Geometrie
Ähnlichkeit und Strahlensätze
Mit Verhältnissen messen, was man nicht erreichen kann: Bäume, Türme, Flussbreiten.
Benötigte Grundlagen
Diese Themen kommen in diesem Kapitel vor und wurden vorher schon erklärt. Wenn dir eines davon unsicher vorkommt, frisch es kurz auf, sonst leg direkt los.
Einführung
Wie hoch ist ein Baum, ohne hinaufzuklettern? Thales soll so sogar die Cheops-Pyramide vermessen haben, nur mit einem Stab und seinem Schatten! Das Geheimnis: ähnliche Figuren haben gleiche Verhältnisse. Die Strahlensätze machen daraus ein Rechenwerkzeug für alles Unerreichbare.
Das kannst du nach diesem Kapitel
erklären, wann Figuren ähnlich sind (zentrische Streckung, Streckfaktor ).
wissen, wie sich Längen () und () beim Strecken verhalten.
die Strahlensätze an V- und X-Figuren anwenden.
unzugängliche Höhen und Entfernungen über Verhältnisse berechnen.
Was „ähnlich“ in der Mathematik bedeutet
Im Alltag heißt „ähnlich" ungefähr „sieht fast gleich aus". In der Mathematik ist der Begriff präzise festgelegt:
Zwei Figuren sind ähnlich, wenn sie dieselbe Form haben, verschieden groß dürfen sie sein.
Ein Foto und derselbe Abzug im Doppelformat sind ähnlich, ein Modellauto und das echte Auto ebenfalls. Wichtig ist der Unterschied zur aus Klasse 7: Kongruente Figuren sind deckungsgleich, also gleiche Form und gleiche Größe. Ähnlichkeit fordert weniger, die Größe darf sich ändern.
Wie man eine ähnliche Figur erzeugt: zentrische Streckung
Wähle einen Punkt , das Zentrum, und eine Zahl , den Streckfaktor. Von aus ziehst du zu jedem Punkt der Figur einen Strahl und trägst darauf die -fache Entfernung ab. Bei ist anschließend jeder Punkt doppelt so weit von entfernt wie vorher.
Zwei Sprechweisen für dieselbe Sache. Der Streckfaktor ist genau das, was du aus Klasse 5 als kennst: „Maßstab " heißt, dass eine Strecke, die in der einen Figur lang ist, in der anderen lang ist, der Streckfaktor von der kleinen zur großen Figur ist also . Und die Kongruenz ist der Sonderfall : Wird gar nicht gestreckt, bleibt auch die Größe gleich. Kongruente Figuren sind deshalb immer auch ähnlich, umgekehrt nicht.
Beim Strecken verhalten sich zwei Größen unterschiedlich:
- Alle Längen werden mit multipliziert, und zwar alle mit demselben .
- Alle bleiben gleich.
Erst beides zusammen erhält die Form. Dass jede Länge denselben Faktor bekommt, verhindert, dass die Figur in eine Richtung gezerrt wird; dass die Winkel bleiben, verhindert, dass sie verkantet wird. Fehlt eines von beidem, ist es keine Ähnlichkeit mehr. (Dass die Winkel wirklich unverändert bleiben, machen wir uns hier nur an der Zeichnung klar: Die neuen Verbindungslinien verlaufen parallel zu den alten. Ein strenger Beweis dafür braucht die Strahlensätze, die wir gleich erst herleiten, wir würden uns also im drehen.)
Und die Flächen? Die wachsen quadratisch
Hier täuscht die Intuition. Verdoppelst du alle Längen, wird die nicht doppelt, sondern viermal so groß. Rechne es an einem nach: Aus den Seiten und werden und , also
Der Faktor steckt in beiden Seiten, deshalb erscheint er zweimal, also als . Bei wird die Fläche -mal so groß. (Beim kommt eine dritte Richtung hinzu, dort ist es . Genau deshalb ist ein doppelt so großes Tier nicht doppelt, sondern achtmal so schwer.)
Woran du ähnliche Dreiecke erkennst
Bei genügt eine überraschend kleine Prüfung: Stimmen zwei Winkel überein, sind die Dreiecke ähnlich.
Warum reichen zwei? Der erste Schritt ist leicht: Weil die im Dreieck immer beträgt, ist der dritte Winkel bereits festgelegt, sobald du zwei kennst. Er ist minus die beiden anderen. Zwei gleiche Winkel bedeuten also automatisch drei gleiche Winkel.
