Ahnlichkeit ¨
GEOMETRIE Kapitel 1 WRProfil - Mittelstufe KZN
Ronald Balestra CH - 8046 Z¨urich www.ronaldbalestra.ch
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1. April 2015
Inhaltsverzeichnis
1 Aehnlichkeit 1
1.1 Definition & Eigenschaften . . . 1
1.2 Die Kongruenzabbildungen . . . 2
1.3 Zentrische Streckungen und deren Eigenschaften . . . 3
1.4 Ahnlichkeit im Dreieck¨ . . . 5
1.5 Die Verallgemeinerung des Satzes des Pythagoras . . . 9
1.5.1 EinBeweis f¨ur den Satz des Pythagoras . . . 10
1.5.2 Die Verallgemeinerungen f¨ur¨ahnliche Figuren: . . . 13
1.5.3 Die Verallgemeinerungen aufnicht-rechtwinklige Dreiecke: 14 1.6 Ahnlichkeit im und am Kreis¨ . . . 16
1.6.1 Der Sehnensatz . . . 18
1.6.2 Der H¨ohenabschnittsatz . . . 20
1.6.3 Der Sekantensatz . . . 22
1.6.4 Der Sekanten-Tangentensatz. . . 24
1.6.5 Der Satz des Ptolemaios . . . 26
1.6.6 Die Sehweite . . . 27
1.7 GeoGebra- in der Geometrie . . . 28
1.8 Die Strahlens¨atze . . . 30
1.8.1 Die Umkehrung der Strahlens¨atze . . . 37
1.8.2 Die Linsengleichung . . . 38
I
1 Aehnlichkeit
Beginnen werden wir mit der Einf¨uhrung des Begriffs derAhnlichkeit. Wir wer-¨ den definieren, was zueinander ¨ahnliche Figuren sind und interessante Eigen- schaften von ¨ahnlichen Figuren kennenlernen. Eigenschaften, auf die wir u.a.
bei der Einf¨uhrung der Trigonometrie angewiesen sein werden. Kurz werden wir uns auch mit derAhnlichkeit im und am Kreis¨ besch¨aftigen, bevor wir uns mit denStrahlens¨atzenund deren Anwendungen auseinandersetzen.
1.1 Definition & Eigenschaften
Aus dem Alltag wissen wir, was zueinander ¨ahnliche Figuren auszeichnen: . . .
Mathematisch wird der Begriff wie folgt definiert:
Def.: Zwei geometrische FigurenAundB heissen¨ahnlich :⇔
es existiert eineAhnlichkeitsabbildung, welche¨ AaufB abbildet.
Bem. : • Schreibweise: A∼B
• Eine Ahnlichkeitsabbildung¨ ist eine Ver- kn¨upfung von zentrischen Streckungen mit Kongruenzabbildungen.
Kongruenzabbildungen kennen wir schon, es sind dies
– – – –
und diese zeichnen sich durch die Eigenschaf- ten aus, dass . . .
w¨ahrend bei einer zentrischen Streckung nur die Form erhalten bleibt.
1
1.2 Die Kongruenzabbildungen
Def.: Eine Abbildungf ist eine Vorschrift, die jedem Urbildpunkt P einer geometrischen Figur genau einen BildpunktP0 einer geome- trischen Figur zuordnet.
Def.: Zwei geometrische Figuren heissen kongruentgenau dann wenn sie deckungsgleich sind.
Def.: Eine Abbildung heisst eine Kongruenzabbildung genau dann wenn sie jedes Urbild auf ein dazu kongruentes Bild abbildet.
Mit den Ausf¨uhrung der Kongruenzabbildungen werden wir uns sp¨ater in einer weiteren Anwendung vonGeoGebrabesch¨aftigen...
2
1.3 Zentrische Streckungen und deren Eigenschaften
Beispiel 1.1 Strecke das Dreieck∆ABC mit demStreckungsfaktork= 2 bez¨uglich demZentrumZ.
