MathematikKlasse 9–10

Sinussatz und Kosinussatz

Berechne Seiten und Winkel in beliebigen Dreiecken mit Sinussatz und Kosinussatz. Ein Helfer zeigt, welcher Satz zu deiner Aufgabe passt.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Sinus, Kosinus und Tangens helfen im rechtwinkligen Dreieck. Für beliebige Dreiecke gibt es zwei Sätze. Dabei gehören immer eine Seite und der Winkel gegenüber zusammen: aa und α\alpha, bb und β\beta, cc und γ\gamma – in der Simulation haben sie dieselbe Farbe.

Sinussatz: In jedem Dreieck ist das Verhältnis aus einer Seite und dem Sinus ihres Gegenwinkels gleich – und zwar gleich dem Durchmesser 2r2r des Umkreises:

asin⁡α=bsin⁡β=csin⁡γ=2r\frac{a}{\sin \alpha} = \frac{b}{\sin \beta} = \frac{c}{\sin \gamma} = 2r

Beweisidee: Die Höhe hch_c (Fußpunkt FF) zerlegt das Dreieck in zwei rechtwinklige Dreiecke. Im Dreieck AFCAFC gilt sin⁡α=hcb\sin \alpha = \frac{h_c}{b}, also hc=b⋅sin⁡αh_c = b \cdot \sin \alpha; im Dreieck BFCBFC gilt hc=a⋅sin⁡βh_c = a \cdot \sin \beta. Gleichsetzen und durch sin⁡α⋅sin⁡β\sin \alpha \cdot \sin \beta teilen ergibt asin⁡α=bsin⁡β\frac{a}{\sin \alpha} = \frac{b}{\sin \beta}. Ist ein Winkel stumpf, liegt FF außerhalb, und man braucht sin⁡(180°−α)=sin⁡α\sin(180° - \alpha) = \sin \alpha.

Kosinussatz: Für die Seite cc gegenüber von γ\gamma gilt

c2=a2+b2−2ab⋅cos⁡γc^2 = a^2 + b^2 - 2ab \cdot \cos \gamma

Das ist der „Pythagoras mit Korrektur“. Im Bild sitzen Quadrate an den Seiten. Die Höhen teilen sie in Rechtecke; die beiden Rechtecke an der Ecke CC haben jeweils den Inhalt ab⋅cos⁡γab \cdot \cos \gamma. Nimmt man sie weg, bleibt genau so viel übrig, wie das Quadrat über cc groß ist.

Für γ<90°\gamma < 90° ist cos⁡γ>0\cos \gamma > 0: Es wird abgezogen, c2<a2+b2c^2 < a^2 + b^2. Für γ=90°\gamma = 90° ist cos⁡γ=0\cos \gamma = 0 – der Satz des Pythagoras. Für γ>90°\gamma > 90° ist cos⁡γ<0\cos \gamma < 0: Die Rechtecke liegen außen und kommen dazu, c2>a2+b2c^2 > a^2 + b^2.

Umgestellt erhält man einen Winkel aus drei Seiten: cos⁡γ=a2+b2−c22ab\cos \gamma = \frac{a^2 + b^2 - c^2}{2ab}. Flächeninhalt: Aus A=12⋅c⋅hcA = \frac12 \cdot c \cdot h_c und hc=b⋅sin⁡αh_c = b \cdot \sin \alpha folgt A=12⋅b⋅c⋅sin⁡αA = \frac12 \cdot b \cdot c \cdot \sin \alpha, ebenso A=12⋅a⋅b⋅sin⁡γA = \frac12 \cdot a \cdot b \cdot \sin \gamma.

Welcher Satz passt? Drei Seiten (SSS) oder zwei Seiten mit dem Winkel dazwischen (SWS): Kosinussatz. Eine Seite und zwei Winkel (WSW, zuerst die Winkelsumme) oder zwei Seiten und der Gegenwinkel einer davon (SSW): Sinussatz. Der Fall SSW: Gegeben sind aa, cc und der Winkel α\alpha gegenüber von aa. Der Sinussatz liefert sin⁡γ=c⋅sin⁡αa\sin \gamma = \frac{c \cdot \sin \alpha}{a}. Dann gibt es drei Möglichkeiten:

  • sin⁡γ>1\sin \gamma > 1: kein Dreieck. Der Kreis um BB mit Radius aa erreicht den freien Schenkel nicht.
  • sin⁡γ=1\sin \gamma = 1 oder a≥ca \geq c: genau ein Dreieck. Bei sin⁡γ=1\sin \gamma = 1 ist γ=90°\gamma = 90°, der Kreis berührt den Schenkel nur.
  • sin⁡γ<1\sin \gamma < 1 und a<ca < c: zwei Dreiecke. Zum Beispiel liefert sin⁡γ=0,75\sin \gamma = 0{,}75 die Winkel γ1≈48,59°\gamma_1 \approx 48{,}59° und γ2=180°−γ1≈131,41°\gamma_2 = 180° - \gamma_1 \approx 131{,}41°.

