Kugeldreieck
{{#if: behandelt das sphärische Dreieck auf der Kugeloberfläche. Der Artikel über das „Sphärisches Dreieck“ genannte Kunstwerk in Bergheim ist unter Sphärisches Dreieck (Bergheim) zu finden.
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Ein Kugeldreieck oder sphärisches Dreieck ist in der sphärischen Geometrie (Kugelgeometrie) ein Teil einer Kugeloberfläche, der von drei Großkreisbögen<ref>Siehe Definition zum sphärischen Dreieck in {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> begrenzt wird. Als Ecken des Kugeldreiecks werden die Punkte bezeichnet, in denen je zwei dieser Großkreise einander schneiden.
Ähnlich wie bei Dreiecken in der ebenen Geometrie spricht man von den Seiten und Winkeln eines Dreiecks. Allerdings versteht man unter der Länge einer Seite nicht die Länge des Kreisbogens, sondern den zugehörigen Mittelpunktswinkel (Zentriwinkel). Im Bogenmaß ist der Wert dieses Winkels genau die Länge des Kreisbogens geteilt durch den Radius der Kugel:
- <math>\text{Winkel} = \frac{\text{Kreisbogen}}{\text{Radius}}</math>
Zur Definition von Längen auf einer Kugel wählt man also die Skala zunächst so, dass die Kugel eine Einheitskugel ist, und nimmt dann in dieser Skala erst die Länge des Kreisbogens. Eine Seite, die beispielsweise einem Viertel des Kugel- und Großkreisumfangs entspricht, hat die Länge <math>\tfrac{\pi}{2}</math> (also 90°). Die Innenwinkel (an den drei Ecken) sind definiert durch die Tangenten der Seiten – also die Schnittwinkel zwischen den Ebenen, in denen die begrenzenden Großkreisbögen liegen.
Eulersche Kugeldreiecke
Meist schränkt man den Begriff des Kugeldreiecks ein auf eulersche Kugeldreiecke<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Kugeldreieck, Seiten und Winkel|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Kugeldreieck, Seiten und Winkel}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.walter-fendt.de/html5/mde/sphericaltriangle_de.htm%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Kugeldreieck, Seiten und Winkel}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.walter-fendt.de/html5/mde/sphericaltriangle_de.htm}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Kugeldreieck, Seiten und Winkel}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2026-02-01 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Eigenschaften
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Flächeninhalt
Der Flächeninhalt <math>A_D</math> eines Kugeldreiecks lässt sich aus den Winkeln <math>\alpha, \beta</math> und <math>\gamma</math> des Dreiecks (im Bogenmaß) und dem Kugelradius <math>r</math> berechnen:
- <math>A_D = (\alpha + \beta + \gamma - \pi) \cdot r^2.</math>
Dieser Zusammenhang leitet sich folgendermaßen her:
Die drei durch die Eckpunkte eines Dreiecks ABC bestimmten Großkreise unterteilen die Kugeloberfläche in acht Dreiecke bzw. vier Gegendreieckspaare. Das in der Abbildung grün eingefärbte Dreieck bildet mit dem gelb eingefärbten Dreieck ABC ein Zweieck mit dem Öffnungswinkel <math>\beta</math>. Die blau und rot eingefärbten Dreiecke bilden mit dem Gegendreieck A’B’C’ Zweiecke mit den Öffnungswinkeln <math>\alpha</math> bzw. <math>\gamma</math>.
Für die Flächeninhalte der Zweiecke gilt:
- <math>(I) \quad A_\alpha = 2\alpha \cdot r^2</math>
(Analog für die Zweiecke mit den Öffnungswinkeln <math>\beta</math> und <math>\gamma</math>.)
