Die Formelsammlung zur euklidischen Geometrie ist ein Teil der Formelsammlung, in der auch Formeln der anderen Fachbereiche zu finden sind.
Bezeichner und Schreibweisen
BearbeitenIn den allermeisten Fällen gilt:
- Punkte werden mit lateinischen Großbuchstaben beschriftet.
- Linien wie Geraden, Strecken und Bögen werden mit lateinischen Kleinbuchstaben beschriftet.
- Winkel werden mit griechischen Kleinbuchstaben beschriftet.
Im Folgenden werden Winkel im Gradmaß angegeben.
Geometrie in der Ebene
BearbeitenGrundlagen
BearbeitenWinkel
Bearbeiten
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Teilung einer Strecke
BearbeitenVerhältnisteilung: Um eine Strecke in einem bestimmten Verhältnis (in gleiche Teile) zu teilen, zeichnet man zunächst einen beliebigen Strahl von aus, der nicht parallel zu ist. Auf diesem trage man mal eine beliebig lange Strecke ab. Den erhaltenen Endpunkt verbinde man mit und zeichne die Parallelen zu durch die bei der Unterteilung von entstandenen Punkte. Deren Schnittpunkte mit teilen in gleiche Teile.
Flächen und Umfänge
BearbeitenDie Standardbezeichnung für Dreiecke:
- Eckpunkte
- und . Die Ecke ist beim gleichschenkligen Dreieck der Treffpunkt der gleichen Seiten und beim rechtwinkligen Dreieck der Scheitel des rechten Winkels.
- Seiten
- ist die der Ecke gegenüberliegende Seite, entsprechendes gilt für und . Beim gleichseitigen Dreieck werden alle Seiten mit bezeichnet.
- Winkel
- ist der (Innen-)Winkel in Ecke , der Winkel in Ecke und der Winkel in Ecke .
Figur | Flächeninhalt A | Umfang U | Bemerkung, Weiteres |
---|---|---|---|
Dreieck | |||
Allgemeines Dreieck | |
Letztere Flächenformel wird als Satz des Heron bezeichnet. ist der halbe Umfang, der Umkreisradius und der Inkreisradius. | |
Gleichseitiges Dreieck | Alle Seiten sind gleich lang. Alle Winkel sind gleich groß (60°). Höhenlinien = Symmetrieachsen = Winkelhalbierende = Seitenhalbierende= Mittennormale | ||
Gleichschenkliges Dreieck | Zwei Seiten sind gleich lang (Schenkel und ); die dritte Seite heißt Basis Die beiden Basiswinkel ( und ) sind gleich groß. Die Höhenlinie durch halbiert den Winkel und die Basis . | ||
Rechtwinkliges Dreieck | . Hypotenuse = längste Seite = Seite gegenüber dem 90°-Winkel. Katheten = Seiten, die den rechten Winkel bilden. Es gilt die Satzgruppe des Pythagoras (s.u.) | ||
Viereck | |||
Quadrat | Diagonale | ||
Rechteck | Diagonale | ||
Raute (Rhombus) | = Diagonalen, = Schnittwinkel der Diagonalen. | ||
Parallelogramm | ist die Höhe zur Seite a. | ||
Trapez | = parallele Seiten, = Mittellinie | ||
symmetrischer Drachen (Deltoid) | = Diagonalen. | ||
Sehnenviereck | |
Viereck mit Umkreis, Umkreisradius , halber Umfang; Diagonalen: , | |
Tangentenviereck | Viereck mit Inkreis mit Inkreisradius . Es gilt | ||
Polygone | |||
Regelmäßiges Polygon | |
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Kreis | |||
Kreis |
Es bezeichnet die Kreiszahl. | ||
Kreisring | = Außenradius, = Innenradius | ||
Kreisausschnitt |
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b = (Winkel im Bogenmaß) | |
Kreisabschnitt (Segment) |
(Winkel im Bogenmaß) | ||
Kegelschnitte | |||
Ellipse | |
Menge der Punkte, für die die Summe der beiden Abstände zu zwei gegebenen Punkten (Brennpunkten) konstant ( ) ist. Der Umfang lässt sich nicht mit elementaren Funktionen angeben (→ Elliptisches Integral). D,d großer und kleiner Durchmesser. Kartesische Koordinaten: | |
Hyperbel | Keine geschlossene Fläche | Keine geschlossene Kurve | Menge aller Punkte, für die die absolute Differenz der Abstände zu den Brennpunkten konstant 2a ist. Kartesische Koordinaten: |
Parabel | Keine geschlossene Fläche | Keine geschlossene Kurve | Menge aller Punkte, deren Abstand zu einem speziellen festen Punkt (dem Brennpunkt) und einer speziellen Geraden (der Leitgeraden l) konstant ist. Kartesische Koordinaten: . |
Dreiecksgeometrie
BearbeitenAusgezeichnete Punkte
Bearbeiten- Seitenhalbierende (Schwerlinien)
- teilen einander im Verhältnis 2:1.
