Geometrie
Sinus, Kosinus und Tangens im rechtwinkligen Dreieck
Winkel und Seiten im rechtwinkligen Dreieck mit sin, cos und tan berechnen.
Benötigte Grundlagen
Diese Themen kommen in diesem Kapitel vor und wurden vorher schon erklärt. Wenn dir eines davon unsicher vorkommt, frisch es kurz auf, sonst leg direkt los.
Einführung
Wie hoch ist ein Turm, wenn du nur seine Entfernung und den Blickwinkel zur Spitze kennst? Mit dem allein kommst du hier nicht weiter, du brauchst die Trigonometrie. Sinus, Kosinus und Tangens verbinden und Seitenverhältnisse im rechtwinkligen .
Das kannst du nach diesem Kapitel
Gegenkathete, Ankathete und aus Sicht eines identifizieren.
Seiten mit Sinus, Kosinus und Tangens berechnen.
Winkel mit den Umkehrfunktionen bestimmen.
Vermessungsaufgaben (Höhen, , Neigungswinkel) lösen.
Warum Pythagoras hier nicht mehr reicht
Im rechtwinkligen kennst du bereits ein starkes Werkzeug: den . Er hat aber eine klare Grenze, er verbindet nur Seiten miteinander. Von weiß er nichts.
Schau dir die Turmaufgabe aus der Einführung an: Du stehst vom Turm entfernt und misst den Blickwinkel zur Spitze, etwa . Gegeben sind also eine Seite und ein Winkel, und Pythagoras braucht zwei Seiten. Er kann hier nichts ausrichten.
Was fehlt, ist eine Brücke zwischen Winkel und Seite
Genau diese Brücke baut die Trigonometrie (griechisch für „Dreiecksmessung"). Ihr Grundgedanke lässt sich in einem Satz sagen:
In einem rechtwinkligen Dreieck legt ein spitzer Winkel die Verhältnisse der Seiten fest.
Nicht die Längen (die können beliebig groß sein) sondern ihre Verhältnisse zueinander. Warum das so ist, sehen wir gleich. Zuerst brauchen wir Namen für die Seiten.
Die Seiten bekommen neue Namen, je nachdem, von wo du schaust
Aus Klasse 9 kennst du zwei Bezeichnungen: (gegenüber dem rechten , die längste Seite) und (die beiden Seiten am rechten Winkel).
Für die Trigonometrie reicht das nicht mehr. Denn jetzt betrachten wir das aus Sicht eines bestimmten spitzen Winkels , und aus dieser Sicht sind die beiden Katheten nicht gleichwertig:
- Die Gegenkathete von liegt dem Winkel gegenüber. Sie berührt ihn nicht.
- Die Ankathete von liegt am Winkel an. Sie ist einer seiner beiden Schenkel.
- Die Hypotenuse bleibt, was sie war, der andere Schenkel von , gegenüber dem rechten Winkel.
Und jetzt die Stelle, an der die meisten Fehler passieren: Diese Namen hängen davon ab, welchen Winkel du betrachtest. Schaust du im selben Dreieck auf den anderen spitzen Winkel , tauschen Gegen- und Ankathete ihre Rollen! Nur die Hypotenuse bleibt immer dieselbe.
Deshalb gilt als feste Reihenfolge: erst den Winkel festlegen, dann die Seiten benennen. Wer die Namen ans Dreieck klebt statt an den Winkel, setzt später zwangsläufig falsch ein.
Das Bild unten zeigt die drei Seiten aus Sicht von .
Aus Sicht des : die (rot, gegenüber dem rechten Winkel), die Gegenkathete (grün, gegenüber ) und die Ankathete (blau, an anliegend). Diese Farben tauchen gleich in allen drei Verhältnissen wieder auf.
Der Kerngedanke: das Verhältnis hängt nur vom Winkel ab
Jetzt kommt die Aussage, auf der die gesamte Trigonometrie steht. Sie klingt zunächst unglaublich:
Zeichne irgendein rechtwinkliges mit dem . Egal wie groß oder klein du es zeichnest, das Verhältnis ist immer dieselbe Zahl.
