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1 Mathematische Grundlagen der Vermessung Mathematische Grundlagen der Vermessung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch Universität Siegen http://www.uni-siegen.de/dept/fb10/verm Stand: 2008-03 Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

Mathematische Grundlagen der Vermessung€¦ · 9 1 Vollkreis aus 4 rechten Winkeln Zählung rechtsläufig! (r2 > r1) α= r2-r1 – Grad (Altgrad) Sexagesimalteilung: 4 * 90o = 360o

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  • 1

    Mathematische Grundlagen der VermessungMathematische Grundlagen der Vermessung

    Univ.-Prof. Dr.-Ing. Monika JaroschUniversität Siegen

    http://www.uni-siegen.de/dept/fb10/vermStand: 2008-03

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 2

    MathematikMathematik

    Algebra Analysis Geometrie

    Arithmetik Diffentialrechnung PlanimetrieZahlentheorie Integralrechnung TrigonometrieGruppentheorie Reihenlehre StereometrieMengenlehre Funktionentheorie analytische GeometrieInvariantentheorie Variationsrechnung nichteuklidische G.

    DifferentielgeometrieTopologie

    TaschenrechnerGeodreieck

    Zirkel

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

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    InhaltsverzeichnisMathematik - Algebra/Analysis/GeometrieInhalt AnwendungenLiteraturMaßeinheiten

    - Länge/Fläche/Volumen- Konstanten- Ebener Winkel: Grad, Gon, Bogenmaß- Drehsinn von Koordinatensystemen- Koordinatensystem: mathematisch und geodätisch- Ebener Winkel: Umrechnung

    Planimetrie = ebene Geometrie (griechisch: Flächenmessung)Figuren in einer Ebene wie Kreis, Dreieck, Vieleck, Kegelschnitte

    - beliebige und rechtwinklige Dreiecke- Lehrsätze- Darstellung der Lehrsätze- abgeleitete Größen- Flächenberechnungen im allg. Dreieck

    Trigonometrie (griechisch: Dreiecksmessung)Berechnung von Seiten, Winkel und Flächen von Dreiecken aus 3 bekannten Größen über trigonometrische Winkelfunktionen

    Grundlage: rechtwinklige Dreiecke, in die alle ebenen Dreiecke zerlegt werden können.

    - Rechtwinkliges Dreieck- Winkelfunktionen- Goniometrische Gleichungen- Dreieckstypen- schiefwinkliges Dreieck

    Vektorrechnung

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 4

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Vektoren Linearkombinationen SkalarproduktVektorprodukt (Kreuzprodukt) Spatprodukt

    … und ein praktisches Anwendungsbeispiel!

  • 5

    AnwendungenAnwendungen

    Seneca-Zitat: vor ca. 2000 Jahren(Lucius Annäus Seneca, römischer Philosoph, Berater v. Nero)

    “ Lange ist der Weg durch Lehren ... und wirksam durch Beispiele ”

    ... und wozu dies alles?

    • früher Brückenkurs …• heute Tutorium• Vorbereitung undBegleitung des Studiums!

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    LiteraturLiteratur

    Schneider: Bautabellen für Ingenieure, 16. (aktuelle) Auflage, Werner-Verlag, 2004.

    Kahmen, Heribert: Vermessungskunde.De Gruyter Lehrbuch, 19. Auflage, Berlin, 1997.

    Torge, Wolfgang: Geodäsie.De Gruyter Lehrbuch, 2. Auflage, Berlin, 2003. (1. Auflage 1975)

    Bronstein-Semendjajew: Taschenbuch der Mathematik, Verlag Harri Deutsch, Frankfurt, (1979).(uralt ... heute aktuellere Auflage!)

