Kosinussatz

Der Kosinussatz ({{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}}, {{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=fr|SCRIPTING=Latn|SERVICE=französisch}}) ist einer der fundamentalen Lehrsätze der Geometrie und hier dem Gebiet der Trigonometrie zugehörig. Er ist eng verwandt mit dem Satz des Pythagoras.

Für ebene Dreiecke ist der Kosinussatz einfach zu formulieren, da lediglich die Seitenlängen und eine Winkelfunktion benötigt werden. Für sphärische hingegen benötigt er sechs Winkelfunktionen. In beiden Fällen beinhaltet er drei Identitätsgleichungen, welche die Beziehungen zwischen den Längen der Seiten von Dreiecken und den Kosinuswerten ihrer Winkel darstellen.

Geschichte

Die erste moderne Version des Kosinussatz für ebene Dreiecke wurde vom persischen Mathematiker und Astronomen Dschamschid Masʿud al-Kaschi 1427 in seinem Werk Miftah al-Hisab (dt. Schlüssel des Rechnens) veröffentlicht. Der Satz wurde im 16. Jahrhundert von François Viéte in der westlichen Welt popularisiert.

Datei:Triangle-labels.svg

Bezeichnungen im Dreieck

Kosinussatz für ebene Dreiecke

Für die drei Seiten <math>a</math>, <math>b</math> und <math>c</math> eines Dreiecks sowie für den der Seite <math>c</math> gegenüberliegenden Winkel <math>\gamma</math> (d. h. den zwischen den Seiten <math>a</math> und <math>b</math> liegenden Winkel) gilt

<math>c^2 = a^2 + b^2 - 2 \cdot a \cdot b \cdot \cos\gamma</math>.

Entsprechende Gleichungen erhält man mit Hinblick auf die den Seiten <math>a</math> und <math>b</math> gegenüberliegenden Winkel <math>\alpha</math> bzw. <math>\beta</math>:

<math>\begin{align}

a^2 &= b^2 + c^2 - 2 \cdot b \cdot c \cdot \cos\alpha \\ b^2 &= a^2 + c^2 - 2 \cdot a \cdot c \cdot \cos\beta \end{align}</math>

Berechnungen in Dreiecken mit dem Kosinussatz

Die Kongruenzsätze SSS und SWS besagen, dass ein Dreieck durch die Vorgabe von drei Seiten oder von zwei Seiten und dem eingeschlossenen Winkel vollständig bestimmt ist. Der Kosinussatz erlaubt es in diesen Fällen, aus den drei gegebenen Stücken ein viertes Stück (einen Winkel im Fall SSS bzw. die dritte Seite im Fall SWS) zu berechnen. Wenn man anschließend auch die übrigen Winkel eines Dreiecks ermitteln möchte, kann man wahlweise nochmal den Kosinussatz (mit auf den gesuchten Winkel angepassten Seitenbezeichnungen) oder den Sinussatz anwenden. Den letzten Winkel berechnet man am zweckmäßigsten über die Winkelsumme von 180°.

SWS-Fall

Datei:Triangle-with-an-unknown-angle-or-side.svg

Anwendung des Kosinussatz: SWS-Fall (oben) und SSS-Fall (unten)

Im SWS-Fall wird die Gleichung des Kosinussatzes durch Wurzelziehen nach der unbekannten Seitenlänge aufgelöst. Sind etwa die Seiten <math>a</math> und <math>b</math> sowie der der dazwischen liegende Winkel <math>\gamma</math> gegeben, so erhält man die fehlende Seite <math>c</math> als

<math>c = \sqrt{a^2 + b^2 - 2 \cdot a \cdot b \cdot \cos\gamma}</math>.

SSS-Fall

Im SSS-Fall wird die Gleichung des Kosinussatzes zunächst nach dem Kosinus des Winkels aufgelöst. Ist etwa der Winkel <math>\gamma</math> gesucht, so führt dies auf die Gleichung

<math> \cos \gamma = \frac{a^2+b^2-c^2}{2ab}</math>.

