* entsprechend der [[heilige Geometrie|heiligen Geometrie]] die erste räumliche geometrische Ausgestalt aufgrund des pythagoräischen Tetraktys und erster platonische Körper:
* entsprechend der [[heilige Geometrie|heiligen Geometrie]] die erste räumliche geometrische Ausgestalt aufgrund des pythagoräischen Tetraktys und erster platonische Körper:
Das allgemeine Tetraeder wird je nach [https://de.wikipedia.org/wiki/Symmetrie_(Geometrie) Symmetrie] als ''dreiseitige [https://de.wikipedia.org/wiki/Pyramide_(Geometrie) Pyramide]'', '''Dreieckpyramide''',<sup id="cite_ref-1" class="reference">[https://de.wikipedia.org/wiki/Tetraeder#cite_note-1 [1]]</sup> ''[https://de.wikipedia.org/wiki/Disphenoid Disphenoid]'' oder ''[https://de.wikipedia.org/wiki/Dreidimensional dreidimensionales][https://de.wikipedia.org/wiki/Simplex_(Mathematik) Simplex]'' bezeichnet.
Das allgemeine Tetraeder wird je nach [[Symmetrie (Geometrie)|Symmetrie]] als ''dreiseitige [[Pyramide (Geometrie)|Pyramide]]'', '''Dreieckpyramide''',<sup id="cite_ref-1" class="reference">[https://de.wikipedia.org/wiki/Tetraeder#cite_note-1 [1]]</sup> ''[[Disphenoid]]'' oder ''[[Dreidimensional|dreidimensionales]][[Simplex (Mathematik)|Simplex]]'' bezeichnet.
¦√¦ griech. tetrás "vier" + hédra "Sitz, Ansicht, Fläche eines geometrischen Körpers";
¦√¦ griech. tetrás "vier" + hédra "Sitz, Ansicht, Fläche eines geometrischen Körpers";
¦√¦ griech. tetrás "vier" + hédra "Sitz, Ansicht, Fläche eines geometrischen Körpers";
¦↵¦ griech. tetrás "vier" + hédra "Sitz, Ansicht, Fläche eines geometrischen Körpers"; tetra- + -hedron; griech. tetráedron "Dreickespyramide aus vier Punkten, drei Punkte unten zu Dreiecksfläche unten + ein Punkt oben"; ital . tetra- (téttares) + -edro (-hedron) From Ancient Greekτετράεδρον(tetráedron, “triangle-based pyramid”), from τετράεδρος(tetráedros), from τετράς(tetrás, “four”) + ἕδρα(hédra, “seat”); synchronically analyzable as tetra- + -hedron.
8 Drehungen um 120° (4 mögliche Drehachsen durch jeweils eine Ecke und den Mittelpunkt der gegenüberliegenden Dreiecksfläche, 2 Möglichkeiten für den Drehsinn) und
3 Drehungen um 180° (Drehachsen jeweils durch die Mittelpunkte zweier gegenüberliegender Kanten)
sowie
12 ungerade Permutationen. Diese erhält man, indem man nach jeder der 12 geraden Permutationen noch die Spiegelung an einer festen Symmetrieebene durchführt. 6 davon lassen sich auch als eine reine Ebenenspiegelung beschreiben, die anderen sechs als Drehspiegelungen von Drehung um 90° um eine Achse, die durch die Mittelpunkte zweier gegenüberliegender Kanten verläuft, und Spiegelung an der zu dieser Achse senkrechten Ebene, die den Mittelpunkt zwischen den beiden gegenüberliegenden Kanten beinhaltet.
Euklid beschreibt und beweist im dreizehnten Buch seines Werkes Elemente, unter Proposition 13, die Konstruktion des Tetraeders.
„Ein Tetraeder einer Kugel mit gegebenem Durchmesser einbeschreiben.
Das Quadrat über dem Durchmesser der Kugel ist dann gleich dem
einundeinhalbfachen Quadrat über der Kante des Tetraeders.“
Gegeben sei eine Umkugel, z. B mit dem Radius gleich und deren Mittelpunkt . Beim Bestimmen der und Achsen eines kartesischen Koordinatensystems ergeben sich die Punkte und auf der Oberfläche der Umkugel.
