Dreieckberechnung
Die folgende Liste enthält die meisten bekannten Formeln aus der Trigonometrie in der Ebene. Die meisten dieser Beziehungen verwenden trigonometrische Funktionen.
Dabei werden die folgenden Bezeichnungen verwendet: Das Dreieck
habe die Seiten
,
und
, die Winkel
,
und
bei den Ecken
,
und
. Ferner seien
der Umkreisradius,
der Inkreisradius und
,
und
die Ankreisradien (und zwar die Radien der Ankreise, die den Ecken
,
bzw.
gegenüberliegen) des Dreiecks
. Die Variable
steht für den halben Umfang des Dreiecks
:
.
Schließlich wird die Fläche des Dreiecks
mit
bezeichnet. Alle anderen Bezeichnungen werden jeweils in den entsprechenden Abschnitten, in denen sie vorkommen, erläutert.
Es ist zu beachten, dass hier die Bezeichnungen für den Umkreisradius
, den Inkreisradius
und die drei Ankreisradien
,
,
benutzt werden. Oft werden davon abweichend für dieselben Größen auch die Bezeichnungen
,
,
,
,
verwendet.
Winkelsumme

Formel 1:

Formel 2:
wenn


wenn


wenn


Formel 1:



Formel 2:
wenn


wenn


wenn
(Satz des Pythagoras)


Projektionssatz



Formel 1:

Analoge Formeln gelten für
und
:


Wegen
bleibt eine dieser Formel gültig, wenn sowohl die Seiten als auch die zugehörigen Winkel vertauscht werden, also etwa:

Formel 2:
wenn


wenn


wenn


Im Folgenden bedeutet
immer die Hälfte des Umfangs des Dreiecks
, also
.


















Flächeninhalt und Umkreisradius
Der Flächeninhalt des Dreiecks wird hier mit
bezeichnet (nicht, wie heute üblich, mit
, um eine Verwechselung mit der Dreiecksecke
auszuschließen):
Heronsche Formel:


Weitere Flächenformeln:

, wobei
,
und
die Längen der von
,
bzw.
ausgehenden Höhen des Dreiecks
sind.






, mit 


Erweiterter Sinussatz:




In- und Ankreisradien
In diesem Abschnitt werden Formeln aufgelistet, in denen der Inkreisradius
und die Ankreisradien
,
und
des Dreiecks
vorkommen.






[1]
Wichtige Ungleichung:
; Gleichheit tritt nur dann ein, wenn Dreieck
gleichseitig ist.





Die Ankreise sind gleichberechtigt: Jede Formel für
gilt in analoger Form für
und
.

Höhen
Die Längen der von
,
bzw.
ausgehenden Höhen des Dreiecks
werden mit
,
und
bezeichnet.






Hat das Dreieck
einen rechten Winkel bei
(ist also
), dann gilt



Seitenhalbierende
Die Längen der von
,
bzw.
ausgehenden Seitenhalbierenden des Dreiecks
werden
,
und
genannt.




Winkelhalbierende
Wir bezeichnen mit
,
und
die Längen der von
,
bzw.
ausgehenden Winkelhalbierenden im Dreieck
.



Allgemeine Trigonometrie in der Ebene
Periodizität




Gegenseitige Darstellung
Die trigonometrischen Funktionen lassen sich ineinander umwandeln oder gegenseitig darstellen. Es gelten folgende Zusammenhänge:

(„Trigonometrischer Pythagoras“)


