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Das Siebeneck nach Archimedes auch bekannt als Siebeneck im Kreise bezeichnet das Konstruktionsverfahren von Archimedes fur ein regelmassiges Siebeneck Die bekannte Darstellung der Konstruktion siehe nebenstehendes Bild ist der uberlieferten Ausarbeitung von Thabit ibn Qurra nachempfunden Als Ansatz dient Die Strecke C M displaystyle overline CM ist gleich der Seitenlange s displaystyle s eines Siebenecks wenn die beiden Dreiecke T M C displaystyle TMC und W R U displaystyle WRU den gleichen Flacheninhalt haben Neusis Konstruktion von Archimedes das eingezeichnete Siebeneck sowie dessen Umkreis sind nicht uberliefert sie dienen lediglich der Verdeutlichung Es ist nicht bekannt wie Archimedes das markierte Lineal nutzte um den Punkt M displaystyle M oder D displaystyle D zu bestimmen Vom Grundsatz her gibt es dafur zwei mogliche Vorgehensweisen Eine davon beginnt mit dem Bestimmen des Teilungspunktes D displaystyle D der Seite A C displaystyle overline AC eines beliebigen Quadrats A W R C displaystyle AWRC Durch den im Weiteren erzeugten Schnittpunkt U displaystyle U wird eine Halbgerade ab dem Eckpunkt W displaystyle W durch U displaystyle U gezogen bis diese die Verlangerung der Strecke A C displaystyle overline AC im Punkt M displaystyle M schneidet Die somit erzeugten Dreiecke T M C displaystyle TMC und W R U displaystyle WRU besitzen den gleichen Flacheninhalt siehe Abschnitt Bestimmen des Teilungspunktes D displaystyle D sodass gilt C M 2 A C A D displaystyle overline CM 2 overline AC cdot overline AD und A D 2 C D D M displaystyle overline AD 2 overline CD cdot overline DM Die andere Moglichkeit ist man beginnt mit einem beliebigen Quadrat A W R C displaystyle AWRC verlangert anschliessend die Quadratseite A C displaystyle overline AC und zieht schliesslich mithilfe eines markierten Lineals eine Halbgerade ab dem Punkt W displaystyle W bis sie die Verlangerung von A C displaystyle overline AC im Punkt M displaystyle M so schneidet dass die Bedingung der Flachengleichheit der beiden grunen Dreiecke erfullt ist siehe Abschnitt Konstruktion von Archimedes Diese beiden Moglichkeiten sowie eine zusatzliche die den Punkt M displaystyle M ermittelt siehe Abschnitt Bestimmen des Punktes M mithilfe eines markierten Lineals werden im Folgenden auf unterschiedliche Art und Weise erortert Allerdings ist dies wie bei jedem regelmassigen Siebeneck nicht allein mit den klassischen Hilfsmitteln Zirkel und unmarkiertem Lineal exakt darstellbar A 1 wohl aber zum Beispiel mit einem Hilfsmittel zur Dreiteilung des Winkels einem markierten Lineal Wurde die Seitenlange s displaystyle s auf diese Art und Weise ermittelt konnen anschliessend durch eine einfache weiterfuhrende Konstruktion bei gegebenem Umkreis bzw bei gegebener Seitenlange Siebenecke als Konstruktion mit Zirkel und unmarkiertem Lineal bestimmt werden Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Konstruktion von Archimedes 2 1 Bestimmen des Teilungspunktes D 2 2 Beweis zu Punkt D 2 3 Bestimmen des Endpunktes M der Strecke AM 3 Bestimmen des Punktes M mithilfe eines markierten Lineals 3 1 Konstruktionsbeschreibung 3 2 Beweis zu Punkt M 4 Bestimmen des Punktes M mithilfe zweier Zickzacklinien in einem gleichschenkligen Dreieck 5 Weiterfuhrende Konstruktion bei gegebenem Umkreis bzw bei gegebener Seitenlange 5 1 Umkreis gegeben 5 2 Seitenlange gegeben 6 Literatur 7 Weblinks 8 Einzelnachweise 9 AnmerkungenGeschichte Bearbeiten nbsp Archimedes gemalt von Giuseppe Nogari vor 1766In