Lektion 6.4

Winkelsätze und Innenwinkelsumme

16 min Lesezeit

Zwei gerade Straßen kreuzen sich. An der Kreuzung entstehen vier Ecken, also vier Winkel. Du misst einen davon und bekommst 50∘50^\circ. Musst du die anderen drei auch messen? Oder kannst du sie ausrechnen?

Noch eine Frage: Zeichne ein beliebiges Dreieck, miss seine drei Winkel und addiere sie. Du bekommst ungefähr 180∘180^\circ. Bei einem zweiten Dreieck wieder. Ist das Zufall? Und reicht es, ein paar Dreiecke zu messen, um sicher zu sein?

In dieser Lektion rechnest du Winkel aus, ohne sie zu messen. Außerdem lernst du, wie man in der Mathematik sicher begründet, dass etwas immer gilt.

Definition

Nebenwinkel

Zwei Geraden schneiden sich in einem Punkt. Dort entstehen vier Winkel. Du nennst sie der Reihe nach, einmal um den Schnittpunkt herum, α\alpha, β\beta, γ\gamma und δ\delta.

Zwei Winkel, die nebeneinander liegen und einen Schenkel gemeinsam haben, heißen Nebenwinkel. Das sind α\alpha und β\beta, β\beta und γ\gamma, γ\gamma und δ\delta sowie δ\delta und α\alpha. Zusammen bilden zwei Nebenwinkel eine gerade Linie, also einen gestreckten Winkel. Deshalb gilt: Nebenwinkel ergeben zusammen 180∘180^\circ.

α+β=180∘\alpha + \beta = 180^\circ
Definition

Scheitelwinkel

Winkel, die sich am Schnittpunkt gegenüber liegen, heißen Scheitelwinkel. Das sind α\alpha und γ\gamma sowie β\beta und δ\delta. Scheitelwinkel sind gleich groß.

Begründung: α\alpha und β\beta sind Nebenwinkel, also ist α+β=180∘\alpha + \beta = 180^\circ. Auch β\beta und γ\gamma sind Nebenwinkel, also ist β+γ=180∘\beta + \gamma = 180^\circ. Beide Summen sind gleich. Nimmst du auf beiden Seiten β\beta weg, bleibt α=γ\alpha = \gamma.

α=γβ=δ\alpha = \gamma \qquad \beta = \delta
Beispiel

Winkel an einer Kreuzung berechnen

Zwei Geraden schneiden sich. Der Winkel α\alpha misst 50∘50^\circ. Berechne β\beta, γ\gamma und δ\delta.

WinkelGrößeBegründung
β\beta130∘130^\circNebenwinkel von α\alpha: 180∘−50∘180^\circ - 50^\circ
γ\gamma50∘50^\circScheitelwinkel von α\alpha
δ\delta130∘130^\circScheitelwinkel von β\beta

Probe: 50∘+130∘+50∘+130∘=360∘50^\circ + 130^\circ + 50^\circ + 130^\circ = 360^\circ. Alle vier Winkel um einen Punkt ergeben eine ganze Drehung.

Definition

Stufenwinkel und Wechselwinkel

Zwei parallele Geraden gg und hh werden von einer dritten Geraden qq geschnitten. Stell dir gg oben und hh darunter vor. qq verläuft schräg durch beide. An jedem Schnittpunkt entstehen vier Winkel. Du nennst sie nach ihrer Lage am Schnittpunkt: oben links, oben rechts, unten links, unten rechts.

Stufenwinkel liegen an beiden Schnittpunkten an derselben Stelle, zum Beispiel beide oben rechts. Sie bilden die Form eines F. Wechselwinkel liegen zwischen den Parallelen auf verschiedenen Seiten von qq, zum Beispiel unten links bei gg und oben rechts bei hh. Sie bilden die Form eines Z.

Sind gg und hh parallel, sind Stufenwinkel gleich groß und Wechselwinkel gleich groß. Das gilt nur bei Parallelen.

Begründung für Stufenwinkel: Schiebe gg an qq entlang nach unten, bis sie auf hh liegt. Der Winkel wandert mit und liegt genau auf seinem Stufenwinkel. Wechselwinkel sind gleich, weil sie Scheitelwinkel eines Stufenwinkels sind.

