Halbebenen und das Axiom von Pasch SoSe 2017: Unterschied zwischen den Versionen

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= Halbebenen und das Axiom von Pasch =
 
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=== Analogiebetrachtungen ===
 
=== Analogiebetrachtungen ===
  
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Ebenenteilung:
 
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:Es seien <math>\ \epsilon</math> eine Ebene und <math>\ t</math> eine Gerade, die vollständig in <math>\ \epsilon</math> liegt. Ferner sei <math>\ Q</math> ein nicht zu <math>\ t</math> gehörender Punkt der Ebene <math>\ \epsilon</math>. Die Menge <math>\ \epsilon \setminus t</math> wird durch durch den Trenner <math>\ t</math> in genau zwei Klassen eingeteilt:
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:Es seien <math>\ \varepsilon</math> eine Ebene und <math>\ t</math> eine Gerade, die vollständig in <math>\ \varepsilon</math> liegt. Ferner sei <math>\ Q</math> ein nicht zu <math>\ t</math> gehörender Punkt der Ebene <math>\ \varepsilon</math>. Die Menge <math>\ \varepsilon \setminus t</math> wird durch durch den Trenner <math>\ t</math> in genau zwei Klassen eingeteilt:
  
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::# Die Menge aller Punkte von <math>\ \epsilon \setminus t</math>, die mit <math>\ Q</math> auf derselben ... .
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::# Die Menge aller Punkte von <math>\ \varepsilon \setminus t</math>, die mit <math>\ Q</math> auf derselben ... .
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::# Die Menge aller Punkte von <math>\ \epsilon \setminus t</math>, die mit <math>\ Q</math> nicht auf derselben ... .
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::# Die Menge aller Punkte von <math>\ \varepsilon \setminus t</math>, die mit <math>\ Q</math> nicht auf derselben ... .
  
 
=== Definition des Begriffs der Halbebene ===
 
=== Definition des Begriffs der Halbebene ===
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| Zu unsere Vorstellung von der Eigenschaften einer beliebigen Ebene  <math>\epsilon</math> gehört u.a., dass jede Gerade <math>\ g</math>, die zu unserer jeweiligen Ebene <math>\epsilon</math> gehört, diese in zwei ''Hälften'' bzw. zwei ''Seiten'' einteilt. Zur Kennzeichnung der beiden ''Seiten'' von <math>\epsilon</math> bezüglich der Geraden <math>\ g</math> verwenden wir einen Punkt <math>\ Q \in \epsilon</math>, welcher nicht zu <math>\ g</math> gehören sollte.
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| Zu unsere Vorstellung von der Eigenschaften einer beliebigen Ebene  <math>\varepsilon</math> gehört u.a., dass jede Gerade <math>\ g</math>, die zu unserer jeweiligen Ebene <math>\varepsilon</math> gehört, diese in zwei ''Hälften'' bzw. zwei ''Seiten'' einteilt. Zur Kennzeichnung der beiden ''Seiten'' von <math>\varepsilon</math> bezüglich der Geraden <math>\ g</math> verwenden wir einen Punkt <math>\ Q \in \varepsilon</math>, welcher nicht zu <math>\ g</math> gehören sollte.
 
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| Zu der einen ''Hälfte'' von <math>\ \epsilon</math> bezüglich <math>\ g</math> gehören alle die Punkte aus <math>\epsilon \setminus g</math>, die mit <math>\ Q</math> auf derselben Seite von <math>\ g</math> liegen. Alle anderen Punkte aus <math>\epsilon \setminus g</math> gehören zur anderen Seite von <math>\ \epsilon</math> bezüglich <math>\ g</math>.
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| Zu der einen ''Hälfte'' von <math>\ \varepsilon</math> bezüglich <math>\ g</math> gehören alle die Punkte aus <math>\varepsilon \setminus g</math>, die mit <math>\ Q</math> auf derselben Seite von <math>\ g</math> liegen. Alle anderen Punkte aus <math>\varepsilon \setminus g</math> gehören zur anderen Seite von <math>\ \varepsilon</math> bezüglich <math>\ g</math>.
 
| [[Bild:Halbebene_01.png | 100 px]]
 