Hieraus erhält man den Winkel <math>\gamma</math> mithilfe des Arkuskosinus als

<math>\gamma = \arccos\left({\frac{a^2 + b^2 - c^2}{2 \cdot a \cdot b}}\right) </math>.

Beweise

Elementargeometrischer Beweis

Im folgenden Beweis wird <math>\gamma < 90^\circ</math> vorausgesetzt. Für <math>\gamma > 90^\circ</math> muss der Beweis geringfügig modifiziert werden. Für <math>\gamma = 90^\circ</math> ergibt sich der Kosinussatz direkt aus dem Satz des Pythagoras.

Dreieck

In den Teildreiecken soll der Satz des Pythagoras angewandt werden, um einen Rechenausdruck für <math>c^2</math> zu finden. Dazu benötigt man die Quadrate der Kathetenlängen dieses Teildreiecks:

<math>h^2 \,= b^2 - e^2</math> (Satz des Pythagoras für das rechte Teildreieck)

<math>d^2 = (a-e)^2 = a^2 - 2 \cdot a \cdot e + e^2</math> (binomische Formel)

Nach Pythagoras gilt für das linke Teildreieck:

Es müssen also die beiden oben gefundenen Rechenausdrücke addiert werden:

Zusätzlich gilt

<math>\cos \gamma = \frac{e}{b} \quad</math>bzw.<math>\quad e = b \cdot \cos\gamma</math>.

Einsetzen dieses Zwischenergebnisses in die Gleichung für <math>c^2</math> ergibt die Behauptung:

<math>c^2 = a^2 + b^2 - 2 \cdot a \cdot b \cdot \cos \gamma</math>

Trigonometrischer Beweis

Variante 1

Datei:Triangle-with-cosines.svg

Figur 1

Zeichnet man das Lot auf der Seite <math>c</math> ein (Figur 1), dann wird diese in zwei Abschnitte geteilt und es gilt:

<math>c = a \cdot \cos \beta + b \cdot \cos \alpha</math>

Multiplikation mit <math>c</math> ergibt

<math>c^2 = a \cdot c \cdot \cos \beta + b \cdot c \cdot \cos \alpha</math>

Analog erhält man für die beiden anderen Seiten die Gleichungen

<math>a^2 = a \cdot c \cdot \cos \beta + a \cdot b \cdot \cos \gamma</math>

<math>b^2 = b \cdot c \cdot \cos \alpha + a \cdot b \cdot \cos \gamma</math>

Addiert man diese beiden Gleichungen, dann folgt daraus

<math>a^2 + b^2 = a \cdot c \cdot \cos \beta + b \cdot c \cdot \cos \alpha + 2 \cdot a \cdot b \cdot \cos \gamma</math>

<math>a^2 + b^2 - 2 \cdot a \cdot b \cdot \cos \gamma = a \cdot c \cdot \cos \beta + b \cdot c \cdot \cos \alpha</math>

Weil die rechte Seite der letzten Gleichung und die rechte Seite von <math>c^2 = a \cdot c \cdot \cos \beta + b \cdot c \cdot \cos \alpha</math> übereinstimmen, kann man die beiden linken Seiten gleichsetzen:

<math>c^2 = a^2 + b^2 - 2 \cdot a \cdot b \cdot \cos \gamma</math>

Variante 2

Datei:Kosinussatz Beweisfigur.svg

Figur 2

Hier ist der Rechenaufwand geringer, da die benötigten Informationen großenteils in die Beweisfigur (Figur 2) verlagert sind.

Nach dem Sehnensatz ergibt sich folgende Äquivalenzkette:<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

<math>\begin{align}

&\,\left(2 \cdot a \cdot \cos \gamma - b\right) \cdot b =\, (a - c) \cdot (a + c)\\ \Leftrightarrow &\,2 \cdot a \cdot b \cdot \cos \gamma - b^2 =\, a^2 - c^2\\ \Leftrightarrow &\, c^2 = a^2 + b^2 - 2 \cdot a \cdot b \cdot \cos \gamma \end{align} </math>

