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Aufgabe:

Hallo allerseits!

Ich möchte in erinem stumpfen Trapez mit gegebenen Strecken alle Winkel bestimmen,



Problem/Ansatz:

~draw~ polygon(-4|0 -4|8 6|1 6|-1);zoom(10) ~draw~

https://www.matheretter.de/rechner/geozeichner?draw=polygon(-4%7C0%20-4%7C8%206%7C1%206%7C-1)&scale=10

Ich benutze im Job ein kleines Zeichenprogramm, dass mir manchmal aber durch zu eng gesteckte Toleranzen oder wegen Unplausibilität kein Ergebnis liefert.

Im obigen Beispiel sind mir alle Strecken bekannt und ich bin der Meinung, dass das Trapez dann eindeutig ist und es nicht mehrere Möglichkeiten gibt es darzustellen. Mein Programm gibt mir allerdings keine Lösung aus und auch auf diversen Online-Plattformen bin ich gescheitert.

Wo liegt mein Denkfehler, wenn ich der Überzeugung bin, dass es in einem Viereck, in dem alle Strecken bekannt sind und bei dem zwei Seiten parallel sind, es mehr als nur eine Lösung gibt?

Avatar vor von

In einem Viereck, in dem alle Strecken bekannt sind und bei dem zwei Seiten parallel sind, gibt es meiner Meinung nach nur eine Lösung.

es gibt genau dann nur eine Lösung, wenn die Längen und Parallelen eindeutig bestimmter Seiten im Trapez zuweisen worden sind. Also das Viereck habe die Seiten a, b, c und d in der üblichen Anordnung und es sei jede Seite mit ihrer Länge gegeben. Weiter muss klar sein, dass z.B. \(a \parallel c\) gilt.

Und (Achtung!) die parallelen Seiten dürfen nicht gleich lang sein, da das Trapez dann zum Parallelogramm entartet und in diesem Fall die Winkel beliebig werden können.

Unter diesen Bedingungen sollte es auch nur eine Lösung geben, oder eben keine, wenn die gegebene Werte nicht zusammen passen (z.B. \(a \gt b+c+d\)).

Wo liegt mein Denkfehler, wenn ich der Überzeugung bin, dass es in einem Viereck, in dem alle Strecken bekannt sind und bei dem zwei Seiten parallel sind, es mehr als nur eine Lösung gibt?

wie sollte denn dann Deiner Meinung nach eine zweite Lösung aussehen?

Tipp: versuche das Trapez mit Zirkel und Lineal zu konstruieren und überlegen dabei unter welchen Bedingungen das mehrdeutig oder nicht möglich wird.

Nachgefragt: wie heißt dieses Programm und wie genau sieht die Eingabe aus?

In einem Viereck, in dem alle Strecken bekannt sind und bei dem zwei Seiten parallel sind, gibt es meiner Meinung nach nur eine Lösung.

Bei einem Parallelogramm sind 2 Seiten parallel und alle Seiten bekannt und es gibt trotzdem unendlich viele Lösungen.

Ich mache es vielleicht mal ein wenig konkreter: ich nahm an, dass links unten der Punkt A mit dem dazugehörigen Winkel α und links die Strecke a ist und sich dieses im Uhrzeigersinn entsprechend fortsetzt.

a = 1600 mm
b = 2593 mm
c = 250 mm
d = 2011 mm

a und c sind parallel zueinander.

Hier kann es meiner Meinung nach nur eine mögliche Lösung geben.


wie sollte denn dann Deiner Meinung nach eine zweite Lösung aussehen?

Das frage ich mich und euch ja auch.


Nachgefragt: wie heißt dieses Programm und wie genau sieht die Eingabe aus?

Das ist eigentlich nur ein Teil des Auftragsbearbeitungsprogrammes, mit dem ich arbeite und es ist nicht frei verfügbar.
Dort kann ich dann Punkte in einem Raster festlegen und anschließend Strecken und Winkel angeben.
Ich weiß, dass es viele bessere Programme gibt. Für mich liegt der Fokus allerdings auf simple Bedienbarkeit und Kostenfreiheit.


Bei einem Parallelogramm sind 2 Seiten parallel und alle Seiten bekannt und es gibt trotzdem unendlich viele Lösungen.

Da bin ich ganz deiner Meinung und habe mich ungenau ausgedrückt, sorry.
Meine Aussage bezog sich auf das angegebene Viereck.

a = 1600 mm
b = 2593 mm
c = 250 mm
d = 2011 mm

a und c sind parallel zueinander.

Hier kann es meiner Meinung nach nur eine mögliche Lösung geben.

Ja .. und die sollte so aussehen. Und wo genau ist jetzt das Problem?

blob.png

2 Antworten

+1 Daumen
 
Beste Antwort

Hallo,

Du hast eigentlich zwei Fragen gestellt, einmal nach den Winkeln im Trapez und einmal nach der Eindeutigkeit des Trapez. Ich denke, ersteres ist Dein eigentliches Anliegen. So wie döschwo die Winkel aus Deiner Skizze oben berechnet hat, ist das nur möglich, wenn man die Koordinaten der einzelnen Punkte kennt. Zum Beispiel von dem Punkt (6|1) oben rechts, usw. Das ist i.A. natürlich nicht der Fall, dann hat man ja nur die Seitenlängen.