Der zweite Schritt ist der eigentliche. Denn oben stand ausdrücklich: Zur Ähnlichkeit gehören gleiche Winkel und gleiche Längenverhältnisse. Drei gleiche Winkel sind also erst die halbe Miete, warum stimmen auch die Verhältnisse? So kannst du es einsehen:
Nimm das kleinere der beiden Dreiecke und strecke es zentrisch, bis eine seiner Seiten genau so lang ist wie die entsprechende Seite im größeren. Beim Strecken ändern sich die Winkel nicht. Jetzt haben die gestreckte Kopie und das große Dreieck eine gleich lange Seite und die beiden daran anliegenden Winkel gemeinsam, nach dem Kongruenzsatz WSW aus Klasse 7 sind sie damit deckungsgleich.
Das große Dreieck ist also die gestreckte Kopie des kleinen. Und in einer gestreckten Kopie ist jede Länge mit demselben multipliziert, genau das war gefragt.
Dieses Kriterium ist der Schlüssel zu den beiden Strahlensätzen in den nächsten Abschnitten.
Denk weiter: Das Winkelkriterium gilt ausdrücklich für Dreiecke. Findest du zwei Vierecke, die in allen Winkeln übereinstimmen und trotzdem nicht dieselbe Form haben?
Versuch es erst selbst, du brauchst nur zwei sehr gewöhnliche Figuren.
Nimm ein mit der Seite und ein mit den Seiten und . Beide haben vier rechte , stimmen also in allen Winkeln überein. Ähnlich sind sie trotzdem nicht:
Die entsprechenden Seiten stehen in verschiedenen Verhältnissen. Es gibt kein , mit dem du das Quadrat zum Rechteck strecken könntest, beim Strecken müssten ja alle Längen mit demselben Faktor wachsen. (Ein langes, schmales Rechteck aus einem Quadrat zu machen, wäre kein Strecken, sondern ein Zerren in eine Richtung, und genau das verbietet die Ähnlichkeit.)
Warum geht das beim Dreieck nicht?
Weil ein durch seine Winkel schon festgehalten ist. Zeichne eine Seite und trage an ihren beiden Enden die vorgegebenen Winkel an: Die zwei Schenkel treffen sich in genau einem Punkt, das Dreieck ist fertig. Es bleibt kein Spielraum. Das ist derselbe Gedanke wie beim WSW aus Klasse 7, und genau er steckt in der Begründung oben.
Beim gibt es diesen Spielraum sehr wohl: Du kannst Länge und Breite unabhängig voneinander wählen, ohne einen einzigen Winkel anzufassen.
Was du daraus mitnimmst
Das Winkelkriterium ist ein Dreiecks-Kriterium. Bei jeder anderen Figur musst du zusätzlich die Seitenverhältnisse prüfen, deshalb nennt die Definition beides. Und deshalb zerlegt man in der Geometrie Vielecke am liebsten in Dreiecke: Erst dort tragen die Winkel allein.
Nebenbei erklärt das auch, warum es beim Fotodrucken „" und „" gibt, aber nicht „" und „": Nur im ersten Fall passt das Bild formatfüllend, weil nur dort beide Längen denselben Faktor haben.
Der 1. Strahlensatz, und warum er gilt
Nun die Situation, um die es in diesem Kapitel geht (siehe Bild unten): Von einem Punkt gehen zwei Strahlen aus. Sie werden von zwei parallelen Geraden geschnitten, die erste in und , die zweite weiter außen in und .
Dadurch entstehen zwei : das kleine und das große .
Der entscheidende Schritt: die beiden Dreiecke sind ähnlich
Das ist keine neue Regel, sondern folgt aus dem Kriterium von oben. Prüfen wir zwei :
- Den Winkel bei haben beide Dreiecke gemeinsam. Es ist derselbe Winkel.
- Der Winkel bei und der Winkel bei sind gleich groß. Denn hier werden zwei parallele Geraden von einem Strahl geschnitten, und an geschnittenen Parallelen sind die gleich groß (Klasse 6).
Zwei gleiche Winkel genügen, also sind und ähnlich. Und ähnlich heißt: Jede Länge im großen Dreieck ist das -fache der entsprechenden Länge im kleinen.
Daraus entsteht der Satz
Für die beiden Strahlen bedeutet das:
Teile jede durch die kleinere Strecke:
Beide Verhältnisse sind gleich , also sind sie untereinander gleich. Das ist der 1. Strahlensatz:
In Worten: Beide Strahlen werden im gleichen Verhältnis geteilt. Ist der eine Abschnitt doppelt so lang geworden, dann auch der andere. Der Satz ist damit keine willkürliche Formel, sondern nur eine andere Schreibweise für „die beiden Dreiecke haben dieselbe Form".