Ist α\alpha stumpf, gibt es nur dann ein Dreieck, wenn aa die längste Seite ist (a>ca > c).

Ausprobieren

  1. Sinussatz: Ziehe die Ecken. Die drei Balken bleiben immer gleich lang wie der Durchmesser 2r2r. Der dunkle Teil ist die Seite – welcher Anteil ist das?
  2. Drücke „Beweis abspielen“: Die Höhe fällt, die Teildreiecke leuchten nacheinander auf, die Rechnung entsteht Zeile für Zeile. Bei stumpfem Winkel in B: Wo liegt jetzt FF? Warum gilt der Satz trotzdem?
  3. Kosinussatz: Drücke „γ durch 90° fahren“ und beobachte die orangen Rechtecke an der Ecke CC. Was passiert bei 90°90°, was danach? Vergleiche γ = 90° und γ stumpf.
  4. Welcher Satz passt?: Tippe oben im Bild auf SSS, SWS, WSW und SSW. Lass dir die Lösung Schritt für Schritt zeigen.
  5. SSW mit zwei Lösungen: Verkleinere aa auf 3 cm3\,\text{cm} und dann auf 2 cm2\,\text{cm}. Wie viele Dreiecke gibt es jeweils?
  6. Anwendungen: Ein Fall WSW, ein Fall SWS – Baum am anderen Ufer und Quer über den See. Drücke „Messung abspielen“ und ziehe die Punkte im Lageplan.

Aufgaben

Aufgabe 1: Zwei Seiten und der Winkel dazwischen

Gegeben sind a=7 cma = 7\,\text{cm}, b=5 cmb = 5\,\text{cm} und γ=60°\gamma = 60°. Berechne cc und den Flächeninhalt. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

c2=49+25−2⋅7⋅5⋅cos⁡60°=74−35=39c^2 = 49 + 25 - 2 \cdot 7 \cdot 5 \cdot \cos 60° = 74 - 35 = 39, also c=39 cm≈6,24 cmc = \sqrt{39}\,\text{cm} \approx 6{,}24\,\text{cm}. A=12⋅7⋅5⋅sin⁡60°≈15,16 cm2A = \frac12 \cdot 7 \cdot 5 \cdot \sin 60° \approx 15{,}16\,\text{cm}^2. Lösung zeigen

Aufgabe 2: Winkel aus drei Seiten

Ein Dreieck hat die Seiten 4 cm4\,\text{cm}, 5 cm5\,\text{cm} und 6 cm6\,\text{cm}. Berechne alle Winkel. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Gegenüber der längsten Seite: cos⁡γ=16+25−362⋅4⋅5=540=0,125\cos \gamma = \frac{16 + 25 - 36}{2 \cdot 4 \cdot 5} = \frac{5}{40} = 0{,}125, also γ≈82,82°\gamma \approx 82{,}82°. cos⁡α=25+36−162⋅5⋅6=0,75\cos \alpha = \frac{25 + 36 - 16}{2 \cdot 5 \cdot 6} = 0{,}75, also α≈41,41°\alpha \approx 41{,}41°. β=180°−α−γ≈55,77°\beta = 180° - \alpha - \gamma \approx 55{,}77°. Lösung zeigen

Aufgabe 3: Zwei Dreiecke?

Gegeben sind a=4 cma = 4\,\text{cm}, c=6 cmc = 6\,\text{cm} und α=30°\alpha = 30°. Berechne γ\gamma und bb. Wie viele Dreiecke gibt es? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Sinussatz: sin⁡γ=6⋅sin⁡30°4=0,75\sin \gamma = \frac{6 \cdot \sin 30°}{4} = 0{,}75. Also γ1≈48,59°\gamma_1 \approx 48{,}59° oder γ2≈131,41°\gamma_2 \approx 131{,}41°. Wegen 30°+131,41°<180°30° + 131{,}41° < 180° sind beide möglich: β1≈101,41°\beta_1 \approx 101{,}41°, b1≈7,84 cmb_1 \approx 7{,}84\,\text{cm} und β2≈18,59°\beta_2 \approx 18{,}59°, b2≈2,55 cmb_2 \approx 2{,}55\,\text{cm}. Es gibt zwei Dreiecke (Flächeninhalt etwa 11,76 cm211{,}76\,\text{cm}^2 bzw. 3,83 cm23{,}83\,\text{cm}^2). Lösung zeigen