Wir k¨onnen feststellen, dass durch die zentrische Streckung Geraden in par- allele Geraden ¨uberf¨uhrt werden und dadurch die Winkel erhalten bleiben.
Somit folgt:
In zueinander ¨ahnlichen Figuren sind die entsprechenden Winkel gleich gross.
Aber beachte, dass die Gleichheit entsprechender Winkel f¨ur die ¨Ahnlichkit zweier Figuren nicht hinreichend ist!
3
Wir k¨onnen weiter feststellen, dass durch die zentrische Streckung die Verh¨alt- nisse der entsprechenden Seitenl¨angen erhalten bleiben:
Somit folgt:
In zueinander ¨ahnlichen Figuren sind die entsprechenden Seiten- verh¨altnisse gleich gross.
Aber beachte, dass die Gleichheit der Verh¨altnisse entsprechender Seitenl¨angen nicht hinreichend f¨ur die ¨Ahnlichkeit der Figuren ist:
Jedoch gilt, dass wenn die Gleichheit der entsprechenden Winkel und die Gleichheit der entsprechenden Seitenverh¨altnisse erf¨ullt sind, die Figuren zuein- ander ¨ahnlich sind.
Wir fassen zusammen:
4
1.4 Ahnlichkeit im Dreieck ¨
F¨ur Dreiecke gelten die folgenden Ahnlichkeitss¨¨ atze, die wir hier ohne Beweis zusammenstellen:
1. ¨Ahnlichkeitssatz:
Dreiecke sind zueinander ¨ahnlich, wenn sie in zwei Winkel ¨ubereinstim- men.
2. ¨Ahnlichkeitssatz:
Dreiecke sind zueinander ¨ahnlich, wenn sie in einem Winkel und dem Verh¨altnis der anliegenden Seiten ¨ubereinstimmen.
5
3. ¨Ahnlichkeitssatz:
Dreiecke sind zueinander ¨ahnlich, wenn sie in zwei entsprechenden Sei- tenverh¨altnissen ¨ubereinstimmen.
4. ¨Ahnlichkeitssatz:
Dreiecke sind zueinander ¨ahnlich, wenn sie im Verh¨altnis zweier Seiten und dem Gegenwinkel der gr¨osseren Seite ¨ubereinstimmen.
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Aufgaben : • Repetiere die Kongruenzs¨atze und vergleiche mit den ¨Ahnlichkeitss¨atzen f¨ur Dreiecke:
• Zeige an Beispielen, dass die ¨Ahnlichkeitss¨atze der Dreiecke nicht f¨ur beliebige Vielecke gelten.
7
Beispiel 1.2 Strecke das Dreieck ∆ABC mit den Streckungsfaktoren k1= 0.5 undk2=−1 bez¨uglich demZentrum D.
und diskutiere die folgende Frage:
Wie verhalten sich die Fl¨acheninhalte zweier zueinander ¨ahnlichen Dreiecke?
Uberlege Dir die F¨¨ allek= 3,2,0.5,−1,undk∈Rbeliebig.
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1.5 Die Verallgemeinerung des Satzes des Pythagoras
Die Satzgruppe besteht aus folgenden S¨atzen:
•
•
•
Voraussetzung f¨ur alle S¨atze ist
9
1.5.1 Ein Beweis f¨ur den Satz des Pythagoras
10
Aufgaben : In allen Aufgaben soll es sich um ein rechtwinkli- ges Dreieck ∆ABC mit den ¨ublichen Bezeichnungen handeln.
