Dreiecksungleichung

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Die Dreiecksungleichung ist in der Geometrie ein Satz, der besagt, dass eine Dreiecksseite höchstens so lang wie die Summe der beiden anderen Seiten ist. Das „höchstens“ schließt dabei den Sonderfall der Gleichheit ein. Die Dreiecksungleichung spielt auch in anderen Teilgebieten der Mathematik wie der Linearen Algebra oder der Funktionalanalysis eine wichtige Rolle.

Formen der Dreiecksungleichung[Bearbeiten]

Dreiecksungleichung für Dreiecke[Bearbeiten]

Dreieck

Nach der Dreiecksungleichung ist im Dreieck die Summe der Längen zweier Seiten a und b stets mindestens so groß wie die Länge der dritten Seite c. Das heißt formal:

c \leq a + b

Man kann auch sagen, der Abstand von A nach B ist stets höchstens so groß wie der Abstand von A nach C und von C nach B zusammen, oder um es populär auszudrücken: „Der direkte Weg ist immer der kürzeste.“

Das Gleichheitszeichen gilt dabei nur, wenn das Dreieck entartet ist und a und b Teilstrecken von c sind.

Da aus Symmetriegründen auch  a \leq c + b gilt, folgt a-b\leq c, analog erhält man b-a\leq c, insgesamt also

\left| a-b \right|\le c\le a+b.

Die linke Ungleichung \left| a-b \right|\le c wird gelegentlich auch als umgekehrte Dreiecksungleichung bezeichnet.

Die Dreiecksungleichung charakterisiert Abstands- und Betragsfunktionen. Sie wird daher als ein Axiom der abstrakten Abstandsfunktion in metrischen Räumen verwendet.

Dreiecksungleichung für reelle Zahlen[Bearbeiten]

Für reelle Zahlen gilt: |a+b| \le |a|{+}|b|.

Beweis

Weil beide Seiten der Ungleichung nicht negativ sind, ist Quadrieren eine Äquivalenzumformung:
  a^2{+}2ab{+}b^2\ \le\ a^2{+}2{|ab|}{+}b^2.
Durch Streichen identischer Terme gelangen wir zur äquivalenten Ungleichung
 2ab \le 2|ab|.
Diese Ungleichung gilt, weil x \le {|x|} für beliebige x\in\R.

Umgekehrte Dreiecksungleichung[Bearbeiten]

Wie beim Dreieck lässt sich auch eine umgekehrte Dreiecksungleichung herleiten:

Es gilt |a{+}b|{-}|b| \le |a|. Einsetzen von a\mathrel{:=\,}x{+}y,\,b\mathrel{:=\,} {-}y gibt

|x|{-}|y| \le |x{+}y|,

setzt man stattdessen b\mathrel{:=\,} {-}x so ergibt sich

|y|{-}|x| \le |x{+}y|,

zusammen also (denn für beliebige reelle Zahlen u und c mit u \leq c und {-}u \leq c gilt auch |u| \le c)

\Big||x|{-}|y|\Big| \le |x{+}y| \le |x|{+}|y|.

Ersetzt man y durch {-}y, so erhält man auch

\Big||x|{-}|y|\Big| \le |x{-}y| \le |x|{+}|y|.

Insgesamt also

\Big| |x|{-}|y|\Big| \le |x{\pm}y| \le |x|{+}|y| für alle x,\,y\in\R.

Dreiecksungleichung für komplexe Zahlen[Bearbeiten]

Für komplexe Zahlen gilt:

|z_1{}+z_2| \le |z_1|{+}|z_2|.

Beweis

Da alle Seiten nichtnegativ sind, ist Quadrieren eine Äquivalenzumformung und man erhält

z_1\overline{z_1}{+}z_1\overline{z_2}{+}{\underbrace{\overline{z_1}z_2}_{=\overline{z_1\overline{z_2}}}}{+}z_2\overline{z_2}\ 
\le\ z_1\overline{z_1}{+}2{\underbrace{|z_1 z_2|}_{=|z_1\overline{z_2}|}}{+}z_2\overline{z_2},
wobei der Überstrich komplexe Konjugation bedeutet. Streicht man identische Terme und setzt z\mathrel{:=\,} z_1\overline{z_2}, so bleibt
z{+}\bar z \le 2{|z|}
zu zeigen. Mit z = u{+}iv erhält man
(u{+}iv){+}(u{-}iv) = 2u \le 2\sqrt{u^2{+}v^2}
bzw.
|u| \le \sqrt{u^2{+}v^2},
was wegen 0 \le v^2\ und der Monotonie der (reellen) Wurzelfunktion immer erfüllt ist.

Analog wie im reellen Fall folgt aus dieser Ungleichung auch

\Big| |z_1|{-}|z_2|\Big| \le |z_1{\pm}z_2| \le |z_1|{+}|z_2| für alle z_1,\,z_2\in\mathbb{C}.