Beweis mit dem Satz des Ptolemäus

Datei:Ptolemy cos.svg

Figur 3

Das Dreieck <math>ABC</math> mit den Seitenlängen <math>|AB| = c</math>, <math>|BC| = a</math> und <math>|CA| = b</math> wird seinem Umkreis einbeschrieben (Figur 3). Wird das Dreieck <math>ABC</math> an der Mittelsenkrechten zu <math>AB</math> gespiegelt, dann ist das gespiegelte Dreieck <math>ABD</math> kongruent zum Dreieck <math>ABC</math> und hat denselben Umkreis, denn der Umkreismittelpunkt liegt auf der Mittelsenkrechten. Der Punkt <math>D</math> liegt also auch auf diesem Umkreis. Weil die Dreiecke <math>ABC</math> und <math>ABD</math> kongruent sind, gilt <math>|DA| = |BC| = a</math> und <math>|BD| = |CA| = b</math>. Ist <math>E</math> der Lotfußpunkt von <math>D</math> auf die Seite <math>AB</math> und <math>F</math> der Lotfußpunkt von <math>C</math> auf die Seite <math>AB</math>, dann sind die Höhen <math>DE</math> und <math>CF</math> gleich lang und die rechtwinkligen Dreiecke <math>AED</math> und <math>CFB</math> sind nach dem Kongruenzsatz SSW kongruent. Es gilt also <math>|BF| = |AE|</math>. Daraus folgt

<math>\begin{align}

|BF| &= |AE| = |BC| \cdot \cos\beta = a \cdot \cos\beta \\ \Leftrightarrow |CD| &= |EF| = |AB| - |AE| - |BF| = |AB| - 2 \cdot |BF| = c - 2 \cdot a \cdot \cos\beta \\ \Leftrightarrow |CD| &= c - 2 \cdot a \cdot \cos\beta \\ \end{align}</math>

Die Punkte <math>A</math>, <math>B</math>, <math>C</math> und <math>D</math> bilden ein Sehnenviereck zum gegebenen Umkreis. Nun folgt der Kosinussatz aus dem Satz des Ptolemäus für das Sehnenviereck <math>ABCD</math>:

<math>\begin{align}

|AC| \cdot |BD| &= |AB| \cdot |CD| + |BC| \cdot |DA| \\ \Leftrightarrow \quad \quad \quad \quad b^2 &= c \cdot (c - 2 \cdot a \cdot \cos\beta) + a^2 \\ b^2 &= a^2 + c^2 - 2 \cdot a \cdot c \cdot \cos\beta \\ \end{align}</math>

Beweis mittels Vektorrechnung

Datei:Kosinussatz vektorbeweis2 inkscape.svg

<math>\vec{a} = \overrightarrow{CB}, \quad -\vec{b} = \overrightarrow{AC}, \quad \vec{c} = \overrightarrow{AB}</math><math>\vec{c}=-\vec{b}+\vec{a} </math>

Für ein Dreieck <math>ABC</math> mit Winkel <math>\gamma</math> in <math>C</math> definiert man die folgenden Vektoren:

<math>\vec{a} =\overrightarrow{CB}, \quad \vec{b} = \overrightarrow{CA}, \quad \vec{c} = \overrightarrow{AB}</math>.

Damit gilt für die drei Vektoren die Beziehung <math>\vec{c}=-\vec{b}+\vec{a} </math> und für die Seitenlängen des Dreieck gilt:

Mit den Rechenregeln für das Skalarprodukt und seiner geometrischen Definition erhält man dann:<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

<math>\begin{align}

c^2 &= \vec{c} \cdot \vec{c} =(-\vec{b}+\vec{a}) \cdot (-\vec{b}+\vec{a}) \\

   &=\vec{b}\cdot\vec{b}-\vec{b}\cdot\vec{a}-\vec{a}\cdot\vec{b}+\vec{a}\cdot\vec{a}\\
   &= \vec{a}\cdot\vec{a}+\vec{b}\cdot\vec{b}-2\cdot \vec{a}\cdot\vec{b} \\
   &=a^2+b^2-2\cdot a\cdot b\cdot \cos(\gamma)

\end{align}</math>

Beziehung zu anderen Sätzen der Geometrie

Beziehung zum Satz des Pythagoras

Für <math>\textstyle \gamma = 90^{\circ}</math> handelt es sich um ein rechtwinkliges Dreieck und der Kosinussatzes liefert wegen <math>\cos 90^\circ = 0</math> die Gleichung

