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Elementare Geometrie Vorlesung 2

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Academic year: 2021

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(1)

Elementare Geometrie Vorlesung 2

Markus Rost

8.4.2019 1

1

[Korrigierte Fassung vom 14.4.2019]

(2)

Die H¨ ohe oder das Lot

Definition

Gegeben sei eine Gerade g und ein Punkt P .

Das Lot (oder die H¨ ohe) von P auf g ist die Gerade h die senkrecht auf g steht und durch P geht:

h ⊥ g (1)

P ∈ h (2)

Der Schnittpunkt L von g mit h heißt der Lotfußpunkt:

g ∩ h = {L}

F¨ ur einen Punkt P , der auf g liegt (P ∈ g), gilt L = P und die

H¨ ohengerade h ist die Senkrechte zu g im Punkt P .

(3)

Wir erlauben uns, zu schreiben (keine Mengenklammern):

g ∩ h = L statt g ∩ h = {L}

[Zeichnungen gestohlen von Wikipedia, andere Bezeichnungen sind

m¨ oglich]

(4)

Dreiecke I

Definition

Ein Dreieck ∆ = ABC besteht aus drei Punkten A, B, C, die nicht auf einer Geraden liegen.

Man betrachtet zu den Punkten A, B, C die anliegenden Winkel α, β, γ und die gegen¨ uberliegenden Seiten

a = BC

b = CA

c = AB

(5)

Dreiecke II

(6)

Dreiecke III

Der Begriff des Winkels wird sp¨ ater behandelt (Grad, Bogenmaß, Außenwinkel, Innenwinkel, . . . ).

Zum Thema geh¨ oren auch der Inkreis und die Exkreise.

Hier nur soviel:

Satz (Winkelsumme im Dreieck)

α + β + γ = 180 = π

(7)

Dreiecke IV

Man unterscheidet verschiedene Typen von Dreiecken:

1

Spitzwinklige Dreiecke (α, β, γ < 90 )

2

Rechtwinklige Dreiecke (ein rechter Winkel, z.B. α = 90 , β + γ = 90 )

3

Stumpfwinklige Dreiecke (ein Winkel > 90 )

4

Gleichschenklige Dreiecke (zwei gleich lange Seiten oder zwei gleiche Winkel )

5

Gleichseitige Dreiecke (a = b = c, α = β = γ = 60 )

6

? “Unregelm¨ aßige” oder “allgemeine” Dreiecke (alle Seiten verschieden, alle Winkel verschieden, kein rechter Winkel?)

7

Degenerierte Dreiecke (alle Punkte auf einer Geraden)

8

Sehr degenerierte Dreiecke (zwei Punkte gleich, etwa A = B)

9

Total degenerierte Dreiecke (A = B = C)

(8)

Dreiecke V

Unter den “Seiten” eines Dreiecks versteht man meist die Strecken (“Zweiecke”), die das Dreieck begrenzen (a = BC ).

Manchmal versteht man darunter auch nur die L¨ ange der Seite (z.B. schreibt man etwa a = b bei einem gleichschenkligen Dreieck).

Oft versteht man darunter aber auch die gesamte Gerade durch

zwei Punkte des Dreiecks (“Seitengerade”). Beispiel: Bei der

Konstruktion der H¨ ohe in einem stumpfwinkligen Dreieck f¨ allt man

das Lot auf die “verl¨ angerte” Seite.

(9)

H¨ ohen I

Definition

Gegeben sei ein Dreieck ∆ = ABC. Die H¨ ohe h a ist das Lot (oder die Lotgerade) von A auf die gegen¨ uberliegende Seite a = BC.

Analog bezeichnen h b , h c die beiden anderen H¨ ohen.

Satz (Schnittpunkt der H¨ ohen)

Die H¨ ohen in einem Dreieck schneiden sich in einem Punkt, dem H¨ ohenschnittpunkt H.

Bezeichnung:

H = H(∆) = H(ABC ) = h a ∩ h b ∩ h c

[Beweis sp¨ ater, siehe auch Blatt 1, Aufgabe 3.]

(10)

H¨ ohen II

(11)

H¨ ohen III

Proposition Es sei

H = H¨ ohenschnittpunkt(ABC) Dann gilt

A = H¨ ohenschnittpunkt(HBC)

Dies ist Blatt 1, Aufgabe 1.

Ein Beweis kommt gleich. Die L¨ osung aber bitte selbst formulieren!

(12)

H¨ ohen IV

Beweis.

Die Seiten bzw. H¨ ohen im Dreieck ABC sind a, b, c h a , h b , h c

Die Seiten bzw. H¨ ohen im Dreieck HBC sind a, h c , h b h a , c, b

Dies sieht man an der Zeichnung.

Formal kann man so argumentieren:

(13)

H¨ ohen IV

Beweis (Fortsetzung: formale Begr¨ undung).