Vorab ist aus einem rechtwinkligen Dreieck die Kantenlänge des Tetraeders zu ermitteln. Hierzu wird zuerst der Umkreisbogen eingezeichnet. Das anschließend konstruierte rechtwinklige Dreieck liefert mit der Kathete die Höhe sowie als Hypotenuse die Kantenlänge des Tetraeders.[3]
Für die eigentliche Konstruktion reichen drei Hauptschritte aus. Es beginnt mit dem Ziehen des ersten Kreises um Mittelpunkt mit Richtung Achse und Radius . Anschließend wird der erste Eckpunkt beliebig auf dem Kreis positioniert. Der darauffolgende zweite (nicht eingezeichnete) Kreis mit Richtung parallel zur Achse und Radius gleich der Kantenlänge um , liefert die beiden noch fehlenden Eckpunkte und . Nach dem abschließenden Verbinden der benachbarten Eckpunkte ist das Tetraeder fertiggestellt.
Weitere Eigenschaften
Verhältnis zu Oktaeder, Würfel, archimedischen Körpern
Durch Verbinden der Flächenmittelpunkte erhält man wieder ein Tetraeder (siehe Abbildung). Man sagt deshalb: Das Tetraeder ist zu sich selbst dual, kurz: selbst-dual. Die Seitenlänge des einbeschriebenen Tetraeders beträgt ein Drittel der ursprünglichen Seitenlänge.
Mit Hilfe dieser beiden Tetraeder können Körper konstruiert werden, die ebenfalls die Tetraedergruppe als Symmetriegruppe haben. So erhält man zum Beispiel
Das Tetraeder kann in einen Würfel (Hexaeder) so einbeschrieben werden, dass seine Ecken zugleich Würfelecken und seine Kanten Diagonalen der Würfelflächen sind (siehe Abbildung). Das Volumen dieses Würfels ist das Dreifache des Tetraedervolumens. Die 8 Ecken des Würfels bilden zwei disjunkteMengen von je vier Ecken, die den beiden möglichen Lagen des Tetraeders entsprechen.
Wird ein Oktaeder von einem Tetraeder umschrieben, sind die sechs Ecken des Oktaeders die Mittelpunkte der sechs Tetraederkanten und vier der acht Oktaederflächen liegen in den Seitenflächen eines der beiden möglichen Tetraeder.[4]
Tetraeder umschreibt Oktaeder
Querschnitt
(Siehe hierzu Wall of Fire: Tetrahedron (Video))[5]
Das regelmäßige Tetraeder kann so in zwei Teile geschnitten werden, dass die Schnittfläche ein Quadrat ergibt. Dabei entspricht die Seitenlänge des Quadrats der halben Kantenlänge des Tetraeders. Hierfür wird der Querschnitt so gelegt, dass wie – im Bild 1 dargestellt – die Schnittebeneparallel zu zwei gegenüberliegenden Kanten und durch die Mitten der vier Kanten verläuft. Die somit entstehenden Teile des Tetraeders sind zueinander kongruent.[6] Liegt die Schnittebene parallel zu zwei gegenüberliegenden Kanten, aber nicht in der Mitte der Kanten, ergibt der Querschnitt ein Rechteck (Bild 2).
Verschiebt man zwei benachbarte Eckpunkte eines virtuellen Quadrats entlang der Tetraederkanten gleich weit, ergibt der Querschnitt ein Trapez (Bild 3). Darüber hinaus können zwei gegenüberliegende Eckpunkte dieses Quadrats entlang der Tetraederkanten so gleich weit verschoben werden, dass der Querschnitt ein Drachenviereck (Bild 4) ergibt.
Die Einbettung des Tetraeders in einen Würfel bietet eine einfache Möglichkeit, ein regelmäßiges Tetraeder zu konstruieren. Bezeichnen wir die Eckpunkte des Würfels an der Basis mit und sowie die darüberliegenden Eckpunkte mit und , so bilden und sowie und jeweils die Ecken eines Tetraeders. Betrachtet man z. B. in einem räumlichen kartesischen Koordinatensystem den Würfel, dessen Ecken die Koordinaten und haben, so erhält man für das erste Tetraeder die Ecken
Aus der Zeichnung erkennt man die Radien der Um-, In- und Kantenkugeln:
Die Kantenkugel berührt die Kanten in ihren Mittelpunkten:
Winkel
Der Winkel zwischen zwei Dreiecksebenen ergibt sich (siehe Bild) aus
Der Winkel zwischen einer Kante und einer Dreiecksebene:
Für den Tetraederwinkel , unter dem man eine Kante vom Mittelpunkt aus sieht, gilt
Der Tetraederwinkel spielt in der Chemie eine wichtige Rolle, beispielsweise bei der Geometrie des Methan-Moleküls.
