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1. Ellipsen in der Koordinatenebene - LSGM

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Korrespondenzzirkel Klasse 8/9<br />

Brief Oktober 2009<br />

Diesmal wollen wir uns zum Thema ” <strong>Ellipsen</strong>“ auf e<strong>in</strong>en Ausflug <strong>in</strong> die Geometrie begeben:<br />

<strong>Ellipsen</strong> lassen sich auf verschiedene Arten def<strong>in</strong>ieren. In diesem Brief wollen wir e<strong>in</strong>en kurzen<br />

Überblick über die gängigsten Def<strong>in</strong>itionen geben und <strong>der</strong>en Äquivalenz zeigen. Im Kapitel 1 werden<br />

wir dazu <strong>Ellipsen</strong> als spezielle Kurven <strong>in</strong> <strong>der</strong> Ebene betrachten und ihre Eigenschaften mit<br />

verschiedenen Methoden <strong>der</strong> analytischen Geometrie und <strong>der</strong> klassischen euklidischen Geometrie<br />

untersuchen. Im Kapitel 2 dann liegen unsere <strong>Ellipsen</strong> im Raum. Das macht die Sache zunächst<br />

schwieriger, so braucht man nun statt e<strong>in</strong>es zweidimensionalen Koord<strong>in</strong>atensystems e<strong>in</strong> dreidimensionales,<br />

erlaubt dafür aber e<strong>in</strong>ige sehr elegante neue Ansätze.<br />

Inge Hachtel, Dr. Daniel Herden<br />

<strong>1.</strong> <strong>Ellipsen</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> Koord<strong>in</strong>atenebene<br />

In diesem Kapitel werden wir <strong>Ellipsen</strong> zunächst als spezielle Kurven im Koord<strong>in</strong>atensystem e<strong>in</strong>führen<br />

und daraus e<strong>in</strong>ige Folgerungen ableiten.<br />

Def<strong>in</strong>ition 1: <strong>Ellipsen</strong> als gestauchte/gestreckte Kreise<br />

a<br />

x y<br />

k<br />

P<br />

Man zeichne im Achsenkreuz e<strong>in</strong>en Kreis k um den Nullpunkt mit Radius a. Für alle Punkte P (x, y)<br />

auf dem Kreis gilt dann nach Satz des Pythagoras die Kreisgleichung x 2 + y 2 = a 2 .<br />

Es sei nun b ≤ a e<strong>in</strong>e weitere positive reelle Zahl. Für jeden Kreispunkt P (x, y) wird die y-<br />

Koord<strong>in</strong>ate um dem Faktor b/a ≤ 1 gestaucht (für b > a spricht man von ” gestreckt“). Aus<br />

P (x, y) entsteht auf diese Weise <strong>der</strong> Bildpunkt P ′ (x, b/a · y). Die Kurve, die von allen so gewonnenen<br />

Punkten P ′ gebildet wird, bezeichnet man als e<strong>in</strong>e Ellipse, genauer: Es ist die Ellipse, die<br />

aus dem Kreis k durch Stauchung (für b > a spricht man von ” Streckung“) parallel zur y-Achse<br />

um dem Faktor b/a entsteht. <strong>Ellipsen</strong> kann man also als Bil<strong>der</strong> von Kreisen unter geometrischen<br />

Abbildungen auffassen, die als Parallelstreckungen/-stauchungen bekannt s<strong>in</strong>d.<br />

Erste Beobachtungen zur Ellipse: Kreise s<strong>in</strong>d selbst <strong>Ellipsen</strong> (a = b).<br />

Offensichtlich s<strong>in</strong>d die x- und die y-Achse Symmetrieachsen unserer konstruierten Ellipse und sie<br />

ist punktsymmetrisch mit dem Symmetriezentrum M(0, 0), dem Mittelpunkt <strong>der</strong> Ellipse. Für<br />

jeden Punkt P ′ <strong>der</strong> Ellipse liegt also se<strong>in</strong> Spiegelbild Q ′ bei Punktspiegelung an M wie<strong>der</strong> auf <strong>der</strong><br />

Ellipse und die Strecke P ′ Q ′ bildet e<strong>in</strong>en Durchmesser“, wobei die Ellipse aus <strong>der</strong> x-Achse den<br />

”<br />

” längsten Durchmesser“ (Länge 2a) und aus <strong>der</strong> y-Achse den kürzesten Durchmesser“ (Länge 2b)<br />

”<br />

ausschneidet. Man nennt daher a auch die große Halbachse und b die kle<strong>in</strong>e Halbachse <strong>der</strong><br />

