2 Trigonometrische Formeln

Ähnliche Dokumente
1.2 Der goldene Schnitt

Grundwissen 7. Jahrgangsstufe 1. Symmetrie Wissen Können Beispiele a) Achsenspiegelung : Symmetrieachse Mittelsenkrechte Winkelhalbierende

Einser-Flächen. Online-Ergänzung HEINZ KLAUS STRICK. MNU 66/7 ( ) Seiten 1 5, ISSN , Verlag Klaus Seeberger, Neuss

Brückenkurs Lineare Gleichungssysteme und Vektoren

Der Goldene Schnitt. III. Der Goldene Schnitt in der Mathematik

Aufgaben zur Vertiefung der Geometrie. WS 2005/06 5./6. Dezember 2005 Blatt 3

Grundwissen Jahrgangsstufe 7

2.8. Aufgaben zum Satz des Pythagoras

MB1 LU 5 und 12 Geometrische Grundbegriffe

Lösung Arbeitsblatt Geometrie / Trigonometrie

Dreiecke als Bausteine

ARBEITSBLATT Maßeinheiten. 1. Längenmaße. km m dm cm mm. Beispiel: Schreib mehrnamig: 2, km Lösung: 2, km = 2 km 32 m 8 dm 1 mm

Musterlösung zu Aufgabe 1 (Klassenstufe 9/10)

Grundwissen am Ende der Jahrgangsstufe 9. Wahlpflichtfächergruppe II / III

Es soll der Betrag eines Vektors berechnet werden, wenn dieser in Komponenten oder Koordinatenschreibweise gegeben ist. a 3. x 2

- 1 - VB Inhaltsverzeichnis

Wurzeln. bestimmen. Dann braucht man Wurzeln. Treffender müsste man von Quadratwurzeln sprechen. 1. Bei Quadraten, deren Fläche eine Quadratzahl ist,

Vorkurs Mathematik DIFFERENTIATION

II. Geometrie. 4. Antike: Die Euklidische Mathematik. 1. Der Satz von Pythagoras.

Mathematik Thema Vielecke

ARBEITSBLATT 5L-6 FLÄCHENBERECHNUNG MITTELS INTEGRALRECHNUNG

Vorlesung. Einführung in die mathematische Sprache und naive Mengenlehre

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

Thema 13 Integrale, die von einem Parameter abhängen, Integrale von Funktionen auf Teilmengen von R n

Grundwissen Mathematik 7I

Grundwissen Mathematik Klasse 9 Übungsaufgaben

A.25 Stetigkeit und Differenzierbarkeit ( )

UNIVERSITÄT KARLSRUHE Institut für Analysis HDoz. Dr. P. C. Kunstmann Dipl.-Math. M. Uhl. Sommersemester 2009

2 Berechnung von Flächeninhalten unter Kurvenstücken

Mathematik. Name, Vorname:

Volumina der 8 konvexen Deltaeder

Grundwissen Jahrgangsstufe 9

Übungsheft Mittlerer Schulabschluss Mathematik

Präfixcodes und der Huffman Algorithmus

Lösung: a) b)

Grundwissen Mathematik 8. Klasse. Eigenschaften Besonderheiten - Beispiele

Matrizen und Determinanten

Abitur - Leistungskurs Mathematik. Sachsen-Anhalt 1999

Analysis mit dem Voyage 1

Facharbeit über algebraische Gleichungen vierten Grades

Eine Lerneinheit. über. regelmäßige Vielecke. und

t 1 t cos(t) sin(t) haben als Spur jeweils den Einheitshalbkreis in der oberen Halbebene.

(Analog nennt man a die und b die des Winkels β.)

Grundwissen Abitur Analysis

Schriftliche Prüfungsarbeit zum mittleren Schulabschluss 2007 im Fach Mathematik

Aufgaben zur Vorlesung Analysis II Prof. Dr. Holger Dette SS 2012 Lösungen zu Blatt 6

3. Ganzrationale Funktionen

1.6 Bruchterme. 1 Einführung und Repetition 2. 2 Multiplikation und Division von Bruchtermen 3. 3 Die Addition von zwei Bruchtermen-Methode I 3

Seminar Quantum Computation - Finite Quanten-Automaten und Quanten-Turingmaschinen

Reader. für den Einsatz in der Wiederholungsphase im Mathematikunterricht der Jahrgangsstufe 11

