07 Kegelschnitte |
Website zum Buch: Hier sind die Dateien, die die Bilder des Buches erzeugt haben, die Aufgabenlösungen, Beweis-Ergänzungen und weitere Kurven, für die im Buch kein Platz mehr war. Wenn Sie hier etwas nicht verstehen, lesen Sie im Buch. Falls Sie Fehler finden ober noch Fragen übrig sind, wenden Sie sich an mich. |
7.1 Einstieg![]() |
7.2 Konstruktionen![]() | 7.3 Dandelin![]() |
7.4 Namensgeheimnis![]() | 7.5 Reflexion | 7.6 Anwendungen![]() | 7.7 Extras![]() |
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Kap: Seite 7.1: S. 182 |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | Abb. 7.1 Ein Kegel wird von einer Ebene geschnitten. Die drei wichtigsten Schnittkurven
sind a) Ellipse, b) Parabel c) Hyperbel. Sonderfälle sind: Geradenkreuz, Doppelgerade als Mantellinie, einzelner Punkt. | |||||||||
Kap: Seite 7.1.1: S. 182 |
![]() | Abb. 7.2 Ellipse aus 5 Punkten, sie wird passend gedreht und verschoben, so dass ihre Gleichung
als Mittelpunktsgleichung einer Ellipse erkennbar wird.
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Kap: Seite 7.1.1: S. 184 |
![]() | Abb. 7.3 Hyperbel aus 5 Punkten, sie wird passend gedreht und verschoben, so dass ihre
Gleichung als Mittelpunktsgleichung einer Hyperbel erkennbar wird.
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Kap: Seite 7.2.1: S. 186 |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | Abb. 7.4 Faden-Konstruktionen a) Ellipse: r + r' = 2a, b) Parabel: Strecke FP = Strecke LP, c) Hyperbel: |r -r'| = 2a | |||||||||
Vokabeln: Hauptscheitel A1, A2, Hauptachse, grose Halbachse, Halbmesser a, Nebenscheitel
B1, B2, Nebenachse, kleine Halbachse, Halbmesser b, Brennpunkte F1, F2, F, Brennpunkteabstand
2e, Asymptoten der Hyperbel: graue Geraden, Steigung +/- b/a , Parabel: Leitgerade g und Strecke GF = p, Parabel-Parameter p. Die Zusammenhange werden im Text gezeigt. | |||||||||||
Kap: Seite 7.2.2: S. 189 |
![]() | Abb. 7.5 Leitgeraden-Konstruktion, konfokale Kegelschnitte a) Für den einzigen gemeinsamen Brennpunkt F wird der Ursprung gewählt. Die gemeinsame Leitgerade habe die Gleichung x = -g. Der Punkt Q auf der x-Achse bestimmt den Abstand s, den P von der Leitgeraden haben soll. | |||||||||
Ein Kreis um F mit dem Radius epsilon mal s legt dann P fest.
b) Es ist g = 2 und die Kurven unterscheiden sich nur durch den Parameter epsilon. In 0.1-Schritten für epsilon entstehen Ellipsen, deren rechter Scheitel nach außen wandert. Ihr linker Scheitel rückt an(-g/2, 0) heran. Dieser Punkt ist der Parabelscheitel, die Parabel ist für epsilon = 1 die "Grenzkurve" der Ellipsen. Sowie aber epsilon > 1 wird, erhalten wir Hyperbeln. Ihre Scheitel bewegen sich (in 0.25-Schritten für epsilon) vom Parabelscheitel aus und von links auf die Leitgerade zu. | ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | ||||||||||
Kap: Seite 7.2.2: S. 190 |
![]() | Abb. 7.6 Kegelschnitte mit gemeinsamem Scheitel gemäß Formel 7.7 mit p = 1 und 0 < epsilon < 2 in 0.05-Schritten fuü epsilon.
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Es beginnt mit dem Kreis durch O mit dem Radius 1, es folgen Ellipsen, deren zweiter Brennpunkt (prinzipiell) ins Unendliche läuft, ohne zweiten Brennpunkt ist in Rot die Parabel y^2 = 2px hervorgehoben. Es folgen Hyperbeln, deren zweiter Ast "aus dem Unendlichen" von links mit Scheitel und Brennpunkt der y-Achse zustrebt. | |||||||||||
Kap: Seite 7.2.2.1: S. 191 |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | Abb. 7.7 Numerische Exzentrizität epsilon, halber öffnungswinkel des Kegels alpha und Schnittwinkel beta der Ebene mit der Kegelachse, eingetragen sind in diesen Querschnitt auch die Dandelin'schen Kugeln aus Abschnitt 7.3. Für den Kreis ist epsilon = 0, denn beta = 90°, a) für andere Ellipsen ist 0 < epsilon < 1 , b) für die Parabel ist epsilon = 1, c) für Hyperbeln ist epsilon > 1. Dandelin'sche Kungeln in 3D | |||||||||
Kap: Seite 7.2.3: S. 193 |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | Abb. 7.8 Kegelschnitte aus der Leitkreis-Konstruktion: Q ist zugfest auf einem Kreis um A
mit dem Radius 2a. Zu F = (2e, 0) und Q wird die Mittelsenkrechte gezeichnet. Sie schneidet die
Radiusgerade AQ in P. Die Ortslinie von P ist ein Kegelschnitt. Die hellblaue Mittelsenkrechte
wird Tangente. a) Ellipse, man sieht die Fadenkonstruktion: AP+PF = AP+PQ = AQ = 2a. b) Hyperbel entsprechend: FP -PA = QP -PA = AQ = 2a. | |||||||||
c)Konfokale Kegelschnitte: Brennpunkt A und der rote Leitkreis sind fest. F rückt in kleinen Schritten nach rechts. Die blauen Ellipsen werden flacher und „springen“, wenn F den Leitkreisrand überschreitet, in die grünen Hyperbeln über. |
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Kap: Seite 7.3: S. 194 |
![]() | Abb. 7.9 Grundlage für die
Dandelin’schen Kugeln
Merke: Legt man von einem Punkt
aus Tangenten an eine Kugel, sind
die Tangentenabschnitte gleich
lang. Merke: Eine Kugel, die in
einem Kegel steckt, berührt ihn
längs eines Kreises, dessen Ebene
senkrecht auf der Kegelachse
steht.
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Kap: Seite 7.3.1: S. 44 |
![]() | Abb. 7.10 Dandelin’sche Kugeln a) Für die Ellipse als Kegelschnitt, b) für die Parabel als Kegelschnitt, c) für die Ellipse als Zylinderschnitt. Gezeigt im Querschnittin Abb.7.7 Übersicht mit den drei Bildern ![]() | |||||||||
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Kap: Seite 7.4: S. 196 |
![]() | Abb. 7.11 Namensgeheimnis der Kegelschnitte Q ist zugfest auf der Achse, an derselben Abszisse x ist P auf dem Kegelschnitt mit der Ordinate y. Griechisch: elleipein = ermangeln, zu wenig sein paraballein= gleichkommen, gleich sein hyperballaein= übersteigen, mehr sein | |||||||||
Das Sperrungs-Rechteck (grün) hat die Breite x und als Höhe die Sperrung 2 · p (Def. 7.3). Es wird also vom Scheitel, von Q und der Ordinate von Fp, nämlich p festgelegt. Im Bild ist einheitlich p = 2 und x(Q) = 3. Das Sperrungs-Rechteck hat dann die Fläche 2 · 2 · 3 = 12, allgemein 2px. Es wird mit dem Ordinatenquadrat y^2 (blau) an der Stelle x verglichen: a) Für die Ellipse ist y^2 < 2px, b) für die Parabel ist y^2 = 2px, c) für die Hyperbel ist y^2 > 2px. ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | |||||||||||