Ellipse.<br />

1<br />

a<br />

b<br />

b<br />

P'<br />

a<br />

P<br />

k


Begründung: Die Länge des ” Durchmessers“ ist durch |P ′ Q ′ | = 2|MP ′ | gegeben, wobei für |MP ′ | 2<br />

die Abschätzung<br />

b 2 =<br />

2 b<br />

a<br />

a<br />

2 =<br />

und somit b ≤ |MP ′ | ≤ a gilt. ✷<br />

2 b<br />

(x<br />

a<br />

2 + y 2 ) ≤ x 2 +<br />

2 b<br />

y<br />

a<br />

2 = |MP ′ | 2 ≤ x 2 + y 2 = a 2<br />

Im nachfolgenden Abschnitt ” Gärtnerkonstruktion“ f<strong>in</strong>dest Du e<strong>in</strong>en weiteren sehr eleganten Beweis<br />

für diesen Zusammenhang.<br />

Def<strong>in</strong>ition 1: Die Bil<strong>der</strong> von Kreisen unter Parallelstreckungen/-stauchungen s<strong>in</strong>d <strong>Ellipsen</strong>.<br />

Def<strong>in</strong>ition 2: <strong>Ellipsen</strong> und die Gärtnerkonstruktion<br />

Möchte e<strong>in</strong> Gärtner e<strong>in</strong> Blumenbeet anlegen, welches die Form<br />

e<strong>in</strong>er Ellipse hat, kann er folgen<strong>der</strong>maßen vorgehen:<br />

Er schlägt zunächst zwei Pflöcke im Abstand von z.B. 2 Metern<br />

<strong>in</strong> den Boden und b<strong>in</strong>det an die Pflöcke die beiden Enden e<strong>in</strong>er<br />

z.B. 7 Meter langen Schnur. Mit e<strong>in</strong>em dritten Pflock, den wir<br />

P nennen, spannt er anschließend diese Schnur, wie es die Abbildung<br />

zeigt, und markiert mit P e<strong>in</strong>en Punkt im Boden. Alle<br />

Punkt, die sich so mit Hilfe <strong>der</strong> gespannten Schnur markieren<br />

F e e F<br />

1 2<br />

lassen, liegen auf e<strong>in</strong>er Kurve, die, wie wir sehen werden, e<strong>in</strong>e Ellipse ist. Wir bezeichnen dazu die<br />

beiden Pflöcke allgeme<strong>in</strong> mit F1 und F2, ihren Abstand mit 2e und die Länge <strong>der</strong> Schnur mit 2s.<br />

Def<strong>in</strong>ition 2: Gegeben seien positive reelle Zahlen e < s und zwei Punkte F1, F2 <strong>der</strong> Ebene mit<br />

| F1F2| = 2e. Der Ort aller Punkte P <strong>der</strong> Ebene mit | P F1| + | P F2| = 2s ist dann e<strong>in</strong>e Ellipse.<br />

In Worten: Die Menge <strong>der</strong> Punkte, für die die Summe <strong>der</strong> Abstände von zwei festen Punkten<br />

konstant ist, bildet e<strong>in</strong>e Ellipse.<br />

Man muss sich nun davon überzeugen, dass die Def<strong>in</strong>itionen 1 und 2 <strong>der</strong> Ellipse übere<strong>in</strong>stimmen.<br />

Den Beweis hierfür sollst Du Dir <strong>in</strong> E<strong>in</strong>sendeaufgabe 3 selbständig erarbeiten.<br />

Die <strong>in</strong> Def<strong>in</strong>ition 2 beschriebene <strong>Ellipsen</strong>konstruktion ist auch als Gärtnerkonstruktion bekannt<br />

und liefert e<strong>in</strong>e elegante und schnelle Methode, <strong>Ellipsen</strong> mit Hilfe zweier Reisszwecken und e<strong>in</strong>es<br />

Fadens zu konstruieren. Die beiden Punkte F1 und F2 (F für lat. ” focus“) bezeichnet man dabei<br />

als die Brennpunkte und e als die l<strong>in</strong>eare Exzentrizität <strong>der</strong> Ellipse.<br />

Die Ellipse mit den Brennpunkten F1 und F2 ist nach Konstruktion<br />

punktsymmetrisch zum Mittelpunkt M <strong>der</strong> Strecke<br />

F1F2, dem Mittelpunkt <strong>der</strong> Ellipse. Außerdem liegen F1 und<br />

F2 auf dem ” längsten Durchmesser“ <strong>der</strong> Ellipse, wie die folgende<br />

e<strong>in</strong>fache Überlegung zeigt:<br />

Sei P e<strong>in</strong> beliebiger Punkt auf <strong>der</strong> Ellipse. Se<strong>in</strong> Spiegelpunkt<br />