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    MaßeinheitenMaßeinheiten

    Länge m1 km = 1000 m1 dm = 0,1 m = 10 cm1 cm = 0,01 m1 mm = 0,001 m

    Fläche m2 1 km2 = 1000 m * 1000 m = 106 m21 ha = 100 m * 100 m = 104 m2

    1 a = 10 m * 10 m = 102 m2

    Volumen m31 Kubikmeter = 1m3 = 106 cm31 Liter = 1 l = 1 dm31 gallon (brit) = 1 gal = 4,546 dm31 gallon (usa) = 1 gal = 3,786 dm3

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    MaßeinheitenKonstantenMaßeinheitenKonstanten

    π = 3,14159265359 ...

    200 gon / π = 63,66197724 ... gon (früher ρ − rho in Gon)180 o / π = 57,29577951 ... o (früher ρ − rho in Grad)

    Lichtgeschwindigkeit: cV = 299 792 458 m/sim Vakuum

    also ca: 300 000 km/s

    1 Seemeile = 1852 m1 mile = 1 mi = 1609,344 m1 yard = 1 yd = 3 ft = 0,9144 m1 foot = 1 ft = 12 in = 0,3048 m 1 inch = Zoll “ oder in = 0,0254 m

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    1

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    1 Vollkreis aus 4 rechten Winkeln Zählung rechtsläufig! (r2 > r1)α = r2 - r1

    – Grad (Altgrad) Sexagesimalteilung: 4 * 90o = 360o1o = 60’ ; 1’ = 60 “

    – Gon (Neugrad) Dez. Gonteilung: 4*100 gon=400 gon1 gon = 100c ; 1c = 100cc ; 1 gon = 1000 mgon

    – Bogenmaß dimensionslos * unabhängig von Kreisradius r * nur! abhängig von Größe des Winkels α

    b/r = const = Arc α = Bogenmaß von α

    Der Radiant ist derjenige Winkel, fürden das Längenverhältnis Kreisbogen bzu Radius r den Zahlenwert 1 hat!

    Einheitenzeichen: rad (SI-Einheit)

    MaßeinheitenEbener WinkelMaßeinheitenEbener Winkel

    Richtung r1 zu P1

    Richtung r2 zu P2

    S α br

    U

    b = r arcα

    b/r = 1 rad Winkel rad[gon]: 1 rad=200gon/πProf. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

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    MaßeinheitenEbener WinkelMaßeinheitenEbener Winkel

    Richtung r1 zu P1

    Richtung r2 zu P2

    S α br

    U

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

    1 Vollkreis aus 4 rechten Winkeln Zählung rechtsläufig! (r2 > r1)α = r2 - r1

    – Grad (Altgrad) Sexagesimalteilung: 123° 45‘ 55‘‘ = 123,7652777…°

    – Gon (Neugrad) Dez. Gonteilung: 123, 4561 gon =123 gon +

    456,1 mgon =123 gon +

    45 cNeuminuten

    61 ccNeusekunden

    2

    Beispiele

  • 11

    MaßeinheitenDrehsinn von KoordinatensystemenMaßeinheitenDrehsinn von Koordinatensystemen

    xy

    Regel: “x” dreht über kürzeren Winkel nach “y” ...

    “links herum”

    Uhr12

    “entgegen Uhrzeigersinn”

    • Achsbezeichnung• Quadrantenzählung• Dreifingerregelxy

    Ring

    finge

    r

    Spitze von ZeigefingerBetrachtung “von oben”

    Daumen

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  • 12

    MaßeinheitenKoordinatensystemeMaßeinheitenKoordinatensysteme

    α 0o 360o0 gon 400 gon0 2 π

    90o

    180o

    270 o =

    100 gon

    200 gon

    300 gon =

    π/2

    π

    3π/2

    Mathematisches Systempositiver Winkelentgegen Uhrzeigersinn

    x

    yIII

    III IV

    Geodätisches Systempositiver Winkelim Uhrzeigersinn

    α90o 100 gonπ/2

    0o 360o

    270 o

    0 gon 400 gon

    300 gon

    3π/2

    π

    y

    xIIV

    III II

    180 o = 200 gon =

    0 2 π

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

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    MaßeinheitenKoordinatensystemeMaßeinheitenKoordinatensysteme

