Kurs:Lineare Algebra (Osnabrück 2015-2016)/Teil II/Arbeitsblatt 37/latex

\setcounter{section}{37}

\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}

\inputaufgabe
{}
{

Es seien $E,F$ \definitionsverweis {affine Räume}{}{} und \maabbdisp {\varphi} {E} {F } {} eine \definitionsverweis {affin-lineare Abbildung}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Schwerpunkt}{}{} der Punkte
\mathl{P_1 , \ldots , P_n}{} unter $\varphi$ in den Schwerpunkt der Bildpunkte
\mathl{\varphi(P_1) , \ldots , \varphi(P_n)}{} überführt wird.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass ein \definitionsverweis {Dreieck}{}{} genau dann \definitionsverweis {gleichseitig}{}{} ist, wenn der \definitionsverweis {Schwerpunkt}{}{} mit dem \definitionsverweis {Umkreismittelpunkt}{}{} übereinstimmt.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass es kein \definitionsverweis {nichtausgeartetes}{}{} \definitionsverweis {gleichseitiges Dreieck}{}{} im $\R^2$ gibt, dessen sämtliche Ecken rationale Koordinaten besitzen.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass das Seitenmittelpunktsdreieck eines Dreiecks \definitionsverweis {ähnlich}{}{} zum Ausgangsdreieck ist.

}
{} {}

\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es seien
\mathl{A,B}{} verschiedene Punkte in einer \definitionsverweis {euklidischen Ebene}{}{.} Zeige, dass die \definitionsverweis {Mittelsenkrechte}{}{} zu \mathkor {} {A} {und} {B} {} aus allen Punkten besteht, die zu \mathkor {} {A} {und } {B} {} den gleichen \definitionsverweis {Abstand}{}{} haben.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Es seien
\mathl{v,w}{} \definitionsverweis {linear unabhängige}{}{} Vektoren in $\R^2$. Zeige, dass die \definitionsverweis {Winkelhalbierende}{}{} zu \mathkor {} {v} {und} {w} {} mit \mathkor {} {v} {bzw.} {w} {} den gleichen \definitionsverweis {Winkel}{}{} bildet.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der \definitionsverweis {Umkreismittelpunkt}{}{} eines \definitionsverweis {nichtausgearteten Dreiecks}{}{}
\mathl{(A,B,C)}{} in einer \definitionsverweis {euklidischen Ebene}{}{} unter einer \definitionsverweis {Verschiebung}{}{} und unter einer \definitionsverweis {winkeltreuen Abbildung}{}{} auf den Umkreismittelpunkt des Bilddreiecks abgebildet wird.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der \definitionsverweis {Umkreismittelpunkt}{}{} eines \definitionsverweis {nichtausgearteten Dreiecks}{}{}
\mathl{(A,B,C)}{} in einer \definitionsverweis {euklidischen Ebene}{}{} unter einer \definitionsverweis {bijektiven}{}{} \definitionsverweis {affin-linearen Abbildung}{}{} nicht unbedingt auf den Umkreismittelpunkt des Bilddreiecks abgebildet wird.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der \definitionsverweis {Inkreismittelpunkt}{}{} eines \definitionsverweis {nichtausgearteten Dreiecks}{}{}
\mathl{(A,B,C)}{} in einer \definitionsverweis {euklidischen Ebene}{}{} unter einer \definitionsverweis {Verschiebung}{}{} und unter einer \definitionsverweis {winkeltreuen Abbildung}{}{} auf den Inkreismittelpunkt des Bilddreiecks abgebildet wird.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der \definitionsverweis {Inkreismittelpunkt}{}{} eines \definitionsverweis {nichtausgearteten Dreiecks}{}{}
\mathl{(A,B,C)}{} in einer \definitionsverweis {euklidischen Ebene}{}{} unter einer \definitionsverweis {bijektiven}{}{} \definitionsverweis {affin-linearen Abbildung}{}{} nicht unbedingt auf den Inkreismittelpunkt des Bilddreiecks abgebildet wird.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der \definitionsverweis {Höhenschnittpunkt}{}{} eines \definitionsverweis {nichtausgearteten Dreiecks}{}{}
\mathl{(A,B,C)}{} in einer \definitionsverweis {euklidischen Ebene}{}{} unter einer \definitionsverweis {Verschiebung}{}{} und unter einer \definitionsverweis {winkeltreuen Abbildung}{}{} auf den Höhenschnittpunkt des Bilddreiecks abgebildet wird.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der \definitionsverweis {Höhenschnittpunkt}{}{} eines \definitionsverweis {nichtausgearteten Dreiecks}{}{}
\mathl{(A,B,C)}{} in einer \definitionsverweis {euklidischen Ebene}{}{} unter einer \definitionsverweis {bijektiven}{}{} \definitionsverweis {affin-linearen Abbildung}{}{} nicht unbedingt auf den Höhenschnittpunkt des Bilddreiecks abgebildet wird.