der Geschichte der Mathematik ist zum regelmassigen Siebeneck wenig zu finden insbesondere zu der Archimedes 287 212 v Chr zugeschriebenen A 2 1 und im Folgenden beschriebenen Konstruktion aus seinem Buch uber das Siebeneck im Kreise Das in griechischer Sprache verfasste Werk ist nur mehr in Abschriften vorhanden In der Tat geschieht dieses Archimedischen Buches durch verschiedene arabische Gelehrte Erwahnung die selbst Abhandlungen uber das regulare Siebeneck schrieben Samtliche dieser arabischen Texte sind uns erhalten und so ist es moglich den Anteil des Archimedes an der Losung des Siebeneckproblems in etwa festzustellen Carl Schoy Die trigonometrischen Lehren des persischen Astronomen Abuʼl Raiḥan Muḥ Ibn Aḥmad al Biruni dargestellt nach Al qanun al masʻudi gekurzt Thabit ibn Qurra 2 Erst rund 1100 Jahre spater sprich im 9 Jahrhundert hat Thabit ibn Qurra 826 901 A 3 das Werk von Archimedes er nannte es Buch des Archimedes ins Arabische ubersetzt und somit den Beweis der Konstruktion von Archimedes fur die Nachwelt erhalten siehe Abschnitt Beweis zu Punkt D Das Buch des Archimedes zahlt zu den altesten arabischen Ubersetzungen Thabit ibn Qurra hatte viel Muhe aufgebracht um die von verstandnislosen Abschreibern entstellten Satze und Figuren aus dem Griechischen zu ubertragen Letztendlich vergingen nochmals rund 1100 Jahre bis Carl Schoy 1877 1925 das Buch des Archimedes das davon handelt den Kreis in 7 gleiche Teile zu teilen ins Deutsche ubertrug Schoy erhielt wertvolle Unterstutzung von dem in Kairo lebenden Max Meyerhof der ihm alle arabischen Schriften uber das Siebeneck uberliess 2 Konstruktion von Archimedes Bearbeiten nbsp Konstruktion von Archimedes erst wenn die Dreiecke W R U displaystyle WRU nbsp und C T M displaystyle CTM nbsp den gleichen Flacheninhalt haben grun entspricht die Strecke C M displaystyle overline CM nbsp der Seitenlange eines regelmassigen Siebenecks Animation mit 10 s Pause am EndeIn einem Quadrat A W R C displaystyle AWRC nbsp A 4 mit beliebiger Seitenlange wird eine Halbgerade ab dem Punkt W displaystyle W nbsp gezogen bis sie die Verlangerung der Quadratseite A C displaystyle overline AC nbsp im Punkt M displaystyle M nbsp schneidet Fur die dabei entstehenden Dreiecke gilt 3 1 Flacheninhalt von W R U Flacheninhalt von C T M displaystyle begin aligned left 1 right amp amp text Flacheninhalt von triangle WRU amp text Flacheninhalt von triangle CTM end aligned nbsp Die geometrische Konstruktion von Archimedes beruht hauptsachlich auf das Bestimmen der Streckenlange C M displaystyle overline CM nbsp Hierzu nutzte er so wird uberliefert die Konstruktionsmethode Einschiebung Neusis Sie entspricht in der Algebra der Losung einer kubischen Gleichung 3 Die Art und Weise wie er diese Einschiebung durchfuhrte um den massgebenden Punkt M displaystyle M nbsp theoretisch exakt zu erhalten ist nicht uberliefert 4 Alhazen ein arabischer Mathematiker 965 1040 war der Meinung dass eine Losung nur mithilfe der Kegelschnitte moglich sei Es grundet Archimedes die Konstruktion des Siebenecks auf das Quadrat das er zuerst behandelt aber wir wissen nicht wie wir das Quadrat auf die Eigenschaft hinarbeiten sollen welche seine Vorschrift enthalt Und dies ist uns nicht klar weil die Hinarbeitung des Quadrates auf die Eigenschaft welche die Bedingung der Losung enthalt nur mittels Kegelschnitte moglich ist Aber der Autor Archimedes gibt in seinem Buche in dem er das Siebeneck behandelt keinen Hinweis auf sie und er sah nicht dass er in seinem Buche das vermengte was nicht