    Mathematisches System Geodätisches Systemx dreht über den kürzeren Winkel zu y ... x dreht über den kürzeren Winkel zu y ...

    entgegen dem Uhrzeigersinn„linksrum“

    im Uhrzeigersinn„rechtsrum“

    Konventionelle Systembezeichnung: Linkssystem

    Entspricht: „Schraube rausdrehen“dh. z-Achse zeigt ins Blatt hinein!!! (Mechanik)

    Konventionelle Systembezeichnung: Rechtssystem

    Entspricht: „Schraube eindrehen“dh. z-Achse zeigt ins Blatt hinein!!! (Mechanik)

    Systematische Systembezeichnung: Rechtssystem

    dh. z-Achse zeigt aus Blatt heraus!!!

    Systematische Systembezeichnung: Linkssystem

    dh. z-Achse zeigt aus Blatt heraus!!!

    xy

    x=Hochwert

    y=Rechtswert

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    MaßeinheitenEbener WinkelMaßeinheitenEbener Winkel

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    Umrechnung: Grad-Gon-Bogenmaß (dimensionslos) mit U=2 πr folgt:

    U / 400 gon = 2 πr / 400 gon =U / 360o = 2 πr / 360o =

    b / α gon = b / α gon =b / α o b / α o

    umgestellt nach b/r folgt:

    b/r = const = Arc α = π / 200 gon * α gon= π / 180o * α o

    speziell für r=1: Bogenmaß arc α = Länge des Kreisbogenstückes b!für beliebigen Radius gilt: arc α = b1/r1 = b2/r2 = ...

    1 Vollwinkel =360 o ... entsprechen 400 gon ... entsprechen 2 π (in Einheit rad)

  • 15

    PlanimetriePlanimetrie

    Beliebiges DreieckDie Summe der Innenwinkel eines Dreiecks beträgt 180o = 200 gon:α + β + γ = 180o = 200 gon

    Rechtwinkliges Dreieck: γ = 90oα β

    γ

    A

    C

    Bab

    c

    α β

    γ

    A

    C

    B

    ab

    c

    h

    qp

    .

    Katheten: a,b ... schließen den rechten Winkel einHypotenuse: c ... liegt dem rechten Winkel gegenüberHypotenusenabschnitte: p,q ... Projektion der Katheten auf Hyp.Höhe: h

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  • 16

    PlanimetrieLehrsätzePlanimetrieLehrsätze

    Satz des Pythagoras:a2 + b2 = c2

    Kathetensatz (Euklid):b2 = p * c und a2 = q * c

    Höhensatz (Euklid):h2 = p * q

    1. und 2. Binomische Formel:(a+b)2 = a2 + 2ab + b2(a-b)2 = a2 - 2ab + b2

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

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  • 17

    PlanimetrieDarstellung der LehrsätzePlanimetrieDarstellung der Lehrsätze

    Satz des Pythagoras:a2 + b2 = c2

    1. und 2. Binomische Formel:(a+b)2 = a2 + 2ab + b2(a-b)2 = a2 - 2ab + b2

    c2

    a2b2

    a b

    a2b2

    a

    b a*b

    a*b (a-b)2

    b2

    a

    ba-b

    a-b

    a

    a2

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 18

    PlanimetrieDarstellung der LehrsätzePlanimetrieDarstellung der Lehrsätze

    Satz des Pythagoras:a2 + b2 = c2

    Beweismit 1. BinomischerFormel:(a + b)2 =a2 + 2ab + b2 =

    aus Zeichnung ...

