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TeX

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% Mitschrieb vom 09.01.2014 %
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\chapter{Euklidische und nichteuklidische Geometrie}
\section{Axiome für die euklidische Ebene}
Axiome\xindex{Axiom} bilden die Grundbausteine jeder mathematischen Theorie. Eine
Sammlung aus Axiomen nennt man Axiomensystem\xindex{Axiomensystem}.
Da der Begriff des Axiomensystems so grundlegend ist, hat man auch
ein paar sehr grundlegende Forderungen an ihn: Axiomensysteme sollen
\textbf{widerspruchsfrei} sein, die Axiome sollen möglichst
\textbf{unabhängig} sein und \textbf{Vollständigkeit} wäre auch toll.
Mit Unabhängigkeit ist gemeint, dass kein Axiom sich aus einem anderem
herleiten lässt. Dies scheint auf den ersten Blick eine einfache
Eigenschaft zu sein. Auf den zweiten Blick muss man jedoch einsehen,
dass das Parallelenproblem, also die Frage ob das Parallelenaxiom
unabhängig von den restlichen Axiomen ist, über 2000 Jahre nicht
gelöst wurde. Ein ganz anderes Kaliber ist die Frage nach der
Vollständigkeit. Ein Axiomensystem gilt als Vollständig, wenn
jede Aussage innerhalb des Systems verifizierbar oder falsifizierbar
ist. Interessant ist hierbei der Gödelsche Unvollständigkeitssatz,
der z.~B. für die Arithmetik beweist, dass nicht alle Aussagen
formal bewiesen oder widerlegt werden können.
Kehren wir nun jedoch zurück zur Geometrie. Euklid hat in seiner
Abhandlung \enquote{Die Elemente} ein Axiomensystem für die Geometrie
aufgestellt.
\textbf{Euklids Axiome}
\begin{itemize}
\item \textbf{Strecke} zwischen je zwei Punkten
\item Jede Strecke bestimmt genau eine \textbf{Gerade}
\item \textbf{Kreis} (um jeden Punkt mit jedem Radius)
\item Je zwei rechte Winkel sind gleich (Isometrie, Bewegung)
\item Parallelenaxiom von Euklid:\xindex{Parallelenaxiom}\\
Wird eine Gerade so von zwei Geraden geschnitten, dass die
Summe der Innenwinkel zwei Rechte ist, dann schneiden sich
diese Geraden auf der Seite dieser Winkel.\\
\\
Man mache sich klar, dass das nur dann nicht der Fall ist,
wenn beide Geraden parallel sind und senkrecht auf die erste stehen.
\end{itemize}
\begin{definition}\xindex{Ebene!euklidische}%In Vorlesung: Definition 14.2
Eine \textbf{euklidische Ebene} ist ein metrischer Raum $(X,d)$
zusammen mit einer Teilmenge $\emptyset \neq G \subseteq \powerset{X}$, sodass die
Axiome~\ref{axiom:1}~-~\ref{axiom:4} erfüllt sind:
\begin{enumerate}[label=§\arabic*),ref=§\arabic*]
\item \textbf{Inzidenzaxiome}\xindex{Inzidenzaxiome}:\label{axiom:1}
\begin{enumerate}[label=(\roman*),ref=\theenumi{} (\roman*)]
\item Zu $P \neq Q \in X$ gibt es genau ein $g \in G$ mit
$\Set{P, Q} \subseteq g$.
\item $|g| \geq 2 \;\;\; \forall g \in G$
\item $X \notin G$
\end{enumerate}
\item \textbf{Abstandsaxiom}\xindex{Abstandsaxiom}: Zu $P, Q, R \in X$ gibt es \label{axiom:2}
genau dann ein $g \in G$ mit $\Set{P, Q, R} \subseteq g$,
wenn gilt:
\begin{itemize}[]
\item $d(P, R) = d(P, Q) + d(Q, R)$ oder
\item $d(P, Q) = d(P, R) + d(R, Q)$ oder
\item $d(Q, R) = d(Q, P) + d(P, R)$
\end{itemize}
\end{enumerate}
\end{definition}
\begin{definition}
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
\item $P, Q, R$ liegen \textbf{kollinear}\xindex{kollinear},
wenn es $g \in G$ gibt mit $\Set{P, Q, R} \subseteq g$.
