Simsonsche Gerade

Die simsonsche Gerade ist ein Gegenstand der Dreiecksgeometrie. Liegen die Fußpunkte der von einem Punkt ${\displaystyle P}$ aus gefällten Lote auf die (eventuell verlängerten) Seiten eines Dreiecks ${\displaystyle \triangle ABC}$ auf einer gemeinsamen Geraden, so wird diese Gerade als simsonsche Gerade oder wallacesche Gerade und der Punkt ${\displaystyle P}$ als ihr Pol bezeichnet. Dies ist genau dann der Fall, wenn ${\displaystyle P}$ auf dem Umkreis von ${\displaystyle \triangle ABC}$ liegt.

Die Simson-Gerade ist irrtümlicherweise nach dem Mathematiker Robert Simson (1687–1768) benannt, in dessen Werk sich jedoch keine Arbeit zur Simson-Geraden finden lässt. In Wirklichkeit wurde sie 1797 von William Wallace (1768–1843) entdeckt.^[1]

Weitere Eigenschaften

Parallelen zur Simson-Gerade

Jede Simson-Gerade eines Dreieckes besitzt drei besondere Parallelen, die jeweils durch einen der drei Eckpunkte des Dreiecks verlaufen. Genauer gesagt gilt der folgende Satz: Gegeben sind ein Dreieck ${\displaystyle \triangle ABC}$, ein Punkt ${\displaystyle P}$ auf seinem Umkreis und die zugehörige Simson-Gerade. Ist GAB nun der Schnittpunkt des Lotes von ${\displaystyle P}$ auf ${\displaystyle AB}$ mit dem Umkreis, dann ist die Gerade CGAB parallel zur Simson-Geraden.[1]

Schnittwinkel zwischen Simson-Geraden

Betrachtet man bei einem Dreieck zwei unterschiedliche Punkte auf dessen Umkreis, so erhält man zwei verschiedene Simson-Geraden. Der Schnittwinkel dieser beiden Simson-Geraden ist genau halb so groß wie der Winkel, den die beiden Punkte mit dem Mittelpunkt des Umkreises bilden. Es seien ${\displaystyle P_{1}}$ und ${\displaystyle P_{2}}$ zwei Punkte auf dem Umkreis von ${\displaystyle \triangle ABC}$ mit Mittelpunkt ${\displaystyle O}$. Weiterhin sei ${\displaystyle \alpha }$ der Schnittwinkel der beiden zugehörigen Simson-Geraden und ${\displaystyle \beta =\angle P_{1}OP_{2}}$. Dann gilt ${\displaystyle 2\alpha =\beta }$.[1]

Simson-Gerade als Streckenhalbierende

Verbindet man den Höhenschnittpunkt eines Dreiecks mit einem Punkt auf dem Umkreis des Dreiecks, so wird diese Verbindungsstrecke von der zugehörigen Simson-Geraden halbiert. Gegeben sind ein Dreieck ${\displaystyle \triangle ABC}$, ein Punkt ${\displaystyle P}$ auf seinem Umkreis und die zugehörige Simson-Gerade. Ist H der Höhenschnittpunkt von ${\displaystyle \triangle ABC}$, dann schneidet die Simson-Gerade die Strecke ${\displaystyle {\overline {HP}}}$ in ${\displaystyle G}$ und es gilt ${\displaystyle |HG|=|GP|}$. Außerdem liegt ${\displaystyle G}$ auf dem Feuerbachkreis.[1][2]

Geradenschar

(c) I, Alcandre, CC BY-SA 3.0 Lässt man den Simson-Pol ${\displaystyle P}$ auf dem Kreis wandern, dann besitzt die so entstehende Geradenschar von Simson-Geraden eine Deltoide, auch als Steiner-Hypozykloide bezeichnet, als Hüllkurve.[1][2]

Sonstiges

Besitzen zwei Dreiecke denselben Umkreis und ihre zugehörigen Simson-Geraden denselben Pol, so ist der Schnittwinkel der beiden Simson-Geraden unabhängig von der Wahl des Pols. Mit anderen Worten: Für alle Punkte ${\displaystyle P}$ auf dem gemeinsamen Umkreis der beiden Dreiecke ergibt sich ein gleich großer Schnittwinkel der beiden zugehörigen Simson-Geraden.

