Rotierende Ebene

ralfkannenberg

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Weil dann gelten müsste, dass:
(1/2)*sqrt(2) = 1/sqrt(2)
ist, was man prüfen kann, wenn man beide Seiten mit *sqrt(2) erweitert:
((1/2)*sqrt(2))*sqrt(2) = (1/sqrt(2))*sqrt(2)
(1/2)*2 = 1
1 = 1
Stimmt also.
Hallo Dgoe,

genau.

Wir einigen uns nun darauf, dass die Quadratwurzel immer im Zähler steht.

Wenn sie es nicht tut, dann haben wir einen Ausdruck in der Form 1 / [ a+b*sqrt(k) ] mit a, b und k rationale Zahlen.

Einen solchen Ausdruck kann man mit a-b*sqrt(k) erweitern und dabei nutzen, dass (r-s)*(r+s)=r²-s² (3.binomische Formel oder einfach ausmultiplizieren).

Dann gilt also:

1 / [ a+b*sqrt(k) ] = (a-b*sqrt(k) / [ (a-b*sqrt(k)) * (a+b*sqrt(k)) ] = (a-b*sqrt(k) / (a²-k*b²)

Im Nenner steht nun keine Quadratwurzel mehr.


Im obigen Beispiel war a=0, b=1 und k=2.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Dgoe

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,

das Ergebnis ist richtig, aber da fehlt noch ein Schritt dazwischen.
Hallo Ralf,

wegen (-1,1), dessen Länge sqrt(2) ist und durch sqrt(2) dividiert 1 ergibt, die Länge des um 45° gedrehten (0,1). Also dividieren wir noch x und y jeweils durch sqrt(2), was wir aber nicht mehr wollen. Deshalb multiplizieren wir mit (1/2) und erhalten -(1/2)*sqrt(2) und (1/2)*sqrt(2).

Gruß,
Dgoe


P.S.: hab Deinen letzten Post gerade erst gelesen, hehe, war schon in Arbeit...
 
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ralfkannenberg

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wegen (-1,1), dessen Länge sqrt(2) ist und durch sqrt(2) dividiert 1 ergibt, die Länge des um 45° gedrehten (0,1). Also dividieren wir noch x und y jeweils durch sqrt(2), was wir aber nicht mehr wollen. Deshalb multiplizieren wir mit (1/2) und erhalten -(1/2)*sqrt(2) und (1/2)*sqrt(2).
Hallo Dgoe,

ok; ich hätte das nun zwar anders gemacht, aber meinetwegen.

Dann hast Du also den Bildvektor von (1,0) in die erste Spalte der Matrix geschrieben und den Bildvektor von (0,1) in die zweite Spalte der Matrix und fertig war D[sub]45°[/sub].


Wenn Du keine Fragen mehr dazu hast, versuchen wir, nun auch die Matrix D[sub]30°[/sub] zu bauen.

Betrachte hierzu ein rechtwinkliges Dreieck, bei dem einer der Innenwinkel 30° ist. Mal mal eines auf.

Was fällt Dir bezüglich der beiden Seitenlängen, die an dem rechten Winkel liegen, auf ?

Und ja, kannst Du das beweisen ?

Vorgehensweise: die Summe der 3 Winkel eines Dreiecks sind ja immer 180°. Da unser Dreieck rechtwinklig ist und der vorgegebene Winkel 30°, ist der letzte Winkel gerade 60° gross; zudem nutzen wir, das parallel verschobene Winkel gleich gross bleiben ("Stufenwinkel").

Wir wollen nun also unser rechtwinkliges Dreieck ein bisschen aufteilen, und zwar in 4 gleichgrosse ebenfalls rechtwinklige Dreiecke mit 30°-Winkel, und dann nur durch Drehungen und Verschiebungen aus diesen vier kleinen rechtwinkligen Dreiecken ein Quadrat "bauen" - das hat nämlich 4 Winkel, die 90° betragen, und 90° sind ja netterweise gerade 30°+60°.

