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Satz des Thales

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(Weitergeleitet von Thaleskreis)
Satz des Thales
Satz des Thales

Der Satz des Thales ist ein Theorem der Geometrie und ein Spezialfall des Kreiswinkelsatzes.[An 1] Vereinfacht lautet er: Alle von einem Halbkreis umschriebenen Dreiecke sind rechtwinklig.

Der erste Beweis wird dem antiken griechischen Mathematiker und Philosophen Thales von Milet zugeschrieben.[1] Die Aussage des Satzes war bereits vorher in Ägypten und Babylonien bekannt.

Formulierung des Satzes und seiner Umkehrung

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Halbkreis mit rechtwinkligen Dreiecken

Exakte Formulierung: Konstruiert man ein Dreieck aus den beiden Endpunkten des Durchmessers eines Halbkreises (Thaleskreis) und einem weiteren Punkt dieses Halbkreises, so erhält man immer ein rechtwinkliges Dreieck.

Oder: Liegt der Punkt eines Dreiecks auf einem Halbkreis über der Strecke , dann hat das Dreieck bei immer einen rechten Winkel.

Auch die Umkehrung des Satzes ist korrekt: Der Mittelpunkt des Umkreises eines rechtwinkligen Dreiecks liegt immer in der Mitte der Hypotenuse, also der längsten Seite des Dreiecks, die dem rechten Winkel gegenüberliegt.

Oder: Hat das Dreieck bei einen rechten Winkel, so liegt auf einem Kreis mit der Hypotenuse als Durchmesser.

Euklid leitet den Satz des Thales im dritten Band seiner Elemente mit Hilfe folgender Sätze, die ebenfalls Thales zugeschrieben werden und im ersten Band enthalten sind, her:[2]

Beweis mit gleichschenkligen Dreiecken

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Zerlegung des Dreiecks unter dem Halbkreis in zwei gleichschenklige Dreiecke. Die Winkel und ergänzen sich zu 180°, die Winkel und also zu 90°.

sei ein Dreieck innerhalb eines Kreises mit als Kreisdurchmesser und dem Radius . Dann ist der Mittelpunkt der Strecke auch der Kreismittelpunkt. Die Streckenlängen , und sind also gleich dem Radius .

Die Strecke teilt das Dreieck in zwei Dreiecke und auf, die gleichschenklig sind. Die Basiswinkel dieser Dreiecke, also die Winkel an der Grundseite bzw. , sind daher jeweils gleich ( beziehungsweise in der Abbildung).

Die Winkelsumme im Dreieck beträgt 180°:

Dividiert man diese Gleichung auf beiden Seiten durch 2, so ergibt sich

.

Damit ist gezeigt, dass der Winkel   mit Scheitel ein rechter Winkel ist.

Die Umkehrung des Satzes von Thales lässt sich auf die Aussage zurückführen, dass die Diagonalen eines Rechtecks gleich lang sind und sich gegenseitig halbieren.

Beweis mit Vervollständigung zum Rechteck

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Der Punkt entsteht durch Spiegelung vom Punkt am Durchmesser und an der Mittelsenkrechten von . Das Viereck ist ein Rechteck.

Wird der Punkt am Durchmesser und anschließend an der Mittelsenkrechten von gespiegelt, dann liegt der Bildpunkt wegen Symmetrie auf dem unteren Halbkreis über der Seite . Das ist eine Punktspiegelung am Kreismittelpunkt . Daher sind die Seiten und sowie und parallel und das Viereck ist ein Parallelogramm. Weil die Diagonalen und Durchmesser des Kreises und daher gleich lang sind, ist das Parallelogramm ein Rechteck und der Winkel bei ein rechter Winkel.

Beweis mit kartesischen Koordinaten

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Der Kreismittelpunkt sei der Koordinatenursprung. Sind der Radius und die Punkte , und mit kartesischen Koordinaten gegeben, dann gilt nach dem Satz des Pythagoras . Wegen und gilt im Dreieck die Gleichung

.

