Streckenantragen oder das Axiom vom Lineal (SoSe 11)

Der Mittelpunkt einer Strecke

Wir wissen nun, dass eine offene Strecke $\overline{AB}$ die Menge aller Punkte ist, die zwischen $\ A$ und $\ B$ liegen. Vereinigt man diese Menge mit der Menge der beiden Endpunkte $\ A$ und $\ B$, so hat man die gesamte Strecke $\overline{AB}$. Zu unseren grundlegenden Vorstellungen von Strecken gehört, dass jede Strecke $\overline{AB}$ einen Mittelpunkt $\ M$ hat. $\ M$ wäre der Punkt auf $\overline{AB}$, der sowohl zu $\ A$ als auch zu $\ B$ denselben Abstand $\frac{| \overline{AB} |}{2}$ hat.

Definition III.1: (Mittelpunkt einer Strecke)

Wenn ein Punkt $\ M$ der Strecke $\overline{AB}$ ...

Üben Sie sich und ergänzen Sie.--*m.g.* 22:34, 26. Mai 2011 (CEST)

Satz III.1: (Existenz und Eindeutigkeit des Mittelpunkte einer Strecke)

Jede Strecke hat genau einen Mittelpunkt.

Beweis der Existenz und Eindeutigkeit des Mittelpunktes einer Strecke

Die Materie erscheint einsichtig und einfach. Übungsaufgabe?? Nichts ist einfach. Mit den bisher bereitgestellten axiomatischen Grundlagen unserer Geometrie wird es Ihnen nicht gelingen, etwa zu zeigen, dass jede Strecke einen Mittelpunkt besitzt.

Der Knackpunkt bezüglich des Nachweises der Existenz und Eindeutigkeit des Streckenmittelpunktes besteht darin, dass unsere derzeitige Theorie noch nicht genügend Punkte zu Verfügung stellt. Momentan muss unser Raum nicht mehr als 4 Punkte enthalten. Nach Axiom I.7 sind diese vier Punkte nicht komplanar, woraus folgt, dass je drei von ihnen nicht auf ein und derselben Geraden liegen. Damit könnte eine durch zwei verschiedene dieser vier Punkte eindeutig bestimmte Strecke gar keinen Mittelpunkt haben, denn dieser müsste entsprechend Definition III.1 bezüglich unserer zwei Endpunkte auf derselben Geraden liegen.

Es wird Zeit, die Anzahl Punkte unserer Theorie radikal zu erhöhen. Konzentrieren wir uns diesbezüglich zunächst auf einen Strahl $\ AB^{+}$. Nach unserer Vorstellung von Halbgeraden können wir je zwei Punkten von $\ AB^{+}$ genau eine nichtnegative reelle Zahl (den Abstand der beiden Punkte) zuordnen. Nach unseren Vorstellungen etwa von Zahlenstrahl gibt es auch zu jeder nicht negativen reellen Zahl d genau einen Punkt $\ D$ auf $\ AB^{+}$, der zu $\ A$ gerade den Abstand $\ d$ hat. Bei Konstruktionsaufgaben finden wir diese Idee im Zusammenhang mit dem Streckenantragen wieder.

Streckenantragen

Das Axiom vom Lineal

Wir sind überzeugt davon, dass unsere Konstruktion entsprechend des vorangegangenen Abschnitts immer funktioniert und der so gewonnene zweite Endpunkt unserer konstruierten Strecke eindeutig bestimmt ist. Die Idee des Streckenantragens müssen wir jetzt jedoch axiomatisch fordern bzw. begründen.

Axiom III.1: (Axiom vom Lineal)

Zu jeder nicht negativen reelen Zahl $\ d$ gibt es auf jedem Strahl $\ p$ genau einen Punkt, der zum Anfangspunkt von $\ p$ den Abstand $\ d$ hat.

Zum Sprachgebrauch. Wir werden in kommenden Beweisen einzelne Beweisschritte häufig mit dem Axiom vom Lineal begründen müssen. Wir werden in einem solchen Fall ggf. auch mit der Existenz und Eindeutigkeit des Streckenantragens begründen. Letzteres ist schließlich nichts anderes als der Inhalt des Axioms vom Lineal.

Existenz und Eindeutigkeit des Mittelpunktes einer Strecke

Nachdem das Axiom vom Lineal formuliert wurde, wird es uns gelingen Satz III.1 zu beweisen.

Jetzt wirklich: Beweis von Satz III.1

noch einmal der Satz:

Jede Strecke hat einen und nur einen Mittelpunkt.

Es sind also zwei Beweise zu führen:

1. Existenzbeweis: Jede Strecke hat einen Mittelpunkt.
2. Eindeutigkeitsbeweis: Jede Strecke hat nicht mehr als einen Mittelpunkt.
   (Highlanderbeweis: Es kann nur einen geben.)