Berechne jeweils die fehlende Seite:
Seitea Seiteb Seitec
1 3 5
2 12 13
3 7 24
4 15 17
5 21 20
6 40 41
7 45 53
11
Ein ¨Uberblick ¨uber die Anwendungen:
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1.5.2 Die Verallgemeinerungen f¨ur¨ahnliche Figuren:
13
1.5.3 Die Verallgemeinerungen auf nicht-rechtwinklige Dreiecke:
im Fallγ= spitz
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Beweis:
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1.6 Ahnlichkeit im und am Kreis ¨
Bevor wir uns mit der Ahnlichkeit im und am Kreis¨ besch¨aftigen noch einige Begriffe und Eigenschaften:
• Zentriwinkel, PeripheriewinkelundSehnen-Tangentenwinkel:
Es gilt folgender Satz:
Alle Peripheriewinkel ¨uber er gleichen Sehne sind gleich gross, halb so gross wie der zugeh¨orige Zentriwinkel und gleich gross wie die zugeh¨origen Sehnen-Tangentenwinkel.
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Im folgenden werden f¨unf S¨atze/ Behauptungen aufgestellt und mehr oder weniger ausf¨uhrlich bewiesen.
Die Beweisidee ist jeweils immer dieselbe:
Wir versuchen mit Hilfe der ¨Ahnlichkeitss¨atze zueinander ¨ahnliche Hilfsdreiecke zu bestimmen und nutzen dann die Eigenschaften ¨ahn- licher Figuren ( ”gleiche Winkel” , ”Seitenverh¨altnisse” )aus, um die Aussagen zubeweisen.
Aufgaben : Deine Aufgabe besteht nun darin,
• alle Aussagen zu verstehen und
• die Beweise so aufzuarbeiten, dass Du deine Unklarheiten formulieren kannst.
• In Gruppen sollt ihr anschliessend einen Beweis so aufarbeiten, dass ihr ihn nachvollziehen und euren SchulkollegInnen erkl¨aren kannst.
Abschliessend ist die Aussage geometrisch zu interpretieren und in einer Fl¨achenumwand- lungumzusetzen, welche damit unter Verwen- dung vonGeoGebrakonstruiert werden soll.
Gruppeneinteilung:
• Sehnensatz: . . .
• H¨ohenabschnittsatz: . . .
• Sekantensatz: . . .
• Sekanten-Tangentensatz: . . .
• Satz des Ptolemaios: . . .
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1.6.1 Der Sehnensatz
Werden durch einen beliebigen PunktS in einem Kreis verschiedene Sehnen ge- zogen, so ist das Produkt der jeweiligen Sehnenabschnitte konstant.
uu0 =vv0=ww0 =const
Beweis: Im Sehnenviereck ABCD sind die Winkel ∠ABD und∠ACDals Peripheriewinkel ¨uber derselben Seh- neADgleich gross.
Als Scheitelwinkel sind auch die Winkel∠ASB und
∠DSC gleich gross.
Wir haben somit die zwei zueinander ¨ahnlichen Drei- ecke ∆BAS und ∆DCS.
Aus den Eigenschaften von ¨ahnlichen Figuren folgt:
u:v=v0:u0
und daraus die Behauptung: uu0 =vv0.
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Geometrische Interpretation:
Aufgaben : Verwandle mit Hilfe des Sehnensatzes ein Rechteck mit den Seitenl¨angen a= 7cm undb = 5cm in ein fl¨achengleiches Rechteck mit einer Seitenl¨ange von x= 4cm.
L¨osungsskizze:
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1.6.2 Der H¨ohenabschnittsatz
In einem beliebigen Dreieck ∆ABC zerlegt der H¨ohnenschnittpunkt H die H¨ohen so, dass das Produkt der H¨ohen- abschnitte bei allen drei H¨ohen konstant ist.
uu0=vv0
Beweis: Der Kreis ¨uber derACist ein Thaleskreis und erkl¨art die rechten Winkel.
Mit Hilfe des Sehnensatzes folgt die Behauptung.
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Geometrische Interpretation:
Aufgaben : Verwandle ein Rechteck mit einem Umfang vonu= 24cm in ein fl¨achengleiches Rechteck mit einer Sei- tenl¨ange vonx= 4cm.