4 Stetigkeit. 4.1 Intervalle

Satzgruppe des Pythagoras

Umwandlung von endlichen Automaten in reguläre Ausdrücke

v P Vektorrechnung k 1

Nullstellen quadratischer Gleichungen

Differenzial- und Integralrechnung III

10 Anwendungen der Integralrechnung

Kurven und Bogenlänge

Musterlösung der Präsenzaufgaben zu Mathematik I für ET/IT und ITS

Brückenkurs Mathematik

Def.: Sei Σ eine Menge von Zeichen. Die Menge Σ* aller Zeichenketten (Wörter) über Σ ist die kleinste Menge, für die gilt:

Großübung zu Kräften, Momenten, Äquivalenz und Gleichgewicht

Logarithmen zu speziellen und häufig gebrauchten Basen haben eigene Namen: Der Logarithmus zur Basis 10 heißt dekadischer oder Zehnerlogarithmus:

Repetitionsaufgaben Exponential-und Logarithmusfunktion

Mathe Warm-Up, Teil 1 1 2

Volumen von Rotationskörpern

Canon Nikon Sony. Deutschland Österreich Schweiz Resteuropa J

Integralrechnung. Aufgabe 1

Mathematik PM Rechenarten

Geometrie und. Lineare Algebra

Aufgaben zu Kreisen und Kreisteilen

TE- und TM-Moden im Wellenleiter. Bachelorarbeit

Für den Mathe GK, Henß. - Lineare Algebra und analytische Geometrie -

Automaten und Formale Sprachen alias Theoretische Informatik. Sommersemester Sprachen. Grammatiken (Einführung)

Teilbarkeitsregeln. 6.1 Grundwissen Mathematik Algebra Klasse 6. Teilbarkeit durch 2: Eine Zahl ist durch 2 teilbar, wenn die Endziffer gerade ist.

Kapitel 10. Integration. Josef Leydold Mathematik für VW WS 2015/16 10 Integration 1 / 35

Vorkurs Mathematik Fachhochschule Frankfurt, Fachbereich 2. Fachhochschule Frankfurt am Main Fachbereich Informatik und Ingenieurwissenschaften

Übungsblatt 1 zum Propädeutikum

Berechnungen am Prisma. Das Netz (Abwicklung) eines Prismas

Verbrauchswerte. 1. Umgang mit Verbrauchswerten

4 Die Integralfunktion*

LUDWIG-MAXIMILIANS-UNIVERSITÄT MÜNCHEN. 7. Übung/Lösung Mathematik für Studierende der Biologie

R. Brinkmann Seite

Musterlösung zur Musterprüfung 2 in Mathematik

8 Integralrechnung. 8.1 Das Riemann-Integral

Realschule Mathematik. Mathematik-Verlag

Analysis I im SS 2011 Kurzskript

Beispiel-Abiturprüfung

Themenbereich: Kongruenzsätze Seite 1 von 6

FernUniversität Gesamthochschule in Hagen

Numerische Mathematik I

Berechnung von Flächen unter Kurven

Exponentialgleichungen 70 Exponentialgleichungen mit Ergebnissen und ausführlichen Lösungsweg

Versuchsplanung. Grundlagen. Extrapolieren unzulässig! Beobachtungsbereich!

Abiturprüfung Mathematik, Leistungskurs 0,02

GRUNDWISSEN MATHEMATIK. Gymnasium Ernestinum Coburg Fachschaft Mathematik

Übungen zu Wurzeln III

Grundlagen in Mathematik für die 1. Klassen der HMS und der FMS

Wirsberg-Gymnasium Grundwissen Mathematik 8. Jahrgangsstufe. -fache

Boole'sche Algebra. Inhaltsübersicht. Binäre Funktionen, Boole'sche Algebren, Schaltalgebra. Verknüpfungen der mathematischen Logik

Transkript:

Mthemtische Probleme, SS 015 Donnerstg 7.5 $Id: trig.tex,v 1.11 015/05/19 17:1:13 hk Exp $ $Id: convex.tex,v 1.17 015/05/18 11:15:36 hk Exp $ Trigonometrische Formeln.3 Spezielle Werte der trigonometrischen Funktionen In der letzten Sitzung htten wir begonnen spezielle Werte der trigonometrischen Funktionen zu berechnen, konkret htten wir sin(π/3) 3/, cos(π/3) 1/ und tn(π/3) 3 eingesehen. Nun kommen wir zu einem Winkel von 45. Genuso wie sich die Werte des Winkels π/3 durch etrchtung eines gleichseitigen Dreiecks ergben, müssen wir diesml ein gleichseitiges Viereck untersuchen. Gegeben sei ein Qudrt D der Seitenlänge > 0. Dnn ziehen wir die Digonle und betrchten D ds rechtwinklige Dreieck. D dieses Dreieck bei gleichschenklig ist, sind die beiden Winkel bei und nch ufgbe (9.) gleich, etw. Es folgt π/, b lso ist π/4. Mit dem Stz Pythgors 1.Stz 1 folgt für die Länge der Digonle im Qudrt uch, lso. Dmit können wir unsere gesuchten trigonometrischen Werte in blesen und es ergeben sich sin π 4 1 1, cos π 4 1, tn π 4 1. Winkel von 36, lso π/5, sind etws komplizierter, dher stellen wir diese erst einml zurück und schuen uns 30 n. Genuso wie π/3 mit einem gleichseitigen Dreieck zu tun htte und π/4 entsprechend mit einem Qudrt, werden wir für π/6 ein gleichseitiges Sechseck betrchten und beginnen dher mit einer Vorbemerkung über gleichseitige n-ecke. In 1.6 htten wir ein konvexes n-eck für eine ntürliche Zhl n 3 ls ein Tupel 1... n betrchtet bei dem die Punkte 1,..., n den Rnd des n-ecks ufeinnderfolgend im Gegenuhrzeigersinn umlufen. Dieser Rnd setzt sich dnn us den n Knten 1, 3,..., n 1 zusmmen, und mn nennt gleichseitig wenn diese lle dieselbe Länge hben, wenn lso : 1 n 1 gilt. Die Zhl heißt dnn die Kntenlänge des gleichseitigen n-ecks. Ein gleichseitiges n-eck 8-1

Mthemtische Probleme, SS 015 Donnerstg 7.5 muss nicht symmetrisch sein, zum eispiel muss ein gleichseitiges Viereck noch kein Qudrt sein, es knn sich uch um ein Prllelogrm hndeln. D b Wir wollen uns kurz überlegen ds ein gleichseitiges Viereck D ein Prllelogrm ist. ezeichne hierzu die Kntenlänge des Vierecks und sei der Winkel des Vierecks bei und b : D. Der osinusstz 1.Stz 4 liefert dnn b (1 cos ) 4 sin (/), lso ist b sin(/). Die Dreiecke D und D sind kongruent, lso ht unser Viereck uch bei den Winkel. Dmit schneidet die Gerde die beiden Seiten und D beide im Winkel, lso sind und D prllel. nlog sind uch D und prllel, wir hben lso ein Prllelogrm. Durch die Kntenlänge und den Winkel ist ds gleichseitige Viereck bis uf Kongruenz festgelegt. Ein gleichseitiges Viereck, und erst recht ein gleichseitiges n-ecke, muss lso nicht symmetrisch, dies ist nur im Dreiecksfll n 3 so. Die symmetrischen gleichseitigen n-ecke nennen wir regulär. Definition.1 (Reguläre n-ecke) Sei n N mit n 3. Ein konvexes n-eck heißt dnn regulär wenn es gleichseitig ist und lle seine Innenwinkel gleich sind. Hben wir ein reguläres n-eck mit Innenwinkel, so ist n die Summe ller Innenwinkel lso liefert 1.Lemm uch n (n )π, d.h. n π. n ls eine Übungsufgbe werden sie zeigen ds ein gleichseitiges n-eck genu dnn regulär ist wenn es einen Umkreis besitzt, wenn es lso einen Kreis gibt der lle Eckpunkte des n-ecks enthält. 8-

Mthemtische Probleme, SS 015 Donnerstg 7.5 Nch dieser Vorbemerkung kommen wir nun zu den Werten der trigonometrischen Funktionen für den Winkel π/6. Ntürlich könnten wir uch einfch die Hlbierungsformeln des vorigen bschnitts uf den schon erledigten Winkel π/3 nwenden, wir wollen uns hier ber eine direkte geometrische Herleitung nschuen. Wir strten mit einem regulären Seckseck der Kntenlänge > 0. Zeichne den Umkreis des Sechsecks mit Mittelpunkt M und Rdius R > 0. Die 360 bei M werden in sechs gleiche Teile zerlegt und somit ht unser eingezeichnetes Dreieck M bei M den Winkel π/6 π/3. Der Innenwinkel des Sechsecks ist nch unserer obigen Formel gleich 4π/6 π/3. Weiter ist ds Dreieck M kongruent zu M, und insbesondere sind die Winkel dieser Dreiecke bei gleich, d.h. M ist die Winkelhlbierende des Innenwinkels unseres Sechsecks bei. Insbesondere ht ds Dreieck M bei den Winkel / π/3, d.h. lle Winkel in diesem Dreieck sind gleich. Dmit ist M ein gleichseitiges Dreieck und insbesondere ist R, d.h. Umkreisrdius und Kntenlänge sind gleich. In diesem gleichseitigen Dreieck bilden wir nun die Höhe durch und wie schon früher gesehen ist diese gleich h ( 3/). D weiter die Höhe uch gleich der Winkelhlbierenden von M bei ist, erhlten wir ein bei P rechtwinkliges Dreieck MP mit Winkel / π/6 bei. Lesen wir die Werte der trigonometrischen Funktionen in diesem Dreieck b, so ergeben sich M R h P sin π 6 cos π 6 tn π 6 / 1, h 1 3, / h 1 3. Wie schon erwähnt knn mn diese Werte uch rechnerisch uf die schon behndelten Werte zurückführen, entweder über die Hlbierungsformel sin π 6 1 cos π 3 1 4 1 und nlog für osinus und Tngens, oder etws rffinierter sin π ( π 6 sin π ) sin π 3 cos π 3 cos π sin π 3 cos π 3 1. Den Winkel π/5 36 werden wir im nächsten bschnitt behndeln, rwrtungsgemäß hängt dieser eng mit dem regulären Fünfeck zusmmen. Zuvor wollen wir uns ber 8-3