Dabei können wir übrigens 3 der 4 kleinen rechtwinkligen Dreiecke so belassen wie sie sind, nur das vierte drehen wir um 180° und stülpen es auf die drei anderen.

Auf einem Bild sieht man das übrigens sofort, aber es ist gar nicht so einfach, das in Worte zu fassen.

Und dann zurück zur Eingangsfrage: was fällt Dir bezüglich der Länge der beiden Seiten, die an dem rechten Winkel liegen, auf, wenn einer der Winkel also 30° beträgt ?



Freundliche Grüsse, Ralf
 

Dgoe

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Hallo Bernhard,

Hallo Dgoe,
sin "=" gegen / hypo
(...)
tan "=" Gegen / An
Finde ich gut. Danke. Meine Merkregel hat mir aber schon einige Male geholfen, zur blitzschnellen Orientierung, ohne Umwege.

Das kann man auch bei beliebig gedrehten Dreiecken anwenden.
Geht mit meiner auch, allerdings nur mit Zusätzen.

Vorweg ist ja xy-mäßig der
1. Quadrant: + +, der
2. Quadrant: - +, der
3. Quadrant: - - und der
4. Quadrant: + -

Ich drehe das Dreieck also so, dass der rechte Winkel unten rechts ist. Sehe dann per "sin~i~y"-Regel die "Höhe", also "y" und cos als "Breite", also "x". Wenn man zurückdreht oder auch ohne erkennt man auch gleich womit man "y" und "x" ersetzen muss (das richtige x und y), was dann nur auch für sin und cos gilt.

Danach braucht man nur noch die Vorzeichen wie oben dazu einsetzen, fertig. Geht ruck zuck, ist nur umständlich zu erklären.

So brauche ich nicht gucken, welche der beiden Katheten gerade an oder gegen ist, weil die ja mal so, mal so verteilt sind, je nach dem - allerdings den rechten Winkel und die Hypo sieht man sofort.

Ausserdem ergibt sich bei mir automatisch die Tabelle mit den sin und -cos Beziehungen (ohne auswendig zu lernen), kann ich gleich mal durchgehen zum Test...

Gruß,
Dgoe

P.S.: alles im Einheitskreis
 
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ralfkannenberg

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Finde ich gut. Danke. Meine Merkregel hat mir aber schon einige Male geholfen, zur blitzschnellen Orientierung, ohne Umwege.
Hallo Dgoe,

sagen wir es mal etwas provokativ: in der Mathematik gibt es eigentlich nur den Cosinus. Alles andere sind nebensächliche Hilfskonstrukte. Und der Cosinus ist eben Ankathete durch Hypotenuse.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

ralfkannenberg

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nun auch die Matrix D[sub]30°[/sub] zu bauen.

Betrachte hierzu ein rechtwinkliges Dreieck, bei dem einer der Innenwinkel 30° ist. Mal mal eines auf.

Was fällt Dir bezüglich der beiden Seitenlängen, die an dem rechten Winkel liegen, auf ?

Und ja, kannst Du das beweisen ?

Vorgehensweise: die Summe der 3 Winkel eines Dreiecks sind ja immer 180°. Da unser Dreieck rechtwinklig ist und der vorgegebene Winkel 30°, ist der letzte Winkel gerade 60° gross
Hallo zusammen,

es geht natürlich viel einfacher, ich bitte um Entschuldigung:

man nehme ein gleichseitiges Dreieck, d.h. drei gleichlange Seiten und alle Winkel 60° (3*60°=180°).

Und nun halbieren wir dieses Dreieck, d.h. wir ziehen eine Linie von einer Ecke zur gegenüberliegenden Seitenmitte.

Dann haben wir genau unsere Situation, d.h. zwei rechtwinklige Dreiecke mit Innenwinkel 30° und 60°.