(Siehe auch den Abschnitt Phasenverschiebungen.)
Mittels dieser Gleichungen lassen sich die drei vorkommenden Funktionen durch eine der beiden anderen darstellen:
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für
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für
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für
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für
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für
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für
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für
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für
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für
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für
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für
|
|
|
für
|
|
Vorzeichen der Winkelfunktionen
![{\displaystyle \sin x>0\quad {\text{für}}\quad x\in \left]0^{\circ },180^{\circ }\right[}](./fdac0f290fd61f2d4f5b9a9696bf3169b7cd0918.svg)
![{\displaystyle \sin x<0\quad {\text{für}}\quad x\in \left]180^{\circ },360^{\circ }\right[}](./170b6c1d4a0f5062cb5c97c5c1157b4e2535e625.svg)
![{\displaystyle \cos x>0\quad {\text{für}}\quad x\in \left[0^{\circ },90^{\circ }\right[\cup \left]270^{\circ },360^{\circ }\right]}](./af94605331a13a2721b46d99396163d49faf800d.svg)
![{\displaystyle \cos x<0\quad {\text{für}}\quad x\in \left]90^{\circ },270^{\circ }\right[}](./518e3b67bc5d734254ae99debc89eb0aee804f3e.svg)
![{\displaystyle \tan x>0\quad {\text{für}}\quad x\in \left]0^{\circ },90^{\circ }\right[\cup \left]180^{\circ },270^{\circ }\right[}](./28fa7ed5c5b9ee66db9fa769dd73c51984ab1557.svg)
![{\displaystyle \tan x<0\quad {\text{für}}\quad x\in \left]90^{\circ },180^{\circ }\right[\cup \left]270^{\circ },360^{\circ }\right[}](./330c10e3c7a41f96ff875db1ce209871c195f4b8.svg)
Die Vorzeichen von
,
und
stimmen überein mit denen ihrer Kehrwertfunktionen
,
bzw.
.
Wichtige Funktionswerte
|
(rad)
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Mit Hilfe der Additionstheoreme sind noch viele weitere Werte durch algebraische Ausdrücke (ggfs. mit verschachtelten Quadratwurzeln) darstellbar, insbesondere alle ganzzahligen Vielfachen von
.[2]
Symmetrien
Die trigonometrischen Funktionen haben einfache Symmetrien:

Phasenverschiebungen




Rückführung auf spitze Winkel



Darstellung durch den Tangens des halben Winkels
Mit der Bezeichnung
gelten die folgenden Beziehungen für beliebiges
|
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Additionstheoreme
Für Sinus und Kosinus lassen sich die Additionstheoreme aus der Verkettung zweier Drehungen um den Winkel
bzw.
herleiten. Das ist elementargeometrisch möglich; sehr viel einfacher ist das koordinatenweise Ablesen der Formeln aus dem Produkt zweier Drehmatrizen der Ebene
. Alternativ folgen die Additionstheoreme aus der Anwendung der Eulerschen Formel auf die Beziehung
. Die Ergebnisse für das Doppelvorzeichen ergeben sich durch Anwendung der Symmetrien.[3]
[4]
[4]
Geometrische Herleitungen sind in Figur 1 und Figur 2 für Winkel
und
zwischen 0° und 90° veranschaulicht.[5]
Zu Figur 1:


Zu Figur 2:


Durch Erweiterung mit
bzw.
und Vereinfachung des Doppelbruchs erhält man
,
.
Für
folgen hieraus die Doppelwinkelfunktionen, für
die Phasenverschiebungen.


Additionstheoreme für Arkusfunktionen
Für die Arkusfunktionen gelten folgende Additionstheoreme[6]
| Summanden
|
Summenformel
|
Gültigkeitsbereich
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oder
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und und
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und und
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oder
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und und
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und und
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und
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und
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und
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|
und
|
Doppelwinkelfunktionen

Eine geometrische Herleitung ist in Figur 3 für Winkel
und
zwischen 0° und 90° veranschaulicht.[7]
Zu Figur 3:
- Aus der Berechnung der Flächeninhalte der beiden grauen Dreiecke ergibt sich
. Hieraus folgt
.
Weitere Beziehungen:



Winkelfunktionen für weitere Vielfache
Die Formeln für Vielfache berechnen sich normalerweise über die komplexen Zahlen aus der Euler-Formel
und der DeMoivre-Formel
.
Damit ergibt sich
.
Zerlegung in Real- und Imaginärteil liefert dann die Formeln für
und
bzw. die allgemeine Reihendarstellung.
Die Formel für
steht über
[8] mit den Tschebyschow-Polynomen in Beziehung.
[9]

[10]

[11]

[12][13]



[14]
[15]
[16]
[17]
[13][18]


[13]
[13]
[13]
[13]
Zur Berechnung des Funktionswertes des halben Arguments dienen die Halbwinkelformeln[13], welche sich mittels Substitution aus den Doppelwinkelformeln herleiten lassen:
![{\displaystyle \sin {\frac {x}{2}}={\sqrt {\frac {1-\cos x}{2}}}\quad {\text{für}}\quad x\in \left[0,2\pi \right]}](./c05b1bef0e3ec010ffd9aeb20f6b5fcd5facc1c9.svg)
![{\displaystyle \cos {\frac {x}{2}}={\sqrt {\frac {1+\cos x}{2}}}\quad {\text{für}}\quad x\in \left[-\pi ,\pi \right]}](./6f10157e35e43a63caa173267e34c4729ab69247.svg)


Eine geometrische Herleitung der dritten Formel ist in Figur 4 für Winkel
und
zwischen 0° und 90° veranschaulicht.[19] Aus der Berechnung der Flächeninhalte der beiden grauen Dreiecke ergibt sich unmittelbar
.
Außerdem gilt:
![{\displaystyle \tan {\frac {x}{2}}={\frac {\tan x}{1+{\sqrt {1+\tan ^{2}x}}}}\quad {\text{für}}\quad x\in \left]-{\tfrac {\pi }{2}},{\tfrac {\pi }{2}}\right[}](./6b5e598d507ce768e3efd5bfb8bf974e60b004bb.svg)
![{\displaystyle \cot {\frac {x}{2}}=\cot x+{\sqrt {1+\cot ^{2}x}}\quad {\text{für}}\quad x\in \left]0,\pi \right[}](./ab72611c37657b6aedab9984b9976053a5213dab.svg)
Siehe auch: Halbwinkelsatz
Summen zweier trigonometrischer Funktionen (Identitäten)
Aus den Additionstheoremen lassen sich Identitäten ableiten, mit deren Hilfe die Summe zweier trigonometrischer Funktionen als Produkt dargestellt werden kann:[13]

![{\displaystyle \left.{\begin{matrix}\tan x+\tan y={\dfrac {\sin(x+y)}{\cos x\cos y}}\\[1em]\tan x-\tan y={\dfrac {\sin(x-y)}{\cos x\cos y}}\end{matrix}}\right\}\Rightarrow \tan x\pm \tan y={\frac {\sin(x\pm y)}{\cos x\cos y}}}](./c82f5271400544871570c9e8e755362c0c27390c.svg)
![{\displaystyle \left.{\begin{matrix}\cot x+\cot y={\dfrac {\sin(y+x)}{\sin x\sin y}}\\[1em]\cot x-\cot y={\dfrac {\sin(y-x)}{\sin x\sin y}}\end{matrix}}\right\}\Rightarrow \cot x\pm \cot y={\frac {\sin(y\pm x)}{\sin x\sin y}}}](./324f139ea94aaeceb07ee500aa35eaa16d0755c8.svg)
Daraus ergeben sich noch Spezialfälle:

Produkte der Winkelfunktionen
Produkte der trigonometrischen Funktionen lassen sich mit folgenden Formeln berechnen:[13]










![{\displaystyle \prod _{m=1}^{n}\cos(x_{m})={\frac {1}{2^{n}}}\sum _{k_{1}=1}^{2}\cdots \sum _{k_{n}=1}^{2}\left[\exp \left({\text{i}}\sum _{\nu =1}^{n}(-1)^{k_{\nu }}x_{\nu }\right)\right]={\frac {1}{2^{n-1}}}\sum _{k_{2}=1}^{2}\cdots \sum _{k_{n}=1}^{2}\left[\cos \left(x_{1}+\sum _{\nu =2}^{n}(-1)^{k_{\nu }}x_{\nu }\right)\right]}](./857634cd97a722c95294a0a74547c8f081596355.svg)
![{\displaystyle \prod _{m=1}^{n}\sin(x_{m})={\frac {1}{(2{\text{i}})^{n}}}\sum _{k_{1}=1}^{2}\cdots \sum _{k_{n}=1}^{2}\left[\prod _{\mu =1}^{n}(-1)^{k_{\mu }}\cdot \exp \left({\text{i}}\sum _{\nu =1}^{n}(-1)^{k_{\nu }}x_{\nu }\right)\right]={\frac {1}{2^{n-1}}}\sum _{k_{2}=1}^{2}\cdots \sum _{k_{n}=1}^{2}\left[\prod _{\mu =2}^{n}(-1)^{k_{\mu }}\cdot {\begin{cases}\displaystyle (-1)^{n/2}\cdot \cos \left(x_{1}+\sum _{\nu =2}^{n}(-1)^{k_{\nu }}x_{\nu }\right)&{\text{gerade}}\;n\\\displaystyle (-1)^{(n-1)/2}\cdot \sin \left(x_{1}+\sum _{\nu =2}^{n}(-1)^{k_{\nu }}x_{\nu }\right)&{\text{ungerade}}\;n\end{cases}}\right]}](./20ec1339958b378bdfab93d89ae5a470552a1c12.svg)
Aus der Doppelwinkelfunktion für
folgt außerdem:

Potenzen der Winkelfunktionen
Sinus
[13][20]
[13][21]
[13][22]
[23]
[24]



Kosinus
[13][25]
[13][26]
[13][27]
[28]
[29]



Tangens

Umrechnung in andere trigonometrische Funktionen






Die folgenden Formeln gelten für beliebige ebene Dreiecke und folgen nach längeren Termumformungen aus
, solange die in den Formeln vorkommenden Funktionen wohldefiniert sind (Letzteres betrifft nur die Formeln, in denen Tangens und Kotangens vorkommen).












