Wirbelstrukturen im
4 - dimensionalen
gekrümmten Raum
Sie befinden sich:  Wirbelstrukturen / Ergänzungen II / Die Quadratur des Kreises
Die Quadratur des Kreises


Allgemein

Und es geht doch − mit einer Genauigkeit von 99,96 % bzw. einer Abweichung von lediglich 0,04 %.

Die Quadratur des Kreises ist ein klassisches Problem der Geometrie. Die Aufgabe besteht darin, aus einem vorgegebenen Kreis in endlich vielen Schritten ein Quadrat mit dem gleichen Flächen­inhalt zu finden, sprich die Konstruktion eines Quadrats mit der Seitenlänge √ π. Sie ist äquivalent zur sogenannten Rektifikation des Kreises, also der Konstruktion einer geraden Strecke, die dem Kreis­umfang entspricht. Das wiederum entspricht der Konstruktion der Kreis­zahl π (halber Kreisumfang) aus der Strecke, deren Länge gleich 1 Längen­maßeinheit ist.


Abb. 1: Das Quadrat und der Kreis haben den gleichen Flächeninhalt.

Die Quadratur des Kreises gehört zu den populärsten Problemen der Mathematik. Die Rede­wendung „Quadratur des Kreises” ist im allgemeinen Sprach­gebrauch zu einer Metapher für eine unlösbare Aufgabe geworden.




Die Problemstellung

In der Mathematik heißt eine reelle oder komplexe Zahl transzendent, wenn sie nicht Null­stelle eines (vom Null­polynom verschiedenen) Polynoms mit ganz­zahligen Koeffizienten ist. Andern­falls handelt es sich um eine algebraische Zahl. Jede reelle transzendente Zahl ist überdies irrational. Erst im Jahre 1882 konnte dies von dem deutschen Mathematiker Ferdinand von Lindemann bewiesen werden.

Beschränkt man die Konstruktions­mittel auf Zirkel und Lineal, so ist die Aufgabe aufgrund der Transzendenz von π unlösbar.

Dennoch erhebt sich die Frage: Gibt es zumindest ein Näherungs­verfahren? Vielleicht gelingt es uns ja, mit einer geringst­möglichen Abweichung nahezu gleich­große Flächen nur mithilfe eines Zirkels und eines Lineals zu konstruieren. Wobei das Lineal keine Maß­einteilung haben darf.




Das Näherungsverfahren

Mit dem nach­folgenden Konstruktions­verfahren lässt sich eine Abweichung von lediglich 0,04 % erzielen!

Schritt 1

Wir zeichnen z. B. auf einem DIN A4 Blatt zunächst mit dem Zirkel einen anschaulich großen Kreis. Obwohl wir den Radius bewusst nicht abmessen, soll er aber zum besseren Nach­vollziehen genau 100 mm betragen. Dann zeichnen wir eine waagerechte Gerade durch den Mittel­punkt des Kreises, wobei diese Linie den Kreis beidseitig berührt. Nun konstruieren wir die Lotrechte auf die vorhandene Linie. Dazu schlagen wir mit dem Zirkel zwei Halb­kreise mit einem Radius · 2, der dem Durch­messer des vorgegebenen Kreises entspricht. Wenn wir die beiden Schnitt­punkte verbinden, erhalten wir im rechten Winkel eine Lotrechte zur Grund­linie.


Abb. 2: Konstruieren einer Lotrechten auf einer Grundlinie.


Damit ergibt sich eine Kreisf­läche mit einem Flächen­inhalt π · r². Bei einem Radius von 100 mm wären das z. B. A = 31415,9265 mm². Zieht man aus diesem Wert die Wurzel, erhalten wir die Seiten­länge des gesuchten Quadrats. Das Quadrat müsste dann in unserem Fall eine Seiten­länge von a = 177,2454 mm haben.

Ziel ist es also, nur mithilfe von Zirkel und Lineal sowie mit möglichst wenig Schritten ein Quadrat zu konstruieren, dass den gleichen Flächen­inhalt wie der vorgegebene Kreis hat.




Schritt 2

Nun schlagen wir 4 weitere Halb­kreise mit dem Radius r, wobei die Mittel­punkte den Schnitt­punkten (Endpunkten) der beiden lotrechten Linien am Kreis­umfang entsprechen. Anschließend zeichnen wir 2 diagonale Hilfs­linien H1 und H2 ein, dessen Enden mit den Schnitt­punkten der Halb­kreise zusammen­treffen. Es entsteht eine Art „Blatt­muster”.


Abb. 3: Konstruieren der diagonalen Hilfslinien (45°).