Was gilt nun für die beiden Seitenlängen, die am rechten Winkel liegen ?


Freundliche Grüsse, Ralf
 

ralfkannenberg

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Wir wollen nun also unser rechtwinkliges Dreieck ein bisschen aufteilen, und zwar in 4 gleichgrosse ebenfalls rechtwinklige Dreiecke mit 30°-Winkel, und dann nur durch Drehungen und Verschiebungen aus diesen vier kleinen rechtwinkligen Dreiecken ein Quadrat "bauen" - das hat nämlich 4 Winkel, die 90° betragen, und 90° sind ja netterweise gerade 30°+60°.

Dabei können wir übrigens 3 der 4 kleinen rechtwinkligen Dreiecke so belassen wie sie sind, nur das vierte drehen wir um 180° und stülpen es auf die drei anderen.

Auf einem Bild sieht man das übrigens sofort, aber es ist gar nicht so einfach, das in Worte zu fassen.
Hallo zusammen,

nette Konstruktion, aber sie ist leider falsch - das passiert beim Winkel arctan(alpha) = 0.5 machen, aber dieser beträgt nicht 30° und sein Komplementärwinkel entsprechend auch nicht 60°.

es geht natürlich viel einfacher, ich bitte um Entschuldigung
Es ist also nicht so, dass es mit dem gleichseitigen Dreieck einfacher geht, es ist viel schlimmer: der andere Fall ist nämlich falsch, weil es sich dabei nicht um 30° handelt.

Danke an Dgoe, dass er sich durch meinen Irrtum nicht hat in die Irre leiten lassen: bei 30° ist es das Verhältnis der Gegenkathete zur Hypothenuse, welches den Wert 1/2 annimmt, und keineswegs das Verhältnis der beiden Katheten zueinander.

Und das Verhältnis der Gegenkathete zur Hypothenuse nennt man eben "Sinus". - Oder eben völlig gleichwertig beim Cosinus von 60°; da wird dann die vorherige Gegenkathete zur Ankathete - das Bild und der Beweis bleiben diesselben.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

ralfkannenberg

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die eine ist halb so lang wie die Hypotenuse (also halb so lang die Seitenlänge des ursprünglichen gleichseitigen Dreiecks) und die andere ist sqrt(Hypotenuse²-(Hypotenuse/2)²) lang.
Hallo Dgoe,

perfekt.

Kannst Du uns noch D[sub]30°[/sub] und D[sub]60°[/sub] aufschreiben ?


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Dgoe

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Hallo Ralf,

ja, wenn ich die Sinus-Regel verwenden darf, habe ich schon alles fertig für 30°.

Edit:
Aber es geht ja auch ohne...

Gruß,
Dgoe
 
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ralfkannenberg

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ja, wenn ich die Sinus-Regel verwenden darf, habe ich schon alles fertig für 30°.

Edit:
Aber es geht ja auch ohne...
Hallo Dgoe,

eben, es geht auch ohne.

Also:

was ist:

D[sub]30°[/sub](1,0)
D[sub]30°[/sub](0,1)

D[sub]60°[/sub](1,0)
D[sub]60°[/sub](0,1)



Freundliche Grüsse, Ralf


P.S. Ich folge mit meiner Darstellung der Vorgehensweise, wie ich es damals in der Schule gelernt habe, allerdings haben wir mit 30° angefangen und nicht mit 45°. Hätte ich auch gemacht, wenn ich das mit dem gleichseitigen Dreieck schon gestern gesehen hätte, das ist nämlich der einfachere Fall.

P.P.S. Die Brainteaser-Fälle D[sub]120°[/sub], D[sub]135°[/sub], D[sub]150°[/sub], D[sub]210°[/sub], D[sub]225°[/sub], D[sub]240°[/sub], D[sub]270°[/sub], D[sub]300°[/sub], D[sub]315°[/sub] und D[sub]330°[/sub] schenken wir uns; die sind völlig analog zu den bisher genannten Fällen D[sub]0°[/sub], D[sub]30°[/sub], D[sub]45°[/sub] und D[sub]60°[/sub] und haben nur einige Vorzeichen etwas anders gesetzt.
 