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==== Offene Halbebenen ====
 
==== Offene Halbebenen ====
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Die beiden Seiten, in die die Menge der Punkte einer Ebene <math>\ \epsilon</math>, die nicht auf einer Geraden <math>\ g</math> dieser Ebene liegen, durch diese Gerade <math>\ g</math> eingeteilt wird, heißen offene Halbebenen von <math>\ \epsilon</math> bezüglich der Trägergeraden <math>\ g</math>. Der nicht zu <math>\ g</math> gehörende Referenzpunkt <math>\ Q \in \epsilon</math> bietet uns eine Möglichkeit zur Bezeichnung der beiden offenen Halbebenen. Die offene Halbebene, zu der alle Punkte gehören, die bezüglich <math>\ g</math> mit <math>\ Q</math> auf derselben Seite liegen, wird mit <math>\ gQ^{+}</math> bezeichnet, die andere offene Halbebene von <math>\ \epsilon</math> bezüglich <math>\ g</math> und <math>\ Q</math> mit <math>\ gQ^{-}</math>.
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Die beiden Seiten, in die die Menge der Punkte einer Ebene <math>\ \varepsilon</math>, die nicht auf einer Geraden <math>\ g</math> dieser Ebene liegen, durch diese Gerade <math>\ g</math> eingeteilt wird, heißen offene Halbebenen von <math>\ \varepsilon</math> bezüglich der Trägergeraden <math>\ g</math>. Der nicht zu <math>\ g</math> gehörende Referenzpunkt <math>\ Q \in \varepsilon</math> bietet uns eine Möglichkeit zur Bezeichnung der beiden offenen Halbebenen. Die offene Halbebene, zu der alle Punkte gehören, die bezüglich <math>\ g</math> mit <math>\ Q</math> auf derselben Seite liegen, wird mit <math>\ gQ^{+}</math> bezeichnet, die andere offene Halbebene von <math>\ \varepsilon</math> bezüglich <math>\ g</math> und <math>\ Q</math> mit <math>\ gQ^{-}</math>.
  
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Obige Ausführungen können als informelle Definition des Begriffs offene Halbebene dienen. Hinsichtlich wirklicher mathematischer Exaktheit der Festlegung, was denn eine offene Halbene sein möge, bedarf es einer genauereren Erklärung, was denn darunter zu verstehen wäre, dass zwei Punkte <math>\ P</math> und <math> \ Q</math> einer Ebene <math>\ \epsilon</math> auf ein und derselben bzw. auf zwei verschiedenen Seiten dieser Ebene bezüglich einer Geraden <math>\ g</math> liegen.
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Obige Ausführungen können als informelle Definition des Begriffs offene Halbebene dienen. Hinsichtlich wirklicher mathematischer Exaktheit der Festlegung, was denn eine offene Halbene sein möge, bedarf es einer genauereren Erklärung, was denn darunter zu verstehen wäre, dass zwei Punkte <math>\ P</math> und <math> \ Q</math> einer Ebene <math>\ \varepsilon</math> auf ein und derselben bzw. auf zwei verschiedenen Seiten dieser Ebene bezüglich einer Geraden <math>\ g</math> liegen.
  
 
===== Definition IV.1: (offene Halbebene)=====
 
===== Definition IV.1: (offene Halbebene)=====
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===== Definition IV.2: (Halbebene) =====
 
===== Definition IV.2: (Halbebene) =====
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::Es sei <math>\ g</math> eine Gerade der Ebene <math>\ \epsilon</math>. <math>\ gQ^+</math> und <math>\ gQ^-</math> seien die beiden offenen Halbebenen von <math>\ \epsilon</math> bezüglich  <math>\ g</math>. Unter den (geschlossenen) Halbebenen von  <math>\ \epsilon</math> bezüglich <math>\ g</math> versteht die beiden Punktmengen, die durch die Vereinigung jeder dieser beiden offenen Halbebene von <math>\ \epsilon</math> bezüglich der Geraden <math>\ g</math> mit jeweils dieser Geraden <math>\ g</math> entstehen.
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::Es sei <math>\ g</math> eine Gerade der Ebene <math>\ \varepsilon</math>. <math>\ gQ^+</math> und <math>\ gQ^-</math> seien die beiden offenen Halbebenen von <math>\ \varepsilon</math> bezüglich  <math>\ g</math>. Unter den (geschlossenen) Halbebenen von  <math>\ \varepsilon</math> bezüglich <math>\ g</math> versteht die beiden Punktmengen, die durch die Vereinigung jeder dieser beiden offenen Halbebene von <math>\ \varepsilon</math> bezüglich der Geraden <math>\ g</math> mit jeweils dieser Geraden <math>\ g</math> entstehen.
  