Beispiel

Winkel an Parallelen berechnen

Es gilt g∥hg \parallel h. Bei gg misst der Winkel oben rechts 70∘70^\circ. Berechne alle acht Winkel.

Zuerst die vier Winkel bei gg:

Bei gGrößeBegründung
oben rechts70∘70^\circgegeben
oben links110∘110^\circNebenwinkel: 180∘−70∘180^\circ - 70^\circ
unten rechts110∘110^\circNebenwinkel: 180∘−70∘180^\circ - 70^\circ
unten links70∘70^\circScheitelwinkel von oben rechts

Bei hh liegt jeder Winkel an derselben Stelle wie bei gg. Es sind Stufenwinkel, also sind sie gleich groß: oben rechts 70∘70^\circ, oben links 110∘110^\circ, unten rechts 110∘110^\circ und unten links 70∘70^\circ. Es gibt also nur zwei verschiedene Größen, 70∘70^\circ und 110∘110^\circ.

Definition

Innenwinkelsumme im Dreieck

Die Winkel im Inneren eines Dreiecks heißen Innenwinkel. Bei den Ecken AA, BB und CC heißen sie α\alpha, β\beta und γ\gamma. In jedem Dreieck ergeben die drei Innenwinkel zusammen 180∘180^\circ.

Begründung: Zeichne durch CC die Parallele pp zur gegenüberliegenden Seite AB‾\overline{AB}. Bei CC entstehen drei Winkel nebeneinander auf der Geraden pp: links ein Winkel, in der Mitte γ\gamma und rechts ein Winkel. Der linke Winkel ist ein Wechselwinkel zu α\alpha, also ebenfalls α\alpha. Der rechte ist ein Wechselwinkel zu β\beta, also gleich β\beta. Die drei Winkel bilden zusammen eine gerade Linie. Also gilt α+β+γ=180∘\alpha + \beta + \gamma = 180^\circ.

α+β+γ=180∘\alpha + \beta + \gamma = 180^\circ
Definition

Innenwinkelsumme im Viereck

Ein Viereck hat vier Ecken. Eine Diagonale ist eine Strecke zwischen zwei Ecken, die nicht nebeneinander liegen. Sie teilt das Viereck in zwei Dreiecke. Jedes Dreieck hat die Winkelsumme 180∘180^\circ. Alle Winkel der beiden Dreiecke zusammen sind genau die vier Innenwinkel des Vierecks. Deshalb gilt: In jedem Viereck ergeben die vier Innenwinkel zusammen 360∘360^\circ.

α+β+γ+δ=2⋅180∘=360∘\alpha + \beta + \gamma + \delta = 2 \cdot 180^\circ = 360^\circ
Definition

Begründen statt nur messen

Warum reicht Messen nicht? Zum einen misst du nie ganz genau. Mit dem Geodreieck kommt oft 179∘179^\circ oder 181∘181^\circ heraus, obwohl es 180∘180^\circ sein müssen. Zum anderen kannst du nur einzelne Dreiecke messen, aber es gibt unendlich viele.

Ein Beweis ist eine Begründung in kleinen Schritten, die nur Aussagen benutzt, von denen du schon sicher weißt, dass sie stimmen. Dann gilt das Ergebnis für jedes Dreieck. Messen und Ausprobieren geben dir eine Vermutung. Der Beweis macht sie sicher.

Ein Hinweis aus dem Basteln: Schneide ein Papierdreieck aus, reiße die drei Ecken ab und lege sie mit den Spitzen aneinander. Sie bilden eine gerade Linie. Das ist eine gute Idee, aber noch kein Beweis.

Beispiel

Winkel im Dreieck und im Viereck

a) Ein Dreieck hat α=48∘\alpha = 48^\circ und β=67∘\beta = 67^\circ. Wie groß ist γ\gamma?
b) Ein Viereck hat α=85∘\alpha = 85^\circ, β=110∘\beta = 110^\circ und γ=70∘\gamma = 70^\circ. Wie groß ist δ\delta?