Oberfläche, Volumen
Die Oberfläche des Tetraeders ist die Summe der 4 Dreiecksflächen. Die Fläche eines regelmäßigen 3-Ecks ist
. Damit ist die
Oberfläche des Tetraeders: .
Das Volumen des Tetraeders ist das Volumen der Pyramide mit der Grundfläche und der Höhe :
Volumen des Tetraeders .
Raumwinkel in den Ecken
Raumwinkel mit Einheitskugel
Der Raumwinkel in einer Tetraederecke ist der Flächeninhalt des in dem Bild durch rote Punkte markierten sphärischen Dreiecks, das die Kanten einer Ecke auf der Einheitskugel an dieser Ecke ausstechen. Die Winkel dieses sphärischen Dreiecks sind bei einem regulären Tetraeder alle gleich dem Winkel (siehe oben) zwischen zwei Dreiecksebenen.
Das Tetraeder hat zwei Netze (siehe Abbildungen)[7] Das heißt, es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten, ein hohles Tetraeder durch Aufschneiden von 3 Kanten aufzuklappen und in der Ebene auszubreiten. Die anderen 3 Kanten verbinden jeweils die 4 gleichseitigen Dreiecke des Netzes. Um ein Tetraeder so zu färben, dass keine benachbarten Flächen dieselbe Farbe haben, braucht man 4 Farben.
Graphen, duale Graphen, Zyklen, Färbungen
Das Tetraeder hat einen ihm zugeordneten ungerichteten planaren Graphen mit 4 Knoten, 6 Kanten und 4 Gebieten. Dies ist der vollständige Graph K4. Er ist 3-regulär, d. h. von jedem Knoten gehen 3 Kanten aus, sodass der Grad für alle Knoten gleich 3 ist. Bei planaren Graphen ist die genaue geometrische Anordnung der Knoten unwesentlich. Wichtig ist allerdings, dass sich die Kanten nicht schneiden müssen. Die Knoten dieses Tetraedergraphen entsprechen den Ecken des Tetraeders.
Färbungen veranschaulicht
Die Knoten des Tetraedergraphen können mit 4 Farben so gefärbt werden, dass benachbarte Knoten immer unterschiedlich gefärbt sind, denn alle Knoten sind benachbart. Dies bedeutet, dass die chromatische Zahl dieses Graphen gleich 4 ist (siehe Knotenfärbung). Außerdem können die Kanten mit 3 Farben so gefärbt werden, dass benachbarte Kanten immer unterschiedlich gefärbt sind (siehe Abbildungen). Mit 2 Farben ist das nicht möglich, sodass der chromatische Index für die Kantenfärbung gleich 3 ist (das nebenstehende Bild veranschaulicht diese Färbungen).
Um die entsprechende nötige Anzahl der Farben für die Flächen oder Gebiete zu bestimmen, ist der duale Graph hilfreich, der in diesem Fall selbst ein Tetraedergraph mit 4 Knoten, 6 Kanten und 4 Gebieten ist. Die Knoten dieses Graphen werden dabei den Gebieten des ursprünglichen Tetraedergraphen eineindeutig (bijektiv) zugeordnet und umgekehrt (siehe bijektive Funktion und Abbildung oben). Die Knoten des dualen Tetraedergraphen können wie gesagt offensichtlich nur mit 4 Farben so gefärbt werden, dass benachbarte Knoten immer unterschiedlich gefärbt sind. Daraus lässt sich indirekt schließen: Weil die chromatische Zahl gleich 4 ist, sind 4 Farben für eine solche Flächenfärbung des Tetraeders oder eine Färbung der Gebiete des Tetraeders nötig.
Die 3 aufgeschnittenen Kanten jedes Netzes (siehe oben) bilden zusammen mit den Ecken (Knoten) einen Spannbaum des Tetraedergraphen. Jedes Netz entspricht genau einem Spannbaum und umgekehrt, sodass hier eine eineindeutige (bijektive) Zuordnung zwischen Netzen und Spannbäumen besteht. Wenn man ein Tetraedernetz ohne das äußere Gebiet als Graphen betrachtet, erhält man als dualen Graphen jeweils einem Baum mit 4 Knoten und 3 Kanten und dem maximalen Knotengrad 3. Jede Fläche des Tetraeders wird dabei einem Knoten des Baums zugeordnet. Dabei kommen die 2 graphentheoretischen Konstellationen (siehe Isomorphie von Graphen) jeweils einmal vor.
