Der Goldene Schnitt (lateinisch sectio aurea „Goldener Schnitt“, proportio divina „göttliche Proportion“), gelegentlich auch stetige Teilung einer Strecke, bezeichnet ihre Zerlegung in zwei Teilstrecken in der Weise, dass sich die längere Teilstrecke zur kürzeren Teilstrecke verhält wie die Gesamtstrecke zur längeren Teilstrecke. Das Konzept ist bereits seit der Antike zur Zeit des Euklid bekannt. Der Goldene Schnitt findet häufige Anwendung in der Kunst, taucht aber auch in der Natur auf.
Durch mathematische Formeln ausgedrückt gilt für den Goldenen Schnitt zweier Teilstrecken und (siehe Bild):
Das mittels Division dieser Größen als Zahl berechnete Teilungsverhältnis des Goldenen Schnittes ist eine dimensionslose, irrationale Zahl, das heißt eine Zahl, die sich nicht als Bruch ganzer Zahlen darstellen lässt. Die Folge ihrer Nachkommastellen zeigt daher auch kein periodisches Muster. Diese Zahl wird ebenfalls als Goldener Schnitt bezeichnet. Als mathematisches Symbol für den Goldenen Schnitt wird meist der griechische Buchstabe Phi (, oder , heutige Aussprache [fi:]), seltener auch Tau (, ) oder verwendet. Es gilt
Aus Sicht der Mathematik besitzt der Goldene Schnitt zahlreiche besondere Eigenschaften. Neben der geometrischen Auffassung kann er auch als die positive Lösung der quadratischen Gleichung definiert werden. Er ist damit eine algebraische Zahl vom Grade 2. Bemerkenswert ist seine enge Verbindung zu der Fibonacci-Folge, die sich durch die explizite Binet-Formel ausdrückt, obgleich die Fibonacci-Folge zunächst nur rekursiv, also implizit erklärt ist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass der Goldene Schnitt unter den irrationalen Zahlen (bis auf eine gewisse Form der Äquivalenz) am schlechtesten durch Brüche angenähert werden kann. Zentrales Argument für diese Tatsache ist seine Kettenbruchentwicklung, die nur aus der Zahl 1 besteht, ergo unter allen Kettenbrüchen am langsamsten konvergiert.
Der Goldene Schnitt ist in der mathematischen Literatur seit der Zeit der griechischen Antike (Euklid von Alexandria) nachgewiesen, war jedoch vor mehr als 2300 Jahren nur Wenigen bekannt. Vereinzelt schon im Spätmittelalter und besonders dann in der Renaissance, etwa durch Luca Pacioli und Johannes Kepler, wurde er auch in philosophische und theologische Zusammenhänge gestellt. Der Überlieferung nach erhielt er mit diesem Namen erst ab der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts größeren Bekanntheitsgrad. Die heute gebräuchliche Bezeichnung bzw. für den Zahlenwert geht auf den amerikanischen Mathematiker Mark Barr zurück, der sie um das Jahr 1909 herum einführte. Einigen bedeutenden Künstlern, wie Leonardo da Vinci, Friedrich Hölderlin oder Béla Bartók, wurde nachgesagt, den Goldenen Schnitt gezielt bei manchen ihrer Werke eingesetzt zu haben, jedoch gelten solche Aussagen als umstritten. Der Goldene Schnitt ist nicht nur in Mathematik, Kunst oder Architektur von Bedeutung, sondern findet sich auch in der Natur, beispielsweise bei der Anordnung von Blättern und in Blütenständen mancher Pflanzen wieder.
Definition Bearbeiten
Man sagt, dass zwei Größen im Verhältnis des Goldenen Schnittes stehen, falls
erfüllt ist. Die Zahl
wird dann ebenfalls Goldener Schnitt genannt. Es muss sich bei den Werten und dabei nicht um (dimensionslose) reelle Zahlen handeln; auch eine Assoziation zu physikalischen Größen unter Zuweisung entsprechender Maßeinheiten ist möglich. Klassisch ist dabei die Veranschaulichung über das Teilungsverhältnis zweier Strecken (bei dem die längere Strecke als „Major“ und die kürzere als „Minor“ bezeichnet wird), aber auch andere Einheiten können betrachtet werden, siehe zum Beispiel Goldenes Rechteck.
In der Literatur wird der Ausdruck „Goldener Schnitt“ jedoch auch für andere Dinge verwendet. Er bezeichnet
- den Vorgang der Teilung an sich,
- gelegentlich den Teilungspunkt,
- meist jedoch die Zahl selbst.
Bestimmung des Verhältnisses Bearbeiten
Es bezeichnen die Teilstreckenlängen der Gesamtstrecke . Es gilt dann nach Definition des Goldenen Schnitts die Relation
Geschichte Bearbeiten
Antike Bearbeiten
Die erste erhalten gebliebene genaue Beschreibung des Goldenen Schnittes findet sich im zweiten Buch der Elemente des Euklid (um 300 v. Chr., siehe Innere Teilung nach Euklid), der darauf über seine Untersuchungen an den platonischen Körpern und dem Fünfeck beziehungsweise dem Pentagramm stieß. Seine Bezeichnung für dieses Teilungsverhältnis wurde später ins Lateinische als „proportio habens medium et duo extrema“ übersetzt, was als „Teilung im inneren und äußeren Verhältnis“ bezeichnet wird.