γ=180∘−(48∘+67∘)=180∘−115∘=65∘δ=360∘−(85∘+110∘+70∘)=360∘−265∘=95∘\begin{aligned} \gamma &= 180^\circ - (48^\circ + 67^\circ) = 180^\circ - 115^\circ = 65^\circ \\ \delta &= 360^\circ - (85^\circ + 110^\circ + 70^\circ) = 360^\circ - 265^\circ = 95^\circ \end{aligned}

Bei a) addierst du die zwei bekannten Winkel: 48+67=11548 + 67 = 115. Dann ziehst du die Summe von 180180 ab und erhältst 6565. Bei b) addierst du die drei bekannten Winkel: 85+110+70=26585 + 110 + 70 = 265. Dann ziehst du von 360360 ab und erhältst 9595. Mache die Probe: Alle vier Winkel müssen wieder 360∘360^\circ ergeben.

Häufige Fehler

Stufenwinkel sind immer gleich

Jemand sagt: „Stufenwinkel sind immer gleich groß. Die beiden Geraden dürfen irgendwie liegen.“

Richtig ist

Stufenwinkel sind nur dann gleich groß, wenn die beiden Geraden parallel sind. Laufen die Geraden schräg aufeinander zu, sind die Stufenwinkel verschieden. Prüfe also immer zuerst, ob g∥hg \parallel h gilt.

Häufige Fehler

Nebenwinkel und Scheitelwinkel verwechseln

Jemand rechnet: „Der Nebenwinkel von 50∘50^\circ ist auch 50∘50^\circ.“

Richtig ist

Nebenwinkel liegen nebeneinander und ergeben 180∘180^\circ. Also ist der Nebenwinkel 180∘−50∘=130∘180^\circ - 50^\circ = 130^\circ. Gleich groß ist der Scheitelwinkel, der gegenüber liegt.

Häufige Fehler

Nachmessen als Beweis

Jemand sagt: „Ich habe fünf Dreiecke gemessen und immer 180∘180^\circ bekommen. Damit ist es bewiesen.“

Richtig ist

Fünf Messungen zeigen nur, dass es plausibel ist. Es gibt unendlich viele Dreiecke, und beim Messen gibt es kleine Fehler. Erst die Begründung mit der Parallelen und den Wechselwinkeln zeigt, dass es für jedes Dreieck gilt.

Zusammenfassung

  • Nebenwinkel liegen nebeneinander und ergeben zusammen 180∘180^\circ.

  • Scheitelwinkel liegen sich an einem Schnittpunkt gegenüber und sind gleich groß.

  • An parallelen Geraden sind Stufenwinkel (Form F) gleich groß und Wechselwinkel (Form Z) gleich groß. Das gilt nur bei Parallelen.

  • Die drei Innenwinkel eines Dreiecks ergeben zusammen 180∘180^\circ, die vier Innenwinkel eines Vierecks zusammen 360∘360^\circ.

  • Fehlt ein Winkel, ziehst du die bekannten Winkel von 180∘180^\circ oder 360∘360^\circ ab.

  • Messen gibt nur eine Vermutung. Ein Beweis begründet in Schritten und gilt für alle Fälle.

Übungen

Aufgabe 1Numerisch

Zwei Geraden schneiden sich. Ein Winkel misst 125∘125^\circ. Wie groß ist sein Nebenwinkel in Grad?

Aufgabe 2Multiple Choice

Wann sind Stufenwinkel gleich groß?

Aufgabe 3Numerisch

Ein Dreieck hat die Winkel α=72∘\alpha = 72^\circ und β=38∘\beta = 38^\circ. Wie groß ist γ\gamma in Grad?

Aufgabe 4Numerisch

Ein Viereck hat die Winkel 80∘80^\circ, 95∘95^\circ und 120∘120^\circ. Wie groß ist der vierte Winkel in Grad?

Aufgabe 5Numerisch

In einem Dreieck sind α=50∘\alpha = 50^\circ und β=60∘\beta = 60^\circ. Der Winkel γ\gamma hat einen Nebenwinkel (er liegt außerhalb des Dreiecks). Wie groß ist dieser Nebenwinkel in Grad?

Aufgabe 6Freitext

Mara misst bei drei Dreiecken die Winkelsumme: 179∘179^\circ, 181∘181^\circ und 180∘180^\circ. Sie sagt: „Die Summe ist also nicht immer gleich.“ Was würdest du ihr antworten?