Q an M liegt dann ebenfalls auf <strong>der</strong> Ellipse. Wendet man nun<br />

Q<br />

im Parallelogramm P F1QF2 die Dreiecksungleichung an, so<br />

ergibt sich die Abschätzung |P Q| ≤ |P F2| + |F2Q| = |P F2| + |P F1| = 2s. Den längsten Durchmes-<br />

”<br />

ser“ erhält man bei Gleichheit <strong>in</strong> dieser Abschätzung, was genau dann <strong>der</strong> Fall ist, wenn P auf <strong>der</strong><br />

Geraden F1F2 liegt.<br />

P<br />

F M F<br />

1 2<br />

Aus <strong>der</strong> Praxis: Die Planeten bewegen sich um die Sonne auf elliptischen Bahnen, <strong>in</strong> <strong>der</strong>en<br />

e<strong>in</strong>em Brennpunkt die Sonne liegt. Dieser Zusammenhang wurde erstmals von Johannes Kepler<br />

(1571-1630) entdeckt und von Isaak Newton (1643-1727) über die wirkenden Gravitationskräfte<br />

begründet.<br />

2<br />

P


2. <strong>Ellipsen</strong> im Raum<br />

In diesem Kapitel werden wir <strong>Ellipsen</strong> als ebene Schnittflächen von Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>n und Kegeln kennenlernen.<br />

Dies erlaubt nebenbei e<strong>in</strong>en zweiten Beweis <strong>der</strong> Äquivalenz von Def<strong>in</strong>ition 1 und 2.<br />

Die Überlegungen <strong>in</strong> diesem Kapitel erfor<strong>der</strong>n e<strong>in</strong> solides räumliches Vorstellungsvermögen und<br />

wir hoffen natürlich, dass Du diese Herausfor<strong>der</strong>ung meistern wirst. Sollten dennoch Verständnisschwierigkeiten<br />

auftreten, kannst Du notfalls den Anfang dieses Kapitels auslassen und direkt zum<br />

Abschnitt ” <strong>Ellipsen</strong> und die Dandel<strong>in</strong>schen Kugeln“ wechseln, das E<strong>in</strong>sendeaufgabe 5 vorbereitet.<br />

Def<strong>in</strong>ition 3: <strong>Ellipsen</strong> als Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>schnitte<br />

Schneidet man e<strong>in</strong>en Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong> mit e<strong>in</strong>er Ebene E, die nicht parallel zur Achse des Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>s ist, so<br />

ist die Schnittfläche e<strong>in</strong>e Ellipse im S<strong>in</strong>ne <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition <strong>1.</strong> Wir wollen <strong>in</strong> diesem Abschnitt zwei<br />

verschiedene Beweise für diesen Zusammenhang vorstellen.<br />

Wir starten mit e<strong>in</strong>igen vorbereitenden Überlegungen und Bezeichnungen:<br />

Zunächst führen wir wie <strong>in</strong> <strong>der</strong> l<strong>in</strong>ken Abbildung weiter unten dargestellt e<strong>in</strong> dreidimensionales<br />

Achsenkreuz e<strong>in</strong>, so dass die x-Achse nach rechts, die y-Achse nach h<strong>in</strong>ten und die z-Achse nach<br />

oben zeigt. Die z-Achse soll darüberh<strong>in</strong>aus mit <strong>der</strong> Achse des Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>s zusammenfallen und wird<br />

von <strong>der</strong> Ebene E im Punkt O geschnitten. Der Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>querschnitt, <strong>der</strong> den Punkt O enthält, habe<br />

mit <strong>der</strong> Ebene E die geme<strong>in</strong>same Schnittgerade u. Diese Gerade u steht nun auf <strong>der</strong> z-Achse unseres<br />

dreidimensionalen Achsenkreuzes senkrecht und wir können ohne E<strong>in</strong>schränkung die x-Achse des<br />

Koord<strong>in</strong>atensystems so ausrichten, dass sie zu u parallel ist.<br />

Wir benutzen zusätzlich e<strong>in</strong> zweites Achsenkreuz: Es ist zweidimensional, liegt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Ebene E<br />

und hat die Gerade u als Koord<strong>in</strong>atenachse mit Koord<strong>in</strong>atenursprung O. Die v-Achse steht <strong>in</strong><br />