\item $Q$ \textbf{liegt zwischen}\xindex{liegt zwischen} $P$
und $R$, wenn $d(P, R) = d(P, Q) + d(Q, R)$
\item \textbf{Strecke}\xindex{Strecke} $\overline{PR} := \Set{Q \in X | Q \text{ liegt zwischen } P \text{ und } R}$
\item \textbf{Halbgeraden}\xindex{Halbgerade}:\\
$PR^+ := \Set{Q \in X | Q \text{ liegt zwischen } P \text{ und } R \text{ oder } R \text{ liegt zwischen } P \text{ und } Q}$\\
$PR^- := \Set{Q \in X | P \text{ liegt zwischen } Q \text{ und } R}$\\
\end{enumerate}
\end{definition}
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{figures/topo-halbgerade.tex}
\caption{Halbgeraden}
\label{fig:halbgeraden}
\end{figure}
\begin{korollar}
\begin{enumerate}[label=(\roman*)]
\item $PR^+ \cup PR^- = PR$
\item $PR^+ \cap PR^- = \Set{P}$
\end{enumerate}
\end{korollar}
\begin{beweis}\leavevmode
\begin{enumerate}[label=(\roman*)]
\item \enquote{$\subseteq$} folgt direkt aus der Definition von $PR^+$ und $PR^-$\\
\enquote{$\supseteq$}: Sei $Q \in PR \Rightarrow P, Q, R$
sind kollinear.\\
$\overset{\ref{axiom:2}}{\Rightarrow}
\begin{cases}
Q \text{ liegt zwischen } P \text{ und } R \Rightarrow Q \in PR\\
R \text{ liegt zwischen } P \text{ und } Q \Rightarrow Q \in PR\\
P \text{ liegt zwischen } Q \text{ und } R \Rightarrow Q \in PR
\end{cases}$
\item \enquote{$\supseteq$} ist offensichtlich\\
\enquote{$\subseteq$}: Sei $PR^+ \cap PR^-$. Dann ist
$d(Q,R) = d(P,Q) + d(P,R)$ weil $Q \in PR^-$ und
\begin{align*}
&\left \{ \begin{array}{l}
d(P,R) = d(P,Q) + d(Q,R) \text{ oder }\\
d(P,Q) = d(P,R) + d(R,Q)
\end{array} \right \}\\
&\Rightarrow d(Q,R) = 2d(P,Q) + d(Q,R)\\
&\Rightarrow d(P,Q) = 0\\
&\Rightarrow P=Q\\
&d(P,Q) = 2d(P,R) + d(P,Q)\\
&\Rightarrow P=R\\
&\Rightarrow \text{Widerspruch}
\end{align*}
\end{enumerate}
\end{beweis}
\begin{definition}
\begin{enumerate}[label=§\arabic*),ref=§\arabic*,start=3]
\item \textbf{Anordnungsaxiome}\xindex{Anordnungsaxiome}\label{axiom:3}
\begin{enumerate}[label=(\roman*),ref=§\theenumi{} (\roman*)]
\item \label{axiom:3.1} Zu jedem $P \in X$ jeder
Halbgerade $H$ mit Anfangspunkt $P$ und jedem
$r \in \mdr_{\geq 0}$ gibt es genau ein
$Q \in H$ mit $d(P,Q) = r$.
\item \label{axiom:3.2} Jede Gerade zerlegt
$X \setminus g = H_1 \dcup H_2$ in zwei
nichtleere Teilmengen $H_1, H_2$,
sodass für alle $A \in H_i$, $B \in H_j$ mit
$i,j \in \Set{1,2}$ gilt:
$\overline{AB} \cap g \neq \emptyset \Leftrightarrow i \neq j$.\\
Diese Teilmengen $H_i$ heißen
\textbf{Halbebenen}\xindex{Halbebene} bzgl.
$g$.
\end{enumerate}
\item \textbf{Bewegungsaxiom}\xindex{Bewegungsaxiom}: Zu $P, Q, P', Q' \in X$\label{axiom:4}
mit $d(P,Q) = d(P', Q')$. Isometrien $\varphi_1, \varphi_2$
mit $\varphi_i (P) = P'$ und $\varphi_i(Q) = Q', i=1,2$
(Spiegelung an der Gerade durch $P$ und $Q$ ist nach
Identifizierung von $P \cong P'$ und $Q \cong Q'$ eine
weitere Isometrie.)