    c2 + 4(ab/2) =c2 + 2ab

    c2

    a2b2

    c2

    a a

    aa

    b

    b

    b

    b

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

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  • 19

    Planimetrieabgeleitete GrößenPlanimetrieabgeleitete Größen

    Hypotenusenabschnitte:p = (b2 - a2 + c2)/(2c)q = (c2 - b2 + a2)/(2c)

    Kontrolle: p + q = c

    Höhe:h = (b2 - p2)1/2h = (a2 - q2)1/2

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 20

    PlanimetrieFlächenberechnungenPlanimetrieFlächenberechnungen

    Quadrat: F = a2

    Rechteck: F = a * bParallelogramm: F = a * h

    a

    c

    d bh

    Trapez: F= h(a+c)/2

    a

    c

    h

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  • 21

    PlanimetrieFlächenberechnungenallgemeines Dreieck

    PlanimetrieFlächenberechnungenallgemeines Dreieck

    Heron’sche Flächenformel:

    F= ( s(s-a)(s-b)(s-c) )1/2mit s = (a+b+c)/2

    Höhenformel:

    F= ( a * ha)/2 mit ha Höhe mit Fußpunkt auf Seite aF= ( b * hb)/2 mit hb Höhe mit Fußpunkt auf Seite b F= ( c * hc)/2 mit hc Höhe mit Fußpunkt auf Seite c

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

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  • 22

    TrigonometrieRechtwinkliges Dreieck: β = 90oTrigonometrieRechtwinkliges Dreieck: β = 90o

    αA

    C

    B

    b

    c

    a

    .

    Wird ein Strahlenbüschel(Strahl A-B-B’ und Strahl A-C-C’)durch eine Parallelenschar(Linie B-C und Linie B’-C’)geschnitten, so entstehenähnliche Dreiecke.

    C’

    B’

    a’

    c’

    b’

    β

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  • 23

    TrigonometrieÄhnliche DreieckeTrigonometrieÄhnliche Dreiecke

    2 Figuren sind ähnlich, wenn sie in der Form ihrer Fläche übereinstimmen!

    2 Winkel

    Übereinstimmungim Verhältnis zweierSeiten u. eingeschl.Winkel.

    Übereinstimmungim Verhältnis zweierSeiten u. Gegenwinkelder größeren Seite.

    Übereinstimmungim Verhältnis der dreiSeiten.

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  • 24

    TrigonometrieRechtwinkliges Dreieck: β = 90oTrigonometrieRechtwinkliges Dreieck: β = 90o

    Gegenka thete

    αA

    C

    B

    b

    c

    a

    .

    C’

    B’

    a’

    c’

    b’

    β

    Hypot

    enuse

    Ankathete

    In diesen Dreiecken ist das Verhältnis der Seiten zueinander gleich,nur von α (Winkel im Schnittpunkt des Strahlenbüschels) abhängig!und unabhängig vom Dreieck!

    a/b = a’/b’= ... = Gegenkathete/Hypotenusec/b = c’/b’= ... = Ankathete/Hypotenuse a/c = a’/c’= ... = Gegenkathete/Ankathete

    für α:

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 25

    TrigonometrieWinkelfunktionenTrigonometrieWinkelfunktionen

    αA

    C

    B

    b

    c

    a.

    Definition: Für 0 < α < 90o sin α := a/b = Gegenkathete/Hypotenusecos α := c/b = Ankathete/Hypotenuse tan α := a/c = Gegenkathete/Ankathete = sin α / cos αcot α := 1/ tan α = c/a = Ankathete/Gegenkathete

    Funktionswerte:α o gon sin α Merke! cos α

    0 0 0 0 1/2 √0 1π/6 30o 200/6 1/2 1/2 √1 1/2 √3 π/4 45o 50 1/2 √2 1/2 √2 1/2 √2 π/3 60o 200/3 1/2 √3 1/2 √3 1/2π/2 90o 100 1 1/2 √4 0

    Periode:sin u. cos: Funktionsbild wiederholt sich nach 2π/ 360o / 400 gonsin (x+2π ) = sin x und cos (x+2π ) = cos x

    tan u. cot: Funktionsbild wiederholt sich nach π/ 180o / 200 gon

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

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  • 26

    TrigonometrieGoniometrische Gleichungen(Goniometrie = Trigonometrie, die sich mit Winkelfunktionen befaßt!)