<math>c^2 = a^2 + b^2</math>,

also den Satz des Pythagoras. Der Satz des Pythagoras stellt somit einen Spezialfall des Kosinussatz dar bzw. der Kosinussatz eine Verallgemeinerung des Satz des Pythagoras, weshalb man ihn auch den verallgemeinerten Satz des Pythagoras nennt.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Andererseits folgt der Kosinussatz aber auch aus dem Satz des Pythagoras (siehe Beweis unten); somit sind der Kosinussatz und der Satz des Pythagoras (in jeder absoluten Geometrie) äquivalent zueinander.

Beziehung zum Projektionssatz

In jedem ebenen Dreieck gelten für die Seiten und Winkel die Beziehungen

<math>\begin{align}

a &= b \cdot \cos\gamma + c \cdot \cos\beta, \\ b &= c \cdot \cos\alpha + a \cdot \cos\gamma, \\ c &= a \cdot \cos\beta + b \cdot \cos\alpha, \end{align}</math>

die unter dem Begriff Projektionssatz zusammengefasst werden.<ref name="BRON-SEM-1">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Aus diesen drei Gleichungen folgen die drei Gleichungen des Kosinussatzes.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Im Rahmen der Trigonometrie der euklidischen Ebene folgen umgekehrt die Gleichungen des Projektionssatzes auch aus den Gleichungen des Kosinussatzes, so dass sie gleichwertig zu letzteren sind.<ref name="HG-FR">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref name="HL">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Kosinussatz für Kugeldreiecke

Beim sphärischen Kosinussatz für Kugeldreiecke ist die Länge der Dreiecksseiten im Winkelmaß anzugeben, weshalb statt einer Winkelfunktion derer sechs auftreten. Das Analogon zum ebenen Satz lautet daher

<math>\cos c = \cos a \cdot \cos b + \sin a \cdot \sin b \cdot \cos\gamma</math>,

wobei die Umkehr des Vorzeichens zu beachten ist. Diesem Seiten-Kosinussatz (hier für <math>c</math>, analog für die Seiten <math>a</math> und <math>b</math>) steht der Winkel-Kosinussatz gegenüber:

<math>\cos\gamma = -\cos\alpha \cdot \cos\beta + \sin\alpha \cdot \sin\beta \cdot \cos c</math>,

worin das erste Vorzeichen negativ ist.

Verallgemeinerung

Datei:Kosinussatz vektorbeweis3 inkscape.svg

Mit Vektoren in reellen Skalarprodukträumen, also Vektorräumen <math>V</math> mit Skalarprodukt <math>\langle \cdot , \cdot \rangle</math>, kann auch der Kosinussatz leicht verallgemeinert werden. Bezeichnet

<math>\| a \| = \sqrt{ \langle a, a \rangle }</math>

die Skalarproduktnorm, also die Länge eines Vektors <math>a \in V</math> und <math>\theta_{a,b}</math> mit

<math>\cos \theta_{a,b}=\frac{\langle a, b \rangle}{\| a \| \cdot \| b \| }</math>

den Winkel zwischen den beiden Vektoren <math>a,b \in V</math>, dann gilt für die Norm des Vektors <math>c = a - b</math>:

<math>\begin{align}

\| c \|^2 & = \langle a - b, a - b \rangle \\

         & = \langle a, a \rangle - \langle a, b \rangle - \langle b, a \rangle + \langle b, b \rangle \\
         & = \| a \|^2 + \| b \|^2 - 2 \cdot \langle a, b \rangle \\
         & = \| a \|^2 + \| b \|^2 - 2 \cdot \| a \| \cdot \| b \| \cos \theta_{a,b}

\end{align}</math>

Siehe auch

Literatur

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Weblinks

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Kosinussatz – Illustration und Beweis auf www.arndt-bruenner.de
Herleitung des Kosinussatzes sowie Anwendung (Video)
Law of Cosines – 2 Beweise auf proofwiki.org (englisch)
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Einzelnachweise