Warum ist das so?
Der Grund steckt in der aus Klasse 9. Nimm zwei rechtwinklige Dreiecke, die beide den Winkel enthalten. Dann stimmen bereits zwei Winkel überein: der rechte Winkel und . Und zwei gleiche Winkel genügen, die Dreiecke sind ähnlich.
Ähnlich heißt: Das größere Dreieck ist das -fache des kleineren. Jede Seite ist mit demselben Faktor gestreckt. Was passiert dann mit dem Verhältnis?
Der Faktor steht oben und unten, er sich vollständig weg. Das Verhältnis bleibt also gleich, egal wie groß das Dreieck ist.
Was das praktisch bedeutet
Wenn das Verhältnis nur vom Winkel abhängt, kann man es ein für alle Mal ausrechnen und in einer Tabelle speichern. Genau das ist im Taschenrechner hinterlegt: Er kennt zu jedem Winkel das zugehörige Verhältnis. Vor der Zeit der Taschenrechner schlug man diese Werte in gedruckten Tabellen nach.
Und deshalb kannst du einen Turm vermessen, ohne ihn zu besteigen: Du misst einen Winkel, der Taschenrechner liefert das Verhältnis, und aus dem Verhältnis und einer bekannten Seite folgt die gesuchte.
Die drei Seitenverhältnisse
Aus drei Seiten lassen sich verschiedene Paare bilden. Drei dieser Verhältnisse haben eigene Namen bekommen. Es sind genau die, die man in der Praxis braucht:
Gesprochen: Sinus, Kosinus und Tangens von . Die drei Bilder unten zeigen für jedes Verhältnis, welche beiden Seiten beteiligt sind.
Die Merkhilfe
Nimm die Anfangsbuchstaben in der Reihenfolge /:
Im Englischen entsteht daraus das bekannte Kunstwort SOH-CAH-TOA.
Woran du erkennst, welches der drei du brauchst
Das ist die eigentliche Denkleistung bei jeder Aufgabe. Gehe immer gleich vor:
- Markiere den , um den es geht.
- Benenne die drei Seiten aus seiner Sicht.
- Schau, welche zwei Seiten in der Aufgabe vorkommen, die eine gegebene und die eine gesuchte.
- Nimm das Verhältnis, in dem genau diese beiden stehen.
| gegeben + gesucht | nimm |
|---|---|
| Gegenkathete und | |
| Ankathete und Hypotenuse | |
| Gegenkathete und Ankathete |
Ein nützlicher Nebenbefund: Weil die Hypotenuse die längste Seite ist, sind Zähler und Nenner bei und nie größer als . Kommt bei dir heraus, ist etwas schiefgelaufen. Beim Tangens gibt es diese Grenze nicht: Sobald größer als ist, ist die Gegenkathete länger als die Ankathete, der wird größer als und wächst mit steilerem Winkel immer weiter.
Zwei Zugaben, die sich später auszahlen
Die drei Verhältnisse hängen zusammen. Teile durch :
Die Hypotenuse sich weg: der Tangens ist also Sinus durch Kosinus. Wer zwei der drei Werte kennt, hat damit auch den dritten.
Und ein Blick an die Ränder (als Gedankenexperiment, ein echtes rechtwinkliges braucht spitze Winkel): Lässt du immer weiter gegen wachsen, richtet sich die Gegenkathete auf und wird fast so lang wie die Hypotenuse, nähert sich der . Lässt du gegen schrumpfen, legt sich die Ankathete an die Hypotenuse an, nähert sich der . Deshalb setzt man und . Im Kapitel über die trigonometrischen Funktionen wird daraus mit dem Einheitskreis eine saubere Definition für beliebige Winkel.
, hervorgehoben sind die beiden beteiligten Seiten: Gegenkathete (grün) und (rot).
: Ankathete (blau) und Hypotenuse (rot).
, hier ohne Hypotenuse: nur Gegenkathete (grün) und Ankathete (blau).
Erkläre es selbst: Alpha und Beta sind die beiden spitzen Winkel desselben Dreiecks. Begründe ohne Taschenrechner: sin Beta = cos Alpha. Und was bringt dir das?