    TrigonometrieGoniometrische Gleichungen(Goniometrie = Trigonometrie, die sich mit Winkelfunktionen befaßt!)

    Trigonometrischer Pythagoras:sin2 α + cos2 α = 1

    Additionstheoreme:sin (α+β) = sin α cos β + cos α sin β sin (α−β) = sin α cos β − cos α sin β cos (α+β) = cos α cos β − sin α sin β cos (α−β) = cos α cos β + sin α sin β

    tan (α+β) = (tan α + tan β)/(1− tan α tan β )tan (α−β) = (tan α − tan β)/(1+ tan α tan β )

    αA

    C

    B

    b

    c

    a.

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 27

    TrigonometrieGoniometrische Gleichungen(Goniometrie = Trigonometrie, die sich mit Winkelfunktionen befaßt!)

    TrigonometrieGoniometrische Gleichungen(Goniometrie = Trigonometrie, die sich mit Winkelfunktionen befaßt!)

    hieraus folgt:

    sin 2α = 2 sin α cos α doppeltes Argumentsin α = 2 sin α/2 cos α/2

    cos 2α = 1 − 2 sin2 α doppeltes Argument= cos2 α − sin2 α = 2cos2 α − 1

    tan 2α = 2 tan α / (1− tan2 α) doppeltes Argument

    (analog: Formeln für halbes Argument und n-faches Argument)

    sin α + sin β = 2 sin (α+β)/2 cos (α−β)/2 sin α − sin β = 2 cos (α+β)/2 sin (α−β)/2 cos α + cos β = 2 cos (α+β)/2 cos (α−β)/2 cos α − cos β = 2 sin (α+β)/2 sin (α−β)/2

    αA

    C

    B

    b

    c

    a.

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 28

    TrigonometrieDreieckstypenTrigonometrieDreieckstypen

    rechtwinklig:

    spitzwinklig:

    stumpfwinklig:

    gleichseitig:

    gleichschenklig:

    .

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 29

    TrigonometrieSchiefwinkliges DreieckTrigonometrieSchiefwinkliges Dreieck

    αA

    C

    B

    b

    c

    a

    β

    γSinussatz:a/b = sin α / sin β a/c = sin α / sin γb/c = sin β / sin γ

    Cosinussatz:a2 = b2 + c2 - 2bc cos αb2 = a2 + c2 - 2ac cos βc2 = a2 + b2 - 2ab cos γ

    bzw.

    cos α = (b2 + c2 - a2 )/(2bc)cos β = (a2 + c2 - b2 )/(2ac)cos γ = (a2 + b2 - c2 )/(2ab)

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

    8

  • 30

    TrigonometrieSchiefwinkliges DreieckTrigonometrieSchiefwinkliges Dreieck

    αA

    C

    B

    b

    c

    a

    β

    γ

    Projektionssatz:Berechnung einer Dreiecksseite (z.B. c), wenn die beiden anderenDreiecksseiten (z.B. a und b) und ihre Gegenwinkel (z.B. α und β) gegeben sind.

    a = b cos γ + c cos β b = a cos γ + c cos α c = a cos β + b cos α

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

    9

  • 31

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Vektoren Linearkombinationen SkalarproduktVektorprodukt (Kreuzprodukt) Spatprodukt

    … und ein praktisches Anwendungsbeispiel!

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 32

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Vektoren allgemein

    Notation alternativ- v (fett)

    … im weiteren verwendet!