Mittelalter Bearbeiten
In seinem Rechenbuch Liber abbaci (nicht erhaltene Erstfassung 1202, erhaltene 2. Fassung nicht vor 1220), einem umfangreichen arithmetischen und algebraischen Lehrwerk über das Rechnen mit den indo-arabischen Ziffern, kommt der italienische Mathematiker Leonardo da Pisa, genannt „Fibonacci“, kurz auf die später nach ihm benannte Fibonacci-Folge zu sprechen. Fibonacci führt die Zahlenfolge vor (2, 3, 5, 8 … bis 377) und weist darauf hin, dass sich jedes Glied der Reihe (ab dem dritten) durch Summierung der beiden vorhergehenden Reihenglieder errechnen lässt. Eine weitere Beschäftigung mit dieser Folge findet sich bei ihm nicht, das heißt der Zusammenhang zum Goldenen Schnitt wird von ihm nicht dargestellt. Dass ihm allerdings der (erst später so genannte) Goldene Schnitt bekannt und in der Tradition Euklids ein Begriff war, zeigt sich gegen Ende seines Werks bei einer algebraischen Aufgabe, in der es (in moderner Formulierung wiedergegeben) darum geht und zu finden mit und . Hierzu weist Fibonacci darauf hin, dass im Fall von die Proportion gilt, 10 also von und im Verhältnis des Goldenen Schnittes geteilt wird („et scis, secundum hanc diuisionem, 10 diuisa esse media et extrema proportione; quia est sicut 10 ad maiorem partem, ita maior pars ad minorem“). Aber auch hier stellt er den Zusammenhang zum Goldenen Schnitt nicht her.
Renaissance Bearbeiten
Die Entdeckung, dass sich bei Teilung eines Gliedes der Fibonacci-Folge durch das vorhergehende Reihenglied als Näherungswert ergibt, wurde lange Zeit Johannes Kepler zugeschrieben, konnte jedoch Ende des 20. Jahrhunderts schon in einer handschriftlichen Anmerkung nachgewiesen werden, mit der ein mutmaßlich aus Italien stammender Leser in der ersten Hälfte des 16. Jahrhunderts Euklids Theorem II.11 in der Euklid-Ausgabe Paciolis von 1509 kommentierte:
“Sit linea ab 233 pedum, divisa ut docet 11 huius in duo inaequalia in puncto h et sit bh portio eius maior 144 et ha portio eius minor 89. ducatur ab in ha et perveniunt 20737 et bh in se et perveniunt 20736. et sic cognosces quod in mutationibus non est laborandum quid impossibile est numerum ita dividi ut ista 11 proponit. similiter accidit si linea 13 pedum dividatur in lineam 8 pedum, et lineam 5.”
„Eine Gerade ab von 233 Fuß sei so, wie es Theorem 11 hier vorführt, an einem Punkt h in zwei ungleiche Teile geteilt, und dabei sei bh sein größerer Teil mit 144 und ha sein kleinerer Teil mit 89. ab sei multipliziert mit ha, und es ergeben sich 20737, und bh multipliziert mit sich selbst, so ergeben sich 20736. Und daran magst du erkennen, dass man sich nicht mit Ersetzungen abzumühen braucht, um zu zeigen, dass es unmöglich ist, die Zahl so zu teilen, wie es hier Theorem 11 vorführt. Das gleiche ergibt sich, wenn eine Gerade von 13 Fuß in eine Gerade von 8 und eine von 5 Fuß geteilt wird.“
Der Herausgeber dieser Euklid-Ausgabe, der Franziskaner Luca Pacioli di Borgo San Sepolcro (1445–1514), der an der Universität Perugia Mathematik lehrte, hatte sich intensiv mit dem Goldenen Schnitt befasst. Er nannte diese Streckenteilung „vermutlich als erster […] divina proportio (göttliches Verhältnis)“, was sich auf Platons Identifizierung der Schöpfung mit den fünf platonischen Körpern bezog, zu deren Konstruktion der Goldene Schnitt ein wichtiges Hilfsmittel darstellt. Sein gleichnamiges Werk De divina proportione von 1509 besteht aus drei unabhängigen Büchern. Bei dem ersten handelt es sich um eine rein mathematische Abhandlung, die jedoch keinerlei Bezug zur Kunst und Architektur herstellt. Das zweite ist ein kurzer Traktat über die Schriften des Römers Vitruv aus dem 1. Jahrhundert v. Chr. zur Architektur, in denen Vitruv die Proportionen des menschlichen Körpers als Vorlage für Architektur darstellt. Dieses Buch enthält eine Studie von Leonardo da Vinci (1452–1519) über den vitruvianischen Menschen. Das Verhältnis der Seitenlänge des den Menschen umgebenden Quadrats zum Radius des umgebenden Kreises – nicht das Verhältnis der Proportionen des Menschen selbst – in diesem berühmten Bild entspricht mit einer Abweichung von 1,7 % dem Goldenen Schnitt, der jedoch im zugehörigen Buch gar nicht erwähnt wird. Darüber hinaus würde diese Abweichung bei einem konstruktiven Verfahren nicht zu erwarten sein.