- schneiden sich in einem Punkt, dem Schwerpunkt S des Dreiecks.
- teilen die Dreiecksfläche in je zwei gleich große Teilflächen.
- Schnittpunkt der Mittelsenkrechten (Mittennormalen) = Mittelpunkt des Umkreises.
- Schnittpunkt der Winkelhalbierenden = Mittelpunkt des Inkreises.
- Höhenlinien
- schneiden einander in einem Punkt H, dem Höhenschnittpunkt des Dreiecks.
- Die Höhe hc ist der Normalabstand des Punktes C zur Seite c (rechter Winkel bei D).
Satzgruppe des Pythagoras
Bearbeiten- Satz des Pythagoras
- Im rechtwinkligen Dreieck ist die Fläche des Quadrats über der Hypotenuse gleich der Summe der Flächen der Quadrate über den Katheten:
- Kathetensatz
- Im rechtwinkligen Dreieck ist das Quadrat über einer Kathete flächengleich dem Rechteck aus der Hypotenuse und der Projektion dieser Kathete auf die Hypotenuse (für diese Formel zur unteren Skizze ist a links oben und b rechts oben):
- Höhensatz
Die Summe zweier Seiten eines Dreiecks ist stets größer als die dritte Seite.
Zwei Dreiecke sind kongruent bzw. deckungsgleich, wenn sie übereinstimmen in
- drei Seiten z. B. a, b, c = n (sss)
- zwei Seiten und dem eingeschlossenen Winkel (sws)
- zwei Seiten und dem Gegenwinkel der längeren Seite (Ssw)
- einer Seite und den beiden anliegenden Winkeln (wsw)
Zwei Dreiecke sind ähnlich, wenn
- drei Paare entsprechender Seiten das gleiche Verhältnis haben
- zwei Paare entsprechender Seiten das gleiche Verhältnis haben und die von diesen Seiten eingeschlossenen Winkel übereinstimmen
- zwei Paare entsprechender Seiten dasselbe Verhältnis haben und die Gegenwinkel der längeren Seiten übereinstimmen
- zwei Winkel übereinstimmen
- Strahlensatz: Wird ein Zweistrahl durch zwei parallele Geraden geschnitten, so stehen die Strahlenabschnitte des ersten Strahles im gleichen Verhältnis wie die entsprechenden Abschnitte des zweiten Strahles.
- Strahlensatz: Wird ein Zweistrahl durch zwei parallele Geraden geschnitten, so stehen die Parallelabschnitte im gleichen Verhältnis, wie die vom Scheitelpunkt aus gemessenen zugehörigen Strahlenabschnitte.
Geometrie der Körper
BearbeitenKörper | Volumen V | Oberfläche O | Bemerkungen, Weiteres |
---|---|---|---|
Prismen | |||
Parallelepiped (Spat) |
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Quader |
Raumdiagonalenlänge | ||
Allgemeines Prisma |
Mantelfläche | ||
Säulen | |||
Rundsäule (Zylinder) | |||
Hohlzylinder | |
Außen-,Innenradius | |
Pyramide | |||
Allgemeine Pyramide |
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Pyramidenstumpf | Grundfläche Deckfläche | ||
Kegel | |||
Kreiskegel | nur für senkrechte Kegel: |
Zusammenhang von Radius, Höhe und Seitenhöhe: | |
gerader Kegelstumpf | |
Radien | |
Platonische Körper | |||
Tetraeder | |||
Hexaeder (Würfel) | Raumdiagonalenlänge | ||
Oktaeder | |||
Dodekaeder | |||
Ikosaeder | |||
Kugel und Kugelteile | |||
Kugel | |||
Kugelkalotte (Kugelmütze, Kugelkappe) | |||
Kugelsegment (Kugelabschnitt) | mit | ||
Kugelzone (Kugelschicht) |
mit = Durchmesser des unteren Schnittkreises und = Durchmesser des oberen Schnittkreises | ||
Drehkörper | |||
Ellipsoid | Halbachsen a,b,c | ||
Torus |
siehe auch: Eulerscher Polyedersatz, Prinzip von Cavalieri
Trigonometrie
BearbeitenAnalytische Geometrie
BearbeitenEinheiten
BearbeitenSI-Einheiten
BearbeitenBasisgröße und Dimensionsname |
Größen- symbol |
Dimensions- symbol |
Einheit | Einheiten- zeichen |
Definition der Einheit |
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Länge | l | L | Meter | m | Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum während der Dauer von 1 / 299 792 458 Sekunde zurücklegt. |
Masse | m | M | Kilogramm | kg | Das Kilogramm ist gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps. |
Zeit | t | T | Sekunde | s | Das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Caesium-Isotops 133Cs entsprechenden Strahlung. |