Mthemtische Probleme, SS 015 Donnerstg 7.5 noch eine interessnte Methode zur erechnung von Tngens- beziehungsweise rcustngenswerten nschuen. tn φ m n m φ n Sind m, n N und 0 < φ < π/ ein Winkel, so ist genu dnn tn φ m/n wenn es ein rechtwinkliges Dreieck gibt in dem φ ls Winkel mit nkthete n und Gegenkthete m uftucht. Die Impliktion von rechts nch links ist dbei klr. Ist umgekehrt tn φ m/n, so gibt es nch 1.Stz 9 ein Dreieck mit n, Winkel φ bei und rechten Winkel bei. Die nkthete dieses Dreiecks bei φ ist dnn n und die Gegenkthete ergibt sich ls n tn φ m. Sttt tn φ m/n können wir gleichwertig uch rctn(m/n) φ sgen. etrchte nun die folgende Figur D E F Die einzelnen Kästchen sind dbei Qudrte der Kntenlänge 1. Ds rechtwinklige Dreieck D gibt rctn(1/) und ds rechtwinklige Dreieck E liefert rctn(1/3). Nun betrchten wir ds Dreieck. Der Winkel φ bei in diesem Dreieck setzt sich us und zusmmen, lso φ + rctn 1 + rctn 1 3. Die Seitenlängen in diesem Dreieck lesen wir mit dem Stz des Pythgors 1.Stz 1 in den rechtwinkligen Dreiecken D, F und E b, und erhlten 5 und 10. 8-4

Mthemtische Probleme, SS 015 Donnerstg 7.5 n diesen Gleichungen können wir zwei Dinge blesen, zum einen ist + 10, lso ht nch 1.Korollr 3 in einen rechten Winkel. lterntiv knn mn dies uch sehen d die beiden Dreiecke D und F kongruent sind. Weiter folgt tn φ 5/ 5 1, lso ist φ π/4. uch dies knn mn uch uf ndere Weise einsehen, d bei gleichschenklig ist, sind die Winkel bei und nch ufgbe (4.) gleich, müssen lso π/4 sein. Dmit hben wir rctn 1 + rctn 1 3 π 4 eingesehen. Diese Methode ist huptsächlich dzu gedcht derrtige Identitäten zu finden, ht mn erst einml eine solche Vermutung ufgestellt, so ist es leicht diese einfch mit dem dditionstheorem zu verifizieren, in diesem eispiel etw durch tn ( rctn 1 + rctn 1 3 ) 1 + 1 3 1 1 1 3.4 Ds Fünfeck und der goldene Schnitt 1 tn π 4. Wir werden im folgenden den Wert cos(π/5) mit einer direkten geometrischen Methode bestimmen. Wir htten bereits bemerkt ds dieser Wert mit dem regulären Fünfeck zusmmenhängt und will mn diesen Zusmmenhng direkt formulieren, so tucht der sogennnte goldene Schnitt uf. Wir sgen ds eine Strecke im goldenen Schnitt geteilt wird wenn ds Verhältnis der gesmten Strecke +b zum größeren Teilstück gleich dem Verhältnis des großen Teilstücks zum Kleineren ist. Sind die Längen der beiden Teilstrecken lso > b > 0, so soll b + b gelten. Dieses Verhältnis wird dnn mit dem Symbol φ : /b > 0 bezeichnet, und knn leicht usgerechnet werden. Die definierende Gleichung ist φ b + b b 1 + b 1 + 1 φ, lso hben wir φ φ + 1. Dies ist eine qudrtische Gleichung für φ mit den beiden Lösungen 1/ ± 1/4 + 1 (1 ± 5)/, lso ist wegen φ > 0 φ 1 + 5 1, 61803399. Soll lso eine Strecke der Länge l > 0 im goldenen Schnitt ls l + b mit > b > 0 zerlegt werden, so ist φb und somit l + b (1 + φ)b, lso sind b l 1 + φ l 3 + 5 3 5 l 0, 38196601 l 8-5