Im Oktober 1597 stellte Johannes Kepler in einem Brief an seinen früheren Tübinger Professor Michael Maestlin die Frage, warum es nur eine einzige mögliche Lösung für die Aufgabe gebe, ein rechtwinkliges Dreieck zu konstruieren, bei dem das Verhältnis der kürzeren zur längeren Seite dem der längeren zur Hypotenuse entspricht (Kepler-Dreieck). Auf das Original dieses Briefes notierte Maestlin eine Berechnung, die die Hypotenuse einmal mit 10 und einmal mit 10.000.000, und für den letzteren Fall dann die längere Seite mit 7.861.514 und die kürzeste Seite mit 6.180.340 beziffert. Das entspricht einer bis auf die sechste Nachkommastelle genauen (und bis zur fünften korrekten) Angabe des Goldenen Schnittes und ist nach den älteren sexagesimalen Berechnungen der Antike die erste bekannte dezimale Angabe dieser Art.
Seit dem 18. Jahrhundert Bearbeiten
Populär wurde der Begriff Goldener Schnitt erst in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts, obwohl die mathematischen Prinzipien schon seit der Antike bekannt waren. Der Begriff Goldene Zahl stammt aus dieser Zeit, noch 1819 wird dieser Begriff mit dem Meton-Zyklus in einem der griechischen Kalendersysteme in Verbindung gebracht. In der deutschen Literatur sind bereits Anfang des 18. Jahrhunderts vereinzelt Hinweise auf eine sinngemäße bzw. wortwörtliche Form des Begriffes „Goldener Schnitt“ zu finden. Erst ab dem zweiten Viertel des 19. Jahrhunderts war er weiter verbreitet. Die folgenden Beispiele aus der deutschen Literatur verweisen auf den Begriff in ähnlicher Art und Weise.
1717 wurde der Begriff Goldener Schnitt sinngemäß von M. Johann Wentzel Kaschube in seinem Werk Cursus mathematicus … verwendet. Er beschreibt darin eine geometrische Aufgabe (Näheres im Abschnitt Konstruktionsverfahren), deren Lösung dieses besondere Teilungsverhältnis verlangt. Am Schluss der Aufgabe §.35. ist zu lesen: „Die Alten hissen [sc. hießen] diesen Schnitt den Goldenen.“ Zu jener Zeit fand das Teilungsverhältnis des Goldenen Schnittes auch in der Akustik im Zusammenhang mit Verhältnissen der Saitenlänge Anwendung. Diese Form der Saitenteilung – so Ernst Florens Friedrich Chladni 1802 in Die Akustik unter Die geometrische Theilung – wollte auch Gottfried Wilhelm Leibniz. Zwar lassen sich damit nicht Tonhöhenabstände, sprich Intervalle finden, „desto brauchbarer ist sie aber, wie im folgenden Abschnitte wird gezeigt werden, zu gewissen nothwendigen Abänderungen derselben.“ Chladni leitete die Tonverhältnisse also nicht aus den Saitenlängen ab, sondern aus den Verhältnissen der Schwingungszahlen. Bezüglich des Goldenen Schnitts merkt Chladni an: „Es ist diese Theilung eben dasselbe, was von einigen ältern Mathematikern, die besondere Eigenschaften darin finden wollten, sectio aurea, oder sectio divina [der Goldene Schnitt oder göttliche Schnitt] genennt worden ist.“
Etwas mehr als fünfzig Jahre später wurden die Proportionen des menschlichen Körpers wissenschaftlich mit denen des Goldenen Schnittes verglichen. Adolf Zeising benennt 1854 in Neue Lehre von den Proportionen des menschlichen Körpers … das Ergebnis der „Maassbestimmungen […] kurzweg, das Proportionalgesetz“. Er beschreibt es als einen geometrischen Weg zur proportionalen Teilung einer Linie und stellt fest:
„Die Mathematiker nennen die hier erörterte Theilung einer gegebenen Linie die ‚Theilung im äussern und mittlern Verhältnisse‘ oder ‚den goldnen Schnitt‘. Der Grund der letztern Benennung ist mir nicht bekannt; doch rührt sie wahrscheinlich daher, weil man die ausserordentlichen Vorzüge des Verhältnisses, welches man durch diese Theilung gewinnt, und die Vollkommenheit der durch dieses Verhältniss gebildeten Proportion mit richtigem Blicke erkannt hat.“
Gustav Theodor Fechner, ein Begründer der experimentellen Psychologie, stellte 1876 bei Untersuchungen mit Versuchspersonen anhand von Rechtecken in der Tat eine Präferenz für den Goldenen Schnitt fest. Die Ergebnisse bei der Streckenteilung und bei Ellipsen fielen jedoch anders aus. Neuzeitliche Untersuchungen zeigen, dass das Ergebnis solcher Experimente stark vom Kontext der Darbietung abhängt. Fechner fand ferner bei Vermessungen von Bildern in verschiedenen Museen Europas, dass die Seitenverhältnisse im Hochformat im Mittel etwa 4:5 und im Querformat etwa 4:3 betragen und sich damit deutlich vom Goldenen Schnitt unterscheiden.
Bis ins späte 20. Jahrhundert erhielt der Goldene Schnitt auf viele Art und Weise seine Aufmerksamkeit ausschließlich in der Makrowelt. Dann aber entdeckten Wissenschaftler bei Forschungen in der atomaren Welt überraschenderweise Gebilde mit mathematischen Kennwerten, die dem Goldenen Schnitt gleichen. Die Forschungsergebnisse der beiden folgenden Beispiele fanden in den betreffenden Wissenschaftsbereichen hohe internationale Anerkennung.