Die wichtigste Regel bei der Anwendung: Alle Strecken werden vom Zentrum aus gemessen, nicht von der Parallelen aus. Ist etwa und das Teilstück , dann ist und nicht . Das ist der Fehler Nummer eins in diesem Kapitel.
1. Strahlensatz: Zwei Strahlen aus , geschnitten von zwei Parallelen. Die Abschnitte auf einem Strahl stehen im gleichen Verhältnis wie auf dem anderen: .
Der 2. Strahlensatz: jetzt die Parallelen selbst
Der erste Strahlensatz vergleicht Strecken auf den Strahlen. Oft ist aber etwas anderes gesucht: die Länge der Parallelstrecke selbst, die Breite eines Flusses, die Höhe eines Baumes. Im Bild sind das die Strecken und , nicht die Abschnitte auf den Strahlen.
Dafür brauchen wir keinen neuen Beweis. Die und sind ähnlich. Das haben wir gerade gezeigt. Ähnlich heißt: jede Länge im großen Dreieck ist das -fache der entsprechenden Länge im kleinen. Das gilt dann auch für die dritte Seite, die Parallelstrecke:
Und weil auch das Verhältnis der Strahlabschnitte ist, dürfen wir beides gleichsetzen. Das ist der 2. Strahlensatz:
Was daran wirklich neu ist: Der Satz verbindet eine Strecke, die man nicht erreichen kann (die weit entfernte Parallelstrecke), mit Strecken, die man messen kann. Genau das macht ihn zum Messwerkzeug für alles Unzugängliche.
Und die Stolperfalle: Rechts stehen wieder Strecken vom Zentrum aus. Es gilt also nicht , mit dem Teilstück statt der Gesamtstrecke wird das Ergebnis falsch. Prüfe bei jeder Verhältnisgleichung: Beginnt jede Strecke, die ich aufschreibe, wirklich bei ?
2. Strahlensatz: Die Parallelstrecken (grün innen , blau außen ) verhalten sich wie die zugehörigen Strahlabschnitte vom Zentrum aus: .
Das Messprinzip: Unerreichbares berechnen
Jetzt wird aus der Theorie ein Werkzeug. Immer wenn eine Länge nicht direkt messbar ist, Baumhöhe, Flussbreite, Turmhöhe, läuft es auf dieselben vier Schritte hinaus:
- Skizze anfertigen: Wo ist das Zentrum ? Wo verlaufen die beiden Strahlen? Welche zwei Strecken sind parallel?
- Bekannte Strecken eintragen, die gesuchte mit benennen.
- Verhältnisgleichung aufstellen, und dabei konsequent vom Zentrum aus messen.
- Nach auflösen (über Kreuz multiplizieren) und das Ergebnis auf Plausibilität prüfen.
Warum das Schattenverfahren funktioniert
Der Klassiker ist die Baumhöhe: Du stellst einen Stab neben den Baum und misst beide Schatten. Aber warum darf man das rechnen?
Der entscheidende Punkt ist die Sonne. Sie ist so weit entfernt, dass ihre Strahlen bei uns praktisch parallel ankommen. Dadurch treffen sie Stab und Baum unter demselben . Stab und Baum stehen beide senkrecht, haben also ebenfalls gleiche Winkel zum Boden. Zwei gleiche Winkel, die beiden (Stab + Stabschatten, Baum + Baumschatten) sind ähnlich.
Und damit stehen ihre Längen im gleichen Verhältnis:
Auf die achten: Links stehen zwei Höhen, rechts zwei Schatten, und oben jeweils der Baum, unten jeweils der Stab. Wer Höhe und Schatten mischt, erhält Unsinn. Eine gute Kontrolle ist die Größenordnung: Ist der Baumschatten sechsmal so lang wie der Stabschatten, muss der Baum sechsmal so hoch sein wie der Stab.
Dass das funktioniert, ist übrigens sehr alt: Thales von Milet soll auf genau diese Weise vor etwa Jahren die Höhe der Cheops-Pyramide bestimmt haben, mit einem Stock und einem Maßband.
Baumhöhe per Schatten
Ein langer Stab wirft einen langen Schatten. Der Schatten des Baumes daneben ist lang. Wie hoch ist der Baum?
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Zuerst die Angaben sortieren. Es gibt zwei Objekte mit je zwei Maßen, und eines dieser vier Maße fehlt:
Höhe Schatten Stab Baum gesucht: Gesucht ist die Baumhöhe , eine Länge, die man nicht direkt messen kann. Genau dafür ist dieses Kapitel da.