 
Bemerkung: Für die formale Beschreibung von offenen und geschlossenen Halbebenen wird jeweils dieselbe Bezsichnung verwendet: offene Halbebene: <math>\ g Q^+</math>, (geschlossene) Halbebene: <math>\ g Q^+</math>. Der weitere Gebrauch der Sprache kennzeichnet, ob es sich um eine offene oder um die geschlossene Halbene handeln soll. Aus Gründen der Vereinfachung sei vereinbart, dass <math>\ g Q^+</math> bzw. <math>\ g Q^-</math> immer die geschlossene Halbebene meint. Soll die offene Halbebene gemeint sein, so ist dieses durch den Zusatz "offen" zu kennzeichnen.<br />
 
Bemerkung: Für die formale Beschreibung von offenen und geschlossenen Halbebenen wird jeweils dieselbe Bezsichnung verwendet: offene Halbebene: <math>\ g Q^+</math>, (geschlossene) Halbebene: <math>\ g Q^+</math>. Der weitere Gebrauch der Sprache kennzeichnet, ob es sich um eine offene oder um die geschlossene Halbene handeln soll. Aus Gründen der Vereinfachung sei vereinbart, dass <math>\ g Q^+</math> bzw. <math>\ g Q^-</math> immer die geschlossene Halbebene meint. Soll die offene Halbebene gemeint sein, so ist dieses durch den Zusatz "offen" zu kennzeichnen.<br />
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Aktuelle Version vom 11. Juni 2017, 17:33 Uhr

Inhaltsverzeichnis

Halbebenen und das Axiom von Pasch

Halbebenen

Analogiebetrachtungen

Die folgenden Lückentexte können Sie auch als Übungsblatt im pdf-Format herunterladen: Übungsblatt Halbgeraden/-ebenen‎

Wir konstatieren:

Eine Gerade wird durch einen ............ in zwei ............ eingeteilt.
Eine Ebene wird durch eine ............ in zwei ............ eingeteilt..
Eine Gerade ist ein .....dimensionales Objekt.
Eine Ebene ist ein .....dimensionales Objekt
Im Fall dieser Geradenteilung ist der Trenner ein .....dimensionales geometrisches Objekt
Im Fall dieser Ebenenteilung ist der Trenner ein .....dimensionales geometrisches Objekt.
Wenn also n die Dimension des geometrischen Objekts ist, das geteilt wird, dann hat der Trenner die Dimension ..... .


Geradenteilung:

Es seien \ g eine Gerade und \ T ein Punkt auf ihr. Ferner sei \ Q ein von \ T verschiedener Punkt der Geraden \ g. Die Menge \ g \setminus T wird durch durch den Trenner \ T in genau zwei Klassen eingeteilt:
  1. Die Menge aller Punkte von \ g \setminus T, die mit \ Q auf derselben ... .
  2. Die Menge aller Punkte von \ g \setminus T, die mit \ Q nicht auf derselben ... .

Ebenenteilung:

Es seien \ \varepsilon eine Ebene und \ t eine Gerade, die vollständig in \ \varepsilon liegt. Ferner sei \ Q ein nicht zu \ t gehörender Punkt der Ebene \ \varepsilon. Die Menge \ \varepsilon \setminus t wird durch durch den Trenner \ t in genau zwei Klassen eingeteilt:
  1. Die Menge aller Punkte von \ \varepsilon \setminus t, die mit \ Q auf derselben ... .
  2. Die Menge aller Punkte von \ \varepsilon \setminus t, die mit \ Q nicht auf derselben ... .

Definition des Begriffs der Halbebene

Alles hat zwei Seiten oder grundlegende Ideen der Beschaffenheit von Ebenen

Zu unsere Vorstellung von der Eigenschaften einer beliebigen Ebene \varepsilon gehört u.a., dass jede Gerade \ g, die zu unserer jeweiligen Ebene \varepsilon gehört, diese in zwei Hälften bzw. zwei Seiten einteilt. Zur Kennzeichnung der beiden Seiten von \varepsilon bezüglich der Geraden \ g verwenden wir einen Punkt \ Q \in \varepsilon, welcher nicht zu \ g gehören sollte. Halbebene 00.png
Zu der einen Hälfte von \ \varepsilon bezüglich \ g gehören alle die Punkte aus \varepsilon \setminus g, die mit \ Q auf derselben Seite von \ g liegen. Alle anderen Punkte aus \varepsilon \setminus g gehören zur anderen Seite von \ \varepsilon bezüglich \ g. Halbebene 01.png

Offene Halbebenen

Die beiden Seiten, in die die Menge der Punkte einer Ebene \ \varepsilon, die nicht auf einer Geraden \ g dieser Ebene liegen, durch diese Gerade \ g eingeteilt wird, heißen offene Halbebenen von \ \varepsilon bezüglich der Trägergeraden \ g. Der nicht zu \ g gehörende Referenzpunkt \ Q \in \varepsilon bietet uns eine Möglichkeit zur Bezeichnung der beiden offenen Halbebenen. Die offene Halbebene, zu der alle Punkte gehören, die bezüglich \ g mit \ Q auf derselben Seite liegen, wird mit \ gQ^{+} bezeichnet, die andere offene Halbebene von \ \varepsilon bezüglich \ g und \ Q mit \ gQ^{-}.