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Kap: Seite 7.5.1: S. 198 |
![]() | Abb. 7.12 Tangenten, Normalen an den Kegelschnitten:A und F sind Brennpunkte des Kegelschnittes Diese Dateien sind in Abschnitt 7.5.3 nochmals aufgegriffen zund werden da für die Reflexion genutzt. | |||||||||
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Ellipse und Hyperbel haben als zweiten Brennpunkt A. Q ist zugfest auf dem Leitkreis bzw. der Leitgeraden. Die Mittelsenkrechte (hellblau) von Strecke FQ wird im Text als Tangente nachgewiesen. Die Normale als Senkrechte auf der Tangente ist durch Strichpunkte gekennzeichnet. Sie ist parallel zu der anderen gestrichelten Strecke. An diesen Parallelen kommt der Winkel PQF wegen der Mittelsenkrechten auch als Winkel QFP und als Stufenwinkel Winkel(r, Lot) vor. Als Wechselwinkel von QFP hat auch Winkel(Lot, r) diese Größe. Damit ist direkt die Reflexion eines Strahles von A an P nach F dargestellt. Bei der Parabel ist der zweite Brennpunkt A ins Unendliche gerückt, wir nehmen ersatzweise A˜ aus QP rechts (s. Abschnitt 7.2.3). Auch bei der Hyperbel hilft uns A˜aus QP auf der rechten Seite. Die Winkelbetrachtung gilt dann für alle Fälle. | |||||||||||
Kap: Seite 7.5.1.2: S. 200 |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | Abb. 7.13 Scheitelkreis-Konstruktion der
Ellipse mit Tangentenkonstruktion Die grünen
Kreise heißen Hauptscheitelkreis und Nebenscheitelkreis.
Die Ortskurve von P ist die Ellipse x^2/a^2+y^2/b^2=1. Die Tangente in P erhält man, indem man die Senkrechte auf dem Radius OE mit der x-Achse schneidet und mit dem so erhaltenen Punkt N die Gerade NP bildet. | |||||||||
Kap: Seite 7.5.1: S. 201 |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | Abb. 7.14 Tangenten und Sehnen bei der Parabel:
a) Scherung pur, b) Eine Parabel mit Sehne AB und deren Mitte M. Es ist T der Parabelpunkt mit derselben Abszisse wie M. Die Tangente in T ist parallel zur Sehne AB. Der Beweis erfolgt durch die Scherung von Bild b) zu Bild c): Das Parallelogramm LNBA ist geschert zum Rechteck L'N'B'A'. Bei diesem ist die Parallelität von Sehne und Tangente in T trivial. Wegen der Flächentreue ist auch die Fläche zwischen Parabel und Tangente in b) genauso gros wie in c), also 1/3 des Vierecks, wie man aus Analysis weis. d) Hier sind b) und c) gemeinsam dargestellt und man kann die Scherung mit den Augen besser nachvollziehen. | |||||||||
Kap: Seite 7.5.3: S. 202 |
![]() | Abb. 7.15 Reflexion an den Kegelschnitten: Die Strahlenbüschel sagen im Vergleich zu
Abb. 7.12 nichts Neues aus, sie zeigen nur die Reflexion eindrucksvoller. Daher nochmals: Beachten, dass Sie "Spur" hinzuschalten können. | |||||||||
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Kap: Seite 77.6.1: S. 204 |
![]() | Abb. 7.16 Parabeln im Kurpark Man setzt drei Punkte A, B, C auf einen Bogen und wählt
dann in GeoGebra Polynom[A,B,C]. In der hier sinnvollen Genauigkeit passen die Parabeln.