Versuch es erst selbst, du brauchst nur den Rollentausch aus dem Benennungs-Abschnitt.
Dort stand: Wechselst du im selben von zu , tauschen Gegen- und Ankathete ihre Rollen. Die Gegenkathete von ist also genau die Ankathete von . Es ist dieselbe Seite, nur aus anderer Sicht benannt. Und die bleibt für beide dieselbe.
Jetzt setze einfach in die Definitionen ein:
Kein Taschenrechner nötig, nur zweimal dieselbe Seite, einmal aus jeder Perspektive. (Und weil im rechtwinkligen Dreieck gilt, kannst du dasselbe auch so schreiben: .)
Probe mit dem Taschenrechner: und , identisch ✓
Was dir das bringt, drei Dinge:
- Eine eingebaute Kontrolle: Hast du in einer Aufgabe beide spitzen berechnet, müssen sich Sinus und Kosinus kreuzweise entsprechen. Tun sie es nicht, sind die vertauscht, genau der Fehler, vor dem der Benennungs-Abschnitt warnt.
- Ein zweiter Rechenweg: Jede Kosinus-Aufgabe lässt sich als Sinus-Aufgabe mit dem anderen Winkel lösen (und umgekehrt). Wenn du unsicher bist, welche Kathete die richtige ist, rechne testweise über den anderen Winkel, kommt dasselbe heraus, stimmt deine Benennung.
- Der Name erklärt sich: „Kosinus" kommt von complementi sinus: „Sinus des Ergänzungswinkels". Genau das hast du eben bewiesen.
Winkel berechnen, die Rückrichtung
Bisher war der gegeben und eine Seite gesucht. Oft ist es umgekehrt: Du kennst zwei Seiten und willst wissen, wie steil etwas ist, die Neigung einer Rampe, den Steigungswinkel einer Straße, den Blickwinkel zur Turmspitze.
Der Gedanke
Aus den beiden Seiten berechnest du zuerst das Verhältnis. Zum Beispiel
Jetzt kennst du den Sinuswert und suchst den Winkel, der dazu gehört. Du brauchst also die Umkehrung des Sinus, dieselbe Idee wie und .
Auf dem Taschenrechner findest du diese Funktionen über SHIFT (oder 2nd) und dann sin, cos bzw. tan; auf dem Display steht meist oder asin.
Vorsicht bei der Schreibweise: ist nicht . Die hochgestellte bedeutet hier „Umkehrfunktion", nicht „". Das ist eine unglückliche, aber übliche Notation.
Zwei Dinge, die schiefgehen können
1. Der falsche Modus. Der Taschenrechner muss auf DEG (Grad) stehen. Steht er auf RAD oder GRAD, bekommst du sinnlose Zahlen. Prüfe das mit einem Wert, den du kennst: muss genau ergeben. Kommt etwas anderes heraus, stimmt der Modus nicht.
2. Zu früh . Rechne mit den vollen Nachkommastellen weiter und runde erst das Endergebnis. Wer statt verwendet, sammelt Fehler an.
Kontrolle für jedes Ergebnis: In einem rechtwinkligen sind beide spitzen Winkel zusammen . Bekommst du für einen davon mehr als , ist etwas falsch, und wenn du beide berechnest, müssen sie sich zu ergänzen.
Seite berechnen
In einem rechtwinkligen ist und die . Berechne die Gegenkathete von (runde auf zwei Nachkommastellen).
- 1
Zuerst die Angaben sortieren, und zwar aus Sicht des . Das ist bei jeder trigonometrischen Aufgabe der erste Schritt:
- gegeben: der Winkel
- gegeben: die Hypotenuse
- gesucht: die Gegenkathete (sie liegt gegenüber)
- 2
Welches der drei Verhältnisse passt? Beteiligt sind Gegenkathete und Hypotenuse. Genau diese beiden stehen im Sinus:
Kosinus scheidet aus (er bräuchte die Ankathete), Tangens ebenfalls (er kennt die Hypotenuse nicht).
- 3
Nach der gesuchten Größe umstellen. Das steht im , geteilt durch . Also multiplizieren wir beide Seiten mit :
- 4
Werte einsetzen.
