Rechteck


In der Geometrie ist ein Rechteck (ein Orthogon) ein ebenes Viereck, dessen Innenwinkel alle rechte Winkel sind. Es ist ein Spezialfall des Parallelogramms und damit auch des Trapezes. Ein Sonderfall des Rechtecks ist das Quadrat, bei dem alle Seiten gleich lang sind.

In der Topologie ist ein Rechteck eine Mannigfaltigkeit mit Rand, genauer eine Mannigfaltigkeit mit Ecken.

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaften


Das Rechteck kann charakterisiert werden als

Formeln


Mathematische Formeln zum Rechteck
Flächeninhalt \({\displaystyle A=a\cdot b}\)
Umfang \({\displaystyle U=2\cdot a+2\cdot b=2\cdot (a+b)}\)
Länge der Diagonalen \({\displaystyle d={\sqrt {a^{2}+b^{2}}}}\)
Umkreisradius \({\displaystyle r_{u}={\tfrac {d}{2}}={\frac {1}{2}}\cdot {\sqrt {a^{2}+b^{2}}}}\)
Innenwinkel \({\displaystyle \alpha =\beta =\gamma =\delta =90^{\circ }}\)

Die Formel für die Länge der Diagonalen beruht auf dem Satz des Pythagoras. Der Umkreisradius ergibt sich durch Halbierung der Länge der Diagonalen.

Um ein Rechteck zu konstruieren, müssen zwei Größen gegeben sein. Häufig sind entweder beide Seitenlängen gegeben, oder eine der beiden Seitenlängen und die Länge der Diagonalen.

Optimierungsprobleme und das Quadrat

Es gibt verschiedene Optimierungsprobleme für Rechtecke. Sucht man ein Rechteck, das bei

hat, dann ergibt sich als Lösung jeweils das Quadrat.

Jeweils zwei der sechs Optimierungsprobleme sind im Prinzip dieselbe Fragestellung mit anderen gegebenen Größen, sodass es eigentlich nur drei verschiedene Optimierungsprobleme sind. Für die genannten Optimierungsprobleme ist das Quadrat das gesuchte Rechteck. Das gilt selbstverständlich nicht für alle Optimierungsprobleme.

Dass die Optimierungsprobleme für die Länge der Diagonale und den Flächeninhalt des Umkreises jeweils dieselbe Lösung haben, ist offensichtlich, weil der Flächeninhalt \({\displaystyle \pi \cdot r_{u}^{2}={\frac {1}{4}}\cdot \pi \cdot d^{2}}\) des Umkreises eine stetige und streng monoton steigende Funktion mit der Funktionsvariablen \({\displaystyle d}\) ist.

Ist zum Beispiel bei gegebener Länge \({\displaystyle d}\) der Diagonale das Rechteck ABCD mit dem größten Flächeninhalt gesucht, dann hilft es, den Umkreis zu betrachten. Die Diagonale AC ist nach dem Satz des Thales der Durchmesser des Umkreises.

Das Rechteck besteht aus den rechtwinkligen Dreiecken ABC und CDA. Der Flächeninhalt des Dreiecks ABC ist dann am größten, wenn die Höhe des Punkts B auf der Seite AC am größten ist. Das ist genau dann der Fall, wenn die Seiten AB und BC gleich lang sind, das Dreieck also auch gleichschenklig ist. Ebenso ist der Flächeninhalt des Dreiecks CDA genau dann am größten, wenn die Seiten CD und DA gleich lang sind. Der Flächeninhalt des Rechtecks ABCD ist also genau dann am größten, wenn alle 4 Seiten gleich lang sind, also wenn es ein Quadrat ist.

Eine andere Möglichkeit ist, den Flächeninhalt mit Ungleichungen abzuschätzen.

Ein Rechteck mit den Seitenlängen \({\displaystyle a}\) und \({\displaystyle b}\) hat die Diagonalenlänge \({\displaystyle {\sqrt {a^{2}+b^{2}}}}\) und den Flächeninhalt \({\displaystyle a\cdot b}\). Das Quadrat mit der Seitenlänge \({\displaystyle {\frac {1}{2}}\cdot {\sqrt {2\cdot a^{2}+2\cdot b^{2}}}}\) hat dieselbe Diagonalenlänge und den Flächeninhalt \({\displaystyle {\frac {a^{2}+b^{2}}{2}}}\). Wegen der Ungleichung vom arithmetischen und geometrischen Mittel \({\displaystyle {\sqrt {a\cdot b}}\leq {\frac {a+b}{2}}}\) gilt \({\displaystyle a\cdot b\leq {\frac {a^{2}+b^{2}}{2}}}\) für alle positiven Seitenlängen \({\displaystyle a}\) und \({\displaystyle b}\) und Gleichheit genau dann, wenn \({\displaystyle a=b}\) ist. Daraus folgt, dass das Quadrat das Rechteck mit dem größten Flächeninhalt ist.