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Kap: Seite 7.6.1: S. 205 |
![]() | Abb. 7.17 Kanalbrücke
als Parabel Zu dem Bild in GeoGebra wird mit Schiebereglern k, a und b die Parabel y = k (x - a)^2 + b definiert, an die richtige Stelle geschoben und die Öffnung experimentell bestimmt. ![]() ![]() ![]() ![]() | |||||||||
Kap: Seite 7.6.1: S. 205 |
![]() | Abb. 7.18 Berlin: a) Die Reichstagskuppel ist ein halbes Ellipsoid und keine Halbkugel, das weiße Kreuz ist der Brennpunkt, er liegt weit ab von der Mitte. b) Die Öffnung des Berliner Hauptbahnhofs ist eine halbe Ellipse. | |||||||||
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Kap: Seite 7.6.1.1: S. 206 |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | Abb. 7.19 Kepler’sche Gesetze a) Nach dem 1. Gesetz ist die Bahn ist elliptisch und der Grund für das 2. Gesetz ist, dass der Drehimpuls (violett) vektor(i)= m vektor(r) × vektor(v) = konstant ist. Dabei steht senkrecht auf der Bahnebene. b) Visualisierung des 2. Gesetzes: Alle roten und weißen Segmente haben dieselbe Fläche und der Planet braucht auf seiner Bahn für jedes Segment dieselbe Zeit. Also ist in Sonnennähe (perihel) die Bahngeschwindigkeit des Planeten größer als in Sonnenferne (aphel). In der Datei für b) sind schwierigere Analysisprobleme vollständig mit GeoGebra geläst: Algebra,CAS und zwei Graphikfenster sind sinnvoll verwendet. Für diesen Zusammenhang gibt es inzwischen eine gute interaktive Version in GeoGebra, genauer Link ![]() in dem neuen Buch ![]() | |||||||||
![]() ![]() ![]() ![]() c) In einem Planetensystem hängen die elliptischen Bahnen und die Umlaufzeiten über das 3. Kepler’sche Gesetz zusammen. Das gilt auch für manche Kometen. Andere kommen mit so hoher Energie aus dem Weltall, dass sie nicht „eingefangen“ werden. Sie werden auf hyperbolischen Bahnen umgelenkt. Eine Parabelbahn ist möglich, aber sehr unwahrscheinlich. (Darstellung nicht maßstabsgerecht.) Ergänzt: Zu der Epizykeltheorie von Apollonius ![]() ![]() | |||||||||||
Kap: Seite 7.6.2: S. 208 |
![]() | Abb. 7.20 Parabolrinnen im Solarkraftwerk Anasol in Andalusien, das parallele Sonnenlicht
wird zu der Brenngeraden reflektiert, dort wird maximale Energie abgegriffen. (Quelle:
www.solarMillennium.de)
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Kap: Seite 7.6.2: S. 208 |
![]() | Abb. 7.21 Flüstern weit
entfernt hören:
a) Flüsterbogen in Görlitz, Untermarkt 12, b) Flüstergewölbe im Kloster c) Flüsterschalen im Technik-Museum Berlin | |||||||||
Kap: Seite 7.6.3: S. 210 |
![]() | Abb. 7.22 Projektionen im Verkehr Wenn Fahrradwege einmünden (schwarz) oder queren (rot) ist manches Mal ein Bild eines Fahrrades als Bodenmarkierung angebracht. Das rote Bild ist senkrecht von oben fotografiert, Boden und Bildebene sind parallel. Da hat das Fahrrad stark elliptische Räder. Aber im schwarzen Bild ist gezeigt, dass diese aus Sicht des Verkehrsteilnehmers ganz „normal“ kreisrund erscheinen. Das gelbe untere Bild ist auf einem Umleitungsschild für einen Fahrradweg. Setzt man die Kamera auf das Schild, so sind wieder Urbild- und Bildebene senkrecht aufeinander: aus dem Kreis wird eine Ellipse. | |||||||||
Kap: Seite 7.6.3: S. 210 |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | Abb. 7.23 Projektion von Ellipse und Parabel a) Ein Kreis wird i. d. R. auf eine Ellipse projiziert, b) Konstruktiver Zusammenhang von Punkt Q und Bildpunkt P oder umgekehrt im Raum, c) derselbe Zusammenhang, nun konstruierbar in einer 2D-Darstellung, nach [Lietzmann 1933] und [Lambert 2016](im Mathematik-Lehren). Gezeigt ist der Zusammenhang zwischen einer Parabel in der x-y-Ebene und einer Ellipse, welche die Horizontgerade BA berührt. Erläuterungen erfolgen im Text. Lambert schlägt eine unterrichtliche Umsetzung mit gefalteter Pappe vor. | |||||||||
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Kap: Seite 7.7.1: S. 212 |
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Abb. 7.24 Scheitel-Krümmungskreise der
Ellipse: Diese Beziehungen werden
wirklich konstruiert: Das violette Lot durch C hat
als Senkrechte auf AB die Steigung m = a/b = b/R und m = a/b= r/a.