O auf u senkrecht und schneidet den Mantel des Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>s im Punkt U. Die u- und v-Achsen<br />

des neuen Koord<strong>in</strong>atensystems gehen dann bei senkrechter Projektion <strong>in</strong> die x- und y-Achsen<br />

unseres räumlichen Koord<strong>in</strong>atensystems über, und ist a <strong>der</strong> Grundkreisradius unseres Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>s, so<br />

schneidet <strong>der</strong> Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong> aus <strong>der</strong> u-Achse e<strong>in</strong>en Durchmesser <strong>der</strong> Länge 2a und aus <strong>der</strong> v-Achse e<strong>in</strong>e<br />

Strecke <strong>der</strong> Länge 2b (a ≤ b) aus.<br />

O<br />

z<br />

b<br />

U<br />

v<br />

R<br />

T<br />

a<br />

Q<br />

P<br />

S<br />

u<br />

z<br />

O,Q<br />

u<br />

x<br />

P<br />

S<br />

U<br />

T<br />

v<br />

Schnittebene<br />

Es sei nun P e<strong>in</strong> beliebiger Punkt <strong>der</strong> Schnittkurve des Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>s mit <strong>der</strong> Ebene E. Die Punkte S<br />

und T s<strong>in</strong>d die Bil<strong>der</strong> von P und U bei senkrechter Projektion auf den Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>querschnitt durch O.<br />

Weiter ist Q <strong>der</strong> Schnittpunkt von u mit <strong>der</strong> Ebene E ′ , die parallel zur yz-Ebene durch den Punkt<br />

P verläuft. Die soeben konstruierten Punkte s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> <strong>der</strong> mittleren Abbildung dargestellt, während<br />

3<br />

α<br />

α<br />

h<br />

y


das rechte Bild e<strong>in</strong>en schematischen Blick von <strong>der</strong> Seite auf den Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong> und die Schnittebene zeigt.<br />

Dabei hat <strong>der</strong> Betrachter sich die Schnittebene als senkrecht auf <strong>der</strong> Bildebene stehend vorzustellen,<br />

so dass man tatsächlich nur e<strong>in</strong>e ” Gerade“ sieht. Auch die x- und die u-Achse ragen senkrecht aus<br />

<strong>der</strong> Bildebene hervor. Beachte bei dieser Darstellung außerdem, dass das Dreieck OT U zur yz-Ebene<br />

Ebene, das Dreieck QSP jedoch zur Ebene E ′ gehört, wobei diese beiden Ebenen ” verschieden tief<br />

im Raum“ liegen.<br />

<strong>1.</strong> Beweis (Ähnliche Dreiecke):<br />

Das Dreieck OT U ist nun rechtw<strong>in</strong>klig mit <strong>der</strong> Hypotenusenlänge |OT | = a und <strong>der</strong> Kathetenlänge<br />

|OU| = b. Desweiteren ist nach Konstruktion ∠UT O = ∠P SQ = 90 ◦ und ∠T OU = ∠SQP = α<br />

<strong>der</strong> geme<strong>in</strong>same Schnittw<strong>in</strong>kel <strong>der</strong> Ebene E mit <strong>der</strong> xy-Ebene, womit die Dreiecke OT U und QSP<br />

ähnlich s<strong>in</strong>d. Es gilt <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e<br />

|QP |<br />

|QS|<br />

= |OU|<br />

|OT |<br />

b<br />

= . (2.1)<br />

a<br />

Bezeichnet weiter R <strong>in</strong> <strong>der</strong> Ebene E denjenigen Schnittpunkt <strong>der</strong> Geraden P Q mit dem Kreis k<br />

um O mit Radius a, <strong>der</strong> im selben Quadranten des Koord<strong>in</strong>atensystems liegt wie P , folgt<br />

|QP | = b b<br />

· |QS| = · |QR| . (2.2)<br />

a a<br />

Dies beweist, dass die Schnittkurve aus dem Kreis k durch e<strong>in</strong>e Streckung parallel zur v-Achse um<br />

den Faktor b/a entsteht und somit e<strong>in</strong>e Ellipse im S<strong>in</strong>ne <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition 1 ist. ✷<br />

2. Beweis (Pythagoras):<br />

Wir betrachten zunächst e<strong>in</strong> zweidimensionales Achsenkreuz mit e<strong>in</strong>er<br />

x- und e<strong>in</strong>er y-Achse und die Gerade g mit <strong>der</strong> Steigung m > 0 und <strong>der</strong><br />

Geradengleichung y = m · x. Jedem Punkt S(s, 0) auf <strong>der</strong> x-Achse lässt<br />

sich dann <strong>der</strong> Punkt S ′ (s, ms) auf <strong>der</strong> Geraden g zuordnen. Ist d <strong>der</strong><br />