Stromstärke | I | I | Ampere | A | Stärke eines konstanten elektrischen Stromes, der, durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von 1 Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern pro Meter Leiterlänge die Kraft 2·10−7 Newton hervorrufen würde.[B 1] |
Thermodynamische Temperatur |
T | Θ | Kelvin | K | 1 / 273,16 der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts von Wasser genau definierter isotopischer Zusammensetzung.[B 2] |
Stoffmenge (Substanzmenge) |
n | N | Mol | mol | Die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen Einzelteilchen besteht, wie Atome in 12 Gramm des Kohlenstoff-Isotops 12C in ungebundenem Zustand enthalten sind. Bei Benutzung des Mol müssen die Einzelteilchen spezifiziert sein und können Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen sowie andere Teilchen oder Gruppen solcher Teilchen genau angegebener Zusammensetzung sein. |
Lichtstärke | IV | J | Candela | cd | Die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540·1012 Hz[B 3] aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1 / 683 Watt pro Steradiant beträgt. |
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Man kann erkennen, dass nur die drei Basiseinheiten Kilogramm, Sekunde und Kelvin unabhängig von anderen Basiseinheiten definiert sind, während die Definitionen der übrigen vier Basiseinheiten Abhängigkeiten von anderen Basiseinheiten aufweisen:
- Meter von Sekunde
- Mol von Kilogramm
- Ampere sowie Candela von Meter, Kilogramm und Sekunde
Des Weiteren fällt auf, dass nur die Einheit Kilogramm anhand eines Prototyps definiert wird. Alle anderen Einheiten werden über unveränderliche Naturkonstanten festgelegt, was aber nicht schon immer der Fall war. So gab es bis 1960 beispielsweise ein Urmeter als Prototyp für die Einheit Meter. Da sich die Masse des Urkilogramms aber theoretisch ändern könnte (und dies wahrscheinlich sogar tut[1]) arbeitet man daran, auch die Einheit Kilogramm eindeutig zu definieren (siehe auch Neudefinition des Kilogramms).
Abgeleitete SI-Einheiten mit besonderem Namen
Bearbeiten22 kohärenten abgeleiteten SI-Einheiten wurden eigene Namen und Einheitenzeichen (Symbole) zugeordnet, die selbst wieder mit allen Basis- und abgeleiteten Einheiten kombiniert werden können. So eignet sich zum Beispiel die SI-Einheit der Kraft, das Newton (= kg·m/s2), um die Einheit der Energie, das Joule als Newton mal Meter (N·m) auszudrücken. Die folgende Tabelle listet diese 22 Einheiten in derselben Reihenfolge wie Tabelle 3 der SI-Broschüre (8. Auflage).
Größe | Einheit | Einheiten- zeichen |
in anderen SI-Einheiten ausgedrückt |
in SI-Basiseinheiten ausgedrückt[N 1] |
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ebener Winkel | Radiant[N 2] | rad | m/m | 1 |
Raumwinkel | Steradiant[N 3] | sr | m2/m2 | 1 |
Frequenz | Hertz | Hz | s−1 | |
Kraft | Newton | N | J/m | m·kg·s−2 |
Druck | Pascal[N 4] | Pa | N/m2 | m−1·kg·s−2 |
Energie, Arbeit, Wärmemenge | Joule | J | N·m; Ws | m2·kg·s−2 |
Leistung | Watt | W | J/s; VA | m2·kg·s−3 |
elektrische Ladung | Coulomb | C | A·s | |
elektrische Spannung (elektrische Potentialdifferenz) |
Volt | V | W/A; J/C | m2·kg·s−3·A−1 |
elektrische Kapazität | Farad | F | C/V | m−2·kg−1·s4·A2 |
elektrischer Widerstand | Ohm | Ω | V/A | m2·kg·s−3·A−2 |
elektrischer Leitwert | Siemens | S | 1/Ω | m−2·kg−1·s3·A2 |
magnetischer Fluss | Weber | Wb | V·s | m2·kg·s−2·A−1 |
magnetische Flussdichte, Induktion |
Tesla | T | Wb/m2 | kg·s−2·A−1 |
Induktivität | Henry | H | Wb/A | m2·kg·s−2·A−2 |
Celsius-Temperatur | Grad Celsius[N 5] | °C | K | |
Lichtstrom | Lumen | lm | cd·sr | cd |
Beleuchtungsstärke | Lux | lx | lm/m2 | m−2·cd |
Radioaktivität | Becquerel | Bq | s−1 | |
Energiedosis | Gray | Gy | J/kg | m2·s−2 |
Äquivalentdosis | Sievert | Sv | J/kg | m2·s−2 |
katalytische Aktivität | Katal | kat | s−1·mol | |
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- ↑ Das Urkilogramm – Der Dinosaurier unter den Maßeinheiten, Bericht aus einer Quarks und Co-Sendung