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Warum darf man hier überhaupt mit Verhältnissen rechnen? Diese Begründung gehört in jede Lösung, sie ist der eigentliche mathematische Kern:
Die Sonne ist so weit entfernt, dass ihre Strahlen parallel ankommen. Sie treffen Stab und Baum deshalb unter demselben . Beide stehen außerdem senkrecht auf dem Boden, haben also auch dort gleiche Winkel.
Zwei gleiche Winkel genügen: Die beiden Dreiecke (Stab mit Schatten, Baum mit Schatten) sind ähnlich. Und in ähnlichen Figuren stehen entsprechende Längen im gleichen Verhältnis.
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Die Verhältnisgleichung aufstellen. Wichtig ist, dass die konsequent bleibt: links zwei Höhen, rechts zwei Schatten, und oben jeweils der Baum, unten jeweils der Stab.
Ein häufiger Fehler ist, Höhe und Schatten zu mischen ( wäre auch richtig, aber ist falsch). Prüfe die Struktur, bevor du rechnest.
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Zuerst die rechte Seite ausrechnen. Sie enthält nur bekannte Zahlen:
Diese ist der Streckfaktor: Der Baumschatten ist sechsmal so lang wie der Stabschatten. Also muss auch der Baum sechsmal so hoch sein wie der Stab. Damit vereinfacht sich die zu
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Nach auflösen. Das steht in einem über der , wird also durch geteilt. Das machen wir rückgängig, indem wir beide Seiten mit multiplizieren:
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Einheit und Plausibilität. Die Stabhöhe war in Metern angegeben, und wir haben sie mit einer reinen Zahl (dem Streckfaktor) multipliziert, das Ergebnis ist also in Metern: .
Ist das plausibel? Der Baum ist sechsmal so hoch wie ein -Stab. Neun Meter entsprechen etwa einem dreistöckigen Haus, für einen Baum völlig realistisch ✓
Der Baum ist hoch, bestimmt allein mit einem Stab und einem Maßband, ohne hinaufzuklettern.
Die Kernidee zum Mitnehmen: Zwei ähnliche , drei bekannte Längen, eine unbekannte, daraus wird immer eine Verhältnisgleichung.
Strahlensatz in der V-Figur
Von aus gilt: und ; auf dem zweiten Strahl ist . Die Parallelen verlaufen durch bzw. . Wie lang ist ?
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Die Angaben sortieren, und dabei die entscheidende Falle entschärfen. Gegeben sind zwei Strecken auf dem ersten Strahl, aber unterschiedlich gemessen:
- , vom Zentrum bis zur ersten Parallelen,
- , das Teilstück zwischen den beiden Parallelen.
Für den Strahlensatz brauchen wir aber alle Strecken vom Zentrum aus. Also berechnen wir zuerst:
Dieser Zwischenschritt ist der wichtigste der ganzen Aufgabe. Wer mit statt mit weiterrechnet, erhält ein falsches Ergebnis.
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Was ist gesucht? Die Strecke , also auf dem zweiten Strahl, gemessen vom Zentrum bis zur äußeren Parallelen.
Weil größer ist als , liegt weiter außen als . Unser Ergebnis muss also größer als sein.
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Welcher Satz passt, und warum dieser? Es geht ausschließlich um Strecken auf den Strahlen (nicht um die Parallelstrecken selbst). Das ist genau der 1. Strahlensatz:
Er gilt, weil die beiden und ähnlich sind, die Parallelen erzeugen gleiche .
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Einsetzen. Wir ersetzen die drei bekannten Strecken:
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Nach auflösen. Das Gesuchte steht im des rechten , geteilt durch . Also multiplizieren wir beide Seiten mit :
(Das ist dasselbe wie „über Kreuz multiplizieren": .)
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Einheit und Kontrolle. Alle Angaben waren in Zentimetern, also ist .
Prüfen wir das Verhältnis: Auf dem ersten Strahl ist . Auf dem zweiten ✓ Beide Strahlen sind im gleichen Verhältnis geteilt, genau das behauptet der Strahlensatz. Und , wie vorhergesagt.
Die Lehre: Bevor du einsetzt, prüfe bei jeder Strecke: Beginnt sie beim Zentrum ? Teilstücke wie müssen erst zur Gesamtstrecke addiert werden.
Flächen wachsen quadratisch
Ein Foto im Format wird auf das Dreifache gestreckt (). Wie ändern sich und ?
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Was ist gegeben? Die beiden Seiten und und der Streckfaktor . Gesucht ist, wie sich zwei verschiedene Größen ändern: Umfang und Fläche. Genau darin liegt die Pointe der Aufgabe: Sie ändern sich nicht gleich.
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Zuerst die neuen Seitenlängen. Bei einer zentrischen Streckung wird jede Länge mit multipliziert:
Das neue Format ist also .