Dgoe

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Zu 30°:

Das gleichseitige Dreieck mit der Seitenlänge 1 wird mit einer Ecke in den Urprung gelegt und mit einer anderen Ecke auf die y-Achse, so dass die dritte Ecke (C) im 1. Quadranten liegt.

Nun halbiert man die Seite auf der y-Achse und verbindet diesen Punkt mit der Ecke, bzw. dem Punkt (C) und nennt diese Strecke h. Damit hat man das Dreieck halbiert.

Da ein gleichseitiges Dreieck auch 3 gleiche Winkel hat, ist jeder Winkel 60° (180/3) und der Winkel eines rechten Winkels minus 60° ist gleich 30°, also haben wir 30° zwischen der x-Achse und der nächsten Dreiecksseite am Ursprung.

Genau die Seite, die nun vom Ursprung bis zur Ecke (C) im 1. Quadranten reicht, welche auch gleichzeitig unser um 30° gedrehter Einheitsvektor (1,0) ist, eben auch der Länge 1.

Das wissen wir, weil eine Seite des gleichseitigen Dreiecks genau auf dem Einheitsvektor (0,1) liegt und die beiden Einheitsvektoren (1,0) und (0,1) genau die gleiche Länge haben, wie auch jede Seite des Dreiecks.
(Bemerkung: Das erspart einen das Normieren, wenn man es anders anlegt und bei der x-Achse beginnt.)

Man sieht sofort, dass der y-Wert des Vektors 1/2 ist, weil h parallel zur x-Achse liegt. Verbleibt nur noch x, also die Länge von h.

Hier hilft der Satz des Pythagoras, in diesem Fall:

h² + (1/2)² = 1²
h² + (1/4) = 1
h² = 1 - (1/4) = 3/4
h = sqrt(3/4)

Der um 30° gedrehte Vektor (1,0) hat also das Bild:
(sqrt(3/4),(1/2))

So, und für die Matrize muss man noch (0,1) drehen.
Ich hab das alles schon skizziert, nur gerade wenig Zeit es hier niederzuschreiben, also vertröste ich auf später.

Gruß,
Dgoe


P.S.: 60° ist eigentlich noch einfacher oder fast genau so.

Die längere Version mit der x-Achse zuerst habe ich als erstes gemacht, kann ich auch noch mal niederschreiben.
 
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ralfkannenberg

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Hallo Dgoe,

das sieht vernünftig aus und auch das Ergebnis ist korrekt. Bei der Herleitung hätte ich mich allerdings damit begnügt, dass alle Winkel im gleichseitigen Dreieck den Wert 60° haben und wenn ich dann einen von ihnen halbiere, so hat er den Wert 30°. Wenn man nicht geometrisch zeigen will, dass der Winkel an der Seitenmitte 90° beträgt, so kann man auch nutzen, dass die Winkelsumme beider halben Dreiecke ja auch 180° betragen muss; eine Ecke ist immer noch da, also haben wir schon 60°; eine andere Ecke ist "halbiert", also haben wir noch 30°, und wegen der Winkelsumme im Dreieck muss dann die verbliebene Ecke 90° haben. Ich bin mir aber fast sicher, dass man eleganter zeigen kann, dass die beiden halbierten Dreiecke rechtwinklig sind.

Noch eine kleine Ergänzung: sqrt(3/4) = sqrt(1/4) * sqrt(3) = 1/2 * sqrt(3).