Als Erster erkannte Dan Shechtman mit seinen Kollegen 1982 bei Röntgenstrukturanalysen Beugungsbilder mit fünfzähliger Symmetrie in Quasikristallen der Festkörperphysik. Für diese Entdeckung bekam Shechtman 2011 den Nobelpreis für Chemie. Näheres ist im Abschnitt Quasikristalle enthalten. Die erstmalige Entdeckung des Goldenen Schnitts in fester Materie gelang Forschern des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) im Kristall aus Kobalt-Niobat (veröffentlicht in der Zeitschrift Science, Januar 2010). Näheres ist im Abschnitt Kobalt-Niobat enthalten.
Grundlegende mathematische Eigenschaften Bearbeiten
Irrationalität und Algebraizität Bearbeiten
Der Goldene Schnitt ist eine irrationale Zahl; das heißt, er lässt sich nicht als Bruch zweier ganzer Zahlen darstellen. Weiter bedeutet es, dass die Dezimalentwicklung kein periodisches Muster aufzeigt. Die ersten 50 Nachkommastellen des Goldenen Schnittes sind gegeben durch
Seit dem 14. Februar 2021 sind 10 Billionen (10 × 1012) Nachkommastellen von berechnet und verifiziert worden. Zudem gelten bereits 20 Billionen Stellen als berechnet, jedoch noch nicht als verifiziert.
Der Grund, warum irrational ist, verbirgt sich hinter der Irrationalität von .
Der Beweis, dass irrational sein muss, erfolgt analog zum Beweis der Irrationalität der Wurzel aus 2 bei Euklid. Dazu ist es nützlich, das Gesetz der bis auf die Reihenfolge eindeutigen Zerlegbarkeit natürlicher Zahlen in Primzahlen zu kennen. Nimmt man an, es sei mit einem vollständig gekürzten Bruch mit positiven ganzen Zahlen , so gilt bereits
Es ist also und ergo auch durch teilbar, da eine Primzahl ist. Damit besitzt also den Primteiler ,und dieser taucht bei in gerader Anzahl auf, da sich beim Quadrieren alle Primfaktoren verdoppeln. Da und teilerfremd sind – es ist nach Annahme vollständig gekürzt – taucht der Primfaktor nirgends in auf. Ergo taucht er nur einmal in auf. Dies ist ein Widerspruch zur eindeutigen Primfaktorzerlegung, die besagt, dass auf beiden Seiten gleich viele Fünfen auftauchen müssen, aber ist keine gerade Zahl. Zu guter Letzt muss dann auch irrational sein, da irrationale Zahlen im Produkt mit rationalen Zahlen (außer 0) und in Summe mit rationalen Zahlen wieder irrational sind.
Die Goldene Zahl ist ferner eine algebraische Zahl vom Grad 2, insbesondere kann sie mit Zirkel und Lineal konstruiert werden. Damit grenzt sie sich von anderen berühmten Konstanten, wie der Kreiszahl oder der Eulerschen Zahl , ab, die transzendent, und damit niemals Nullstelle eines nicht-konstanten Polynoms mit rationalen Koeffizienten sind.
Zusammenhang mit den Fibonacci- und Lucas-Zahlen Bearbeiten
| Abweichung zu in % | |||
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | = 1,0000 | −38 |
| 1 | 2 | = 2,0000 | +23 |
| 2 | 3 | = 1,5000 | −7,3 |
| 3 | 5 | ≈ 1,6667 | +3,0 |
| 5 | 8 | = 1,6000 | −1,1 |
| 8 | 13 | = 1,6250 | +0,43 |
| 13 | 21 | ≈ 1,6154 | −0,16 |
| 21 | 34 | ≈ 1,6190 | +0,063 |
| 34 | 55 | ≈ 1,6176 | −0,024 |
| 55 | 89 | ≈ 1,6182 | +0,0091 |
| 89 | 144 | ≈ 1,6180 | −0,0035 |
| 144 | 233 | ≈ 1,6181 | +0,0013 |
In einem engen Zusammenhang zum Goldenen Schnitt steht die unendliche Zahlenfolge der Fibonacci-Zahlen (siehe unten die Abschnitte Mittelalter und Renaissance):
Die jeweils nächste Zahl in dieser Folge wird als Summe der beiden vorangehenden erhalten. Das Verhältnis zweier aufeinanderfolgender Zahlen der Fibonacci-Folge strebt gegen den Goldenen Schnitt (siehe Tabelle). Das rekursive Bildungsgesetz bedeutet nämlich
Sofern dieses Verhältnis gegen einen Grenzwert konvergiert, muss für diesen gelten
In der Tat lässt sich daraus
folgern. Die Glieder der Fibonacci-Folge lassen sich für alle über die Formel von Binet berechnen:
Diese Formel liefert die für die Fibonacci-Folge veranschlagten Anfangswerte und und erfüllt die rekursive Gleichung für alle mit .
Ähnlich gilt
für die -te Lucas-Zahl. Allgemeiner ist jede komplexe Folge mit von der Form , wobei komplexe Zahlen sind, und umgekehrt.