- 5
Den Sinuswert bestimmen. Der Taschenrechner (im DEG-Modus!) liefert
Kurze Plausibilitätsprüfung: Der Wert liegt zwischen und . Das muss so sein, denn die Gegenkathete ist immer kürzer als die Hypotenuse.
- 6
Ausrechnen.
auf zwei Nachkommastellen: .
- 7
Einheit und Kontrolle. Die Hypotenuse war in Zentimetern gegeben, und wir haben sie mit einer reinen Verhältniszahl multipliziert, das Ergebnis ist also in Zentimetern: .
Kontrolle: ist kürzer als die Hypotenuse ✓ Und weil kleiner als ist, muss die Gegenkathete kürzer sein als die Ankathete, bei genau wären beide gleich lang, und unterhalb davon ist die dem Winkel gegenüberliegende Seite die kürzere. Die Ankathete ist hier , und tatsächlich ist ✓
Die Gegenkathete ist lang.
Das Vorgehen bei jeder Seitenberechnung: Winkel markieren → Seiten aus seiner Sicht benennen → das Verhältnis wählen, in dem die gegebene und die gesuchte Seite vorkommen → umstellen → einsetzen.
Wie hoch ist der Turm?
Du stehst von einem Turm entfernt und misst zur Turmspitze einen Blickwinkel von . Dein Auge befindet sich über dem Boden. Wie hoch ist der Turm?
- 1
Zuerst eine Skizze, und die Erkenntnis, dass das Auge nicht am Boden ist. Zeichne den Turm senkrecht, den Boden waagerecht und deine Blicklinie schräg nach oben.
Das rechtwinklige entsteht auf Augenhöhe: Von deinem Auge geht die waagerechte Strecke zum Turm (), von dort senkrecht nach oben zur Spitze, und die Blicklinie schließt das Dreieck.
Wichtig: Dieses Dreieck liefert nur den Teil des Turms oberhalb deiner Augenhöhe. Die bis zum Auge müssen am Ende dazuaddiert werden. Genau diesen Schritt vergessen die meisten.
- 2
Angaben aus Sicht des sortieren. Der Winkel liegt an deinem Auge:
- Die zum Turm liegen am Winkel an → Ankathete.
- Die gesuchte Höhe über Augenhöhe liegt dem Winkel gegenüber → Gegenkathete. Nennen wir sie .
- Die Blicklinie wäre die Hypotenuse. Sie kommt in der Aufgabe nicht vor.
- 3
Welches Verhältnis? Beteiligt sind Gegenkathete und Ankathete, die Hypotenuse brauchen wir nicht. Das ist der Tangens:
- 4
Umstellen und einsetzen. Beide Seiten mit multiplizieren:
Der Taschenrechner (DEG!) liefert :
- 5
Jetzt die Augenhöhe ergänzen. Der Turm reicht vom Boden bis zur Spitze, unser Dreieck begann aber erst auf :
- 6
Einheit und Plausibilität. Alle Längen waren in Metern, also ist auch das Ergebnis in Metern.
Ist das realistisch? Bei wäre der Turm (über Augenhöhe) genau so hoch wie die Entfernung, also . Unser Winkel ist kleiner als , also muss die Höhe kleiner als sein ✓ Rund entsprechen etwa einem Kirchturm, plausibel.
Der Turm ist etwa hoch.
Zwei Dinge, die diese Aufgabe lehrt: Der Tangens ist das Werkzeug, wenn die weder gegeben noch gesucht ist. Und bei Messungen aus Augenhöhe gehört die Standhöhe des Beobachters immer zum Schluss dazu.
Wie steil ist die Rampe?
Eine Rollstuhlrampe überwindet auf waagerechter Strecke einen Höhenunterschied von . Berechne den Steigungswinkel. Vorschrift: Rampen dürfen höchstens steil sein, ist sie zulässig?
- 1
Angaben sortieren. Gegeben sind zwei Seiten, gesucht ist ein . Das ist die Rückrichtung aus dem letzten Abschnitt.