Abstand des Punktes S ′ vom Ursprung, so gilt<br />

d 2 = s 2 + (ms) 2 = (1 + m 2 ) · s 2 und d = √ 1 + m 2 · |s| . (2.3)<br />

Ist α <strong>der</strong> W<strong>in</strong>kel, den g mit <strong>der</strong> x-Achse bildet, so erhält man S ′ , <strong>in</strong>dem<br />

man S zuerst vom Ursprung aus entlang <strong>der</strong> x-Achse mit dem Faktor<br />

√ 1 + m 2 streckt und anschließend am Ursprung um den W<strong>in</strong>kel α dreht.<br />

y<br />

d S'<br />

α<br />

s S<br />

g<br />

ms<br />

y = mx<br />

Wir kehren zu unserem Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong> und dem dreidimensionalen Koord<strong>in</strong>atensystem zurück und nehmen<br />

im folgenden ohne E<strong>in</strong>schränkung an, dass die x-Achse unseres räumlichen Koord<strong>in</strong>atensystems<br />

mit <strong>der</strong> Geraden u zusammenfällt. Es ist dann O(0, 0, 0) <strong>der</strong> Koord<strong>in</strong>atenursprung und die Punkte<br />

S und T liegen <strong>in</strong> <strong>der</strong> xy-Ebene. Wir können jetzt für die yz-Ebene dieselben Betrachtungen anstellen<br />

wie oben für die xy-Ebene des zweidimensionalen Achsenkreuzes: Die Punkte O, U und T<br />

liegen <strong>in</strong> <strong>der</strong> yz-Ebene. Ist nun <strong>der</strong> Punkt U durch die Koord<strong>in</strong>aten U(0, a, h) mit h = |T U| > 0<br />

gegeben, so wird die Schnittgerade <strong>der</strong> yz-Ebene mit <strong>der</strong> Ebene E durch<br />

z = h<br />

· y und x = 0 (2.4)<br />

a<br />

beschrieben. Bezeichnen wir mit α den Schnittw<strong>in</strong>kel <strong>der</strong> Ebene E mit <strong>der</strong> xy-Ebene und setzen<br />

m := h/a, so entsteht U aus T , <strong>in</strong>dem man T <strong>in</strong> <strong>der</strong> yz-Ebene erst entlang <strong>der</strong> y-Achse mit dem<br />

Faktor √ 1 + m2 streckt und anschließend am Punkt O um den W<strong>in</strong>kel α dreht.<br />

Entsprechendes gilt nicht nur für Punkte auf <strong>der</strong> Geraden OU, son<strong>der</strong>n für alle Punkte <strong>der</strong> Ebene<br />

E. Insbeson<strong>der</strong>e entsteht <strong>der</strong> Punkt P aus dem Punkt S, <strong>in</strong>dem man S zunächst <strong>in</strong> <strong>der</strong> xy-Ebene<br />

parallel zur y-Achse mit dem Faktor √ 1 + m2 streckt und anschließend um die x-Achse um den<br />

W<strong>in</strong>kel α dreht. Und die gesamte Schnittkurve des Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>s mit <strong>der</strong> Ebene E entsteht aus dem<br />

kreisförmigen Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>querschnitt mit <strong>der</strong> xy-Ebene durch e<strong>in</strong>e Parallelstreckung mit dem Faktor<br />

4<br />

x


√ 1 + m 2 parallel zur y-Achse und e<strong>in</strong>e anschließende Drehung um die x-Achse, ist also e<strong>in</strong>e Ellipse<br />

im S<strong>in</strong>ne <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition <strong>1.</strong> ✷<br />

Da sich umgekehrt auch tatsächlich jede Ellipse im S<strong>in</strong>ne <strong>der</strong> Def<strong>in</strong>ition 1 leicht als Schnitt e<strong>in</strong>er<br />

Ebene mit e<strong>in</strong>em geeignet gewählten Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong> erzeugen lässt, formulieren wir<br />

Def<strong>in</strong>ition 3: Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>schnitte s<strong>in</strong>d <strong>Ellipsen</strong>.<br />

Aus <strong>der</strong> Praxis: Schneidet man von e<strong>in</strong>er zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>förmigen Wurst ebene Wurstscheiben ab, so<br />

s<strong>in</strong>d die entstehenden Schnittflächen <strong>Ellipsen</strong>.<br />

Unter <strong>der</strong> Sonne wirft e<strong>in</strong> hüpfen<strong>der</strong> Ball auf ebenen Bodenflächen elliptische Schatten. Die Ursache<br />

hierfür liegt dar<strong>in</strong> begründet, dass Sonnenstrahlen (annähernd) parallel s<strong>in</strong>d und dadurch e<strong>in</strong>e<br />