\item \textbf{Parallelenaxiom}: Für jedes $g \in G$ und jedes
$P \in X \setminus g$ gibt es höchstens ein $h \in G$ mit
$h \cap g = \emptyset$.\footnote{$h$ heißt \enquote{Parallele zu $g$ durch $P$}.}
\end{enumerate}
\end{definition}
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% Mitschrieb vom 14.01.2014 %
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\begin{satz}[Satz von Pasch]\label{satz:pasch} %In Vorlesung: Bemerkung 14.5
Seien $P$, $Q$, $R$ nicht kollinear, $g \in G$ mit $g \cap \Set{P, Q, R} = \emptyset$
und $g \cap \overline{PQ} \neq \emptyset$.
Dann ist entweder $g \cap \overline{PR} \neq \emptyset$ oder
$g \cap \overline{QR} \neq \emptyset$.
\end{satz}
Dieser Satz besagt, dass Geraden, die eine Seite eines Dreiecks
(also nicht nur eine Ecke) schneiden, auch eine weitere Seite
scheiden.
\begin{beweis}
$g \cap \overline{PQ} \neq \emptyset$\\
$\overset{\mathclap{\ref{axiom:3.2}}}{\Rightarrow} P$ und $Q$ liegen in verschiedenen Halbebenen bzgl. $g$\\
$\Rightarrow$ \obda $R$ und $P$ liegen in verschieden
Halbebenen bzgl. $g$\\
$\Rightarrow g \cap \overline{RP} \neq \emptyset$
\end{beweis}
\begin{korollar}\label{kor:beh3}
Sei $P, Q \in X$ mit $P \neq Q$ sowie $A, B \in X \setminus PQ$
mit $A \neq B$.
Außerdem seien $A$ und $B$ in der selben Halbebene bzgl. $PQ$ sowie
$Q$ und $B$ in der selben Halbenebe bzgl. $PA$.
Dann gilt: $PB^+ \cap \overline{AQ} \neq \emptyset$
\end{korollar}
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{figures/geometry-5.tex}
\caption{Situation aus \cref{kor:beh3}}
\label{fig:bild-5}
\end{figure}
Auch \cref{kor:beh3} lässt sich Umgangssprachlich sehr viel
einfacher ausdrücken: Die Diagonalen eines konvexen Vierecks
schneiden sich.
\begin{beweis}%In Vorlesung: Behauptung 3
Sei $P' \in PQ^-, P' \neq P$
$\overset{\cref{satz:pasch}}{\Rightarrow} PB$ schneidet
$\overline{AP'} \cup \overline{AQ}$
Sei $C$ der Schnittpunkt. Dann gilt:
\begin{enumerate}[label=(\roman*)]
\item $C \in PB^+$, denn $A$ und $B$ liegen in derselben
Halbebene bzgl. $PQ = P'Q$, also auch
$\overline{AP'}$ und $\overline{AQ}$.
\item $C$ liegt in derselben Halbebene bzgl. $PA$ wie
$B$, weil das für $Q$ gilt.
$\overline{AP'}$ liegt in der anderen Halbebene
bzgl. $PA \Rightarrow C \notin \overline{P'A} \Rightarrow C \in \overline{AQ}$
\end{enumerate}
Da $C \in PB^+$ und $C \in \overline{AQ}$ folgt nun direkt:
$\emptyset \neq \Set{C} \subseteq PB^+ \cap \overline{AQ} \qed$
\end{beweis}
\begin{korollar}\label{kor:14.6}%In Vorlesung: Bemerkung 14.6
Seien $P, Q \in X$ mit $P \neq Q$ und $A, B \in X \setminus PQ$
in der selben Halbebene bzgl. $PQ$. Außerdem sei $d(A,P)=d(B,P)$
und $d(A, Q) = d(B, Q)$.
Dann ist $A = B$.