Rechteckgitter


Das Rechteckgitter ist eine Anordnung von unendlich vielen Punkten in der zweidimensionalen euklidischen Ebene. Diese Punktmenge kann formal als die Menge

\({\displaystyle \left\{(a\cdot x_{1},b\cdot x_{2})\in \mathbb {R} ^{2}\mid a,b>0\ \land \ x_{1}\in \mathbb {Z} \ \land \ x_{2}\in \mathbb {Z} \right\}}\)

geschrieben werden, wobei die positiven reellen Zahlen \({\displaystyle a}\), \({\displaystyle b}\) die Abstände zwischen benachbarten Punkten sind. Das Rechteckgitter entsteht durch 2 Parallelstreckungen (siehe Affine Abbildung) aus dem Quadratgitter.[1]

Dieses Rechteckgitter ist achsensymmetrisch, drehsymmetrisch und punktsymmetrisch. Außerdem ist es translationsymmetrisch für alle Vektoren mit bestimmten Längen, die parallel zu den 2 Koordinatenachsen verlaufen, nämlich die unendlich vielen Vektoren \({\displaystyle a\cdot a_{1}\cdot {\vec {e}}_{1}}\), \({\displaystyle b\cdot a_{2}\cdot {\vec {e}}_{2}}\), wobei \({\displaystyle a_{1}}\), \({\displaystyle a_{2}}\) ganze Zahlen sind und \({\displaystyle e_{1}}\), \({\displaystyle e_{2}}\) die 2 Einheitsvektoren im zweidimensionalen eudklidischen Vektorraum.

Wird eine geometrische Figur in der Ebene in einem Quadratgitter platziert und dann durch Parallelstreckungen modifiziert, sodass ein Rechteckgitter entsteht, dann entstehen abhängig von der Art und Ausrichtung dieser geometrischen Figuren andere geometrische Figuren:

Parallelstreckungen von geometrischen Figuren
Figur im Würfelgitter Figur im Quadergitter
bei orthogonaler Ausrichtung bei beliebiger Ausrichtung
Quadrat Rechteck Parallelogramm
Rechteck Rechteck Parallelogramm
Raute Raute Parallelogramm
Parallelogramm Parallelogramm
rechtwinkliges Dreieck rechtwinkliges Dreieck Dreieck
gleichschenkliges Dreieck gleichschenkliges Dreieck Dreieck
Kreis Ellipse Ellipse
Ellipse Ellipse Ellipse

Goldenes Rechteck


Rechtecke mit der Eigenschaft \({\displaystyle {\frac {a+b}{a}}={\frac {a}{b}}}\) für die Seitenlängen a und b nennt man Goldene Rechtecke. Als Seitenverhältnis ergibt sich der Goldenen Schnitt, also \({\displaystyle {\frac {a}{b}}={\frac {1+{\sqrt {5}}}{2}}\approx 1{,}6180339887}\).

Perfektes Rechteck


Ein Rechteck heißt perfekt, falls man es mit Quadraten lückenlos und überschneidungsfrei überdecken kann, wobei alle Quadrate unterschiedlich groß sind. Es ist nicht einfach, eine solche Parkettierung zu finden. Eine solche Zerlegung eines Rechtecks mit den Seitenlängen 32 und 33 in 9 Quadrate wurde 1925 von Zbigniew Moroń gefunden. Sie besteht aus den Quadraten mit den Seitenlängen 1, 4, 7, 8, 9, 10, 14, 15 und 18.[2][3]

Ein weiteres Beispiel eines perfekten Rechtecks – ebenfalls von Zbigniew Moroń – hat die Seitenlängen 47 und 65. Es wird überdeckt von 10 Quadraten mit den Seitenlängen 3, 5, 6, 11, 17, 19, 22, 23, 24 und 25.[2]

Weblinks


Wiktionary: Rechteck – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Rechteck  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise


  1. Wolfram MathWorld: Cubic Lattice
  2. a b Zbigniew Moroń: Darstellung der Rechtecke nach Moroń. Abgerufen am 27. März 2021.
  3. Eric W. Weisstein: Perfect Square Dissection. In: MathWorld (englisch).
Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Rechteck&oldid=221196936

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Kategorien: Viereck | Vierecksgeometrie




Stand der Informationen: 21.03.2022 06:32:14 CET

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