Mthemtische Probleme, SS 015 Donnerstg 7.5 und 5 1 φb l 0, 61803399 l. Dmit können wir jetzt zur etrchtung des regulären Fünfecks kommen. Gegeben sei ein reguläres Fünfeck der Kntenlänge > 0 und Ecken 0,..., 4. Wir htten und bereits im vorigen bschnitt überlegt ds der Innenwinkel unseres Fünfecks gleich d 3π/5 ist. Der Mittelpunkt M des Fünfecks ht von llen Ecken denselben bstnd R > 0 und der Kreis mit Mittelpunkt M und Rdius R ist der Umkreis des Fünfecks. ls Digonlen im 1 Fünfeck bezeichnet mn die fünf Verbindungsstrecken nicht benchtbrter Ecken, diese hben lle dieselbe Länge d > 0. Um d und R in Termen d von zu berechnen, bestimmen wir zunächst einml einige weitere Winkel in unserem Fünfeck. 0 M Ds Dreieck 0 1 ist bei 1 gleichschenklig, lso sind seine Winkel bei 0 und gleich, etw. Dnn ist 3 4 π + 3π 5 +, lso hben wir π/5. Weiter ht ds Dreick 3 0 dnn bei den Winkel gegeben ls π/5 und dies ist ebenso der Winkel dieses Dreiecks bei 3. Nun verlängern wir die Seiten 0 1 und 3 nch oben zu einem Schnittpunkt. Ds enstehende Dreieck 1 ht bei 1 den Winkel π π/5 und bei ist ebenflls der Winkel π ( + ) π/5. Dmit stimmen die Dreiecke 3 0 und 1 in zwei Winkeln und einer Seite überein sind lso nch 1.Stz 9 kongruent, und insbesondere ist 1 3 0 d. Nun betrchten wir ds Dreieck 0, und in diesem ist der Winkel bei gleich + 3π/5 und der bei 0 wr. Im Dreieck 1 0 htten wir bei 1 ebenflls den Winkel und bei 0 den Winkel, lso sind die Dreiecke 0 und 1 0 ähnlich. Nch 1.Stz 10 sind uch die Verhältnisse entsprechender Seiten dieser beiden Dreiecke gleich, lso insbesondere + d d 0 1 + 1 0 0 0 0 0 1 d, und dies bedeutet ds d und im Verhältnis des goldenen Schnitts stehen. Dmit sind die Digonlen im Fünfeck ls d φ gegeben. Dmit sind im Dreieck 0 1 lle 8-6

Mthemtische Probleme, SS 015 Donnerstg 7.5 Seitenlängen beknnt und der osinusstz 1.Stz 4 liefert + d d cos π ( 5 1 + φ φ cos π ) 5 und dies bedeutet cos π 5 1 φ 1 + 5. 4 Die Werte von Sinus und osinus bestimmen wir dnn rechnerisch, wegen ist zunächst und somit Schließlich ist d.h. 1 + tn π 5 1 cos π 5 cos π 5 3 + 5 8 sin π 5 1 π cos 5 5 5 8 sin π 5 1 5 5. 8 3 + 5 8 (3 5) (3 + 5) (3 5) 6 5, tn π 5 5 5. 3 Konvexgeometrie In diesem Kpitel beschäftigen wir uns mit konvexen Körpern im Rum. Eine Menge R n heißt konvex wenn mit je zwei Punkten x, y uch die Verbindungsstrecke [x, y] wieder in liegt, oder ls Formel geschrieben (x, y ) (0 t 1) : (1 t)x + ty. Der Durchschnitt einer Fmilie ( i ) i I konvexer Mengen ist wieder konvex, denn sind x, y i I i und 0 t 1, so gilt für jedes i I ufgrund der Konvexität von i uch (1 t)x + ty i, d.h. es ist (1 t)x + ty i I i. Dmit gibt es für jede Teilmenge R n eine kleinste konvexe Menge die enthält, nämlich die sogennnte konvexe Hülle von definiert ls co() : { R n R n ist konvex mit }. 8-7