Aus der Umkehrung des Satzes des Pythagoras folgt, dass das Dreieck im Punkt rechtwinklig ist.

Mit dem Satz des Pythagoras kann auch gezeigt werden, dass das Skalarprodukt der Vektoren und gleich Null ist:

Es ist und .

,

woraus folgt, dass der Kosinus des Winkels im Punkt gleich Null ist und somit das Dreieck einen rechten Winkel in hat.

Trigonometrischer Beweis

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Sind der Winkel , der Radius und die Punkte , mit kartesischen Koordinaten gegeben, dann hat der Punkt die Koordinaten . Die Seite hat die Steigung

und die Seite hat die Steigung

.

Wegen ist das Produkt der Steigungen gleich

.

Daraus folgt, dass die Seiten und zueinander orthogonal sind und einen rechten Winkel bilden.

Einen weiteren Beweis findet man hier: Wikibooks: Beweisarchiv.

Konstruktion einer Kreistangente

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Konstruktion der Kreistangenten

Eine wichtige Anwendung des Satzes von Thales ist u. a. die Konstruktion der beiden Tangenten an einen Kreis durch einen außerhalb dieses Kreises gelegenen Punkt .

Gegeben sei der Radius des Kreises mit seinem Mittelpunkt sowie der Abstand des Punktes von . Vom Punkt wissen wir nur, dass er auf der Kreislinie, irgendwo im ersten Viertel vom Kreis , liegen muss. Würde man nur diese Bedingung berücksichtigen, könnte man unendlich viele Dreiecke einzeichnen.

Da die obere durch verlaufende Tangente den Kreis genau im Punkt berührt, muss das Dreieck einen rechten Winkel am Punkt haben (Grundeigenschaft der Kreistangente), oder anders formuliert: Die Strecke muss senkrecht auf der Tangente stehen.

Um ein Dreieck zu finden, das auch rechtwinklig ist, ermitteln wir von der Strecke den Mittelpunkt mithilfe der Mittelsenkrechten, zeichnen einen Kreis mit dem Radius um den Mittelpunkt und machen uns das Prinzip des Thaleskreises zunutze: Alle Dreiecke mit der Grundseite , deren dritter Eckpunkt auf dem Thaleskreis liegt, sind rechtwinklig. Dies gilt natürlich auch für das Dreieck .

Der Berührpunkt kann deshalb nur der Schnittpunkt des Kreises mit dem hellgrauen Kreis sein. Durch Verbinden von mit erhält man nun die gesuchte Tangente (in der Zeichnung rot).

Es existiert eine zweite, symmetrische Lösung in der unteren Hälfte des Kreises. Die Tangente (ebenfalls rot gezeichnet) berührt den Kreis ebenfalls, und zwar im Punkt .

Bei den zwei folgenden Anwendungen (offenes bzw. gekreuztes Riemengetriebe) wird jeweils ein Hilfskreis (grün) in bzw. um die größere der beiden Riemenscheiben erstellt. An diesen werden die vom Mittelpunkt der kleineren Riemenscheibe ausgehenden Tangenten gemäß obiger Beschreibung ermittelt. Die an beiden Scheiben anliegenden Tangenten sind Parallelen der den Hilfskreis berührenden.

Konstruktionsskizze für offenes Riemengetriebe,
Der Radius des Hilfskreises (grün) ergibt sich aus der Subtraktion der beiden Kreisradien:
Konstruktionsskizze für gekreuztes Riemengetriebe
Der Radius des Hilfskreises (grün) ergibt sich aus der Summe der beiden Kreisradien:

Konstruktion reeller Quadratwurzeln

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Mithilfe des Satzes des Thales, des Höhensatzes und des Kathetensatzes (beide von Euklid) lassen sich die folgenden Quadratwurzeln konstruieren:[4]

  • aus und aus (siehe Zahl größer als 1).
  • aus aus und aus (siehe Zahl kleiner als 1).