Die Seiten bzw. H¨ ohen im Dreieck HBC sind a, h c , h b h a , c, b

Denn

B, C ∈ a = BC H, C ∈ h c = CH H, B ∈ h b = BH

H ∈ h a h a ⊥ a = BC

B ∈ c = AB c ⊥ h c = CH

C ∈ b = AC b ⊥ h b = BH

(14)

Gibt es Fragen zu Blatt 1, Aufgabe 2 (a) (die Mittelsenkrechten schneiden sich in einem Punkt)?

Gibt es Fragen zu Blatt 1, Aufgabe 2 (b) (die Winkelhalbierenden

schneiden sich in einem Punkt)?

(15)

Die Mittelparallele

Satz (Satz von der Mittelparallelen im Dreieck)

In einem Dreieck der euklidischen Ebene ist die Verbindungsstrecke der Mittelpunkte zweier Seiten stets parallel zur dritten

Dreiecksseite und stets halb so lang wie diese.

[Formulierung und Bild gestohlen von Wikipedia]

(16)

Das Seitenmittendreieck I

Definition

Das Seitenmittendreieck von ∆ = ABC ist das Dreieck

0 = A 0 B 0 C 0 dessen Punkte die Seitenmitten des Dreiecks ∆ sind.

Dabei bezeichnet A 0 die Seitenmitte der dem Punkt A

gegen¨ uberliegenden Seite a = BC. Entsprechend sind B 0 , C 0 zu verstehen.

Erinnerung an die algebraischen Formeln:

A 0 = B + C 2 B 0 = C + A

2 C 0 = A + B

2

(17)

Das Seitenmittendreieck II

Seitenmittendreieck = Mittendreieck = Mittelparallelendreieck

Ahnlich zum urspr¨ ¨ unglichen Dreieck. Streckfaktor 1/2, um 180

gedreht um den Schwerpunkt S.

(18)

Das Seitenmittendreieck III

Satz (Satz von der Mittelparallelen im Dreieck)

Die Geraden BC und B 0 C 0 sind parallel. Analog f¨ ur die anderen Seiten. Also:

B 0 C 0 k BC

C 0 A 0 k CA

A 0 B 0 k AB

(19)

Das Seitenmittendreieck IV

Beweis.

Mit Strahlens¨ atzen (. . . ).

Oder algebraisch (mit Vektorrechung):

C 0 − B 0 = A + B

2 − C + A 2

= − 1

2 (C − B)

Also ist B 0 C 0 parallel zu BC und zwar halb so lang.

Das Minuszeichen besagt, daß B 0 C 0 als Vektor die umgekehrte

Richtung wie BC hat.

(20)

Gibt es Fragen zu Blatt 1, Aufgabe 3?

Aufgabe

Die Mittelsenkrechten in einem Dreieck sind die H¨ ohen im Seitenmittendreieck.

Sie d¨ urfen den Satz von der Mittelparallelen verwenden.

(21)

Das Seitenmittendreieck V

Die Konstruktion des Seitenmittendreiecks kann man umkehren:

Dazu betrachtet zu jedem Punkt des Dreiecks die Parallele zur gegen¨ uberliegenden Seite. Diese Parallelen nenne ich die

“Seitenparallelen” des Dreiecks.

Definition

Das Parallelendreieck eines Dreiecks ∆ ist das Dreieck ∆ e dessen

Seitengeraden die Seitenparallelen von ∆ sind.

(22)

Das Seitenmittendreieck VI

Satz

Das Parallelendreieck des Seitenmittendreiecks ist das urspr¨ ungliche Dreieck:

(∆ g 0 ) = ∆

Das Seitenmittendreieck des Parallelendreiecks ist das urspr¨ ungliche Dreieck:

( ∆) e 0 = ∆

Jedenfalls die erste Aussage folgt aus dem Satz ¨ uber die

Mittelparallele.

(23)

Das Seitenmittendreieck VII

Satz

F¨ ur die Punkte des Parallelendreiecks ∆ = ˜ e A B ˜ C ˜ des Dreiecks

∆ = ABC gilt:

A ˜ = B + C − A B ˜ = C + A − B C ˜ = A + B − C

Die Dreiecke haben alle den gleichen Schwerpunkt:

S = S 0 = S e = A + B + C

3

(24)

Das Seitenmittendreieck VIII

Exkursion: Beschreibung mit Matrizen.

Matrizenrechnung bekannt? (“Zeile mal Spalte”)

 A 0 B 0 C 0

 = 1 2

0 1 1 1 0 1 1 1 0

 A B C

 A ˜ B ˜ C ˜

 =

−1 1 1 1 −1 1 1 1 −1

 A B C

(25)

Das Seitenmittendreieck IX

Matrizen-Multiplikation:

1 2

0 1 1 1 0 1 1 1 0

 ·

−1 1 1 1 −1 1 1 1 −1

 =

1 0 0 0 1 0 0 0 1

−1 1 1 1 −1 1 1 1 −1

 · 1 2

0 1 1 1 0 1 1 1 0

 =

1 0 0 0 1 0 0 0 1

Rechts steht die Einheitsmatrix.

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