gleichartig war Carl Schoy Alhazen Auseinandersetzung von Alhazen Kurzform des Namens uber die Pramissen zur Konstruktion der Seite des Siebenecks 4 nbsp Bild 1 Schritt 1 Prinzipskizze nbsp Bild 2 Schritt 2 Prinzipskizze mit ErweiterungIm Jahr 1992 schreibt Christoph J Scriba den Aufsatz Einige Bemerkungen zu antiken Konstruktionen in Amphora einer Festschrift fur Hans Wussing zu seinem 65 Geburtstag Darin zitiert er Johannes Tropfke aus dessen Werk Die Siebeneckabhandlung des Archimedes Aber diese Beziehung mit dem Schneiden eines Quadrates durcheine Transversale ein glanzender Einfall der Bewunderungverdient dessen Entstehung man leider nicht mehr verfolgenkann Christoph J Scriba 3 2 Erklarungsvorschlag zur Konstruktion des Archimedes 5 Eine Einschiebung mithilfe eines markierten Lineals dessen Kante um den Punkt W displaystyle W nbsp so gedreht ist dass eine Strecke W M displaystyle overline WM nbsp die Bedingung liefert die Dreiecke W R U displaystyle WRU nbsp und C T M displaystyle CTM nbsp haben gleich grosse Flacheninhalte ist offensichtlich nicht zielfuhrend 6 4 Dies ist so weil fur jede Einschiebung die Voraussetzung besteht dass der fur die Markierung des Lineals erforderliche Abstand der beiden Marken konstruierbar ist Die z B hierfur relevanten Streckenlangen W T displaystyle overline WT nbsp oder W M displaystyle overline WM nbsp erfullen diese Bedingung nicht Eine Moglichkeit der Einschiebung auf eine andere Art und Weise wird in Bestimmen des Punktes M mithilfe eines markierten Lineals beschrieben Die folgenden Ausfuhrungen dargestellt in moderner Sprache lehnen sich an die Beschreibung von Thabit ibn Qurra an die im Wesentlichen aus zwei Schritten besteht Als ersten Schritt Bild 1 wird zur Voruberlegung eine Prinzipskizze der Strecke A M displaystyle overline AM nbsp mit ihren Teilungspunkten D displaystyle D nbsp und C displaystyle C nbsp angefertigt Darin sei A C displaystyle overline AC nbsp die Seitenlange des Quadrates A D lt A C displaystyle overline AD lt overline AC nbsp und A M gt A C displaystyle overline AM gt overline AC nbsp zugleich soll gelten 7 2 C M 2 A C A D und 3 A D 2 C D D M displaystyle begin aligned left 2 right amp amp overline CM 2 amp overline AC cdot overline AD quad text und left 3 right amp amp overline AD 2 amp overline CD cdot overline DM end aligned nbsp Im zweiten Schritt Bild 2 erweitert man die soeben erstellte Prinzipskizze Hierzu wird zuerst uber die Strecke A C displaystyle overline AC nbsp mithilfe C M displaystyle overline CM nbsp das gleichschenklige Dreieck A C B displaystyle ACB nbsp errichtet Verbindet man nun den Punkt B displaystyle B nbsp mit M displaystyle M nbsp ergibt sich das ebenfalls gleichschenklige Dreieck C M B displaystyle CMB nbsp Nach Thabit ibn Qurra haben bei exakt bestimmtem Teilungspunkt D displaystyle D nbsp und Endpunkt M displaystyle M nbsp die Winkel an den Scheiteln M displaystyle M nbsp und B displaystyle B nbsp jeweils die Winkelweite m p 7 displaystyle mu tfrac pi 7 nbsp und an den Scheiteln C displaystyle C nbsp Supplementwinkel Nebenwinkel und A displaystyle A nbsp jeweils die Winkelweite 2 m 2 p 7 displaystyle 2 mu tfrac 2 pi 7 nbsp Somit ist der Winkel 2 m displaystyle 2 mu nbsp der Zentriwinkel des Siebenecks 8 Bestimmen des Teilungspunktes D Bearbeiten nbsp Bild 3 Bestimmung des Teilungspunktes D displaystyle D nbsp mithilfe des Graphen der Funktion f x x 3 6 a x 2 5 a 2 x a 3 displaystyle f x x 3 6ax 2 5a 2 x a 3 nbsp in der Darstellung ist a gt 1 displaystyle a gt 1 nbsp Wenn a 1 displaystyle a 1 