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Der Umfang. Er ist eine Länge (die Summe aller Seiten), also verhält er sich wie jede Länge.
Das ist einleuchtend: Werden alle Seiten dreimal so lang, ist auch der Weg außen herum dreimal so lang.
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Die Fläche, und hier passiert das Unerwartete.
Nicht dreimal, sondern neunmal so groß.
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Warum ausgerechnet ? Weil bei der Fläche zwei Längen multipliziert werden, und beide sind mit gestreckt worden:
Der Faktor erscheint zweimal, also als . Allgemein gilt daher: Längen mal , Flächen mal .
Die Einheiten verraten es übrigens auch: hat eine Länge (ein Faktor ), hat zwei (also ). Beim mit wären es entsprechend , hier also .
Der Umfang verdreifacht sich (), der Flächeninhalt verneunfacht sich ().
Merke: Längen wachsen linear mit , Flächen quadratisch mit , Volumina mit . Deshalb ist doppelt so groß nie doppelt so viel.
Typischer Fehler
… „ich nehme einfach die Teilstücke."
Der Strahlensatz vergleicht Strecken vom Zentrum aus ( mit ), oder konsequent Teilstück zu Teilstück ( stimmt tatsächlich auch, aber nur in dieser Paarung!). Was nie geht: Zentrum-Strecke mit Teilstück mischen (-Chaos). Sicherster Weg: immer vom Zentrum aus messen und die Skizze farbig markieren.
Übung 1
leichtZwei ähnliche haben den Streckfaktor . Das kleine hat die Seite und den . Bestimme die entsprechende Seite und die Fläche des großen.
Tipp anzeigen
Längen mal , Flächen mal .
Lösung anzeigen
Seite:
Fläche:
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Seite: Längen wachsen mit k
Der Streckfaktor wirkt auf jede Länge direkt: cm.
- 2
Fläche: wächst mit k²
Flächen wachsen mit dem des Faktors: .
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Plausibilität prüfen
Kontrolle: Mit Seite statt ist alles -mal so lang; die Fläche ist -mal so groß wie ✓, genau .
Übung 2
mittelStrahlensatz-Figur: , , (Parallelstrecke innen). Wie lang ist (Parallelstrecke außen)?
Tipp anzeigen
- Strahlensatz: .
Lösung anzeigen
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Die Figur lesen: was entspricht was?
Vom Zentrum aus: und liegen auf demselben Strahl, (innen) und (außen) sind die parallelen Querstrecken.
- 2
Verhältnisgleichung aufstellen
Zweiter Strahlensatz: Parallelstrecke zu Parallelstrecke wie Zentrumsabschnitt zu Zentrumsabschnitt: , also .
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Auflösen und prüfen
.
Übung 3
schwerUm die Breite eines Flusses zu bestimmen, peilt Ali von Punkt am Ufer einen Baum am anderen Ufer an. Er markiert auf seiner Uferseite: Richtung Fluss… Vereinfachte Figur: Der Strahlensatz liefert , wobei 24 m und 4 m gemessene Uferstrecken sind. a) Berechne die Flussbreite . b) Warum funktioniert das Verfahren nur, wenn die Peillinien wirklich parallel geschnitten werden?
Tipp anzeigen
a) Über Kreuz. b) Voraussetzung der Strahlensätze.
Lösung anzeigen
a)
b) Die Strahlensätze gelten nur bei parallelen Querlinien, sonst sind die nicht ähnlich und die Verhältnisse stimmen nicht. In der Praxis sichert man die Parallelität z. B. mit rechten zum Ufer.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
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a) Die Messidee verstehen
Die unzugängliche Flussbreite wird in eine Strahlensatzfigur eingebaut: Die Peillinie zum Baum und die Uferstrecken bilden zwei ähnliche Dreiecke, mit lauter MESSBAREN Strecken auf der eigenen Uferseite.
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a) Verhältnisgleichung lösen
m.
Zwischenergebnis
m
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b) Warum Parallelität unverzichtbar ist
Die Strahlensätze folgen aus der ÄHNLICHKEIT der beiden Dreiecke und ähnlich sind sie nur, wenn die Querlinien parallel sind (gleiche ). Ohne Parallelität stimmen die Verhältnisse nicht.
Zusammenfassung
Ähnliche Figuren teilen Form und Verhältnisse: Längen skalieren mit , mit . Die Strahlensätze übersetzen Parallelen-Figuren in Verhältnisgleichungen, konsequent vom Zentrum aus gemessen. Damit vermisst du Bäume, Türme und Flüsse, ohne sie zu berühren: Mathematik als Fernrohr.