Parallelstreckung simulieren. Der Schatten des Balls ergibt sich nun durch Parallelstreckung aus<br />

e<strong>in</strong>em kreisförmigen Querschnitt des Balls, ist also e<strong>in</strong>e Ellipse.<br />

<strong>Ellipsen</strong> und die Dandel<strong>in</strong>schen Kugeln<br />

In diesem Abschnitt werden wir e<strong>in</strong>en dritten Beweis dafür geben,<br />

dass Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>schnitte <strong>Ellipsen</strong> s<strong>in</strong>d, <strong>in</strong>dem wir diesmal die Äquivalenz<br />

<strong>der</strong> Def<strong>in</strong>itionen 2 und 3 nachweisen.<br />

Vorbereitend stellen wir uns zunächst vor, dass sowohl von oben<br />

als auch von unten <strong>in</strong> den Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong> passgenau je e<strong>in</strong>e Kugel <strong>der</strong>art<br />

e<strong>in</strong>gefügt wird, dass beide Kugeln die Schnittebene berühren.<br />

Diese Berührungspunkte werden mit F1 und F2 bezeichnet. Das<br />

folgende Bild zeigt hierzu wie<strong>der</strong> e<strong>in</strong>en schematischen Blick von<br />

<strong>der</strong> Seite auf den Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong> und die Schnittebene, wobei M1 und<br />

M2 die Mittelpunkte <strong>der</strong> e<strong>in</strong>gepassten Kugeln k1 und k2 bezeichnen<br />

und P e<strong>in</strong> beliebiger Punkt auf dem Rand <strong>der</strong> geme<strong>in</strong>samen<br />

Schnittfläche von Ebene und Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong> ist. Desweiteren ist R1R2 die<br />

Mantell<strong>in</strong>ie des Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>s durch den Punkt P , wobei R1<br />

zusätzlich auf k1 und R2 zusätzlich auf k2 liegen soll.<br />

Beachte, dass auch hier die Punkte F1, F2, M1, M2, P, R1<br />

und R2 nicht <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Ebene liegen, wie es das Bild vielleicht<br />

suggeriert, son<strong>der</strong>n vielmehr ” verschieden tief im<br />

Raum“.<br />

Es lässt sich nun zeigen, dass die Summe | P F1| + | P F2|<br />

konstant ist, dass die Punkte P auf dem Rand <strong>der</strong><br />

Schnittfläche also e<strong>in</strong>e Ellipse mit den Brennpunkten F1<br />

und F2 bilden. Diesen Beweis sollst Du <strong>in</strong> <strong>der</strong> E<strong>in</strong>sendeaufgabe<br />

5 selbständig führen.<br />

(Umgekehrt kann man sich auch leicht davon überzeugen,<br />

dass jede Ellipse im S<strong>in</strong>ne von Def<strong>in</strong>ition 2 als Schnitt e<strong>in</strong>er<br />

Ebene mit e<strong>in</strong>em Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong> erzeugt werden kann!)<br />

Die e<strong>in</strong>gepassten Kugeln k1 und k2 heißen Dandel<strong>in</strong>sche<br />

Kugeln, benannt nach ihrem Erf<strong>in</strong><strong>der</strong> G. Pierre<br />

Dandel<strong>in</strong> (1794-1847).<br />

5<br />

F 2<br />

R 1<br />

P<br />

R 2<br />

M 1<br />

M 2<br />

k 1<br />

k 2<br />

F 1<br />

Schnittebene


Def<strong>in</strong>ition 4: <strong>Ellipsen</strong> als Kegelschnitte<br />

Wir schneiden diesmal e<strong>in</strong>en Kegel. Die Schnittebene soll<br />

dabei so gewählt se<strong>in</strong>, dass die sich ergebende Schnittfläche<br />

räumlich begrenzt ist. Auch hier lässt sich wie<strong>der</strong><br />

” Dandel<strong>in</strong>s Kugeltrick“ anwenden, woraus folgt, dass<br />

die sich ergebende Schnittfläche <strong>der</strong> Gärtnerkonstruktion<br />

genügt und somit e<strong>in</strong>e Ellipse se<strong>in</strong> muss. (Mach dir Dandel<strong>in</strong>s<br />

Gedankengang am nebenstehenden Bild nochmal<br />

klar!)<br />

Def<strong>in</strong>ition 4: Räumlich begrenzte Kegelschnitte s<strong>in</strong>d <strong>Ellipsen</strong>.<br />