    - v mit → darüber- v mit ~ darunter

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 33

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Ortsvektor eines Punktes in der Ebene, aufgespannt durch die Einheitsvektoren e1, e2

    - Einheitsvektorene1, e2

    v = v1 · e1 + v2 · e2 - v = [v1 v2] e1

    e2

    e1

    e2

    e1

    e2

    v1

    v2

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 34

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Ortsvektor eines Punktes im Raum, aufgespannt durch die Einheitsvektoren e1, e2 , e3

    - Einheitsvektorene1, e2 , e3

    - v = v1 · e1 + v2 · e2 + v3 · e3 - v = [v1 v2 v3] e1

    e2e3

    e1

    e3 e2

    e1

    e3 e2 v3

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 35

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Vektoren Linearkombinationen SkalarproduktVektorprodukt (Kreuzprodukt) Spatprodukt

    … und ein praktisches Anwendungsbeispiel!

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 36

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Linearkombination:Addition von Vektoren in der Ebene

    - a = a1 · e1 + a2 · e2- b = b1 · e1 + b2 · e2

    - a+b = [a1+b1 a2+b2] e1e2

    e1

    e2 ab

    Parallel zu b

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 37

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Linearkombination:Zahlenbeispiel für Addition von Vektoren in der Ebene

    - a = 1 · e1 + 0 · e2- b = 0 · e1 + 1 · e2

    - a+b = [1 1] e1e2

    e1

    e2

    a

    b

    Parallel zu b

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 38

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Linearkombination:Subtraktion von Vektoren in der Ebene

    - a = a1 · e1 + a2 · e2- b = b1 · e1 + b2 · e2

    - a-b = [a1-b1 a2-b2] e1e2

    e1

    e2 ab

    Parallel zu b – umgekehrte Richtung

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 39

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Linearkombination:Zahlenbeispiel für Subtraktion von Vektoren in der Ebene

    - a = 2 · e1 + 1 · e2- b = 1 · e1 + 1 · e2

    - a-b = [1 0] e1e2

    e1

    e2a

    b Parallel zu b – umgekehrte Richtung

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 40

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Linearkombination:Addition und Subtraktion von Vektoren im Raum analog

    - a = a1 · e1 + a2 · e2 + a3 · e3 - b = b1 · e1 + b2 · e2 + b3 · e3

    - a+b = [a1+b1 a2+b2 a3+b3] e1e2e3

    - a-b = [a1-b1 a2-b2 a3-b3] e1e2e3

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  • 41

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Vektoren Linearkombinationen SkalarproduktVektorprodukt (Kreuzprodukt) Spatprodukt

    … und ein praktisches Anwendungsbeispiel!

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  • 42

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Skalarprodukt- a = a1 · e1 + a2 · e2 + a3 · e3 - b = b1 · e1 + b2 · e2 + b3 · e3

    - a * b = a1b1 + a2b2 + a3b3= |a| |b| cos α

    mit α= eingeschlossener Winkel von a und b!

    |v| … Betrag (Länge) des Vektors a

    Interpretation:= 0 : Vektoren stehen senkrecht!

    Verwendung zur Berechnung des eingeschlossenen Winkels zweier Vektoren!

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  • 43

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Vektoren Linearkombinationen SkalarproduktVektorprodukt (Kreuzprodukt)Spatprodukt

    … und ein praktisches Anwendungsbeispiel!

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 44

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Vektorprodukt- a = a1 · e1 + a2 · e2 + a3 · e3 - b = b1 · e1 + b2 · e2 + b3 · e3

    - a × b = (a2b3 - a3b2) · e1 + (a3b1 - a1b3) · e2 + (a1b2 - a2b1) · e3

    mit ^ oder × für Kennzeichnung der Operation „Kreuzprodukt“

    Interpretation:Das Vektorprodukt zweier Vektoren in einem dreidimensionalen euklidischen Vektorraum ist ein bestimmter Vektor, der normal (senkrecht im Sinne des Skalarprodukts) auf der von aund b aufgespannten Ebene steht. Die Länge dieses Vektors entspricht der Fläche des Parallelogramms mit den Seiten a und b .