Für die Flächeninhalte <math>A_b</math> des blauen, <math>A_g</math> des grünen und <math>A_r</math> des roten Dreiecks gilt:
- <math>A_b = A_\alpha - A_D</math>
- <math>A_g = A_\beta - A_D</math>
- <math>A_r = A_\gamma - A_D</math>
Zusammen mit dem gelben Gegendreieck A’B’C’ füllen das blaue, das grüne und das rote Dreieck die Hälfte der Kugeloberfläche aus:
- <math>\frac{A_K}{2} = A_b + A_g + A_r + A_D</math>
Setzt man <math>(I)</math> ein, ergibt sich:
- <math>\frac{A_K}{2} = (A_\alpha - A_D) + (A_\beta - A_D) + (A_\gamma - A_D) + A_D</math>
- <math>= A_\alpha + A_\beta + A_\gamma - 2A_D</math>
Mit den Gleichungen zur Berechnung der Kugeloberfläche und der Kugelzweiecke erhält man:
- <math>\frac {4 \pi r^2}{2}= 2 \alpha r^2 + 2 \beta r^2 + 2 \gamma r^2 - 2 A_D</math>
Für <math>A_D</math> ergibt sich also:
- <math>A_D = \alpha r^2 + \beta r^2 + \gamma r^2 - \pi r^2</math>
- <math>= (\alpha + \beta + \gamma - \pi)\cdot r^2</math>
{{#invoke:Vorlage:Anker|f |errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Anker |errHide=1}} Innenwinkelsumme und sphärischer Exzess
Auf der Einheitskugel mit dem Radius 1 gilt nach obiger Betrachtung für den Flächeninhalt:
- <math>A_D=\alpha + \beta + \gamma - \pi</math>
Die Summe <math>\alpha + \beta + \gamma - \pi</math> wird als sphärischer Exzess<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Harald Tranacher|Harald Tranacher: }}{{#if:|{{#if:Diplomarbeit: Sphärische Kegelschnitte - didaktisch aufbereitet|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Diplomarbeit: Sphärische Kegelschnitte - didaktisch aufbereitet}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.geometrie.tuwien.ac.at/theses/pdf/diplomarbeit_tranacher.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Diplomarbeit: Sphärische Kegelschnitte - didaktisch aufbereitet}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.geometrie.tuwien.ac.at/theses/pdf/diplomarbeit_tranacher.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Diplomarbeit: Sphärische Kegelschnitte - didaktisch aufbereitet}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:10{{#if: 2026-02-01 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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- <math>\pi < \alpha + \beta + \gamma < 5\pi</math>
im eulerschen Kugeldreieck:
- <math>\pi < \alpha + \beta + \gamma < 3\pi</math>
Bei einem kleinen Kugeldreieck („klein“ im Vergleich zur gesamten Kugeloberfläche) übersteigt die Innenwinkelsumme <math>\pi</math> nur wenig, da sich das Dreieck dem ebenen Fall des Innen-Winkelsummensatzes annähert (Verebnung). Der Satz von Legendre besagt, wie sphärische Dreiecke geringer Größe durch Reduktion der Winkel verebnet werden können.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Sphärische Trigonometrie, Verebnung eines Dreiecks|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Sphärische Trigonometrie, Verebnung eines Dreiecks}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://mathematikalpha.de/wp-content/uploads/2025/04/11-Sphaerisches_Dreieck.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Sphärische Trigonometrie, Verebnung eines Dreiecks}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://mathematikalpha.de/wp-content/uploads/2025/04/11-Sphaerisches_Dreieck.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Sphärische Trigonometrie, Verebnung eines Dreiecks}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:9{{#if: 2026-02-01 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Seitensumme (auf der Einheitskugel)
Im allgemeinen sphärischen Dreieck gilt für die Seitensumme:
- <math>0 < a + b + c < 2 \pi</math>
Im eulerschen Kugeldreieck gilt für die Seitensumme:
- <math>0 < a + b + c < 2 \pi</math>
Kongruenzsätze
Auf der Kugel muss man zwischen den Kongruenzsätzen zu eulerschen und nichteulerschen Dreiecken unterscheiden. Für beide gilt, dass ähnliche Dreiecke bereits kongruent sind (ihr Flächeninhalt ist aufgrund der Proportionalität zum sphärischen Exzess bereits gleich). Der im euklidischen Dreieck gültige Kongruenzsatz sww (Seite-Winkel-Winkel) hat auf der Kugel hingegen keine Gültigkeit (vgl. Abbildung). Die Kongruenzverhältnisse in eulerschen Dreiecken sind der folgenden Tabelle zu entnehmen.
| gegebene Dreiecksstücke | dual dazu | Kongruenzklasse eindeutig bestimmt? |
|---|---|---|
| sss | www | ja |
| ssw | sww | nein |
| sws | wsw | ja |
(zur Dualisierung vgl. entsprechenden Abschnitt im Artikel Sphärische Geometrie)
In nichteulerschen Dreiecken bestimmen sss und sws noch keine eindeutige Kongruenzklasse (vgl. Abbildungen).