Kettenbruchentwicklung Bearbeiten
Da der Goldene Schnitt irrational ist, stellt sich die Frage, wie gut er sich durch rationale Zahlen annähern lässt. Grundsätzlich konnte gezeigt werden, dass es für eine beliebige irrationale Zahl stets unendlich viele rationale Zahlen gibt, so dass
Dieses Resultat ist fundamental im Gebiet der diophantischen Approximation. Erhöht sich der Nenner , sind grundsätzlich auch bessere Annäherungen möglich, wie das sogar quadratische Abklingen der rechten Seite zeigt. Bemerkenswert ist die Konstante , die optimal gewählt ist, also nicht weiter vergrößert werden kann. Grund dafür ist der Goldene Schnitt, der (zusammen mit zu ihm äquivalenten Zahlen) die Eigenschaft hat, dass für alle nur endlich viele rationale Annäherungen mit
existieren. Für irrationale Zahlen, die nicht zu äquivalent sind, lässt sich die Konstante größer als wählen (nämlich mit Wert (Satz von Hurwitz)). Der Goldene Schnitt gehört also unter den irrationalen Zahlen zu den am schlechtesten durch rationale Zahlen approximierbaren. Da seine Kettenbruchentwicklung überdies nur Einsen enthält, ist er in diesem Sinn die „irrationalste aller Zahlen“.
Der mathematische Beweis der oberen Aussage fußt auf sogenannten Kettenbrüchen. Jede reelle Zahl lässt sich (im Wesentlichen eindeutig) durch einen Kettenbruch darstellen. Bricht man diesen nach endlich vielen Schritten ab, ergibt sich eine „besonders gute“ rationale Annäherung an diese Zahl. Für die Goldene Zahl gilt nun aber , woraus sich durch wiederholte Anwendung ergibt:
Bricht man die Kettenbruchentwicklung ab, erhält man stets einen Bruch aus zwei aufeinanderfolgenden Fibonacci-Zahlen. Weil im Kettenbruch lediglich Einsen auftauchen – die kleinste natürliche Zahl –, nähert sich dieser Kettenbruch mit der „minimal möglichen Geschwindigkeit“ der Goldenen Zahl an. Im Vergleich ist der Kettenbruch zur Kreiszahl – ebenfalls irrational – deutlich schneller konvergent.
In der Theorie der dynamischen Systeme werden Zahlen, deren unendliche Kettenbruchdarstellung ab einer Stelle nur noch Einsen enthält, als „noble Zahlen“ bezeichnet. In diesem Kontext wird der Goldene Schnitt als „nobelste“ aller noblen Zahlen bezeichnet.
Geometrische Aussagen Bearbeiten
Konstruktionsverfahren Bearbeiten
Als Konstruktionsverfahren werden nach den Postulaten des Euklid nur diejenigen Verfahren akzeptiert, die sich auf die Verwendung von Zirkel und Lineal (ohne Skala) beschränken. Für die Teilung einer Strecke im Verhältnis des Goldenen Schnittes gibt es eine Fülle derartiger Verfahren, von denen im Folgenden exemplarisch nur einige erwähnt werden. Unterschieden wird dabei eine innere und äußere Teilung. Bei der äußeren Teilung wird der in der Verlängerung der Ausgangsstrecke außen liegende Punkt gesucht, der die vorhandene Strecke zum (größeren) Teil des Goldenen Schnittes macht. Der Goldene Schnitt stellt dabei einen Spezialfall der harmonischen Teilung dar. Aufgeführt werden im Folgenden auch zwei moderne, von Künstlern gefundene Konstruktionen.
Innere Teilung Bearbeiten
Klassisches Verfahren mit innerer Teilung nach Heron von Alexandria, das wegen seiner Einfachheit beliebt ist:
Dies kann wie folgt eingesehen werden: Über den Satz des Pythagoras ergibt sich für die Länge der Hypotenuse der Wert Subtrahiert man von dieser die Länge |DC|AB, verbleibt gerade AD|AB||AB||AS|. Aus den algebraischen Vorüberlegungen ist nun bekannt, dass dies das Verhältnis der stetigen Teilung ist. | |
| Innere Teilung nach Euklid: Johann Friedrich Lorenz beschrieb im Jahr 1781 in seinem Buch Euklids Elemente folgende Aufgabenstellung von Euklid: „Eine gegebne gerade Linie, AB, so zu schneiden, daß das Rectangel aus der Ganzen und Einem der Abschnitte, dem Quadrat des anderen Abschnitts gleich sey.“ Das Ergebnis der nebenstehenden Animation zeigt, die Strecke AB ist in einem Verhältnis geteilt, das als Goldener Schnitt mit innerer Teilung bezeichnet wird. Als Darstellung dieses Verfahrens hat sich eine vereinfachte Konstruktion, siehe linkes Bild, bewährt:
| |
Konstruktion nach dem österreichischen Künstler Kurt Hofstetter, die dieser 2005 im Forum Geometricorum publizierte:
|
Äußere Teilung Bearbeiten
| Klassisches Verfahren mit äußerer Teilung nach Euklid: „Die Seiten eines demselben Kreis einbeschriebenen gleichseitigen Sechsecks und eines gleichseitigen Zehnecks zusammen ergeben eine Strecke, die in stetiger Teilung geteilt ist, wobei die Seite des Sechsecks der größere Teil ist.“ Die nebenstehende Animation (am Ende mit 30 s Pause) zeigt prinzipiell die hierfür erforderlichen Konstruktionsschritte. Die abschließend eingetragenen strichlierten Linien sowie die Punkte K und L sind nicht Teil der Lösung nach Euklid. Sie sollen lediglich den konstruktiven Weg zur folgenden Vereinfachung verdeutlichen. Die Darstellung im linken Bild hat sich als vereinfachte Konstruktion bewährt:
Dieses Verfahren wird für die Konstruktion des Fünfecks bei gegebener Seitenlänge verwendet. | |
Konstruktion nach dem amerikanischen Künstler George Odom, die dieser 1982 entdeckte:
Die algebraische Herleitung ist im Unterabschnitt Im Umkreis eines gleichseitigen Dreiecks beschrieben. |
Im Fünfeck und im Pentagramm Bearbeiten
Regelmäßiges Fünfeck und Pentagramm bilden jeweils eine Grundfigur, in der das Verhältnis des Goldenen Schnittes wiederholt auftritt. Die Seite eines regelmäßigen Fünfecks befindet sich im Goldenen Schnitt zu seinen Diagonalen. Die Diagonalen untereinander wiederum teilen sich ebenfalls im Goldenen Verhältnis, das heißt, verhält sich zu wie zu . Der Beweis dazu nutzt die Ähnlichkeit geeignet gewählter Dreiecke.
Das Pentagramm, eines der ältesten magischen Symbole der Kulturgeschichte, steht in einer besonders engen Beziehung zum Goldenen Schnitt. Zu jeder Strecke und Teilstrecke im Pentagramm findet sich ein Partner, der mit ihr im Verhältnis des Goldenen Schnittes steht. In der Abbildung sind alle drei möglichen Streckenpaare jeweils blau (längere Strecke) und orange (kürzere Strecke) markiert. Sie lassen sich über das oben beschriebene Verfahren der stetigen Teilung nacheinander erzeugen. Im Prinzip ist es damit in das verkleinerte Pentagramm fortsetzbar, das in das innere Fünfeck gezeichnet werden könnte, und damit in alle weiteren. Stünden die beiden Strecken in einem Verhältnis ganzer Zahlen, müsste dieses Verfahren der fortgesetzten Subtraktion irgendwann Null ergeben und damit abbrechen. Die Betrachtung des Pentagramms zeigt aber anschaulich, dass das nicht der Fall ist. Eine Weiterentwicklung dieser Geometrie findet sich bei der Penrose-Parkettierung.
Für den Beweis, dass es sich um den Goldenen Schnitt handelt, beachte man, dass neben den vielen Strecken, die aus offensichtlichen Symmetriegründen gleich lang sind, auch gilt. Ursache ist, dass das Dreieck zwei gleiche Winkel besitzt, wie durch Parallelverschiebung der Strecke erkannt werden kann, und daher gleichschenklig ist. Nach dem Strahlensatz gilt:
Wird ersetzt und die Gleichheit der auftretenden Teilstücke beachtet, so wird genau die obige Definitionsgleichung für den Goldenen Schnitt erhalten.
Im gleichschenkligen Dreieck Bearbeiten
In einem gleichschenkligen Dreieck , dessen Grundseite längengleich zu der Höhe ist, teilt der innerhalb des Dreiecks liegende Schnittpunkt des Inkreises mit der Höhe diese im Goldenen Schnitt.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann angenommen werden. Die rechtwinkligen Dreiecke und sind kongruent, da sie in zwei Seiten und dem (rechten) Gegenwinkel der größeren Seite übereinstimmen. Es gilt und damit . Nach dem Satz des Pythagoras gilt in dem rechtwinkligen Dreieck . Ebenfalls nach dem Satz des Pythagoras gilt in dem rechtwinkligen Dreieck : . Mit folgt hieraus = (Höhe von ABC) : (Durchmesser des Inkreises von ABC), was zu zeigen war.
Im Umkreis eines gleichseitigen Dreiecks Bearbeiten
In dem gleichseitigen Dreieck schneidet die durch und verlaufende Parallele zu den Umkreis in und . Ist , dann teilt die Strecke im Goldenen Schnitt.
Aus den Eigenschaften eines gleichseitigen Dreiecks und aus dem Strahlensatz folgen unmittelbar die Längengleichheiten
Nach dem Sehnensatz gilt:
Somit teilt die Strecke im Goldenen Schnitt.
Im Quader Bearbeiten
Für einen Quader mit den Kantenlängen , und , der Raumdiagonalenlänge und dem Volumen gelte , , und .
Dann gilt für den Goldenen Schnitt das Verhältnis .
Aus der Volumengleichung folgt wegen . (1)
Da die Raumdiagonale die Länge 2 hat, gilt . (2)
Aus (1) und (2) erhält man mit den Lösungen oder und damit analog oder .
Wegen kommen nur und in Betracht. Also gilt .
Im Ikosaeder Bearbeiten
Die 12 Ecken des Ikosaeders bilden die Ecken von 3 gleich großen, senkrecht aufeinanderstehenden Rechtecken mit gemeinsamem Mittelpunkt und mit den Seitenverhältnissen des Goldenen Schnittes. Die zwölf Ecken eines Ikosaeders sind also die zwölf Ecken dreier goldener Rechtecke, die paarweise aufeinander senkrecht stehen. Diese Anordnung der 3 Rechtecke wird auch Goldener-Schnitt-Stuhl genannt. Weil der Ikosaeder zum Pentagondodekaeder dual ist, bilden die 12 Mittelpunkte der Fünfecke ebenfalls die Ecken eines Goldener-Schnitt-Stuhls.