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Kap: Seite 7.7.1: S. 212 ![]() 7.1 |
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Kap: Seite 7.7.2: S. 213 ![]() |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | Abb. 7.25 Die Rastervorlagen für Kegelschnitte zum Selberzeichnen,
a) Zwei Scharen konzentrischer Kreise. Zeichnen Sie, wie in der Mitte oben vorgemacht, Diagonalenfolgen durch die kleinen Quasi-Rauten. Zeichnen Sie viele Kurven. b) Eine Schar konzentrischer Kreise um einen Punkt. Dazu ist eine Parallelenschar gezeichnet. Probieren Sie die Zeichenvorschäge in der Mitte unten aus. | |||||||||
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Kap: Seite 7.7.2: S. 215 ![]() |
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Kap: Seite 7.7.2: S. 215 ![]() |
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Kap: Seite 7.7.2: S. 215 ![]() |
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Abb. 7.26 Das Prinzip der Bézier-Kurven, a)-c) in einer Vorstufe, d) in der „echten“ Form. ![]() ![]() ![]() ![]() | |||||||||
Für c): Erzeugen Sie mit "Kegelschnitt durch 5 Punkte" die Kurve und überzeugen Sie sich mit Scheitel[] und Brennpunkt[] und dann Parabel aus Scheitel und Brennpunkt, dass es eine Parabel ist.
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Kap: Seite 7.7.2: S. 216 ![]() |
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Kap: Seite 7.7.2: S. 215 ![]() |
![]() ![]() Im Lösungstext Abb. 7.11 Orthoptische Kurven zu Ellipsen und Hyperbeln a) Die Normale definiert eine Sehenschar, deren kongugierter Durchmesser den Punkt B liefert. Die orthoptische Kurve der Ellipse besteht aus zwei Kreisbögen, b) ebenso erhält man mit der Geraden durch die Sehenmittelpunkte und den Ursprung nun zwei Punkte B1 und B2 auf den beiden Ästen. Die Schnittpunkte der Tangenten zu A und B1 beziehen sich auf den Ast von A, die von A und B2 auf verschiedene Äste. Die orthoptische Kurve der Hyperbel besteht aus je zwei Kreisbögen, die sich zu einem Kreis ergänzen. | Aufgabe 7.7 Orthoptische Kurven zu Kegelschnitten
Im Lösungstext Abb.7.10 Orthoptische Kurve zur Parabel a) Konstruktion mit der Normalen, b) Zusammenhang mit den konjugierten Durchmessern, c) Begründung mit den geometrischen Parabeleigenschaften und dem Brennpunkt F ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | |||||||||
Kap: Seite 7.7.2: 217 ![]() |
![]() | Abb. 7.27 Orte erkunden, stets wandert Punkt Q zugfest auf seinem grünen Weg, auf die
gezeigte Weise entsteht Punkt P, dessen Ortslinie gesucht ist.
![]() ![]() Weitere Beispiele in der Lösung. | |||||||||
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Kap: Seite 7.7.2: 218 |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | Abb. 7.28 Ortsaufgaben a) Das einbeschriebene Quadrat findet man mit einer Ortslinie. b) Das breite Kreuz wird von einem Kreis mit variablem Radius geschnitten. Gesucht ist der geometrische Ort der vier symmetrisch gelegenen Punkte P, P', P'', P'''. c) Die drei ??? erscheinen unvermutet als Ortskurven von P bezüglich Q, wenn man drei wesentliche Stellungen von B betrachtet. | |||||||||
Kap: Seite 7.7.2: S. 218 ![]() |
![]() | ![]() Zusatz: 5-Eck erkunden, 7-Eck "konstruieren" ![]() Darin Beweis für alle n-Ecke. | |||||||||
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Kap: Seite 7.7.2: S. 217 ![]() |
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Kap: Seite 7.7.2: S. 218 ![]() |
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www.kurven-erkunden-und-verstehen.de |
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