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  • 45

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Vektoren Linearkombinationen SkalarproduktVektorprodukt (Kreuzprodukt) Spatprodukt

    … und ein praktisches Anwendungsbeispiel!

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 46

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Spatprodukt - a = a1 · e1 + a2 · e2 + a3 · e3 - b = b1 · e1 + b2 · e2 + b3 · e3 - c = c1 · e1 + c2 · e2 + c3 · e3

    V = c · (a × b)

    Interpretation:Skalarprodukt eines Vektors mit dem Vektorprodukt zweier anderer Vektoren Wir erhalten einen Skalar, der auch Spatproduktgenannt wird. Der resultierende Skalar ergibt das Volumen des von den drei Vektoren gebildeten Parallelepipeds.

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  • 47

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrie

    Vektoren Linearkombinationen SkalarproduktVektorprodukt (Kreuzprodukt) Spatprodukt

    … und ein praktisches Anwendungsbeispiel!

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

  • 48

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    1. Die Aufgabe

    Kiste11

    25

    1

    3

    2

    Kiste2

    Bestimme die Länge der Basis (rot) und ihre Komponenten in einem Koordinatensystem, welches durch die Lage von Kiste1 definiert ist!

    Weder das Zentrum von Kiste1 noch das von Kiste2 sind direkt zugänglich. Das Koordinatensystem ist in Kiste1 gelagert. Die Lösung soll für jede beliebige Lagerung von Kiste1 Gültigkeit besitzen.

    Für die Lösung verwendet werden sollen Beobachtungen mit einer Totalstation und elementare Vektorrechnung.

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  • 49

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    2. Lösungskonzept

    Kiste11

    25

    1

    3

    2

    Instrumentensystem

    Kiste2

    • Definition eines „übergeordneten“ Bezugssystems, von dem aus sowohl Kiste1 als auch Kiste2 sichtbar sind

    := Instrumentensystem

    • Bestimmung der Koordinaten der Kiste1 und der Kiste2 mit einer Totalstation und geeigneten Reflektoren im Instrumentensystem

    • Berechnung des Basisvektors im Instrumentensystem

    • Transformation des Basisvektors in das System von Kiste1.

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  • 50

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    3. Instrumentensystem

    Kiste11

    25

    Kiste2

    1

    3

    2

    Instrumentensystem

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  • 51

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    4. Messpunkte Kiste2

    Kiste2

    4 Reflektor-standpunkte

    Oberfläche Kiste2Grundriss:

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    Aufriss: ∆z

    2 Mal halbe Diagonale +Mittelung + ∆z

  • 52

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    5. Kiste1

    Kiste11

    25

    Prof. Dr.-Ing. Monika Jarosch * Universität Siegen * Mathematische Grundlagen der Vermessung

    1

    23

    Grundriss: Aufriss:5 („oben“)

    4

    6 („unten“)

    51

    2

    Kiste1völlig beliebige Lage im Raum!

  • 53

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    6. Kiste1 SystemorientierungZentrum innerhalb

    über Konstruktionsbeschreibungeindeutig definiert,

    Jedoch nicht unmittelbar zugänglich!

    Kiste11

    25

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    1

    24

    3Grundriss: Aufriss:

    5 („oben“)

    6 („unten“)

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    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    7. Kiste1-Messpunkte

    Kiste11

    2

    5 Achsen des Systems von Kiste1!

    Definition durchKoordinaten derMesspunkte in diesemSystem.

