Halbebenen und das Axiom von Pasch WS 12 13

Halbebenen und das Axiom von Pasch Halbebenen Analogiebetrachtungen Halbgeraden Halbebenen Die folgenden Lückentexte können Sie auch als Übungsblatt im pdf-Format herunterladen: Übungsblatt Halbgeraden/-ebenen‎ Wir konstatieren: Was haben Halbgerade und Halbebene gemeinsam? 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: Die Menge aller Punkte von $\ g \setminus T$, die mit $\ Q$ auf ... Die Menge aller Punkte von $\ g \setminus T$, die mit $\ Q$ nicht auf ... Ebenenteilung Es seien $\ E$ eine Ebene und $\ t$ eine Gerade, die vollständig in $\ E$ liegt. Ferner sei $\ Q$ ein nicht zu $\ t$ gehörender Punkt der Ebene $\ E$. Die Menge $\ E \setminus t$ wird durch durch den Trenner $\ t$ in genau zwei Klassen eingeteilt: Die Menge aller Punkte von $\ E \setminus t$, die mit $\ Q$ auf ... Die Menge aller Punkte von $\ E \setminus t$, die mit $\ Q$ nicht auf ... 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 $E$ gehört u.a., dass jede Gerade $g$, die zu unserer jeweiligen Ebene $E$ gehört, diese in zwei Hälften bzw. zwei Seiten einteilt. Zur Kennzeichnung der beiden Seiten von $E$ bezüglich der Geraden $g$ verwenden wir einen Punkt $Q \in E$, welcher nicht zu $g$ gehören sollte. Zu der einen Hälfte von $E$ bezüglich $g$ gehören alle die Punkte aus $E \setminus g$, die mit $Q$ auf derselben Seite von $g$ liegen. Alle anderen Punkte aus $E \setminus g$ gehören zur anderen Seite von $E$ bezüglich $g$. Offene Halbebenen Die beiden Seiten, in die die Menge der Punkte einer Ebene $\ E$, die nicht auf einer Geraden $\ g$ dieser Ebene liegen, durch diese Gerade $\ g$ eingeteilt wird, heißen offene Halbebenen von $\ E$ bezüglich der Trägergeraden $\ g$. Der nicht zu $\ g$ gehörende Referenzpunkt $\ Q \in E$ 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 $\ E$ 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 $\ E$ auf ein und derselben bzw. auf zwei verschiedenen Seiten dieser Ebene bezüglich einer Geraden $\ g$ liegen. Definition IV.1: (offene Halbebene) Es sei $\ E$ eine Ebene in der die Gerade $\ g$ liegen möge. Ferner sei $\ Q$ ein Punkt der Ebene $\ E$, der nicht zur Geraden $\ g$ gehört. Unter den offenen Halbebenen $\ gQ^{+}$ und $\ gQ^{-}$ bezüglich der Trägergeraden $\ g$ versteht man die folgenden Teilmengen der Ebene $\ E$ ohne die Gerade $\ g$ : $\ gQ^{+}:= \{P|...\}$ ("Jene Punkte P, für die gilt, dass die Strecke $\overline{PQ}$ den Trenner$\ g$ nicht schneidet, bilden die offene Halbebene$\ gQ^{+}$.") $\ gQ^{-}:= \{P|\}$ ("Jene Punkte P, für die gilt, dass die Strecke $\overline{PQ}$ den Trenner$\ g$ schneidet, bilden die offene Halbebene$\ gQ^{-}$.") Halbebenen Vereinigt man die Menge der Punkte einer offenen Halbebene mit der Menge der Punkte der Trägergerade so erhält man eine Halbebene. Definition IV.2: (Halbebene) Es sei $\ g$ eine Gerade der Ebene $\ E$. $\ gQ^+$ und $\ gQ^-$ seien die beiden offenen Halbebenen von $\ E$ bezüglich $\ g$. Unter den (geschlossenen) Halbebenen von $\ E$ bezüglich $\ g$ versteht die beiden Punktmengen, die durch die Vereinigung jeder dieser beiden offenen Halbebene von $\ E$ 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 E und ein Raum R, der E enthält. Die Punkte des Raumes, die nicht in E liegen, bilden zwei Mengen derart, dass gilt: Ergänzen Sie selbst. $\ EQ^{+}:= \{P| ... \} \cup \{E \}$ $\ EQ^{-}:= \{P| ... \} \cup \{E \}$ 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. Wie geht es weiter?