Zahl größer als 1

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Zahl größer als 1: Konstruktion von und mit Zirkel und Lineal

Soll die Quadratwurzel einer reellen Zahl, die größer als 1 ist, gefunden werden, ohne vorherige Aufteilung der Zahl in - und -Anteile, eignet sich dafür die Methode, die das nebenstehende Bild zeigt. Im Prinzip sind damit auch Quadratwurzeln von Zahlen, die kleiner als 1 sind, vorstellbar.

Es beginnt mit dem Einzeichnen der Strecke mit Länge auf einer hier nicht näher bezeichneten Geraden. Ist die gegebene Zahl eine ganze Zahl, wird das Produkt ab dem Punkt auf die Gerade abgetragen; d. h. ist z. B. die Zahl , wird die Strecke achtmal abgetragen. Der dadurch entstehende Schnittpunkt bringt die Hypotenuse des entstehenden Dreiecks .

Ist eine reelle Zahl, besteht u. a. auch die Möglichkeit, mithilfe des dritten Strahlensatzes zu konstruieren.

Es folgen die Senkrechte auf im Punkt und die Halbierung der Seite in . Abschließend wird der Thaleskreis um gezogen.

  • Nach dem Höhensatz des Euklid gilt , daraus folgt ,
somit ist die Höhe des rechtwinkligen Dreiecks gleich der Quadratwurzel aus .
  • Nach dem Kathetensatz des Euklid gilt daraus folgt
somit ist die Seitenlänge des rechtwinkligen Dreiecks gleich der Quadratwurzel aus .

Zahl kleiner als 1

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Zahl kleiner als 1: Konstruktion von und mit Zirkel und Lineal

Ist die Quadratwurzel einer Zahl, die kleiner als ist, gesucht, eignet sich dafür die Methode, die das nebenstehende Bild zeigt.

Es beginnt ab dem Punkt (Wert ) mit einer Halbgeraden. Darauf wird die Strecke mit Länge und die Strecke mit Länge bestimmt. Dabei ergibt sich die Hypotenuse des entstehenden Dreiecks Hat die gegebene Dezimalzahl nur eine Nachkommastelle, wird das Produkt ab dem Punkt abgetragen; d. h. ist z. B. wird die Strecke achtmal abgetragen. Der dadurch entstehende Schnittpunkt bringt

Wenn die gegebene Dezimalzahl mehr als eine Nachkommastelle hat, z. B. , besteht u. a. die Möglichkeit, wie bereits oben im Abschnitt Zahl größer als 1 darauf hingewiesen, mithilfe des dritten Strahlensatzes zu konstruieren.

Es folgen die Senkrechte auf die Strecke im Punkt und die Halbierung der Seite in Abschließend wird der Thaleskreis (Radius ) um gezogen.

  • Nach dem Höhensatz des Euklid gilt
somit ist die Höhe des rechtwinkligen Dreiecks gleich der Quadratwurzel aus .
Wegen gilt auch:
Im rechtwinkligen Dreieck ist die Länge das geometrische Mittel der Längen und .
, darin ist , damit ergibt sich
somit ist die Seitenlänge des rechtwinkligen Dreiecks gleich der Quadratwurzel aus .
Für die Seitenlänge
Mit den entsprechenden Werten für die Seitenlänge ergibt sich
somit ist die Seitenlänge des rechtwinkligen Dreiecks gleich der Quadratwurzel aus

Sätze des Thales im (Prä-)Hilbert-Raum

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Satz des Thales im (Prä-)Hilbert-Raum

Sätze des Thales kann man wie den Satz des Pythagoras auch allgemein in Vektorräumen mit einem Skalarprodukt formulieren. Dabei wird die Orthogonalität der Katheten im rechtwickligen Dreieck über das Skalarprodukt formuliert.

Satz des Thales 1 – rechter Winkel

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Sei ein Prä-Hilbert-Raum über . Das Dreieck wird durch folgende Vektoren dargestellt.