Sinussatz
{{#invoke:Vorlage:Siehe auch|f}} Für Kugeldreiecke gelten die Gleichungen
- <math>\frac{\sin a}{\sin \alpha} = \frac{\sin b}{\sin \beta} = \frac{\sin c}{\sin \gamma}</math>
Dabei sind <math>a</math>, <math>b</math> und <math>c</math> die Seiten (Kreisbögen) des Kugeldreiecks und <math>\alpha</math>, <math>\beta</math> und <math>\gamma</math> die gegenüber liegenden Winkel auf der Kugeloberfläche.
Kosinussatz
{{#invoke:Vorlage:Siehe auch|f}} Beim sphärischen Kosinussatz für Kugeldreiecke ist die Länge der Dreiecksseiten im Winkelmaß anzugeben, weshalb statt einer Winkelfunktion deren sechs auftreten. Das Analogon zum ebenen Satz
- <math>c^2 = a^2 + b^2 - 2 \cdot a \cdot b \cdot \cos\gamma</math>
lautet daher
- <math>\cos c\ = + \cos a \cdot \cos b + \sin a \,\cdot \sin b \cdot \cos\gamma,</math>
wobei die Umkehr des Vorzeichens zu beachten ist. Diesem Seiten-Kosinussatz (hier für c, analog für die Seiten a bzw. b) steht der Winkel-Kosinussatz gegenüber:
- <math>\cos\gamma = -\cos\alpha \cdot \cos\beta + \sin\alpha \cdot \sin\beta \cdot \cos c,</math>
worin das erste Vorzeichen negativ ist.
Tangenssatz
{{#invoke:Vorlage:Siehe auch|f}} Für Kugeldreiecke gelten die Gleichungen<ref>Wolfram: Spherical Law of Tangents</ref><ref>Rob Johnson, West Hills Institute of Mathematics: Spherical Trigonometry</ref>
- <math>\frac{\tan{\frac{a + b}{2}}}{\tan{\frac{a - b}{2}}} = \frac{\tan{\frac{\alpha + \beta}{2}}}{\tan{\frac{\alpha - \beta}{2}}}</math>
- <math> \frac{\tan{\frac{b + c}{2}}}{\tan{\frac{b - c}{2}}} = \frac{\tan{\frac{\beta + \gamma}{2}}}{\tan{\frac{\beta - \gamma}{2}}}</math>
- <math> \frac{\tan{\frac{c + a}{2}}}{\tan{\frac{c - a}{2}}} = \frac{\tan{\frac{\gamma + \alpha}{2}}}{\tan{\frac{\gamma - \alpha}{2}}}</math>
Dabei sind <math>a</math>, <math>b</math> und <math>c</math> die Seiten (Kreisbögen) des Kugeldreiecks und <math>\alpha</math>, <math>\beta</math> und <math>\gamma</math> die gegenüberliegenden Winkel auf der Kugeloberfläche.
Siehe auch
Literatur
- Isaac Todhunter: Spherical Trigonometry: For the Use of Colleges and Schools. Macmillan & Co., 1863, Volltext (Google Books)
Weblinks
- {{#if: | {{{author}}} | Eric W. Weisstein }}: Spherical Triangle. In: MathWorld (englisch). {{#if: SphericalTriangle | {{#ifeq: {{#property:P2812}} | SphericalTriangle | | {{#if: {{#property:P2812}} | {{#ifeq: 0 | 0 | }} | {{#ifeq: 0 | 0 | }} }} }} }}
- Fläche eines sphärischen Dreiecks auf PlanetMath (englisch)
Einzelnachweise
<references />
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Mehrdeutigkeitshinweis
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:URL
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:Linktext
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:Datum
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:"
- Wikipedia:Weblink offline fix-attempted
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Toter Link
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Toter Link/URL fehlt
- Wikipedia:Wikidata P2812 verschieden
- Wikipedia:Wikidata P2812 fehlt
- Geometrische Figur
- Mathematische Geographie