\end{korollar}
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{figures/geometry-2.tex}
\caption{\cref{kor:14.6}: Die beiden roten und die beiden blauen Linien sind gleich lang. Intuitiv weiß man, dass daraus folgt, dass $A = B$ gilt.}
\label{fig:bild-2}
\end{figure}
\begin{beweis} durch Widerspruch\\
\underline{Annahme}: $A \neq B$
Dann ist $B \notin (PA \cup QA)$ wegen \ref{axiom:2}.
\begin{figure}[ht]
\centering
\subfloat[1. Fall]{
\input{figures/geometry-3.tex}
\label{fig:bild-3}
}%
\subfloat[2. Fall]{
\input{figures/geometry-4.tex}
\label{fig:bild-4}
}%
\label{Formen}
\caption{Fallunterscheidung aus \cref{kor:14.6}}
\end{figure}
\underline{1. Fall}: $Q$ und $B$ liegen in derselben Halbebene bzgl. $PA$
$\overset{\cref{kor:beh3}}{\Rightarrow} PB^+ \cap \overline{AQ} \neq \emptyset$.
Sei $C$ der Schnittpunkt vom $PB$ und $AQ$.
Dann gilt:
\begin{enumerate}[label=(\roman*)]
\item $d(A, C) + d(A, Q) = d(B, Q) < d(B, C) + d(C, Q) \Rightarrow d(A, C) < d(B, C)$ \label{enum:komischer-beweis-i}
\item \begin{enumerate}[label=\alph*)]
\item $B$ liegt zwischen $P$ und $C$.
$d(P,A) + d(A, C) > d(P,C) = d(P,B) + d(B,c) = d(P,A) + d(B,C)$
$\Rightarrow d(A,c) > d(B,C) \Rightarrow$ Widerspruch zu \ref{enum:komischer-beweis-i}
\item $C$ liegt zwischen $P$ und $B$
$d(P,C) + d(C,A) > d(P,A) = d(P,B) = d(P,C) + d(C, B)$\\
$\Rightarrow d(C, A) > d(C, B)$\\
$\Rightarrow$ Widerspruch zu \ref{enum:komischer-beweis-i}
\end{enumerate}
\end{enumerate}
\underline{2. Fall}: $Q$ und $B$ liegen auf verscheiden Halbebenen bzgl. $PA$.
Dann liegen $A$ und $Q$ in derselben Halbebene bzgl. $PB$.
Tausche $A$ und $B \Rightarrow$ Fall 1 $\qed$
\end{beweis}
\begin{korollar}\label{kor:beh2'}
Sei $(X, d, G)$ eine Geometrie, die \ref{axiom:1}~-~\ref{axiom:3}
erfüllt und $\varphi$ eine Isometrie mit $\varphi(P) = P$ und $\varphi(Q) = Q$.
Dann gilt $\varphi(S) = S\;\;\;\forall S \in PQ$.
\end{korollar}
\begin{beweis}
\begin{align}
\text{\Obda sei } S \in \overline{PQ} &\Leftrightarrow d(P,Q) = d(P,S) + d(S,Q)\\
&\overset{\varphi \in \Iso(X)}{\Rightarrow} d(\varphi(P),\varphi(Q)) = d(\varphi(P),\varphi(S)) + d(\varphi(S),\varphi(Q))\\
&\overset{P, Q \in \Fix(\varphi)}{\Rightarrow} d(P, Q) = d(P,\varphi(S)) + d(\varphi(S), Q)\\
&\Rightarrow \varphi(S) \text{ liegt zwischen } P \text{ und } Q \text{. Es gilt } d(P, \varphi(S)) = d(P,S)\\
&\overset{\ref{axiom:3.1}}{\Rightarrow} \varphi(S) = S
\end{align}
$\qed$
\end{beweis}
\begin{proposition}%In Vorlesung: Satz 14.4
In einer Geometrie, die \ref{axiom:1}~-~\ref{axiom:3} erfüllt,
gibt es zu $P, P', Q, Q'$ mit $d(P, Q) = d(P', Q')$ höchstens
zwei Isometrien mit $\varphi(P) = P'$ und $\varphi(Q) = Q'$
Aus den Axiomen folgt, dass es in
den Situation \ref{axiom:4} höchstens zwei Isometrien mit
$\varphi_i(P) = P'$ und $\varphi_i(Q) = Q'$ gibt.