Dreiecksungleichung für Summen und Integrale[Bearbeiten]

Mehrmalige Anwendung der Dreiecksungleichung bzw. vollständige Induktion ergibt

\left|\sum_{i=1}^n x_i\right|  \leq \sum_{i=1}^n \left| x_i\right|

für reelle oder komplexe Zahlen x_i\;. Diese Ungleichung gilt auch, wenn Integrale anstelle von Summen betrachtet werden:

Ist f:I\to\Bbb{R}, wobei I=[a,b]\, ein Intervall ist, Riemann-integrierbar, dann gilt

\left|\int_I f(x)\, dx\right|\le \int_I |f(x)|\, dx.[1]

Dies gilt auch für komplexwertige Funktionen f:I\to\Bbb{C}, vgl.[2]. Dann existiert nämlich eine komplexe Zahl \alpha\; so, dass

\alpha\int_I f(x)\, dx=\left|\int_I f\, dx\right| und |\alpha|=1\;.

Da

\left|\int_I f(x)\, dx\right|=\alpha\int_I f(x)\, dx=\int_I \alpha\, f(x)\, dx=\int_I \operatorname{Re}(\alpha f(x))\, dx+i\,\int_I \operatorname{Im}(\alpha f(x))\,dx

reell ist, muss \int_I \operatorname{Im}(\alpha f(x))\,dx gleich Null sein. Außerdem gilt

\operatorname{Re}(\alpha f(x)) \leq |\alpha f(x)| = |f(x)|,

insgesamt also

\left|\int_I f(x)\, dx\right| =\int_I\operatorname{Re}(\alpha f(x))\, dx \le \int_I|f(x)|\, dx.

Dreiecksungleichung für Vektoren[Bearbeiten]

Für Vektoren gilt:

\left| \vec{a} + \vec{b} \right| \le \left| \vec{a} \right| + \left| \vec{b} \right|.

Die Gültigkeit dieser Beziehung sieht man durch Quadrieren

\left| \vec{a} + \vec{b} \right|^2 = \left\langle \vec{a} + \vec{b}, \vec{a} + \vec{b}\right\rangle = \left| \vec{a} \right|^2+ 2 \left\langle\vec{a},\vec{b}\right\rangle+\left|\vec{b} \right|^2 \le  \left| \vec{a} \right|^2+ 2 \left|\vec{a}\right| \left|\vec{b}\right|+\left|\vec{b} \right|^2 = \left(\left| \vec{a} \right| + \left| \vec{b} \right|\right)^2,

unter Anwendung der Cauchy-Schwarzschen Ungleichung:

\langle \vec{a}, \vec{b}\rangle \le \left| \vec{a}\right|\cdot\left|\vec{b}\right|.

Auch hier folgt wie im reellen Fall

\Big|\left| \vec{a} \right| - \left| \vec{b} \right| \,\,\Big|\le\left| \vec{a} \pm \vec{b} \right| \le \left| \vec{a} \right| + \left| \vec{b} \right|

sowie

\left|\sum_{i=1}^{n} \vec{a_i}\right| \leq \sum_{i=1}^{n}\left|\vec{a_i}\right|.

Dreiecksungleichung für sphärische Dreiecke[Bearbeiten]

Zwei sphärische Dreiecke

In sphärischen Dreiecken gilt die Dreiecksungleichung im Allgemeinen nicht.

Sie gilt jedoch, wenn man sich auf eulersche Dreiecke beschränkt, also solche, in denen jede Seite kürzer als ein halber Großkreis ist.

In nebenstehender Abbildung gilt zwar

\left|a - b\right| \le c_1 \le a + b,

jedoch ist c_2 > a+b.

Dreiecksungleichung für normierte Räume[Bearbeiten]

In einem normierten Raum \left(X,\|{\cdot}\|\right) wird die Dreiecksungleichung in der Form

\|x+y\|\leq \|x\|+\|y\|

als eine der Eigenschaften gefordert, die die Norm für alle x,y\in X\;erfüllen muss. Insbesondere folgt auch hier

\Big|\|x\|-\|y\|\Big| \le \|x\pm y\|\leq \|x\|+\|y\|

sowie

\left\|\sum_{i=1}^n x_i\right\| \leq \sum_{i=1}^{n}\|x_i\| fur alle x_i\in X\;.

Im Spezialfall der Lp-Räume wird die Dreiecksungleichung Minkowski-Ungleichung genannt und mittels der Hölderschen Ungleichung bewiesen.

Dreiecksungleichung für metrische Räume[Bearbeiten]

In einem metrischen Raum \left(X,d\right) wird als Axiom für die abstrakte Abstandsfunktion verlangt, dass die Dreiecksungleichung in der Form

d(x,y)\leq d(x,z) + d (z,y)

für alle x,y,z \in X erfüllt ist. In jedem metrischen Raum gilt also per Definition die Dreiecksungleichung. Daraus lässt sich ableiten, dass in einem metrischen Raum auch die umgekehrte Dreiecksungleichung

\left| d(x,z) - d (z,y)\right|\leq d(x,y)

für alle x,y,z \in X gilt. Außerdem gilt für beliebige x_i \in X\; die Ungleichung

d(x_0,x_n)\leq \sum_{i=1}^n d(x_{i-1},x_i).

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Harro Heuser: Lehrbuch der Analysis, Teil 1. 8. Auflage. B. G. Teubner, Stuttgart 1990, ISBN 3-519-12231-6. Satz 85.1
  2. Walter Rudin: Real and Complex Analysis. MacGraw-Hill 1986, ISBN 0-07-100276-6. Theorem 1.33

Siehe auch[Bearbeiten]