Der Existenzbeweis

Es sei $\overline{AB}$ eine Strecke

Behauptung:

Es gibt einen Punkt auf der Strecke $\overline{AB}$ der zu den Endpunkten $\ A$ und $\ B$ jeweils ein und denselben Abstand hat.

Die Behauptung noch mal: $\exists M \in \overline{AB} : \ \left| AM \right| = \left| MB \right|$ .

Der Beweis:

Jede Strecke $\overline{AB}$ hat einen Mittelpunkt.

	Beweisschritt	Begründung
(I)	$\exists d \in \mathbb{R}^{+} \ : \ d = \left| AB \right|$	Abstandsaxiom A/1
(II)	$\exists d^{*} \in \mathbb{R}^{+} \ : \ d^{*} = \frac{d}{2}$	Tragen Sie hier die Begründung ein.
(III)	$\exists M \in AB^{+} \ : \ \left| AM \right| = d^{*}$	Tragen Sie hier die Begründung ein.
(IV)	$\operatorname{Zw} \left( A, M, B \right)$ und damit $M \in \overline{AB}$	Wegen III, Hilfssatz A und der Definition der Zwischenrelation
(V)	$\ \left| AM \right| + \left| MB \right| = \frac{\left| AB \right|}{2} + \left| MB \right| = \left| AB \right|$	Definition der Zwischenrelation $\ \left| AM \right| + \left| MB \right| = \left| AB \right|$ Wegen II und III ($\ \left| AM \right|=d^{*}=\frac{d}{2}=\frac{\left| AB \right|}{2}$)
(VI)	$\left| MB \right| = \frac{\left| AB \right|}{2}$	Tragen Sie hier die Begründung ein.
(VII)	$\left| AM \right| = \left| MB \right|$	Tragen Sie hier die Begründung ein.
(VIII)	$\ M$ ist der Mittelpunkt von $\overline{AB}$	Tragen Sie hier die Begründung ein.

Hilfssatz A:

Voraussetzung:

Es seien $\ A$ und $\ B$ zwei verschieden Punkte. Für den Punkt $\ M$ mit $\ M \in AB^{+}$ möge gelten: $| AM | = \frac{|AB|}{2}$

Behauptung:

$\operatorname{Zw}(A, M, B)$.

Beweis von Hilfssatz A:

Weil $\ M \in AB^{+}$ gilt entweder

1. $\operatorname{Zw} (A, M, B)$ oder
2. $\operatorname{Zw} (A, B, M)$

(s. Definition Strahl $AB^{+}$)

Falls 1. gilt, gilt unsere Behauptung.

Falls unsere Behauptung nicht gelten sollte, müsste 2. also $\operatorname{Zw} (A, B, M)$ gelten.

Nehmen wir also an, dass $\ B$ zwischen $A\$ und $\ M$ liegt: $\operatorname{Zw} (A, B, M)$

Wäre unsere Annahme wahr, müsste die folgende Gleichung gelten: .... (ergänzen Sie selbst!)

Die Gültigkeit dieser Gleichung wäre jedoch ein Widerspruch zu .... (ergänzen Sie selbst!)

Also ist unsere Annahme $\operatorname{Zw} (A, B, M)$ zu verwerfen und es gilt $\operatorname{Zw} (A, M, B)$

Der Eindeutigkeitsbeweis

Übungsaufgabe

Hinweis: Nehmen Sie an, eine Strecke $\overline{AB}$ hätte zwei Mittelpunkte $\ M_1$ und $\ M_2$.

Die Frage ist doch zunächst, ob es in der Prüfung Extrapunkte oder Punktabzug gibt, wenn man statt "Eindeutigkeitsbeweis" "Highlanderbeweis" schreibt? :-)

Beweis der Eindeutigkeit des Mittelpunktes:
Voraussetzung: $\exists \,M$ $\in$ $\overline{AB}: |AM| = |BM|$
Behauptung: "Es kann nur einen geben": $\exists ! M \in \overline{AB}: |AM| = |MB|$
Annahme: $\exists M_1 \ und \ M_2: |AM_1| = |M_1B| \ und \ |AM_2| = |M_2B|$

Nummer	Beweisschritt	Begründung
1	$\exists$ d: d = $\overline{AB}$	Axiom II.1; Voraussetzung
2	$\exists$ d*: d* = $\frac{d}{2}$	Rechnen in R; (1)
3	$d* = |AM_1| = |M_1B|$ und $d* = |AM_2| = |M_2B|$	Existenzbeweis Mittelpunkt, Def. Mittelpunkt, Annahme, (2)
4	$|AM_1| = |AM_2|$	(3), Transitivität der Gleichrelation
5	$M_1 = M_2$	(4); Axiom II.1
6	Für $M_1 = M_2$ existiert genau ein Mittelpunkt auf der Strecke $\overline{AB}$	(5)