\end{proposition}
\begin{beweis}
Seien $\varphi_1, \varphi_2, \varphi_3$ Isometrien mit
$\varphi_i(P) = P'$, $\varphi_i(Q) = Q'$, $i=1,2,3$
\begin{behauptung}[1]
$\exists R \in X \setminus PQ$ mit $\varphi_{1} (R) = \varphi_{2} (R)$.
\end{behauptung}
\begin{behauptung}[2]
Hat $\varphi$ 3 Fixpunkte, die nicht kollinear sind,
so ist $\varphi = \id_X$.
\end{behauptung}
Aus Beh.~1 und Beh.~2 folgt, dass $\varphi_2^{-1} \circ \varphi_1 = \id_X$,
also $\varphi_2 = \varphi_1$, da $P$, $Q$ und $R$ in diesem Fall
Fixpunkte sind.
\begin{beweis}\leavevmode
\begin{behauptung}
Sind $P \neq Q$ Fixpunkte einer Isometrie, so ist
$\varphi(R) = R$ für jedes $R \in PQ$.
\end{behauptung}
\begin{beweis}[von Beh. 2 mit \cref{kor:beh2'}]
Seien $P$, $Q$ und $R$ Fixpunkte von $\varphi$, $R \in PG$
und $A \notin \overline{PQ} \cup \overline{PR} \cup \overline{QR}$.
Sei $B \in \overline{PQ} \setminus \Set{P, Q}$. Dann ist
$\varphi(B) = B$ wegen \cref{kor:beh2'}.
Ist $R \in AB$, so enthält $AB$ 2 Fixpunkte von $\varphi$
$\overset{\cref{kor:beh2'}}{\Rightarrow} \varphi(A) = A$.
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{figures/geometry-1.tex}
\caption{$P, Q, R$ sind Fixpunkte, $B \in \overline{PQ} \setminus \Set{P,Q}$, $A \notin PQ \cup PR \cup QR$}
\label{fig:geometry-1}
\end{figure}
Ist $R \notin AB$, so ist $AB \cap \overline{PR} \neq \emptyset$
oder $AB \in \overline{RQ} \neq \emptyset$ nach \cref{satz:pasch}.
Der Schnittpunkt $C$ ist dann Fixpunkt von $\varphi'$
nach \cref{kor:beh2'} $\Rightarrow \varphi(A) = A$.
\end{beweis}
\begin{beweis}[von Beh. 1]
Sei $R \in X \setminus PQ$. Von den drei Punkten
$\varphi_1(R), \varphi_2(R), \varphi_3(R)$ liegen zwei
in der selben Halbebene bzgl. $P'Q' = \varphi_i(PQ)$.
\Obda seien $\varphi_1(R)$ und $\varphi_2(R)$ in der
selben Halbebene.
Es gilt:
\begin{align}
d(P', \varphi_1(R)) &= d(\varphi_1(P), \varphi_1(R))\\
&= d(P, R)\\
&= d(\varphi_2(P), \varphi_2(R))\\
&= d(P', \varphi_2(R))\\
&= d(Q', \varphi_2(R))
\end{align}
und analog $d(Q', \varphi_1(R)) = d(Q', \varphi_2(R))$
\end{beweis}
\end{beweis}
\end{beweis}
\begin{bemerkung}
Mit \ref{kor:14.6} lassen sich die Kongruenzsätze für Dreiecke,
wie man sie aus der Schule kennt, beweisen.
\end{bemerkung}
\begin{proposition}\label{prop:14.7}%In Vorlesung: Proposition 14.7
Sei $(X, d, G)$ eine Geometrie mit den Axiomen \ref{axiom:1}~-~\ref{axiom:4}.
Dann gibt es zu jedem $g \in G$ und jedem $P \in X \setminus g$ ein
$h \in G$ mit $P \in h$ und $g \cap h \neq \emptyset$.
\end{proposition}
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{figures/geometry-6.tex}
\caption{Situation aus \cref{prop:14.7}}
\label{fig:bild-6}
\end{figure}
\begin{beweis}
Sei $f \in G$ mit $P \in f$. Ist $f \cap g = \emptyset$, so setze
$h := f$. Andernfalls sei $\Set{Q} : = f \cap g$.
Sei $\varphi$ die eindeutige Isometrie mit $\varphi(Q) = P$,
$\varphi(P) = P'$, die die Halbebenen bzgl. $f$ nicht vertauscht.