Obige Ausführungen können als informelle Definition des Begriffs offene Halbebene dienen. Hinsichtlich wirklicher mathematischer Exaktheit der Festlegung, was denn eine offene Halbene sein möge, bedarf es einer genauereren Erklärung, was denn darunter zu verstehen wäre, dass zwei Punkte \ P und \ Q einer Ebene \ \varepsilon auf ein und derselben bzw. auf zwei verschiedenen Seiten dieser Ebene bezüglich einer Geraden \ g liegen.

Definition IV.1: (offene Halbebene)
Es sei \ \varepsilon eine Ebene in der die Gerade \ g liegen möge. Ferner sei \ Q ein Punkt der Ebene \ \varepsilon, der nicht zur Geraden \ g gehört.
Unter den offenen Halbebenen \ gQ^{+} und \ gQ^{-} bezüglich der Trägergeraden \ g versteht man die folgenden Teilmengen der Ebene \ \varepsilon ohne die Gerade \ g :
\ gQ^{+}:= \left\{ {P|\overline{PQ} \cap g=\phi } \right\}
\ gQ^{-}:= \left\{ {P|\overline{PQ} \cap g\neq\phi } \right\}

Halbebenen

Vereinigt man die Menge der Punkte einer offenen Halbeben mit der Menge der Punkte der Trägergerade so erhält man eine Halbebene.

Definition IV.2: (Halbebene)
Es sei \ g eine Gerade der Ebene \ \varepsilon. \ gQ^+ und \ gQ^- seien die beiden offenen Halbebenen von \ \varepsilon bezüglich \ g. Unter den (geschlossenen) Halbebenen von \ \varepsilon bezüglich \ g versteht die beiden Punktmengen, die durch die Vereinigung jeder dieser beiden offenen Halbebene von \ \varepsilon bezüglich der Geraden \ g mit jeweils dieser Geraden \ g entstehen.

Bemerkung: Für die formale Beschreibung von offenen und geschlossenen Halbebenen wird jeweils dieselbe Bezsichnung verwendet: offene Halbebene: \ g Q^+, (geschlossene) Halbebene: \ g Q^+. Der weitere Gebrauch der Sprache kennzeichnet, ob es sich um eine offene oder um die geschlossene Halbene handeln soll. Aus Gründen der Vereinfachung sei vereinbart, dass \ g Q^+ bzw. \ g Q^- immer die geschlossene Halbebene meint. Soll die offene Halbebene gemeint sein, so ist dieses durch den Zusatz "offen" zu kennzeichnen.

Definition IV.3: Halbraum

Gegeben sei eine Ebene \varepsilon.

Halbraum \varepsilon Q^{+} :=\left\{ P|... \right\} \cup \varepsilon
Halbraum \varepsilon Q^{-} :=\left\{ P| ... \right\} \cup \varepsilon

Das Axiom von Pasch

Was Axiomatik ist und wie man Axiome zu formulieren hat, das ist erst gegen Ende des 19. Jh. von Pasch gezeigt worden; von ihm lernten es die italienischen Geometer und lernte es Hilbert.
Hans Freudenthal, Mathematik als pädagogische Aufgabe, Stuttgart 1973, S. 14)

Axiom III.2: Das Axiom von Pasch
Gegeben sei ein Dreieck \overline{ABC}. Ferner sei \ g eine Gerade, die durch keinen der drei Eckpunkte \ A, B, C geht. Wenn \ g eine der drei Seiten des Dreiecks \overline{ABC} schneidet, dann schneidet \ g genau eine weitere Seite des Dreiecks \overline{ABC}.

Konvexe Punktmengen

Definition IV.4: (konvexe Punktmenge)
Eine Menge \ M von Punkten heißt konvex, wenn mit je zwei Punkten \ A und \ B dieser Menge die gesamte Strecke \overline{AB} zu \ M gehört.
Satz IV.2
Halbebenen sind konvexe Punktmengen
Beweis von Satz IV.2

trivial (Der Leser überzeuge sich davon)

Satz IV.3
Der Durchschnitt zweier konvexer Punktmengen ist konvex.
Beweis von Satz IV.3

Es seien \ M_1 und \ M_2 zwei konvexe Mengen.

zu zeigen: Der Durchschnitt der beiden Mengen \ M_1 und \ M_2 ist auch konvex.


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