Aus Sicht des Steigungswinkels (er liegt unten, wo die Rampe beginnt):
- die waagerechte Strecke liegt am Winkel an → Ankathete
- die Höhe liegt gegenüber → Gegenkathete
- 2
Welches Verhältnis? Gegen- und Ankathete sind beteiligt, die (die schräge Rampenfläche) kommt nicht vor. Also der Tangens:
- 3
Das Verhältnis ausrechnen. Die Einheiten sich weg: ein Verhältnis ist eine reine Zahl:
Nebenbei: . Das ist genau die Steigungsangabe, die auf Verkehrsschildern steht. Prozentsteigung ist nichts anderes als der Tangenswert.
- 4
Jetzt die Umkehrfunktion anwenden. Wir kennen den Tangenswert und suchen den Winkel:
Auf dem Taschenrechner: SHIFT, dann tan, dann , im DEG-Modus.
- 5
Die eigentliche Frage beantworten. Gefragt war nicht nur der Winkel, sondern ob die Rampe zulässig ist:
Die Rampe hält die Vorschrift ein.
- 6
Kontrolle. Bei kleinen Winkeln ist der Tangenswert ungefähr so groß wie der Winkel im Bogenmaß, grob gilt: entsprechen knapp . Unser Ergebnis passt in diese Größenordnung ✓ Ein Winkel von etwa ist außerdem eine sehr flache Neigung, was für eine Rollstuhlrampe genau richtig ist.
Der Steigungswinkel beträgt , die Rampe ist zulässig (Grenze: ).
Merke für Steigungsaufgaben: Zwei Seiten gegeben, Winkel gesucht → Verhältnis bilden → Umkehrfunktion. Und Prozentsteigung ist immer der Tangenswert, nicht der Winkel selbst.
Typischer Fehler
wird in den Taschenrechner eingegeben, heraus kommt statt .
Der Taschenrechner stand im Bogenmaß-Modus (RAD) statt im Grad-Modus (DEG)! Prüfe vor jeder Rechnung die Anzeige. Schnelltest: muss genau ergeben. Zweiter häufiger Fehler: Gegen- und Ankathete verwechseln. Sie hängen davon ab, welchen du betrachtest. Zeichne im Zweifel eine Skizze und markiere den Winkel.
Übung 1
leichtBestimme den mit .
Tipp anzeigen
Nutze die Umkehrfunktion .
Lösung anzeigen
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Die Frage umdrehen: vom Wert zum Winkel
Gegeben ist der Sinuswert (), gesucht der Winkel, die Umkehrfrage. Dafür gibt es die Umkehrfunktion (Taste „arcsin"/„sin⁻¹").
- 2
Auswerten
Die Umkehrfunktion liefert den Winkel zum Sinuswert : .
- 3
Plausibilität und Modus prüfen
Kontrolle vorwärts: ✓. Und der Winkel liegt zwischen und , passend für ein rechtwinkliges Dreieck.
Übung 2
mittelEine lange Leiter lehnt mit einem von zum Boden an einer Wand. In welcher Höhe berührt sie die Wand (runde auf zwei Nachkommastellen)?
Tipp anzeigen
Die Leiter ist die , die Höhe die Gegenkathete des 70°-Winkels.
Lösung anzeigen
Die Leiter berührt die Wand in etwa Höhe.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Das rechtwinklige Dreieck der Leiter
Wand senkrecht zum Boden → rechtwinkliges : Leiter = Hypotenuse ( m), Bodenwinkel , gesuchte Wandhöhe = GEGENkathete dieses Winkels.
- 2
Sinus wählen und aufstellen
Gegenkathete und Hypotenuse → Sinus: , also .
- 3
Ausrechnen und einordnen
m, die Leiter berührt die Wand in etwa m Höhe.
Zwischenergebnis
m
Zusammenfassung
Sinus, Kosinus und Tangens sind Seitenverhältnisse im rechtwinkligen , immer aus Sicht des betrachteten . Seite gesucht: passendes Verhältnis aufstellen und umstellen. Winkel gesucht: Umkehrfunktion nutzen. Und immer an den DEG-Modus denken!