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1.6.3 Der Sekantensatz
Werden durch einen Punkt S ausser- halb des Kreises verschiedene Sekanten gezeichnet, so ist das Produkt der jewei- ligen Sekantenabschnitte konstant.
uu0=vv0 , mitu=SC, u0=SD, . . .
Beweis: Die Dreiecke ∆SAC und ∆SBD sind zueinander
¨ahnlich
⇒ u:v=v0:u0
⇒ uu0=vv0
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Geometrische Interpretation:
Aufgaben : Verwandle ein Rechteck mit den Seitenl¨angen a = 7cm und b = 5cm in ein fl¨achengleiches Rechteck mit einer Seitenl¨ange vonx= 4cm.
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1.6.4 Der Sekanten-Tangentensatz
Werden durch einen Punkt S ausser- halb des Kreises eine Tangente und ei- ne Sekante gezeichnet, so ist das Pro- dukt der Sekantenabschnitte gleich dem Quadrat des Tangentenabschnitts.
t2=vv0
Beweis: ∆SAT ∼∆SBT
⇒ v:t=t:v0
⇒ Beh.
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Geometrische Interpretation:
Aufgaben : Verwandle ein Rechteck mit den Seitenl¨angen a = 7cmundb= 5cmin ein fl¨achengleiches Quadrat.
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1.6.5 Der Satz des Ptolemaios
In jedem beliebigen Sehnenviereck ist das Produkt der Diagonalen gleich der Summe der Produkte der Gegenseiten:
ef =ac+bd
Beweis: W¨ahleE aufAC so, dass gilt:∠CBD=∠ABE
⇒∆DAB∼∆CEB
⇒d:f = (e−x) :b
⇒bd=∗ ef −f x
Weiter gilt: ∆DBC∼∆ABE
⇒c:f =x:a
⇒ac∗∗=f x
∗∗in ∗einsetzen
⇒bd=ef −ac
⇔ Beh.
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1.6.6 Die Sehweite
Mit Hilfe der ¨Ahnlichkeitsbeziehungen am Kreis l¨asst sich die Sehweitebestim- men.
Aufgaben : Eine Auge auf der H¨ohe h sieht den Horizont H in der Entfer- nungs.
1. Zeige, dass f¨ur die Sehweite folgendes gilt:
s=p
h2+ 2hr
2. Bestimme die Sehweite s auf der Erde f¨ur die folgenden H¨ohen:
(a) h= 2m (b) h= 100m
(c) h= 2km (d) h= 10km
3. In einer H¨ohe von h= 100m betr¨agt die Sehweite auf dem Mond 18.645km.
Bestimme den Durchmesser des Mondes.
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1.7 GeoGebra - in der Geometrie
Das folgende Skript soll uns einen Einblick in die M¨oglichkeiten vonGeoGebraim Bereich der Geometrie verschaffen und seine Anwendungen in der Fl¨achenum- formung aufzeigen.
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ICT an der KZN
Einf¨uhrung in GeoGebra Geometrie
Ahnlichkeit¨
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1.8 Die Strahlens¨ atze
Wir beginnen zur Einf¨uhrung der Strahlens¨atze mit einer einfachen praktischen Anwendung:
Wie hoch ist der Baum ?
D
lLll
~
Mit einem alten, einfachen Verfahren hat ein F¨orster die Frage schnell be- antwortet. Er braucht nur die Sonne, einen Stab und ein wenig Geometrie.
Ein Baum der L¨angeLwirft eine Schatten der L¨angeD. In den Schatten wird ein Stab der L¨angelso gestellt, dass beide Schattenspitzen zusammenfallen; der Schatten des Stabes hat die L¨anged.
Der F¨orster berechnet die Bauml¨ange nun nach der folgenden Formel:
L D = l
d Beweis: (¨uber die Fl¨acheninhalte)
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Auch im Fall von nicht-senkrecht ste- henden B¨aumen l¨asst sich die H¨ohe mit der gleichen Formel berechnen.
F¨ur den Beweis setzen wir voraus, dass der Stab parallel zum Baum steht.