Sinusoid und Linearkombination mit gleicher Phase

[30]

wobei
Allgemeiner ist

wobei

und

Ableitungen und Stammfunktionen
Siehe Formelsammlung Ableitungen und Stammfunktionen
Bestimmte Integrale
Die Lösungen der nachfolgenden bestimmten Integrale stehen im Zusammenhang mit der Euler’schen Betafunktion, welche weiterhin mit der Gammafunktion verknüpft ist. Das zweite Integral ist z. B. in der Physik bei der Berechnung von Kräften zwischen zylinderförmigen Dauermagneten unter Verwendung der sogenannten Multipol-Entwicklung hilfreich.



Reihenentwicklung
Wie auch sonst in der Analysis werden alle Winkel im Bogenmaß angegeben.
Man kann zeigen, dass der Kosinus die Ableitung des Sinus darstellt und die Ableitung des Kosinus der negative Sinus ist. Hat man diese Ableitungen, kann man die Taylorreihe entwickeln (am einfachsten mit dem Entwicklungspunkt
) und zeigen, dass die folgenden Identitäten für alle
aus den reellen Zahlen gelten. Mit diesen Reihen werden die trigonometrischen Funktionen für komplexe Argumente definiert (
bzw.
bezeichnet dabei die Bernoulli-Zahlen):


[31]
[32]
Produktentwicklung








Zusammenhang mit der komplexen Exponentialfunktion
Ferner besteht zwischen den Funktionen
,
und der komplexen Exponentialfunktion
folgender Zusammenhang:
(Eulersche Formel)
Weiterhin wird
geschrieben.[33]
Auf Grund der oben genannten Symmetrien gilt weiter:


Mit diesen Beziehungen können einige Additionstheoreme besonders einfach und elegant hergeleitet werden.
Sphärische Trigonometrie
Eine Formelsammlung für das rechtwinklige und das allgemeine Dreieck auf der Kugeloberfläche findet sich in einem eigenen Kapitel.
Weblinks
Einzelnachweise
- ↑ Die Wurzel 2006/04+05, 104ff., ohne Beweis
- ↑ Joachim Mohr: Kosinus-, Sinus und Tangenswerte, abgerufen am 1. Juni 2016
- ↑ Ausführliche Beweise in Wikibooks Beweisarchiv.
- ↑ a b Otto Forster: Analysis 1. Differential- und Integralrechnung einer Veränderlichen. vieweg 1983, Seite 87.
- ↑ 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 44
- ↑ I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew: Taschenbuch der Mathematik. 19. Auflage, 1979. B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig. S. 237.
- ↑ 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 46
- ↑ Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 22.3.15, (s. a. oben „Weblinks“)
- ↑ Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.27, (s. a. oben „Weblinks“)
- ↑ Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.29, (s. a. oben „Weblinks“)
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, Table of Integrals, Series, and Products, Academic Press, 5th edition (1994), ISBN 0-12-294755-X 1.333.4
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.331.3 (Bei dieser Formel enthält Gradshteyn/Ryzhik allerdings einen Vorzeichenfehler)
- ↑ a b c d e f g h i j k l m n o I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew, Taschenbuch der Mathematik, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig. 19. Auflage 1979. 2.5.2.1.3
- ↑ Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.28, (s. a. oben „Weblinks“)
- ↑ Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.30, (s. a. oben „Weblinks“)
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.335.4
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.335.5
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.331.3
- ↑ 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 49
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.321.1
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.321.2
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.321.3
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.321.4
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.321.5
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.323.1
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.323.2
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.323.3
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.323.4
- ↑ I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, ebenda 1.323.5
- ↑ Weisstein, Eric W.: Harmonic Addition Theorem. Abgerufen am 20. Januar 2018 (englisch).
- ↑ Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.67, (s. a. oben „Weblinks“)
- ↑ Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, 4.3.70, (s. a. oben „Weblinks“)
- ↑ Herbert Amann, Joachim Escher: Analysis I, Birkhäuser Verlag, Basel 2006, 3. Auflage, S. 292 und 298