Beachte, dass es auch Schnitte durch e<strong>in</strong>en Kegel gibt, bei<br />

denen die Schnittfläche nicht räumlich begrenzt ist (z.B.<br />

bei e<strong>in</strong>em Schnitt parallel zu e<strong>in</strong>er Mantell<strong>in</strong>ie). Die dabei<br />

entstehenden Schnittflächen haben ebenfalls e<strong>in</strong>e wichtige<br />

Bedeutung <strong>in</strong> Mathematik und Physik und s<strong>in</strong>d als<br />

Parabeln und Hyperbeln bekannt.<br />

Aus <strong>der</strong> Praxis: Schneidet man die Spitze e<strong>in</strong>es Eishörnchens ab, so ist die entstehende Schnittfläche<br />

e<strong>in</strong>e Ellipse.<br />

3. Die E<strong>in</strong>sendeaufgaben<br />

Wir haben 4 verschiedene Def<strong>in</strong>itionen <strong>der</strong> Ellipse kennen gelernt.<br />

Def<strong>in</strong>ition 1: Gestauchte und gestreckte Kreise s<strong>in</strong>d <strong>Ellipsen</strong>. (3.1)<br />

Def<strong>in</strong>ition 2: Die Menge <strong>der</strong> Punkte, für die die Summe <strong>der</strong> Abstände von zwei festen<br />

Punkten konstant ist, bildet e<strong>in</strong>e Ellipse. (3.2)<br />

Def<strong>in</strong>ition 3: Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>schnitte s<strong>in</strong>d <strong>Ellipsen</strong>. (3.3)<br />

Def<strong>in</strong>ition 4: Räumlich begrenzte Kegelschnitte s<strong>in</strong>d <strong>Ellipsen</strong>. (3.4)<br />

In e<strong>in</strong>er vollständigen Abhandlung über <strong>Ellipsen</strong> müsste die Äquivalenz dieser vier Def<strong>in</strong>itionen<br />

bewiesen werden. Diese Äquivalenz ist das Hauptthema <strong>der</strong> gestellten Aufgaben.<br />

Aufgabe 1 hat nur die erste Def<strong>in</strong>ition zum Inhalt. Es soll bewiesen werden, dass aus ihr die<br />

allgeme<strong>in</strong>e <strong>Ellipsen</strong>gleichung (3.5) folgt. Du darfst hier deshalb nur Def<strong>in</strong>ition 1 benutzen!<br />

In Aufgabe 3 wird gezeigt, dass aus <strong>der</strong> <strong>Ellipsen</strong>gleichung (3.5) die Eigenschaft (3.2) folgt.<br />

Zusammen mit Aufgabe 1 bedeutet das: Aus (3.1) folgt (3.2). Der Versuch dies zu beweisen wird<br />

Dich vermutlich zu umfangreichen komplizierten Rechnungen mit Wurzeln führen. Wenn das zu<br />

schwierig wird, lass diesen Aufgabenteil weg!<br />

Aufgabe 2 zeigt ebenfalls Zusammenhänge zwischen den Def<strong>in</strong>itionen auf. Wie kann ich aus den<br />

<strong>in</strong> Def<strong>in</strong>ition 2 benutzten Größen e und s die <strong>in</strong> Def<strong>in</strong>ition 1 benutzten Größen a und b berechnen<br />

und wie bestimmen umgekehrt a und b die Größen e und s? Wie f<strong>in</strong>de ich die beiden Brennpunkte,<br />

wenn ich a und b kenne?<br />

Überlege Dir folgendes: Wenn Du diese Zusammenhänge gefunden hast, kannst Du dann auch<br />

beweisen, dass (3.1) aus (3.2) folgt?<br />

In Aufgabe 4 werden weitere Eigenschaften <strong>der</strong> Ellipse gezeigt und Möglichkeiten gefunden, wie<br />

man <strong>Ellipsen</strong> konstruieren kann. Aufgabe 5 hat <strong>Ellipsen</strong> im Raum zum Thema. Es soll gezeigt<br />

werden, dass aus Def<strong>in</strong>ition (3.3) die Eigenschaft (3.2) folgt.<br />

6


E<strong>in</strong>sendeaufgabe 1<br />

a) Zur Def<strong>in</strong>ition 1: Zeichne den Kreis mit <strong>der</strong> Kreisgleichung x 2 + y 2 = 25.<br />

Führe die Stauchung parallel zur y-Achse durch, bei <strong>der</strong> e<strong>in</strong>e Ellipse mit den Halbachsen a = 5 und<br />

b = 3 entsteht. Konstruiere e<strong>in</strong>ige <strong>Ellipsen</strong>punkte.<br />

b) Beweise, dass für die Punkte P (x, y) auf <strong>der</strong> <strong>in</strong> a) konstruierten Ellipse die Gleichung<br />

