Einheitskreis

Punkte auf dem Einheitskreis

In der Mathematik ist der Einheitskreis der Kreis, dessen Radius die Länge 1 hat und dessen Mittelpunkt mit dem Koordinatenursprung eines kartesischen Koordinatensystems der Ebene übereinstimmt.

Trigonometrische Zusammenhänge

Trigonometrische Funktionen am Einheitskreis (Animation)

Liegt ein Punkt $P$ auf dem Einheitskreis, dann kann man einen Winkel $\varphi$ zu der x-Achse (Abszisse) definieren, unter dem $P$ vom Ursprung des Koordinatensystems aus gesehen wird. Für die Koordinaten $(x_p, y_p)$ von $P$ gilt dann

$x_p = \cos \varphi$, $y_p = \sin \varphi$ und $y_p/x_p = \tan \varphi.$

Unter Zuhilfenahme der Beziehungen im rechtwinkligen Dreieck lassen sich folgende Zusammenhänge aufstellen:

$\sin \varphi= \frac\text{Gegenkathete}\text{Hypotenuse}$

$\cos \varphi= \frac\text{Ankathete}\text{Hypotenuse}$

$\tan \varphi= \frac\text{Gegenkathete}\text{Ankathete}$

$\cot \varphi= \frac\text{Ankathete}\text{Gegenkathete}$

Die orientierte Länge der Tangente, die normal auf die x-Achse an den Kreis liegt, bis zum Scheitelpunkt des Winkels ist der Tangens von $\varphi$.

Der Einheitskreis kann auch über die Eulersche Identität dargestellt werden:

$e^{i \varphi} = \cos\left(\varphi \right) + i \sin\left( \varphi\right)$.

Rationale Parametrisierung

Rationale Parametrisierung

Auch ohne Rückgriff auf trigonometrische Funktionen lassen sich alle Punkte des Einheitskreises finden. Sei $t$ eine beliebige reelle Zahl. Ein Schnittpunkt der Geraden durch $(-1,0)$ und $(0,t)$ mit dem Einheitskreis ist trivialerweise $(-1,0)$. Der andere befindet sich bei $(\tfrac{1-t^2}{1+t^2},\tfrac{2t}{1+t^2})$, und durchläuft, wenn $t$ ganz $\R$ durchläuft, den ganzen Kreis. Der Punkt $(-1,0)$ wird dabei allerdings nur nach dem Grenzübergang $t\to\pm\infty$ erreicht.

Diese Parametrisierung ist für alle Körper geeignet. Für rationale $t=p/q$ erhält man aus ihr durch elementare Umformungen pythagoräische Tripel $(q^2-p^2, 2pq, q^2+p^2)$.

Andere Normen

Wird eine andere Norm als die euklidische Norm zur Abstandsmessung benutzt, so ist die Form des Einheitskreises im kartesischen Koordinatensystem eine andere. So ist zum Beispiel der Einheitskreis für die Maximumsnorm ein Quadrat mit den Ecken $(\pm 1,\pm 1)$ und der Einheitskreis für die Summennorm eine Raute, deren Ecken auf den Koordinatenachsen im Abstand 1 zum Ursprung liegen.

Weblinks

 Wikibooks: Trigonometrie (Schulmathematik) – Lern- und Lehrmaterialien

 Commons: Unit circles – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien