Ein Halbkreis und zwei Viertelkreise liegen auf einem schwarzen Quadrat. Sie decken es nicht vollständig ab. Welche Größe hat die verbliebene schwarze Fläche?
Die schwarzen Lücken haben eine Fläche von rund 0,262683. Dies entspricht rund 6,567 Prozent der Fläche des Quadrats.
Um die Lücken zu berechnen, müssen wir von der Quadratfläche (= 4) die Flächen des Halbkreises und der beiden Viertelkreise abziehen. Dabei ist allerdings zu beachten, dass sich die Viertelkreise überlappen und diese Überlappungsfläche noch von der Summe der Flächen der Viertelkreise abgezogen werden muss, damit sie nicht doppelt in der Rechnung auftaucht.
rH ist der Radius des Halbkreises, rV der Radius der Viertelkreise. rH ist 1, die Fläche des Halbkreises beträgt Pi/2 * rH2 und somit Pi/2. rV können wir mit dem Satz des Pythagoras berechnen – siehe folgende Skizze. Das rechtwinklige Dreieck rechts hat Katheten mit den Längen 2 und 1 und eine Hypotenuse mit der Länge rH + rV. Daraus folgt: rV = Wurzel(5) – 1. Die Fläche der beiden Viertelkreise zusammen ist daher
Pi/2 * (Wurzel(5) – 1)2.
Für die Fläche des Kreissegments gilt die Formel:
1/2 * rV2 * (x – sin(x)
x ist dabei der Winkel des Kreissektors angegeben nicht in Grad, sondern als Radiant, auch Bogenmaß genannt. Mit der Funktion Arkuskosinus können wir x berechnen. Es gilt:
x/2 = arccos(rH/rV)
x/2 = arccos(1 / (Wurzel(5) – 1))
x/2 = 0,62831854...
x = 1,25663708...
Wenn wir x in die Formel oben einsetzen, erhalten wir die Fläche des Kreissegments und schließlich die Summe der schwarzen Lücken. Sie beträgt rund 0,262683.
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