Setze $h := \varphi(g)$.
\underline{Z.~Z.:} $h \cap g = \emptyset$.
Andernfalls sei $\Set{R} = h \cap g$.
\end{beweis}
\begin{bemerkung}
Jeder Innenwinkel eines Dreiecks ist kleiner als alle nicht-anliegenden
Außenwinkel.
\end{bemerkung}
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% Mitschrieb vom 16.01.2014 %
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\begin{beweis}
Sei $\varphi$ die Isometrie, die $Q$ auf $P$ und $P$ auf $P'$
mit $P' \in f, d(P,P') = d(P, Q)$ abbildet und die Halbebenen
bzgl. $f$ erhält.
\end{beweis}
\begin{behauptung}[Herz]\label{beh:herz}
$\varphi(g) \cap g = \emptyset$
\end{behauptung}
\begin{beweis}
Ist $\varphi(g) \cap g \neq \emptyset$, so ist $R$ der Schnittpunkt.
\end{beweis}
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{figures/geometry-7.tex}
\caption{Skizze zu \cref{beh:herz}}
\label{fig:bild-6}
\end{figure}
\begin{definition}\label{def:14.8}%In Vorlesung: 14.8
\begin{enumerate}[label=\alph*),ref=\alph*]
\item \label{def:14.8a} Ein \textbf{Winkel}\xindex{Winkel} ist ein Punkt $P \in X$
zusammen mit $2$ Halbgeraden mit Anfangspunkt $P$.\\
Man schreibt: $\angle R_1 P R_2$ bzw. $\angle R_2 P R_1$\footnote{Für dieses Skript gilt: $\angle R_1 P R_2 = \angle R_2 P R_1$. Also sind insbesondere alle Winkel $ \leq 180^\circ$.}
\item Zwei Winkel sind \textbf{gleich}, wenn es eine Isometrie gibt,
die den einen Winkel auf den anderen abbildet.
\item \label{def:14.8c} $\angle R_1' P' R_2'$ heißt \textbf{kleiner} als
$\angle R_1 P R_2$, wenn es eine Isometrie $\varphi$
gibt, mit $\varphi(P) = P'$, $\varphi(PR'_1+) = P' R_1 +$
und $\varphi(R_2')$ liegt in der gleichen Halbebene
bzgl. $PR_1$ wie $R_2$ und in der gleichen Halbebene
bzgl. $PR_2$ wie $R_1$
\item \label{def:14.8d} Im Dreieck $\triangle PQR$ gibt es Innenwinkel und
Außenwinkel.
\end{enumerate}
\end{definition}
\begin{figure}[ht]
\centering
\subfloat[$\angle R_1' P' R_2'$ ist kleiner als $\angle R_1 P R_2$, vgl. \cref{def:14.8c}]{
\input{figures/smaller-angle.tex}
\label{fig:def.14.8.1}
}%
\subfloat[{\color{green} Innenwinkel} und {\color{blue} Außenwinkel} in $\triangle PQR$, vgl. \cref{def:14.8d} (Bild 5)]{
\input{figures/interiour-exteriour-angles-triangle.tex}
\label{fig:def.14.8.2}
}
\label{fig:def.14.8.0}
\caption{Situation aus \cref{def:14.8}}
\end{figure}
\begin{korollar}\label{kor:14.9}%In Vorlesung: Bemerkung 14.9
In einem Dreieck ist jeder Innenwinkel kleiner als jeder nicht
anliegende Außenwinkel.
\end{korollar}
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{figures/geometry-9.tex}
\caption{Situation aus \cref{kor:14.9}}
\label{fig:bem.14.9}
\end{figure}
\begin{beweis}
Zeige $\angle PRQ < \angle RQP'$.
Sei $M$ der Mittelpunkt der Strecke $\overline{QR}$. Sei
$A \in MP^-$ mit $d(P,M) = d(M,A)$.
Es gilt: $d(Q,M) = d(M,R)$ und $d(P,M) = d(M,A)$ sowie
$\angle PMR = \angle AMQ \Rightarrow \triangle MRQ$ ist
kongruent zu $\triangle AMQ$, denn eine der beiden Isometrien, die
$\angle PMR$ auf $\angle AMQ$ abbildet, bildet $R$ auf $Q$ und
$P$ auf $A$ ab.