Man kann die Winkel im Trapez berechnen, wenn man ein Parallelogramm der Breite c abscheidet, so dass man ein Dreieck erhält. So wie in dieser Zeichnung

blob.png

Trage dazu einen Punkt \(A^*\) auf \(AB\) ab,, so dass \(|AA^*|=c\) ist. Dann erhält man das Dreieck \(\triangle A^*BC\) mit dem Winkel \(\angle BA^*C=\alpha\) (blau) und \(\angle CBA^*=\beta\) (rot). Da \(|A^*C|=d\) sind alle Seiten dieses Dreiecks bekannt und man kann die Winkel mit Hilfe des Kosinussatzes berechnen.

Der lautet:$$w^2 = u^2+v^2 - 2uv\cos(\varphi)$$ (Bem.: ich habe hier andere Bezeichner \(u,v,w\) für die Seiten des Dreiecks gewählt, um Dich nicht zu verwirren!)

\(w\) ist die Seite, die dem zu berechnenden Winkel gegenüber liegt. Und \(u\) und \(v\) sind die Seiten, die den Winkel einschließen. Wenn man also \(\alpha\) berechnen möchte, ist in diesem konkreten Fall$$w = b \quad u = d\quad v = |A^*B|= a-c \\ b^2 = d^2 + (a-c)^2 - 2d(a-c) \cos(\alpha)$$löst man diese Gleichung nach \(\cos(\alpha)\) auf, so lässt sich der Winkel \(\alpha\) berechnen.

Ich habe Dir dafür ein Desmos-Script erstellt, welches diese Berechnung durchführt:


Klicke rechts unten im Bild auf das Desmos-Symbol. Dann öffnet sich die Webseite des Graphik-Rechners und Du kannst oben links in der Seite auch andere Werte für die Seiten eintragen.

Gruß Werner

Avatar vor von 48 k

Weiter oben schriebst du:

Und wo genau ist jetzt das Problem?


Das Problem ist, dass die Softwareschmiede, mit deren Programm ich arbeite und auch ein Online-Rechner scheinbar nicht die Kenntnisse und Fähigkeiten haben, wie du sie hast und mit Hilfe derer du dir ein Tool aus dem Ärmel schüttelst, das einfach tut, was es soll und funktioniert, vielen Dank dafür.

Ein weiteres Problem ist, dass ich mich nicht daran erinnert habe, was mir mein verstorbener Chef geraten hätte, nämlich das stumpfe Trapez zu zerlegen und dann Dreieck und Parallelogramm einzeln zu bestimmen, so wie du es getan hast.

Dein Ansatz und Lösungsweg ist für mich direkt nachvollziehbar und einleuchtend und ich habe hinzugelernt.

Ich danke dir.

Gruß,
Thomas

+1 Daumen

von unten links im Gegenuhrzeigersinn:

\( \displaystyle \alpha = \arctan \left(\frac{1}{10} \right) + 90^\circ \)

\( \displaystyle \beta = \arctan \left(\frac{10}{1} \right) \)

\( \displaystyle \gamma = \arctan \left(\frac{7}{10} \right) + 90^\circ \)

\( \displaystyle \delta = \arctan \left(\frac{10}{7} \right) \)

Avatar vor von 45 k

Das sieht sehr danach aus, als wüsstest du sehr genau, wovon du sprichst und ich danke dir für diese Formeln, denn das ist eigentlich genau das, wonach ich suche.

Nur muss ich zugeben, dass es das erste Mal in meinem Leben war, dass ich von einem Arkus(ko)tangens gelesen oder gehört habe. Da muss ich mich erst belesen, um das zu verstehen.

Vielen Dank!

Nur muss ich zugeben, dass es das erste Mal in meinem Leben war, dass ich von einem Arkus(ko)tangens gelesen oder gehört habe. Da muss ich mich erst belesen, um das zu verstehen.

In der Schule wird der auch dem Taschenrechner entsprechend mit tan^{-1}(x) betitelt. Ist aber genau das Gleiche.

Danke, Slomo. Die Idee hinter der Lösung ist, dass man bei der Ecke eines rechtwinkligen Dreiecks die Länge der Gegenkathete durch jene der Ankathete dividieren kann, davon den Arcustangens nimmt (gibts wie eins drüber erwähnt bei jedem Schul-Taschenrechner) und als Ergebnis hat man den Winkel an dieser Ecke. Dabei sollte man beachten, dass der Taschenrechner auf Grad eingestellt ist, wenn man den Winkel in Grad angezeigt haben will. Üblicherweise geht das mit der DRG-Taste, und es muss D (degree) angezeigt werden.

Als Beispiel beim vierten Winkel Deines Trapezes ist "Gegenkathete durch Ankathete" eben gleich "rot durch braun" = 10 / 7. Darum steht das so in meiner Formel.

blob.png

Zwei der "komplizierten Rechnungen" kann man sich sparen, denn die beiden Winkel an jeweils einem Schenkel ergeben zusammen 180° (Wechselwinkel).

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