Ferner kann in ein gegebenes Oktaeder ein Ikosaeder so einbeschrieben werden, dass dessen Ecken die Kanten des Oktaeders im Goldenen Schnitt teilen.
Goldenes Rechteck und Goldenes Dreieck Bearbeiten
Ein Rechteck, dessen Seitenverhältnis dem Goldenen Schnitt entspricht, wird als Goldenes Rechteck benannt; ebenso heißt ein gleichschenkliges Dreieck, bei dem zwei Seiten in diesem Verhältnis stehen, Goldenes Dreieck.
- Zum Vergleich von Rechtecksproportionen siehe Abschnitt Vergleich mit anderen prominenten Seitenverhältnissen.
- Ein Goldenes Dreieck ist Inhalt der Methode äußere Teilung im Abschnitt Konstruktionsverfahren, äußere Teilung
Goldener Winkel Bearbeiten
Der Goldene Winkel wird erhalten, wenn der Vollwinkel im Goldenen Schnitt geteilt wird. Dies führt auf den überstumpfen Winkel Gewöhnlich wird aber seine Ergänzung zum Vollwinkel, als Goldener Winkel bezeichnet. Dies ist dadurch gerechtfertigt, dass Drehungen um keine Rolle spielen und das Vorzeichen nur den Drehsinn des Winkels bezeichnet.
Durch wiederholte Drehung um den Goldenen Winkel entstehen immer wieder neue Positionen, etwa – wie im Bild – für die Blattansätze (Näheres im Abschnitt Biologie).
Dabei zerlegen die ersten Positionen den Kreis in Ausschnitte. Diese Ausschnitte haben höchstens drei verschiedene Winkel. Im Fall einer Fibonacci-Zahl treten nur zwei Winkel auf. Für tritt der Winkel hinzu.
Betrachtet man für wachsendes fortfolgend die sich verfeinernden Zerlegungen des Kreises, so teilt die -te Position stets einen der verbliebenen größten Ausschnitte, und zwar immer den im Verlauf der Teilungen zuerst entstandenen, das heißt den „ältesten“ Ausschnitt. Diese Teilung erfolgt im Goldenen Verhältnis, sodass, im Uhrzeigersinn gesehen, ein Winkel mit geradem vor einem Winkel mit ungeradem liegt.
Wenn wir den Ausschnitt mit dem Winkel mit bezeichnen, so erhalten wir nacheinander die Kreiszerlegungen
, , , , , , , , , usw.
Goldene Spirale Bearbeiten
Die Goldene Spirale, unter anderem auch spira mirabilis oder Bernoulli’sche Spirale genannt, ist ein Sonderfall der logarithmischen Spirale. Wie eine solche konstruktiv erzeugt werden kann, zeigen die beiden folgenden Möglichkeiten.
Mithilfe eines Goldenen Rechtecks Bearbeiten
Diese Spirale lässt sich mittels rekursiver Teilung eines Goldenen Rechtecks in je ein Quadrat und ein weiteres, kleineres Goldenes Rechteck konstruieren. Ihr Radius ändert sich bei jeder 90°-Drehung um den Faktor .
Die Goldene Spirale lässt sich unter Verwendung von Polarkoordinaten durch
parametrisieren. Die Idee von Polarkoordinaten ist hierbei, einen Punkt in der Ebene durch seinen Abstand zum Ursprung und den mit der -Achse eingeschlossen Winkel festzulegen. Dessen Polarkoordinaten sind dann , und durch Wahl des Radius in Abhängigkeit vom sich verändernden Winkel lassen sich manche geometrische Figuren durch eine entsprechende Funktion einfacher beschreiben als in klassischen kartesischen Koordinaten. Zu beachten ist, dass mehrfache Umdrehungen um den Ursprung, etwa in den Fällen (Ausgangslage), (eine Volldrehung), (zwei Volldrehungen) usw. unterschiedliche Radii hervorrufen können, was auch an der nicht-periodischen Figur der Spirale zu erkennen ist.
Eine brauchbare Näherung für die Goldene Spirale findet sich bereits bei Kepler. Man erhält diese Approximation, wenn man in die Quadrate Viertelkreise mit dem Radius der Seitenlänge des Quadrats einzeichnet. Dies ist im mittleren Bild illustriert. Im linken Bild wird die Güte dieser Approximation veranschaulicht.
Die Goldene Spirale ist unter den logarithmischen Spiralen durch die folgende Eigenschaft ausgezeichnet. Seien vier auf der Spirale aufeinanderfolgende Schnittpunkte mit einer Geraden durch das Zentrum. Dann sind die beiden Punktepaare und harmonisch konjugiert, das heißt, für ihr Doppelverhältnis gilt:
Mithilfe eines Goldenen Dreiecks Bearbeiten
Eine vergleichbare Möglichkeit für die konstruktive Darstellung einer Goldenen Spirale bietet das Goldene Dreieck. Das nebenstehende Bild zeigt ein solches gleichschenkliges Dreieck mit den Basiswinkeln und dem Scheitelwinkel bei . Es gilt: .