D
Beweis: (mit Hilfe der ¨Ahnlichkeit)
Die Erhaltung der Seitenverh¨altnis durch die ¨Ahnlichkeit liefert noch viele weitere Verh¨altnisse:
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Die so erhaltenen Proportionen werden in den sog. Strahlens¨atzen zusam- mengefasst:
1. Strahlensatz: Werden die Schenkel eines Winkels von zwei paral- lelen Geraden geschnitten, so verhalten sich die Ab- schnitte auf dem einen Schenkel wie die entsprechen- den Abschnitte auf dem andern Schenkel.
2. Strahlensatz: Werden die Schenkel eines Winkels von zwei paral- lelen Geraden geschnitten, so verhalten sich die Ab- schnitte auf den Parallelen wie die Abschnitte auf den Schenkeln bis zum Scheitel.
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Aufgaben : Die Strahlens¨atze lassen sich auch auf die folgenden Situationen anwenden:
Formuliere in allen Situationen einige weitere g¨ulti- gen Streckenverh¨altnisse.
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Aufgaben : Bestimme jeweils die gesuchten Streckenl¨angen:
1. Mit folgenden Vorgaben:
(a) a= 3, c= 2, g= 5; f = ? (b) a= 3, b= 5, e= 4; d, g= ?
(c) a= 5, b= 4, c= 3, d= 10; f, h= ? (d) d= 5, e= 4, h= 6; a= ?
in der folgenden Situation:
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Aufgaben : 2. Mit folgenden Vorgaben:
(a) c= 4, d= 6, e= 4.5, f = 10; a, b= ? (b) b= 4, c= 2, d= 3, f = 3; g, h= ?
(c) a= 2, g= 6, h= 8; b= ? (d) a= 7, b= 2, g= 10; e= ? in der folgenden Situation:
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Aufgaben : 3. Mit folgenden Vorgaben:
(a) a= 4.5, b= 7.5, e= 5, f= 4; c, d= ? (b) b= 3.5, c= 2, f= 4.8; e= ?
(c) a= 4.5, d= 3, b+e= 12.5; e= ?
(d) a= 4.5, d= 6, b+e= 10, c+f = 7; b, c, e, f = ? (e) a= 3, b= 4, c= 5, e+f+d= 18; d, e, f = ? in der folgenden Situation:
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1.8.1 Die Umkehrung der Strahlens¨atze
Bei beiden Strahlens¨atzen haben wir immer vorausgesetzt, dass die schneiden- den Geraden zueinander parallel sind und deshalb die Verh¨altnisse gelten.
g||h ⇒ a:b=c:d g||h ⇒ e:f =a: (a+b)
Bei der Umkehrung der Strahlens¨atze geht es um die Frage, ob die schnei- denden Geraden zueinander parallel sind, wenn die Verh¨altnisse gelten.
a:b=c:d ⇒? g||h e:f =a: (a+b) ⇒? g||h
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1.8.2 Die Linsengleichung
Wir schliessen mit einer Anwendung der Strahlens¨atze zur Herleitung der Lin- sengleichung
Wir haben die folgende Situation:
Die Linse L bildet einen Gegenstand der L¨ange G auf ein Bild der L¨ange B ab, wobei
• b der Abstand von B zur Linse,
• g der Abstand von G zur Linse und
• f die Brennweite der Linse ist.
L
Dann gilt die folgendeLinsengleichung: 1 f =1
g +1 b Herleitung:
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Vor einer Sammellinse mit f = 25cm steht ein 60cm hoher Gegenstand im Abstand von g = 150cm.
• Bestimme die H¨ohe des Bildes:
• Welche Brennweite m¨usste die Linse haben, damit ein gleich grosses Bild erzeugt wird?
• F¨uhrt die Verdoppelung der Brennweite zu einer Verdoppelung der Bild- gr¨osse? (bei gleichbleibendem Abstand zur Linse.)
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