  • („Durchmesser Kreis“) und
  • , , mit .
  • für (Prä-)Hilbert-Räume über verlangt man ferner .

Dann gilt (d. h. das Dreieck rechtwinklig).

Beweis – Satz des Thales 1

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In dem Beweis zeigen wir über die Eigenschaften des Skalarproduktes, dass die Katheten in dem Dreieck senkrecht aufeinander stehen. Sei ein Prä-Hilbert-Raum über . Dabei liefert die Eigenschaft , das die Ecken des Dreiecks auf einem Kreis liegen.

Bemerkung zur Übertragung in (Prä-)Hilbert-Räume

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Die bekannten geometrischen Eigenschaften aus der Ebene wurden dabei wie folgt auf (Prä-)Hilbert-Räume übertragen:

  • und , bedeutet, dass der Mittelpunkt der Strecke ist.
  • , sind die Katheten des Dreiecks,
  • Durch und liegt der Punkt auf einem Halbkreis mit dem Radius .

Beweisschritt 1 – Orthogonalität der Katheten

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Man berechnet nun durch Einsetzung und Anwendung der Eigenschaften des Skalarproduktes:

Beweisschritt 2 – Orthogonalität der Katheten

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Damit gilt und das Dreieck mit den obigen Katheten und der Hypotenuse ist rechtwinklig.

Satz des Thales 2 – Punkt auf Kreis

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Sei ein Prä-Hilbert-Raum über . Das Dreieck wird durch folgende Vektoren dargestellt.

  • („Durchmesser Kreis“) und
  • , , mit .
  • für (Prä-)Hilbert-Räume über verlangt man ferner .

Dann gilt (d. h. der Punkt liegt auf dem Kreis um ).

Beweis – Satz des Thales 2

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Nach Voraussetzung stehen und orthogonal zueinander, wegen . Diese Eigenschaft wird nun ausgenutzt, um zu zeigen, dass gilt und damit der Punkt auf einem Kreis um liegt.

Beweisschritt 1 – Verwendung der Orthogonalität

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Man berechnet nun durch Einsetzung und Anwendung der Eigenschaften des Skalarproduktes:

Beweisschritt 2 – algebraische Umformung

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Man erhält durch Einsetzen in Gleichung 1 die folgende Äquivalenz:

Damit liegt auf dem Kreis mit Radius um den Punkt .

Bemerkung – Zusatzbedingung für unitäre Vektorräumen

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In euklidischen Vektorräume gilt die Bedingung in natürlicher Weise. In unitären Vektorräumen (über ) verlangt man die Bedingung als Voraussetzung des Satzes des Thales. Gilt , so kann man durch ersetzen, damit erfüllt ist.

Commons: Satz des Thales – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
  1. ↑ Der Durchmesser eines Kreises bildet die Hypotenuse eines Dreiecks. Der Zentriwinkel über dem entsprechenden Kreisbogen ist 180°, und der Winkel vom auf dem Kreis liegenden dritten Dreieckpunkt aus ist als Peripheriewinkel 90° groß.

Einzelnachweise

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  1. ↑ Diogenes Laertius: Leben und Meinungen berühmter Philosophen. Erster Band, Buch I–VI. Verlag von Felix Meiner, Leipzig 1921, S. 12, Ziffer 24; Textarchiv – Internet Archive
  2. ↑ Thomas Heath: A History of Greek Mathematics. Band 1: From Thales to Euclid. Dover Publications, New York 1981, ISBN 0-486-24073-8.
  3. ↑ Proklos. In: Euklid: Die Elemente. I,250,20
  4. ↑ Klaus Pommerening: Konstruierbarkeit mit Zirkel und Lineal – ein Vorspiel zur Galois-Theorien. (PDF) Abbildung 8: Quadratwurzel aus einer Strecke (Höhensatz). Universität Mainz, April 2020, S. 8, abgerufen am 1. Dezember 2024.