Aufgabe 4: Baum am anderen Ufer

Am Ufer wird eine Standlinie ∣AB∣=200 m|AB| = 200\,\text{m} abgesteckt. Von AA aus sieht man den Baum TT am anderen Ufer unter α=70°\alpha = 70° zur Standlinie, von BB aus unter β=60°\beta = 60°. Wie weit ist der Baum von AA und von BB entfernt, und wie weit von der Standlinie? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Winkel am Baum: 180°−70°−60°=50°180° - 70° - 60° = 50°. Sinussatz: ∣AT∣=200 m⋅sin⁡60°sin⁡50°≈226,1 m|AT| = \frac{200\,\text{m} \cdot \sin 60°}{\sin 50°} \approx 226{,}1\,\text{m} und ∣BT∣=200 m⋅sin⁡70°sin⁡50°≈245,3 m|BT| = \frac{200\,\text{m} \cdot \sin 70°}{\sin 50°} \approx 245{,}3\,\text{m}. Abstand zur Standlinie: d=∣AT∣⋅sin⁡70°≈212,5 md = |AT| \cdot \sin 70° \approx 212{,}5\,\text{m}. Lösung zeigen

Aufgabe 5: Quer über den See

Von einem Punkt CC aus sind die Orte AA und BB auf beiden Seiten eines Sees 400 m400\,\text{m} bzw. 300 m300\,\text{m} entfernt. Der Winkel ∠ACB\angle ACB beträgt 50°50°. Wie weit sind AA und BB voneinander entfernt? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Kosinussatz: c2=3002+4002−2⋅300⋅400⋅cos⁡50°≈250 000−154 269=95 731c^2 = 300^2 + 400^2 - 2 \cdot 300 \cdot 400 \cdot \cos 50° \approx 250\,000 - 154\,269 = 95\,731, also c≈309,4 mc \approx 309{,}4\,\text{m}. Lösung zeigen

Aufgabe 6: Begründen (Knobelaufgabe)

a) In einem Dreieck ist c2>a2+b2c^2 > a^2 + b^2. Was folgt für γ\gamma? b) Warum gibt es im Fall SSW nur ein Dreieck, wenn die Seite gegenüber dem gegebenen Winkel die längere ist (a≥ca \geq c)?

Lösung anzeigen

a) Aus c2=a2+b2−2ab⋅cos⁡γ>a2+b2c^2 = a^2 + b^2 - 2ab \cdot \cos \gamma > a^2 + b^2 folgt cos⁡γ<0\cos \gamma < 0, also ist γ\gamma stumpf. Beispiel zeigen

b) Der längeren Seite liegt der größere Winkel gegenüber. Aus a≥ca \geq c folgt γ≤α\gamma \leq \alpha, und weil α+γ<180°\alpha + \gamma < 180° ist, muss γ\gamma spitz sein. Die zweite Lösung 180°−γ180° - \gamma wäre mindestens so groß wie 180°−α180° - \alpha – dann bliebe für β\beta kein Platz. Beispiel zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Etwa Klasse 10, Sinus- und Kosinussatz und Sinus/Kosinus am Einheitskreis. Vorwissen: sin⁡(180°−α)=sin⁡α\sin(180° - \alpha) = \sin \alpha und cos⁡(180°−α)=−cos⁡α\cos(180° - \alpha) = -\cos \alpha.
  • Entdecken vor Beweisen: Zuerst nur die Balken beobachten lassen („Was bleibt beim Ziehen gleich?“), dann „Beweis abspielen“ gemeinsam kommentieren. Ebenso die γ-Fahrt beim Kosinussatz: Wann wird abgezogen, wann dazugezählt?
  • Entscheidungstraining: Kärtchen mit gegebenen Stücken (SSS, SWS, WSW, SSW) sortieren lassen; danach im Löser mit „Ergebnisse zeigen“ aus (show=0) selbst rechnen. Die Fälle entsprechen den Kongruenzsätzen der 7. Klasse; beim Fall SSW zeigt die Kreiskonstruktion, warum es zwei Schnittpunkte geben kann.
  • Häufige Stolpersteine:
    • Im Sinussatz werden Seite und Winkel kombiniert, die sich nicht gegenüberliegen.
    • Beim Kosinussatz wird a2+b2−2aba^2 + b^2 - 2ab zuerst ausgerechnet und dann mit cos⁡γ\cos \gamma multipliziert.
    • Im Fall SSW wird nur sin⁡−1\sin^{-1} genommen und die zweite Lösung 180°−γ180° - \gamma übersehen.
    • Für einen stumpfen Winkel wird der Sinussatz benutzt – der Taschenrechner liefert dann den spitzen Winkel. Sicherer: den größten Winkel mit dem Kosinussatz bestimmen.
    • Der Taschenrechner steht im Bogenmaß.