In der Chemie spielt das Tetraeder bei der räumlichen Anordnung von Atomen in Verbindungen eine große Rolle. Einfache Molekülgestalten lassen sich mit dem VSEPR-Modell vorhersagen. So sind die vier Wasserstoffatome im Methanmolekül tetraedrisch um das Kohlenstoffatom angeordnet, da so der Bindungswinkel am größten wird. Auch die Kohlenstoffatome im Diamantgitter sind tetraedrisch angeordnet, jedes Atom ist von vier weiteren Atomen umgeben. Das Kohlenstoff-Atom befindet sich dann nach dem Orbital-Modell in sp3-Hybridisierung.
Das Tetraeder war auch für den Tetra Pak wegen dessen ursprünglicher Form namensgebend.
Alexander Graham Bell hat mit vielzelligen Kastendrachen (Flugdrachen) experimentiert, deren Einzelzellen die Form eines Tetraeders haben. Diese meist imposanten Drachen werden als „Bell-Tetraeder“ bezeichnet. Meistens werden 4 oder 10 oder 20 Einzelzellen zu einem Verbund zusammengefügt, welcher dann auch wieder die Form eines Tetraeders hat. Es sind aber auch andere Verbundformen möglich.
Weitere technische Anwendungen lehnen sich an die Struktur an, die sich durch die vom Tetraederzentrum in die vier Raumecken weisenden Strecken ergibt:
Tetrapoden, die an Küsten als Wellenbrecher eingesetzt werden
sog. Krähenfüße, eine Defensivwaffe, die von Polizei und Militär gegen Autos eingesetzt wird, um deren Reifen platzen zu lassen.
Ein Tetraeder im allgemeinen Sinn, also ein Körper mit vier Seitenflächen, ist immer eine dreiseitige Pyramide, also mit einem Dreieck als Grundfläche und drei Dreiecken als Seitenflächen, und hat daher auch vier Ecken sowie sechs Kanten. Da er die für einen Körper im Raum kleinste mögliche Zahl von Ecken und Seiten hat, wird er in der Fachsprache dreidimensionalesSimplex oder 3-Simplex genannt. Die zweidimensionalen Simplexe sind die Dreiecke.
Eine Gerade durch die Mittelpunkte zweier gegenüberliegender Kanten enthält den Schwerpunkt. Der Schwerpunkt halbiert die Strecke (Satz von Reusch).
Jedes 3-Simplex ist die konvexe Hülle seiner vier Ecken.
Es ist das einzige bekannte Polyeder neben dem Szilassi-Polyeder, bei dem alle Seiten zueinander benachbart sind.
Jedes Tetraeder kann in zwei (volumen)gleiche ähnliche Tetraeder sowie zwei (volumen)gleiche unähnliche Prismen zerteilt werden (Elemente XII, 3).
Im kann ein Tetraeder auch durch einen Punkt und den drei Vektoren zu den angrenzenden Punkten beschrieben werden. Bezeichnet man diese Vektoren mit , so berechnet sich das Volumen des Tetraeders mit , also des Betrags des Spatproduktes.
Die Summe der einheitlich nach außen oder innen weisenden Normaleneinheitsvektoren, die mit dem Inhalt der Fläche multipliziert werden, auf der sie stehen, ist der Nullvektor, denn
Berechnung eines beliebigen Tetraeders
Ein Tetraeder besitzt 6 Kanten. Ein Dreieck ist durch die Angabe dreier Seitenlängen bestimmt. Jede weitere Kante kann in gewissen Grenzen frei gewählt werden. Liegen also 6 voneinander unabhängige Angaben zur Größe von Kanten oder Winkeln vor, kann man daraus die jeweils fehlenden übrigen Kanten oder Winkel berechnen.