Nun kann man sich diese Werte sehr einfach merken:

sin(00°) = 1/2 * sqrt(0) (= 0)
sin(30°) = 1/2 * sqrt(1) ( = 1/2)
sin(45°) = 1/2 * sqrt(2)
sin(60°) = 1/2 * sqrt(3)
sin(90°) = 1/2 * sqrt(4) ( = 1)


Und für den Cosinus dasselbe von unten nach oben:

cos(90°) = 1/2 * sqrt(0) ( = 0)
cos(60°) = 1/2 * sqrt(1) ( = 1/2)
cos(45°) = 1/2 * sqrt(2)
cos(30°) = 1/2 * sqrt(3)
cos(00°) = 1/2 * sqrt(4) ( = 1)


Ich denke, es ist nicht mehr nötig, nun auch noch das Bild von (0,1) herzuleiten, es ist dasselbe in "grün", ebenso wie die beiden Herleitungen für 60° - Du hast das Prinzip verstanden.

Nun kann "Ich" wieder übernehmen und mit den allgemeinen Sinus und Cosinus für die Drehmatrix operieren.


Kurz und gut: das hast Du sehr gut gemacht !


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Dgoe

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Noch eine kleine Ergänzung: sqrt(3/4) = sqrt(1/4) * sqrt(3) = 1/2 * sqrt(3).

Nun kann man sich diese Werte sehr einfach merken:

sin(00°) = 1/2 * sqrt(0) (= 0)
sin(30°) = 1/2 * sqrt(1) ( = 1/2)
sin(45°) = 1/2 * sqrt(2)
sin(60°) = 1/2 * sqrt(3)
sin(90°) = 1/2 * sqrt(4) ( = 1)


Und für den Cosinus dasselbe von unten nach oben:

cos(90°) = 1/2 * sqrt(0) ( = 0)
cos(60°) = 1/2 * sqrt(1) ( = 1/2)
cos(45°) = 1/2 * sqrt(2)
cos(30°) = 1/2 * sqrt(3)
cos(00°) = 1/2 * sqrt(4) ( = 1)
Hallo Ralf,

vielen Dank für das Lob.
Deine Ergänzung finde ich gut, da muss man erst einmal drauf kommen.
Die Tabelle ist wirklich interessant. Was auffällt ist, dass die Werte unter der Wurzel immer +1 steigen, während der Grad der Winkel mit +30,+15,+15,+30 eine andere Dynamik zeigt.

Ich bin auch immer am rätseln, was gegeben ist (Zirkel und Lineal...) und was nicht... ?

Gruß,
Dgoe
 
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ralfkannenberg

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Die Tabelle ist wirklich interessant. Was auffällt ist, dass die Werte unter der Wurzel immer +1 steigen, während der Grad der Winkel mit +30,+15,+15,+30 eine andere Dynamik zeigt.
Hallo Dgoe,

es gibt nicht viele rationale Vielfache von pi, deren Sinus (oder gleichwertig Cosinus) eine algebraische Zahl ist. Oben siehst Du einige solcher Beispiele im 1.Quadranten, selbstverständlich modulo 360°, also modulo 2*pi. - Man nimmt 2*pi, weil das der Umfang des Einheitskreises ist. Und wenn man so normiert, dann bekommt man eben auch die schöne Euler'sche Formel, die von nicht wenigen als die schönste aller Formeln angesehen wird.

Ich selber bin bei solchen Superlativen etwas vorsichtig, aber ja: selbstverständlich hätte ich diese Formel in die allerengste Auswahl aufgenommen, und sie wäre auch spontan die erste gewesen, die ich aufgenommen hätte. Die Winkelsumme 180° in einem ebenen Dreieck wäre auch so ein Kandidat, ebenso wie E=m*c² aus der Relativitätstheorie. Und vielleicht noch die geometrische Reihe sum[sub]{n=0..oo}[/sub]a[sup]k[/sup] = 1/(1-a), das Planck'sche Wirkungsquantum E=h*ν und die Kreisfläche A=π*r². (oder völlig gleichwertig der Kreisumfang 2*π*r).


Freundliche Grüsse, Ralf
 
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