Nun könnten wir durch die so entstandenen 8 Schnitt­punkte auf dem Kreis­umfang 4 Linien einzeichnen, die exakt ein Quadrat ergeben (orange). Die Seiten­länge beträgt a = 173,2051 mm und würde einen Flächen­inhalt von exakt A = 30000,00 mm² ergeben. Das wären immerhin schon 95,49 % vom angestrebten Ziel-Flächen­inhalt.

Hinweis: Die obere „grüne” Linie dient als Referenz­linie.


Abb. 4: Erster Versuch − Abweichung 4,5 %.


Geht es noch genauer? Ja, das ist der Fall.




Schritt 3

Zur besseren Betrachtung vergrößern wir zunächst den oberen rechten Bereich und zeichnen eine Hilfs­linie H2 ein, die geometrisch bedingt genau unter 30° angeordnet ist. Auf dieser Hilfs­linie tragen wir mit einem Zirkel 10 kleine, gleich­große Teil­abschnitte auf. Anschließend werden mithilfe der Parallel­linien-Konstruktion diese Abschnitte auf die diagonale Hilfs­linie H1 über­tragen. Genau 7/10 vom Kreis­radius r1, schlagen wir einen kleinen Kreis mit dem Radius r3 = 3/10. Dadurch ergeben sich die Schnitt­punkte S1 und S2 auf dem großen Kreis­umfang.

Hinweis: Wir wissen zwar, dass im vorliegenden Fall der Radius des kleinen Kreises 30 mm beträgt, aber bei einem willkürlich vorgegebenen Ausgangs­kreis wissen wir nicht, wie viel 3/10 entspricht.


Abb. 5: Konstruieren der 10er-Teilung mit dem 3/10-Abschnitt.


Zur Kontrolle ermitteln wir auf Grund­lage des Kosinus­satzes die beiden Teil­winkel vom Gesamt­winkel 30°, und entsprechend den x-Wert des Schnitt­punktes S1. Mit a/2 = 88,5019 mm und einer entsprechenden Seiten­länge von a = 177,0038 mm und damit einen Flächeninhalt von A = 31330,3381 mm². Das sind bereits 99,73 % vom angestrebten Ziel-Flächen­inhalt, und damit nur noch eine Abweichung von 0,27 %.


Abb. 6: Zweiter Versuch − Abweichung 0,27 %.


Mithilfe des Kosinus­satzes können wir uns an den Grenz­wert heran­tasten, und erhalten schließlich einen Wert für den kleinen Radius r3 von 30,2572 mm. Das wäre der „exakte” Radius des kleinen Kreises bei einem Ausgangs­kreis mit einem vorgegebenen Radius r1 von 100 mm.

Zur Erinnerung: In der Realtiät dürfen wir nur mit einem Lineal „ohne” Maß­einteilung konstruieren.

Und wir fragen uns ein letztes Mal: Geht es noch genauer? Ja, das ist der Fall.




Schritt 4

Der dritte Schritt wurde nur eingefügt, um den Spannungs­bogen hoch­zuhalten. Im Grunde können wir auch gleich gemäß dem vierten Schritt vorgehen.

Hierzu verbinden wir zunächst die Eck­punkte der beiden lotrechten Linien und erhalten eine weitere diagonale Hilfs­linie H3, die zugleich die bereits vorhandene Diagonale H1 halbiert. Anschließend zeichnen wir einen innen­liegenden Tangential­kreis r2 mit dem Radius (r1 · √2) / 2.


Abb. 7: Konstruieren einer Seitenhalbierenden mit Tangentialkreis.


Sowohl die neue Hilfs­linie H3 als auch der Tangential­kreis r2 schneiden die „Blatt­kontur” an jeweils 2 Punkten. Einer dieser Schnitt­punkte dient jetzt als Mittel­punkt für einen weiteren kleinen Kreis K1. Der Radius dieses Kreises soll mit dem Punkt zusammen­treffen, wo sich der Schnitt­punkt des Tangential­kreises r2 mit der Blatt­kontur befindet. Den so ermittelten Radius über­tragen wir auf den eigentlichen Tangential­punkt, indem wir dort einen zweiten Kreis K2 übertragen.


Abb. 8: Konstruieren eines Hilfskreises K1 mit Übertrag nach K2.


Bei genauem Hinschauen kann man erkennen, dass dieser zweite „kleinste” Kreis K2 mit dem Tangential­kreis r2 nochmals zwei Schnitt­punkte bildet. Diese Punkte ergeben dann den Radius des bereits unter Schritt drei beschriebenen mittel­großen Kreises r3 mit dem Wert 3/10 + x. Im vorliegenden Fall sind das 30 mm + x.


Abb. 9: Konstruieren des finalen Hilfskreises K3.