In diesem Fall beinhaltet die Konstruktion der Goldenen Spirale die rekursive Teilung eines Goldenen Dreiecks in je ein gleichschenkliges stumpfwinkliges Dreieck und in ein weiteres, kleineres Goldenes Dreieck. Dies ist begründet durch eine sogenannte Drehstreckung . Sie enthält eine Drehung um (entspricht ). Daraus ergibt sich eine Streckung mit dem Faktor .
Konstruktion
Es beginnt mit dem Halbieren des Winkels am Scheitel . Dabei teilt der generierte Punkt die Schenkellänge im Goldenen Schnitt. Es entsteht dabei das gleichschenklige stumpfwinklige Dreieck sowie das Dreieck . Dass letzteres auch ein Goldenes Dreieck ist, zeigt die folgende einfache Überprüfung der Winkelweiten.
Am Scheitel ergibt sich durch die Winkelhalbierende des Ausgangsdreiecks die Winkelweite ; der Basiswinkel am Scheitel bleibt unverändert . Wird die Winkelsumme eines ebenen Dreiecks mit berücksichtigt, ist am Scheitel der Basiswinkel ebenfalls . Dies zeigt auf, das entstandene Dreieck und das Goldene Dreieck sind zwei zueinander ähnliche Dreiecke.
Für den Nachweis, dass der Punkt tatsächlich die Schenkellänge im Goldenen Schnitt teilt, gilt:
Nun bedarf es noch der Bestimmung des Polpunktes als Schnittpunkt der beiden Seitenhalbierenden und . Die darüber hinaus eingezeichneten goldenen Dreiecke und anderes mehr zeigen, dass diese Vorgehensweise beliebig weit fortgesetzt werden kann.
Mit und sind die ersten fünf Punkte auf der – noch zu konstruierenden – Spirale bestimmt. Hat der Polpunkt die Polarkoordinaten , so gilt für die goldene Spirale (spira mirabilis) die Polargleichung
Angenäherte Goldene Spirale mittels Kreisbögen
- Praktikable Methode als Konstruktion mit Zirkel und Lineal
An den gleichschenkligen stumpfwinkligen Dreiecken wird jeweils um deren Scheitelpunkt mit dem stumpfen Winkel, ein Kreisbogen mit der Winkelweite (entspricht ) und dem Radius gleich dem eines Schenkels gezogen.
Mit anderen Worten: Am Dreieck wird um dessen Scheitelpunkt (mit dem stumpfen Winkel), ein Kreisbogen von nach gezogen. Gleiches gilt für die weiteren ähnlichen Dreiecke.
Geometrisches Mittel Bearbeiten
teilt die Strecke im Verhältnis des Goldenen Schnittes:
Wird die Strecke mit Länge durch den Punkt im Verhältnis des Goldenen Schnitts in zwei Teilstrecken und mit Längen und geteilt, so ist bereits das geometrische Mittel der Zahlen und . Das folgt aus der allgemeinen Definition des geometrischen Mittels , hier: . In der Tat folgt mit bereits
Des Weiteren folgt daraus unmittelbar, dass wiederum das geometrische Mittel von und ist. Man hat in diesem Fall
Gefalteter und verknoteter Papierstreifen Bearbeiten
Goldener Schnitt im gefalteten und verknoteten Papierstreifen
Symmetrisches Trapez, die gepunkteten Linien zeigen das Fünfeck im Umkreis sowie den Papierstreifen
Mit der im Folgenden beschriebenen Papierstreifen-Methode erzeugt ein sogenannter Überhandknoten ein regelmäßiges Fünfeck (Bild 1), bei dem die Faltenlänge (rot) die Seitenlänge ist und die Diagonale (grün) – gebildet von der Kante des Papierstreifens – die Länge hat.
Die Diagonale und die sich daran anschließenden drei Seiten des Fünfecks bilden ein symmetrisches Trapez.
Hilfssatz Bearbeiten
(1) Ist ein symmetrischen Trapez (Bild 2), so gilt
so ist die Diagonale auch die Winkelhalbierende des Winkels .
(2) Ist der Winkel , so verhält sich
Beweise Bearbeiten
Zu (1)
Vorausgesetzt das Dreieck ist gleichschenklig, so ist und . Aus der Symmetrie des Trapezes ergibt sich die Gleichheit der vier betrachteten Winkel (grün).
Die beiden Diagonalen und schneiden sich im Scheitel und erzeugen damit den Scheitelwinkel .
Infolgedessen sind die Basiswinkeln des gleichschenkligen Dreiecks gleich denen des . Demzufolge ergibt sich die Gleichheit . Somit ist bestätigt: ist die Winkelhalbierende von .
Zu (2)
Aufgrund der Voraussetzung folgt mittels Hilfssatz (1), der Winkel . Wegen der Symmetrie des Trapezes ist auch der Winkel . Da die Winkelsumme im Dreieck beträgt, ist auch .
Demzufolge ist das Dreieck wegen seiner Innenwinkeln ein Goldenes Dreieck. Das Dreieck hat – für eine mögliche Zahl – deshalb die Seitenlängen . Somit ist bestätigt:
Vorbereitung des Papierstreifens Bearbeiten
Papierstreifen mit den vier eingezeichneten Trapezen wikipedia, wiki, deutsches, deutschland, buch, bücher, bibliothek artikel lesen, herunterladen kostenlos kostenloser herunterladen, MP3, Video, MP4, 3GP, JPG, JPEG, GIF, PNG, Bild, Musik, Lied, Film, Buch, Spiel, Spiele