nbsp verlauft der Graph durch die Punkte W D R displaystyle WDR nbsp Es bedarf dazu mindestens eines zusatzlichen Hilfsmittels wie z B einer Parabel oder einer Parabel und Hyperbel 9 oder des im Folgenden ermittelten Funktionsgraphen 8 Die Dreiecke A C B displaystyle ACB nbsp und C M B displaystyle CMB nbsp sind nicht Teil der Losung sie dienen lediglich der Veranschaulichung Fur eine exakte Konstruktion Bild 3 zeichnet man zuerst das Quadrat A W R C displaystyle AWRC nbsp mit der beliebigen Seitenlange a A C displaystyle a overline AC nbsp und verlangert anschliessend A C displaystyle overline AC nbsp uber C displaystyle C nbsp hinaus Um die Dreiecke W R U displaystyle WRU nbsp und C T M displaystyle CTM nbsp mit gleich grossen Flacheninhalten zu erhalten reicht es den Teilungspunkt D displaystyle D nbsp zu bestimmen Der fehlende Punkt M displaystyle M nbsp ist anschliessend mithilfe eines Lots von D displaystyle D nbsp mit Fusspunkt V displaystyle V nbsp und einer Halbgeraden ab W displaystyle W nbsp durch den erzeugten Kreuzungspunkt U displaystyle U nbsp zu finden Es sei A D x displaystyle overline AD x nbsp A C a displaystyle overline AC a nbsp und C M y displaystyle overline CM y nbsp sodass gilt 4 y 2 a x und 5 x 2 a x a y x displaystyle begin aligned left 4 right amp amp y 2 amp a cdot x quad text und left 5 right amp amp x 2 amp left a x right cdot left a y x right end aligned nbsp Daraus ergibt sich fur y displaystyle y nbsp 6 x 2 a x a y x 0 a 2 a y 2 a x x y 2 a x a 2 y a x 7 y a 2 x a a x a 2 x a a x displaystyle begin aligned left 6 right amp amp x 2 amp left a x right cdot left a y x right amp amp 0 amp a 2 ay 2ax xy amp amp 2ax a 2 amp y cdot left a x right left 7 right amp amp y amp frac a left 2x a right a x a cdot frac 2x a a x end aligned nbsp Gleichung 7 displaystyle left 7 right nbsp eingesetzt in 4 displaystyle left 4 right nbsp ergibt 8 a x a 2 2 x a a x 2 a 2 2 x a 2 a x 2 displaystyle begin aligned left 8 right amp amp ax amp a 2 cdot left frac 2x a a x right 2 a 2 cdot frac left 2x a right 2 left a x right 2 end aligned nbsp Gleichung 8 displaystyle left 8 right nbsp multipliziert mit a x 2 displaystyle left a x right 2 nbsp und anschliessend dividiert durch a displaystyle a nbsp ergibt 9 x a x 2 a 2 x a 2 x a 2 2 a x x 2 a 4 x 2 4 x a a 2 x a 2 2 a x 2 x 3 4 a x 2 4 x a 2 a 3 displaystyle begin aligned left 9 right amp amp x cdot left a x right 2 amp a cdot left 2x a right 2 amp amp x cdot left a 2 2ax x 2 right amp a cdot left 4x 2 4xa a 2 right amp amp xa 2 2ax 2 x 3 amp 4ax 2 4xa 2 a 3 end aligned nbsp daraus folgt die kubische Gleichung 8 10 x 3 6 a x 2 5 a 2 x a 3 0 displaystyle begin aligned left 10 right amp amp x 3 amp 6ax 2 5a 2 x a 3 0 end aligned nbsp Die Funktion f x x 3 6 a x 2 5 a 2 x a 3 displaystyle f x x 3 6ax 2 5a 2 x a 3 nbsp hat im Intervall 0 A M displaystyle 0 overline AM nbsp zwei Nullstellen x 1 lt x 2 displaystyle x 1 lt x 2 nbsp Es gilt D x 2 0 displaystyle D x 2 mid 0 nbsp Die dritte Nullstelle liegt ausserhalb des Intervalls 0 A M displaystyle 0 overline AM nbsp Wenn A 0 0 displaystyle A left 0 mid 0 right nbsp als Koordinatenursprung festgelegt wird sind die kartesischen Koordinaten des relevanten Punktes D displaystyle D nbsp des Funktionsgraphen 10 D a 0 643 104132 0 displaystyle begin aligned quad amp amp D amp left a cdot 0 643104132 ldots mid 0 right end aligned nbsp Beweis zu Punkt D Bearbeiten nbsp Bild 4 Beweis durch Kreisteilung darin ist A C a displaystyle overline AC a nbsp und dieSeitenlange s C M A B displaystyle s