<br />

x<br />

2 +<br />

5<br />

<br />

y<br />

2 = 1 gilt.<br />

3<br />

c) Zeige allgeme<strong>in</strong>, dass die Gleichung<br />

<br />

x<br />

2 <br />

y<br />

2 + = 1 (3.5)<br />

a b<br />

e<strong>in</strong>e Ellipse mit den Halbachsen a und b beschreibt.<br />

E<strong>in</strong>sendeaufgabe 2<br />

a) Zur Def<strong>in</strong>ition 2: Führe die Gärtnerkonstruktion für e<strong>in</strong>e Ellipse mit e = 4 und s = 9 aus.<br />

b) E<strong>in</strong>e Ellipse sei durch die Gleichung | P F1| + | P F2| = 2s gegeben. Zeige, dass dann für alle<br />

Punkt Q <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> Ellipse | QF1| + | QF2| < 2s und für alle Punkte R außerhalb <strong>der</strong> Ellipse<br />

| RF1| + | RF2| > 2s gilt.<br />

c) Bestimme e und s für die <strong>in</strong> Aufgabe 1a) gegebene Ellipse, sowie a und b für die <strong>in</strong> 2a) gegebene<br />

Ellipse. Beweise, dass zwischen den Größen a, b, e und s die allgeme<strong>in</strong>en Zusammenhänge s = a<br />

und s 2 = e 2 + b 2 gelten.<br />

E<strong>in</strong>sendeaufgabe 3<br />

Wir betrachten für positive Zahlen a > b die durch Gleichung (3.5) gegebene Ellipse, sowie die<br />

beiden Punkte F1(− a 2 − b 2 , 0) und F2( a 2 − b 2 , 0) .<br />

Berechne mit dem Satz des Pythagoras für jeden Punkt P <strong>der</strong> Ellipse die Streckenlängen |P F1|<br />

und |P F2|, und beweise<br />

| P F1| + | P F2| = 2a. (3.6)<br />

H<strong>in</strong>weis: Dieser Beweis ist sehr anspruchsvoll. Falls Du nicht über ausreichend Übung im Umgang<br />

mit Wurzelgleichungen verfügst, solltest Du ihn auslassen. Bestimme stattdessen e und s für die<br />

durch Gleichung (3.6) gegebene Ellipse und vergleiche De<strong>in</strong>e Resultate mit Aufgabe 2c).<br />

E<strong>in</strong>sendeaufgabe 4 (Tangenten und die Leitkreiskonstruktion)<br />

a) Den Kreis um F1 mit dem Radius 2s bezeichnet man als e<strong>in</strong>en Leitkreis <strong>der</strong> Ellipse. Zeichne<br />

den Leitkreis für die Ellipse aus Aufgabe 2a). Wähle e<strong>in</strong>en Punkt Q auf dem Leitkreis. Verb<strong>in</strong>de Q<br />

mit F2 und konstruiere die Mittelsenkrechte <strong>der</strong> Strecke F2Q. Der geme<strong>in</strong>same Schnittpunkt von<br />

F1Q mit dieser Mittelsenkrechten sei P . Beweise, dass <strong>der</strong> so konstruierte Punkt P auf <strong>der</strong> Ellipse<br />

liegt.<br />

b) Beweise außerdem, dass die Mittelsenkrechte von F2Q mit <strong>der</strong> Ellipse nur den Punkt P geme<strong>in</strong>sam<br />

hat, also e<strong>in</strong>e Tangente <strong>der</strong> Ellipse ist. Zeige auch, dass die Senkrechte auf dieser Tangenten<br />

im Punkt P den W<strong>in</strong>kel ∠F1P F2 halbiert.<br />

c) Es sei ABC e<strong>in</strong> spitzw<strong>in</strong>kliges, nicht gleichseitiges Dreieck mit Höhenschnittpunkt H und Umkreismittelpunkt<br />

U. Beweise, dass e<strong>in</strong>e Ellipse mit den Brennpunkten H und U existiert, die alle<br />

Seiten des Dreiecks berührt (d.h. als Tangenten hat).<br />

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E<strong>in</strong>sendeaufgabe 5<br />

Beweise, dass für die auf Seite 5 def<strong>in</strong>ierten Punkte P , F1 und F2 gilt:<br />

Die Summe <strong>der</strong> Abstände | P F1| + | P F2| ist unabhängig von <strong>der</strong> Wahl des Punktes P auf dem<br />

Rand <strong>der</strong> geme<strong>in</strong>samen Schnittfläche von Ebene und Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>.<br />

E<strong>in</strong>sendeschluss (für Aufgabe 1 bis 5): 6. November 2009 (Datum des Poststempels).<br />

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