}
{} {}

\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Beweise elementargeometrisch den \stichwort {Sinussatz} {,} also die Aussage, dass in einem \definitionsverweis {nichtausgearteten Dreieck}{}{} die Gleichheiten
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ a }{ \sin \alpha } } }
{ =} { { \frac{ b }{ \sin \beta } } }
{ =} { { \frac{ c }{ \sin \gamma } } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gelten, wobei
\mathl{a,b,c}{} die Seitenlängen gegenüber den Ecken mit den Winkeln
\mathl{\alpha, \beta, \gamma}{} sind.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Es sei $D$ ein \definitionsverweis {nichtausgeartetes Dreieck}{}{} in der Ebene mit den drei Eckpunkten $A,B,C$. Zeige, dass man die Höhen, die Mittelsenkrechten, die Winkelhalbierenden und die Seitenhalbierenden mit Zirkel und Lineal konstruieren kann.

}
{} {}

\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Ein Dreieck soll die Grundseite
\mathl{[0,s]}{} und die Höhe $h$ besitzen \zusatzklammer {\mathlk{s,h >0}{}} {} {.} Für welchen Höhenfußpunkt $x$ besitzt das Dreieck einen minimalen Umfang, und wie lange ist dieser?

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Wir fassen die Menge aller \zusatzklammer {auch entarteter, geordneter} {} {} Dreiecke
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \triangle }
{ = }{ (A,B,C) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} im $\R^2$ über ihre Koordinaten
\mathl{A=(A_1,A_2), B=(B_1,B_2), C=(C_1,C_2)}{} als den \definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $\R^6$ auf. Insbesondere kann man so Dreiecke miteinander addieren und mit einem Skalar
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} multiplizieren.

a) Zeige, dass die Dreiecke \mathkor {} {\triangle} {und} {s \triangle} {} mit $\triangle$ nichtausgeartet und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} zueinander \definitionsverweis {ähnlich}{}{} sind.

b) Es sei $S$ der \definitionsverweis {Schwerpunkt}{}{} des Dreiecks
\mathl{(A,B,C)}{.} Zeige, dass die Dreiecke
\mathdisp {(A,B,C), \, (B,C,A),\, (C,A,B) \text{ und } (S,S,S)} { }
\definitionsverweis {linear abhängig}{}{} sind.

c) Bestimme, ob die folgenden Mengen an Dreiecken \definitionsverweis {Untervektorräume}{}{} des Dreiecksraumes bilden oder nicht. Wenn ja, so bestimme ihre Dimension. \aufzaehlungneun{Die Menge aller nichtentarteten Dreiecke. }{Die Menge aller Dreiecke mit $0$ als erstem Eckpunkt. }{Die Menge aller Dreiecke mit Schwerpunkt $0$. }{Die Menge aller \definitionsverweis {gleichseitigen Dreiecke}{}{.} }{Die Menge aller Dreiecke, deren \definitionsverweis {Umkreis}{}{} der Einheitskreis ist. }{Die Menge aller zu einem Punkt zusammengeschrumpften Dreiecke. }{Die Menge aller \definitionsverweis {rechtwinkligen Dreiecke}{}{.} }{Die Menge aller rechtwinkligen Dreiecke, deren rechter Winkel sich als erster Punkt in $0$ befindet und deren zweiter Punkt auf der $x$-Achse liegt. }{Die Menge aller Dreiecke mit \definitionsverweis {Höhenschnittpunkt}{}{} in $0$. }

}
{} {}

\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}

\inputaufgabe
{4}
{

Bestimme für das Dreieck
\mathl{(0,0), (3,0), (0,4)}{} den \definitionsverweis {Schwerpunkt}{}{,} den \definitionsverweis {Umkreismittelpunkt}{}{,} den \definitionsverweis {Inkreismittelpunkt}{}{} und den \definitionsverweis {Höhenschnittpunkt}{}{.}

}
{} {}

\inputaufgabe
{3}
{

Bestimme für das Dreieck
\mathl{(2,3), (1,8), (6,-5)}{} die \definitionsverweis {eulersche Gerade}{}{.}

}
{} {}

\inputaufgabe
{4}
{

Bestimme für das Dreieck
\mathl{(4,-3), (7,2), (-1,5)}{} den Mittelpunkt und den Radius des \definitionsverweis {Feuerbachkreises}{}{.}

}
{} {}

In der folgenden Aufgabe wird auf die \definitionsverweis {Konvergenz}{}{} von Folgen im $\R^2$ Bezug genommen. Sie liegt genau dann vor, wenn beide Komponentenfolgen in $\R$ \definitionsverweis {konvergieren}{}{.}


\inputaufgabe
{6}
{

Zu einem \definitionsverweis {Dreieck}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \triangle }
{ = }{ (A,B,C) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist das Seitenmittelpunktsdreieck durch die Eckpunkte
\mathl{{ \frac{ 1 }{ 2 } } (A+B), { \frac{ 1 }{ 2 } } (A+C), { \frac{ 1 }{ 2 } } (B+C)}{} gegeben. Diese Konstruktion ergibt eine rekursiv definierte Folge von Dreiecken $\triangle_n$, wobei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \triangle_1 }
{ = }{ \triangle }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und $\triangle_{n+1}$ das Seitenmittelpunktsdreieck zu $\triangle_n$ ist. Es sei
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} eine \definitionsverweis {Folge}{}{} in $\R^2$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_n }
{ \in }{ \triangle_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N_+ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass diese Folge \definitionsverweis {konvergiert}{}{} und bestimme den \definitionsverweis {Grenzwert}{}{.}

}
{} {}