Sind die Kantenlängen der dreieckigenGrundfläche des Tetraeders und die Längen der im Raum gegenüberliegenden Kanten, dann gilt für das Volumen des Tetraeders:
Der Flächeninhalt eines Dreiecks mit gegebenen Seitenlängen kann einzeln berechnet werden. Die Summe der Flächeninhalte der 4 Dreiecke ergibt den Oberflächeninhalt des Tetraeders. Für den Flächeninhalt der dreieckigen Grundfläche mit den Seitenlängen zum Beispiel gilt nach dem Satz des Heron:
Das Volumen und der Flächeninhalt können mit den oben genannten Formeln berechnet und dann eingesetzt werden, um die Höhe zu bestimmen. Die anderen drei Höhen können entsprechend mit Hilfe der Fläche des zur Höhe orthogonalenDreiecks berechnet werden.
Für das Innere des Tetraeders muss in den 4 Ungleichungen jeweils durch ersetzt werden und für die Oberfläche muss in 1, 2 oder 3 Ungleichungen durch ersetzt werden, sodass ein System aus Gleichungen und Ungleichungen entsteht. Bei 1 Gleichung definiert die Menge eine Seitenfläche, also ein gleichseitiges Dreieck, bei 2 Gleichungen eine Kante und bei 3 Gleichungen eine Ecke des Tetraeders.
Die Verallgemeinerungen des Tetraeders in beliebiger Dimension werden als -dimensionale Simplexe bezeichnet. Das -dimensionale Simplex hat Ecken und wird von Simplexen der Dimension (als Facetten) begrenzt. Das nulldimensionales Simplex ist ein Punkt, das eindimensionales Simplex ist eine Strecke, das zweidimensionales Simplex ist ein Dreieck, das dreidimensionale Simplex ist ein Tetraeder. Das vierdimensionale Äquivalent zum Tetraeder, das 5-Zell, hat 5 Ecken, 10 Kanten, 10 Dreiecke als Seitenflächen und 5 dreidimensionale Tetraeder als Facetten.
Das Sierpinski-Tetraeder ist die dreidimensionale Verallgemeinerung des Sierpinski-Dreiecks. Die Startfigur ist ein Tetraeder. Aus dessen Mitte wird in jedem Iterationsschritt ein Oktaeder mit halber Kantenlänge herausgeschnitten. Übrig bleiben 4 Tetraeder, aus denen wieder je ein Oktaeder herausgeschnitten wird usw.[6][19]
Nach dem Iterationsschritt sind offensichtlich Teil-Tetraeder mit derselben Seitenlänge entstanden. Die Anzahl der herausgeschnittenen Oktaeder mit verschiedener Seitenlänge beträgt .
obwohl es sich hierbei um eine Figur im dreidimensionalen Raum handelt. Mit einer zunehmenden Zahl von Iterationsschritten geht das Volumen der Figur gegen 0, der Flächeninhalt der Oberfläche bleibt jedoch konstant, weil sich die Anzahl der Seitenflächen der zueinander deckungsgleichen Teil-Tetraeder mit jedem Iterationsschritt vervierfacht, während sich die Seitenlänge dieser Seitenflächen, die alle deckungsgleicheDreiecke sind, halbiert.
↑Kurt Peter Müller: Raumgeometrie: Raumphänomene – Konstruieren – Berechnen. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg+Teubner, 2004, ISBN 978-3-519-12397-2, S. 81.
↑Der Titel der Abhandlung E 231 lautet auf Deutsch etwa wie folgt: Darlegung einiger kennzeichnender Eigenschaften, mit denen von ebenen Flächen eingeschlossene Körper ausgestattet sind. In dieser Abhandlung gibt Euler den ersten Beweis der Polyederformel an, welche er schon in einer früheren Abhandlung (E 230, abgedruckt unter Elementa doctrinae solidorum, Novi commentarii academiae scientiarum Petropolitanae 4, S. 109–140; vgl. Einleitung zu den Commentationes geometricae) erwähnt, aber noch nicht bewiesen hatte.
↑Andreas Speiser et al.: Leonhardi Euleri Opera omnia. Series prima. Opera mathematica. Volumen XXVI: Commentationes geometricae. Volumen I. 1953, S. 106–107
↑I. N. Bronstein, K. A. Semendjajev et al.: Taschenbuch der Mathematik. 2008, S. 157
↑György Hajós: Einführung in die Geometrie. 1970, S. 383
↑Alexander Ostermann, Gerhard Wanner: Geometry by Its History. 2012, S. 297
↑G. Richardson: The Trigonometry of the Tetrahedron. In: The Mathematical Gazette. 2. Jahrgang, Nr.32, 1. März 1902, S.149–158, doi:10.2307/3603090 (englisch, zenodo.org).