Wie unschwer zu erkennen ist, kann es sich nur um ein paar Zehntel handeln. Eines vorweg: Die orangen Seiten­linien des Quadrats liegen nahezu genau über dem anfänglich gesuchten grünen Ziel­quadrat. Aber auf was für Werte kommen wir genau? Um das heraus­zufinden, folgt jetzt eine rechnerische Beweisführung.




Rechnerische Beweisführung

In dem nachfolgenden Eingabe­feld kann ein individueller Radius eines Ausgangs­kreises eingetragen werden. Der Vorgabe­wert ist in diesem Fall 100 mm. Alle anderen Werte, die man nur mithilfe von Zirkel und Lineal nach obiger Beschreibung konstruiert, ergeben sich zwangsläufig.

Wie groß ist der Radius r des Ausgangs­kreises?

mm






Flächeninhalt des Kreises
A = π ·

A = 3.1415926 · 100²

Der Flächeninhalt des Kreises
beträgt:
  A = 31415.92 mm²




Seitenlänge des Quadrats
a = √ A

a = √ 31415.92

Die Seitenlänge des gesuchten Quadrats beträgt:  a = 177.24 mm





Abb. 10: Rechnerische Beweisführung − Schritt 1

Ergebnisse gemäß Abb. 10

Seite  b = 100.00000 mm
Seite  c = 100.00000 mm
Radius  r2 = 70.71067 mm

Unter Anwendung des Kosinussatzes:

Winkel  α1 = 41.40962°
Winkel  α2 = 3.59037°
Seite  a = 6.26535 mm

Die Seite a entspricht somit auch dem Radius r4 des Kreises K1.

Mit diesem Wissen ermitteln wir als Nächstes den Radius r3.





Abb. 11: Rechnerische Beweisführung − Schritt 2

Ergebnisse gemäß Abb. 11

Seite  a = 6.26535 mm
Seite  b1 = 70.71067 mm
Seite  c1 = 70.71067 mm

Unter Anwendung des Kosinussatzes:

Winkel  α5 = 5.07840°
Winkel  α6 = 45.00000°
Winkel (ges.)  αges = 50.07840°

Damit erhalten wir für den Schnittpunkt S3:

Wert  x1 = 45.37778 mm

Um den Radius r3 zu erhalten, benötigen wir die Strecke c2.
Wir kennen zwar die Seite b2, aber es besteht kein rechter Winkel zum Schnitt­punkt S3.

Seite  b1 = 70.71067 mm
Winkel  α5 = 5.07840°

Unter Anwendung der Kosinusfunktion:

Seite  c1.1 = 70.43310 mm
Seite  b2.1 = 29.56690 mm

Unter Anwendung des Pythagoras:

Seite  c2 = 30.22343 mm

Jetzt ist es möglich, den genauen x-Wert für die Seitenlänge des gesuchten Quadrats zu ermitteln.





Abb. 12: Rechnerische Beweisführung − Schritt 3

Ergebnisse gemäß Abb. 12

Da die Seite c2 dem Radius r3 entspricht, wissen wir automatisch wie lang die Seite a2 ist.

Seite  a2 = 30.22343 mm
Seite  b = 100.00000 mm
Seite  c = 100.00000 mm

Unter Anwendung des Kosinussatzes:

Winkel (ges.)  αges = 45.00000°
Winkel  α3 = 17.38334°
Winkel  α4 = 27.61666°

Unter Anwendung der Kosinusfunktion erhalten wir für den Schnitt­punkt S1.1:

Wert  x1 = 88.60 mm

Damit beträgt die Seiten­länge des gesuchten Quadrats: a = 177.20 mm.
Und das ergibt einen Flächen­inhalt von: A = 31399.84 mm².

Damit haben wir 99.94 % des vorgegebenen Flächen­inhalts erreicht. Das entspricht einer Abweichung von lediglich 0.06 %.





Fazit

Abb. 13: Konstruktionsverfahren mit lediglich 23 Schritten.


Streng mathematisch betrachtet ist die „Quadratur des Kreises” eine unlösbare Aufgabe. Denn mit den beiden irrationalen Zahlen π und √2 lassen sich keine zwei exakt gleichgroße Flächen darstellen.

Aus Sicht des Näherungs­verfahrens allerdings ist es möglich, bis auf 4/100 genau einen nahezu gleichen Flächen­inhalt nur mithilfe eines Zirkels und eines Lineals in lediglich 23 Schritten zu konstruieren, wobei der obige dritte Schritt über­sprungen wird.

Des Weiteren stellt sich heraus, selbst wenn der gewählte Radius des Ausgangs­kreises größer wird, bleibt die Abweichung mit 0,04 % konstant.





Kapitel Kapitel

OFFIZIELLE WEBSITE VON   VOLKER RÖDEL