Beweis

Bewiesen wird: Liegt ${\displaystyle P}$ auf dem Umkreis von ${\displaystyle \triangle ABC}$, so liegen die Fußpunkte auf einer gemeinsamen Geraden. Dazu zeigt man, dass ${\displaystyle \angle EFP+\angle PFD=180^{\circ }}$ gilt.

Die Fußpunkte ${\displaystyle E}$ und ${\displaystyle F}$ liegen auf dem Thaleskreis über ${\displaystyle [PA]}$. Da Umfangswinkel (Peripheriewinkel) über demselben Kreisbogen gleich groß sind, folgt

${\displaystyle {\begin{aligned}\angle EFP&=90^{\circ }+\angle EFA=90^{\circ }+\angle EPA\\&=90^{\circ }+(90^{\circ }-\angle PAC)=180^{\circ }-\angle PAC\end{aligned}}}$.

Andererseits ist ${\displaystyle PBCA}$ voraussetzungsgemäß ein Sehnenviereck. Die gegenüberliegenden Winkel ${\displaystyle \angle PAC}$ und ${\displaystyle \angle CBP}$ dieses Vierecks ergänzen sich daher zu ${\displaystyle 180^{\circ }}$. Insgesamt ergibt sich also

${\displaystyle \angle EFP=\angle CBP}$.

Die Punkte ${\displaystyle D}$ und ${\displaystyle F}$ liegen auf dem Thaleskreis über ${\displaystyle [PB]}$, sodass auch ${\displaystyle PBDF}$ ein Sehnenviereck ist. Ähnlich wie vorher schließt man ${\displaystyle \angle PFD=\angle DBP}$. Wegen ${\displaystyle \angle DBP+\angle CBP=180^{\circ }}$ erhält man daraus

${\displaystyle {\begin{aligned}\angle PFD&=90^{\circ }-\angle DFB=90^{\circ }-(90^{\circ }-\angle PBD)\\&=\angle PBD=180^{\circ }-\angle CBP\end{aligned}}}$.

Damit ist mit

${\displaystyle \angle EFP+\angle PFD=\angle CBP+(180^{\circ }-\angle CBP)=180^{\circ }}$

die Behauptung bewiesen.

Bemerkung: Der angegebene Beweis bezieht sich auf die in der Skizze dargestellte Lage der Höhenfußpunkte. Liegen diese anders, muss die Begründung entsprechend variiert werden.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d e} H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer: Simson Lines. § 2.5 in Geometry Revisited. In: Math. Assoc. Amer., Washington DC 1967, S. 41.
2. ↑ ^{a b} Eric W. Weisstein: Simson-Gerade (engl.). In: MathWorld (englisch).

Literatur

• Max Koecher, Aloys Krieg: Ebene Geometrie. 3. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-49327-3, S. 170–172.
• H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer: Zeitlose Geometrie. Klett, Stuttgart 1983.
• Ross Honsberger: Episodes in Nineteenth and Twentieth Century Euclidean Geometry. MAA, 1995, S. 43–48, 82–83, 121, 128–136.
• Roger A. Johnson: Advanced Euclidean Geometry. Dover 2007, ISBN 978-0-486-46237-0, S. 137 ff., 206 ff., 243, 251 (Erstveröffentlichung 1929 bei der Houghton Mifflin Company (Boston) unter dem Titel Modern Geometry).

Weblinks

Commons: Simson-Gerade – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Simson-Gerade (englisch) cut-the-knot.org
• Simson-Gerade auf Matroids Matheplanet
• Simson-Gerade (PDF; 48 kB) matheraetsel.de
• Eric W. Weisstein: Simson-Gerade (engl.). In: MathWorld (englisch).