$\Rightarrow \angle MQA = \angle MRP = \angle QRP = \angle PRQ$.
Noch zu zeigen: $\angle MQA < \angle RQP'$, denn $A$ liegt in der
selben Halbebene bzgl. $PQ$ wie $M$.
\end{beweis}
\begin{beweis}[von \cref{prop:14.7}]
Wäre $\varphi(g)$ nicht parallel zu $g$, so gäbe es einen
Schnittpunkt $R$. Dann ist $\angle QPR < \angle RQP^-$ nach
\cref{kor:14.9} und $\angle QPR = \angle RQP^-$, weil
$\varphi(\angle RQP') = \angle RPQ$
\end{beweis}
\begin{folgerung}\label{folgerung:14.10}%In Vorlesung: Folgerung 14.10
Die Summe zweier Innenwinkel in einem Dreieck ist kleiner als
$\pi$, d.~h. es gibt eine Isometrie $\varphi$ mit $\varphi(Q) = P$
und $\varphi(QP^+) = PR^+$, sodass $\varphi(R)$ in der gleichen
Halbebene bzgl. $PQ$ liegt wie $R$.
\end{folgerung}
\begin{beweis}
Die Summe eines Innenwinkels mit den anliegenden Außenwinkeln ist
$\pi$, d.~h. die beiden Halbgeraden bilden eine Gerade.
\end{beweis}
\begin{figure}[htp]
\centering
\input{figures/todo.tex}
\caption{In der sphärischen Geometrie gibt es, im Gegensatz zur euklidischen Geometrie, Dreiecke mit drei $90^\circ$-Winkeln.}
\label{fig:bem.14.9}
\end{figure}
\begin{proposition}\label{prop:14.11}%In Vorlesung: Proposition 14.11
In einer Geometrie mit den Axiomen \ref{axiom:1}~-~\ref{axiom:4}
ist in jedem Dreieck die Summe der Innenwinkel $\leq \pi$.
\end{proposition}
Sei im Folgenden \enquote{IWS} die \enquote{Innenwinkelsumme}.
\begin{beweis}
Sei $\triangle$ ein Dreieck mit $\IWS(\triangle) = \pi + \varepsilon$
\begin{figure}[ht]
\centering
\subfloat[Summe der Winkel $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$]{
\resizebox{0.4\linewidth}{!}{\input{figures/three-angles.tex}}
\label{fig:prop14.11.1}
}%
\subfloat[Situation aus \cref{prop:14.11}]{
\resizebox{0.4\linewidth}{!}{\input{figures/geometry-8.tex}}
\label{fig:prop14.11.2}
}
\label{fig:prop14.11.0}
\caption{Situation aus \cref{prop:14.11}}
\end{figure}
Sei $\alpha$ ein Innenwinkel von $\triangle$.
\begin{behauptung}
Es gibt ein Dreieck $\triangle'$ mit
$\IWS(\triangle') = \IWS(\triangle)$ und einem Innenwinkel
$\alpha' \leq \frac{\alpha}{2}$.
Dann gibt es für jedes $n$ ein $\triangle_n$ mit $\IWS(\triangle_n) = \IWS(\triangle)$
und Innenwinkel $\alpha' \leq \frac{\alpha}{2^n}$. Für $\frac{\alpha}{2^n} < \varepsilon$
ist dann die Summe der beiden Innenwinkel
um $\triangle_n$ größer als $\pi \Rightarrow$ Widerspruch zu
\cref{folgerung:14.10}.
\end{behauptung}
\begin{beweis}[der Behauptung]
Sei $M$ der Mittelpunkt $\overline{RC}$ und $A' \in MA^-$ mit
$d(A', M) = d(A, M) \Rightarrow \triangle(MA'C)$ und
$\triangle(MAB)$ sind kongruent.
$\Rightarrow \angle ABM = \angle A'CM$ und $\angle MA'C = \angle MAB$.
$\Rightarrow \alpha + \beta + \gamma =\IWS(\triangle ABC) = \IWS(\triangle AA'C)$
und $\alpha_1 + \alpha_2 = \alpha$, also \obda $\alpha_1 \leq \frac{\alpha}{2}$
\end{beweis}
\end{beweis}