--Flo60 18:13, 4. Jun. 2011 (CEST)

In Schritt 3 schreibst du $d* = |AM_2|$. Warum sollte das für $M_2$ gelten? Gehst du nicht hier schon davon aus, dass $M_1=M_2$? Steht in der Annahme oder der Def. Mittelpunkt, dass es $\frac{d}{2} =|AM_2|$ sein muss?--Tutorin Anne 12:19, 6. Jun. 2011 (CEST)
Ja und zwar genau im vorherigen Beweis, wenn ich den Mittelpunkt M festlege mit |AM|=d*. WENN das hier nicht für jeden x-beliebigen Mittelpunkt und dem Axiom vom Abstand gilt, sondern nur für einen einzigen Mittelpunkt, dann bräuchte ich den Highlanderbeweis ja gar nicht erst durchzuführen. So hab ich mir das gedacht, scheinbar gehe ich fehl. --Flo60 20:20, 7. Jun. 2011 (CEST)
vielleicht kann ja die anne die richtige Lösung auf die Diskussionsseite schreiben, weil sonst wart ich hier zwei wochen auf den eindeutigkeitsbeweis und warte und warte und warte - auch in der lerngruppe ham wir uns da schon gedanken drüber gemacht, aber wenn man sich mal in eine richtung verrannt hat, dann ist es ohnehin schwierig da den kopf wieder frei zu bekommen :-)

Ich (--Tutorin Anne 12:26, 11. Jun. 2011 (CEST))stelle hier keine Lösungen rein (denn ich habe nicht DIE Lösung und das ist auch gar nicht meine Aufgabe). Ich weiß schon, dass das sehr nervig sein kann, aber ich kann euch mal einen anderen Ansatz vorschlagen. Voraussetzung: $\exists \,M$ $\in$ $\overline{AB}: |AM| = |BM|$
Behauptung: "Es kann nur einen geben": $\exists ! M \in \overline{AB}: |AM| = |MB|$
Annahme: $\exists \ M_2. \ M_2$ verschieden zu $\ M_1$, $\ M_2$ ist Mittelpunkt von $\overline{AB}$

Nummer	Beweisschritt	Begründung
1	$M_2 \in \overline{AB}$	Annahme, Def. Mittelpunkt (na ja, im Wiki steht leider noch keine Definition, auf die man sich berufen kann)
2	$\overline{AB} = \overline{AM_2}+ \overline{M_2B}$	(1), Zwischenrelation, Axiom Dreiecksungleichung
3	$\left| AM_2 \right| = \left| M_2B \right|$	Voraussetzung, (2)
4	$\overline{AM_2} = \frac{\overline{AB}}{2}$	Rechnen in R;(1);(2);(3)
5	$\overline{AM_1} = \frac{\overline{AB}}{2}$	Existenzbeweis Mittelpunkt
6	AM_2| = |AM_1|	(5), Axiom II.1
7	M1 = M2	(6)

Eure Aufgabe ist den Beweis zu vervollständigen (und gegebenenfalls zu kritisieren!)--Tutorin Anne 12:26, 11. Jun. 2011 (CEST)

Recht viel besser scheint mir das aber auch nicht zu sein :-) vorher habe ich es ja auch so hingedreht, dass es passt und jetzt halt wieder (?) Wir sollten es einfach als Axiom annehmen, dass es einen Mittelpunkt gibt und der Käse ist gegessen und die Welt ist schön :-). --Flo60 14:08, 12. Jun. 2011 (CEST)

Nochmal ein letzer Versuch (unabhängig, ob das vorherige stimmt oder nicht), ansonsten werde ich in der Tat die Geometrie umschreiben und das Axiom von Flo60 einführen, das da heißen wird: Jede Strecke \overline{AB} besitzt genau einen Punkt M für den gilt: |AM| = |MB|.

Voraussetzung: $\overline{AB}$
Behauptung: $\exists M \in \overline{AB} : |AM|=|MB|$
Beweisteil II: Es kann nur einen geben.

Annahme: $\exists S \in \overline{AB} : S \neq M \wedge |AS|=|SB|$

1	AM| = |BM| = $\frac{\overline{AB}}{2}$	Existenzbeweis
2	AS| $\neq$ |AM|	Annahme ($S \neq M$)
3	AS| und |SB| sind ungleich $\frac{\overline{AB}}{2}$	(1) (2) Annahme ($|AS| = |SB|$)
4	nkoll(A, S, B)	(3) Annahme ($|AS| = |SB|$)
5	für nkoll(A, S, B) gilt: $S \not\in \overline{AB}$	(4), Axiom II.3
6	Wiederspruch zu $S \in \overline{AB}$	(5), Def. Mittelpunkt
7	Annahme ist zu verwerfen	(6)

--Flo60 13:42, 13. Jun. 2011 (CEST)