daraus c2(a+b)22 und die Ungleichungen

ca+b22ab

Die rechte Ungleichung ist ein Spezialfall der Ungleichung vom arithmetischen und geometrischen Mittel.

Die linke Ungleichung wird auch als Dreiecksungleichung für rechtwinklige Dreiecke bezeichnet (siehe Abb. 1 für den Fall der Ungleichheit und Abb. 2 für den Fall der Gleichheit).[8][9]

Division von 4ab(a+b)2 durch die linke Ungleichung ergibt 4abc2(a+b). Wegen hc=abc folgt daraus

hca+b22

Aus c2=a2+b22ab folgt wegen a>0, b>0, c>0 für die Kehrwerte 1c212ab, also 1c12ab. Multiplikation mit ab auf beiden Seiten ergibt abcab2. Wegen hc=abc folgen daraus die genaueren Ungleichungen

hcab2a+b22

Die Gleichungen c=a+b2=2ab und hc=ab2=a+b22 gelten genau dann, wenn a=b, also für ein rechtwinkliges und gleichschenkliges Dreieck mit den Innenwinkeln 45, 45 und 90.

Ausgezeichnete Punkte

Rechtwinkliges Dreieck mit den vier „klassischen“ ausgezeichneten Punkten U, S, I und H, darüber hinaus der Mittelpunkt des Feuerbachkreises F mit dessen neun ausgezeichneten Punkten (davon nur fünf sichtbar) und der Eulerschen Geraden e.

Vorlage:Hauptartikel Wie aus dem Bild ersichtlich, liegt von den vier „klassischen“ ausgezeichneten Punkten im rechtwinkligen Dreieck, der Höhenschnittpunkt H (hellbraun) direkt im Scheitel des rechten Winkles, Eckpunkt C, und der Umkreismittelpunkt U (hellgrün) in der Mitte der Dreieckseite c. Der Schwerpunkt S (dunkelblau) sowie der Inkreismittelpunkt I (rot) sind innerhalb des Dreiecks.

Der Mittelpunkt F des Feuerbachkreises (beides hellblau) ist in der Mitte der Strecke HU und ebenfalls innerhalb des Dreiecks. Auf dem Feuerbachkreis liegen dessen neun ausgezeichnete Punkte, von denen aber, aufgrund der Position des Höhenschnittpunktes H, nur fünf zu sehen sind. Es sind dies die Seitenmittelpunkte J,M und O sowie die Höhenfußpunkte D und G. Zwei der drei Mittelpunkte der sogenannten oberen Höhenabschnitte, nämlich E und N, liegen auf den Seitenmittelpunkten J bzw. M. Der dazugehörende dritte Mittelpunkt K liegt auf dem Scheitelpunkt C. Schließlich findet man den dritten Höhenfußpunkt L auf dem Höhenschnittpunkt H.

Die Bezeichnungen der ausgezeichneten Punkte und deren Positionen sind mit denen des spitzwinkligen Dreiecks vergleichbar.[10] Die Punkte U, S, F und H befinden sich, wie bei allen Dreiecken, auf der Eulerschen Gerade e (rot).

Andere Dreiecke

Vorlage:Commonscat Vorlage:Wiktionary Vorlage:Wiktionary

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 Vorlage:Literatur
  2. Vorlage:Internetquelle
  3. Ross Honsberger: Gitter - Reste - Würfel Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1984, ISBN 978-3-528-08476-9, Seite 29
  4. Huseyin Demir, Leon Bankoff: Problem E 1197, American Mathematical Monthly, Los Angeles, (Kalifornien) (1956), Seite 493
  5. Claudi Alsina, Roger B. Nelsen: Perlen der Mathematik - 20 geometrische Figuren als Ausgangspunkte für mathematische Erkundungsreisen, Springer Spektrum, Springer-Verlag GmbH Berlin 2015, ISBN 978-3-662-45460-2, Seite 81–83
  6. Roger B. Nelsen: Beweise ohne Worte, Deutschsprachige Ausgabe herausgegeben von Nicola Oswald, Springer Spektrum, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-50330-0, Seite 28
  7. Hans Walser: Der Goldene Schnitt - Geometrische und zahlentheoretische Betrachtungen, 7., überarbeitete und erweiterte Auflage, Springer Spektrum, Berlin 2023, ISBN 978-3-662-68556-3, Seite 41
  8. Roger B. Nelsen: Beweise ohne Worte, Deutschsprachige Ausgabe herausgegeben von Nicola Oswald, Springer Spektrum, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-50330-0, Seite 18
  9. Canadian Mathematical Olympiad 1969 Problem 3, veröffentlicht von der Canadian Mathematical Society
  10. Vorlage:Internetquelle