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    1

    24

    3Grundriss: Aufriss:

    5 („oben“)

    6 („unten“)

  • 55

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    8. Klassifikation der Bestimmungsgrößen

    Kiste11

    2

    5

    Unterscheidung:• Systemspezifische Komponenten (abh. von Einbau der Kiste1)Koordinaten von im System der Kiste1

    • Messgrößen (Koordinaten aus Messung mit Totalstation)Koordinaten von im Instrumentensystem

    Forderung:• Systemspezifische Komponenten• Messgrößen werden als Input angeboten

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  • 56

    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    9. Beurteilung der Bestimmungsgrößen

    Kiste11

    2

    5

    Wertung:

    • Systemspezifische Komponenten*(Mess-)fehlerfrei*

    • Messgrößen werden als Input angeboten *(Mess-)fehlerbehaftet*

    • Instabile Definition des Systems!!

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    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    10. Komposition der definierten Elemente:Berechnung des Basisvektors im Instrumentensystem

    Kiste11 2

    5

    Instrumentensystem

    Basisvektor

    Ortsvektor der Projektion des Zentrums von Kiste1auf Oberfläche

    Konstruierter Normalenvektor der Oberfläche von Kiste1

    Ortsvektor des Diagonalenschnittpunkts der Messpunkte auf Kiste2

    Konstruierter Normalenvektor der Fläche derMesspunkte auf Kiste1

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    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    11. Transformation des Basisvektors vom Instrumentensystemin das System von Kiste1

    Kiste11

    2

    5

    Passpunkte:• Systemspezifische Komponenten (abh. von Einbau der Kiste1)Koordinaten von im System Kiste1

    • Messgrößen (Koordinaten aus Messung mit Totalstation)Koordinaten von im Instrumentensystem

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    Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel!

    12. Kontrollkriterien

    Kiste11

    2

    5

    • Realisierung der Oberfläche von Kiste1

    • Basisidentität bei simulierten (fehlerfreien) Messpunkten und hieraus vorgegebenen Koordinaten im Instrumentensystem(Demodaten)

    • Genauigkeitsaussage bei realen (fehlerbehafteten) Messpunkten und hieraus ermittelten Koordinaten im Instrumentensystem

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    Mathematische Grundlagen der VermessungMathematikInhaltsverzeichnisVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieAnwendungenLiteraturMaßeinheitenMaßeinheitenKonstantenMaßeinheitenEbener WinkelMaßeinheitenEbener WinkelMaßeinheitenDrehsinn von KoordinatensystemenMaßeinheitenKoordinatensystemeMaßeinheitenEbener WinkelPlanimetriePlanimetrieLehrsätzePlanimetrieDarstellung der LehrsätzePlanimetrieDarstellung der LehrsätzePlanimetrieabgeleitete GrößenPlanimetrieFlächenberechnungenPlanimetrieFlächenberechnungenallgemeines DreieckTrigonometrieRechtwinkliges Dreieck: b = 90oTrigonometrieÄhnliche DreieckeTrigonometrieRechtwinkliges Dreieck: b = 90oTrigonometrieWinkelfunktionenTrigonometrieGoniometrische Gleichungen(Goniometrie = Trigonometrie, die sich mit Winkelfunktionen befaßt!)TrigonometrieGoniometrische Gleichungen(Goniometrie = Trigonometrie, die sich mit Winkelfunktionen befaßt!)TrigonometrieDreieckstypenTrigonometrieSchiefwinkliges DreieckTrigonometrieSchiefwinkliges DreieckVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der GeometrieVektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 1.Die AufgabeVektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 2.LösungskonzeptVektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 3.InstrumentensystemVektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 4. Messpunkte Kiste2Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 5.Kiste1Vektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 6. Kiste1 SystemorientierungVektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 7. Kiste1-MesspunkteVektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 8. Klassifikation der BestimmungsgrößeVektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 9. Beurteilung der BestimmungsgrößenVektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 10. Komposition der definierten ElementVektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 11. Transformation des Basisvektors vomVektorrechnung mit Anwendungen in der Geometrieein praktisches Anwendungsbeispiel! 12. Kontrollkriterien