overline CM overline AB nbsp B M displaystyle overline BM nbsp ist die kleinste DiagonaleAls Beweis fur die Richtigkeit der Konstruktion von Archimedes soll die folgende Teilung des Kreises in sieben gleich lange Bogen dienen 11 Auf eine Gerade werden die Strecken mit den gegebenen Langen A M displaystyle overline AM nbsp A D displaystyle overline AD nbsp und A C a displaystyle overline AC a nbsp abgetragen anschliessend das gleichschenklige Dreieck A C B displaystyle ACB nbsp mit B C C M displaystyle overline BC overline CM nbsp eingezeichnet sowie die Punkte B displaystyle B nbsp mit M displaystyle M nbsp und B displaystyle B nbsp mit D displaystyle D nbsp verbunden Nach dem Bestimmen des Umkreismittelpunktes O 1 displaystyle O 1 nbsp mithilfe der beiden Senkrechten auf B M displaystyle overline BM nbsp durch C displaystyle C nbsp sowie auf A B displaystyle overline AB nbsp durch D displaystyle D nbsp wird der Umkreis eingezeichnet Es folgen die Verlangerungen der Strecken B D displaystyle overline BD nbsp und B C displaystyle overline BC nbsp bis sie in E displaystyle E nbsp bzw Z displaystyle Z nbsp den Umkreis schneiden Nun wird A displaystyle A nbsp mit Z displaystyle Z nbsp verbunden dabei ergibt sich der Schnittpunkt H displaystyle H nbsp der sogleich mit C displaystyle C nbsp verbunden wird Der Mittelpunkt O 2 displaystyle O 2 nbsp des kleinen Kreises ergibt sich aus der Halbierung der Strecke B C displaystyle overline BC nbsp in L displaystyle L nbsp und der anschliessenden Senkrechten zu B C displaystyle overline BC nbsp in L displaystyle L nbsp Aus der Darstellung Bild 4 ist zu entnehmen arc displaystyle operatorname arc nbsp Kreisbogen 11 M C C B displaystyle overline MC overline CB nbsp im M B C displaystyle triangle MBC nbsp daraus folgt B M C C B M displaystyle angle BMC angle CBM nbsp arc O 1 Z M arc O 1 B A displaystyle operatorname arc O 1 ZM operatorname arc O 1 BA nbsp folglich ist C D D M D B 2 A D 2 displaystyle overline CD cdot overline DM overline DB 2 overline AD 2 nbsp und wegen Ahnlichkeit W W W Satz der Dreiecke M B D C B D displaystyle triangle MBD sim triangle CBD nbsp denn B M D D B C displaystyle angle BMD angle DBC nbsp d h arc O 1 E Z arc O 1 B A displaystyle operatorname arc O 1 EZ operatorname arc O 1 BA nbsp Somit sind arc O 1 B A arc O 1 Z M displaystyle operatorname arc O 1 BA operatorname arc O 1 ZM nbsp und arc O 1 Z E displaystyle operatorname arc O 1 ZE nbsp drei gleich lange Bogen Daruber hinaus ist A Z B M displaystyle overline AZ parallel overline BM nbsp und B M C D B C H A C displaystyle angle BMC angle DBC angle HAC nbsp B D A D C D H D B C A H displaystyle overline BD overline AD overline CD overline HD overline BC overline AH nbsp dies bedeutet die vier Punkte A B C displaystyle A B C nbsp und H displaystyle H nbsp liegen auf demselben Kreis mit Mittelpunkt O 2 displaystyle O 2 nbsp Wegen Kongruenz drei Seiten gleich lang der Dreiecke A C B H B A displaystyle triangle ACB equiv triangle HBA nbsp folgt A C A D C B 2 C M 2 displaystyle overline AC cdot overline AD overline CB 2 overline CM 2 nbsp und aus der Ahnlichkeit W W W Satz von B H C C B D displaystyle triangle BHC sim triangle CBD nbsp folgt H B B D B C 2 displaystyle overline HB cdot overline BD overline BC 2 nbsp Des Weiteren gilt C A H B displaystyle overline CA overline HB nbsp und B C D C H B 2 B M C displaystyle angle BCD angle CHB 2 cdot angle BMC nbsp C H D D A B 2 B M C displaystyle angle CHD angle DAB 2 cdot angle BMC nbsp folglich ist arc O 1 M B 2 arc O 1 B A displaystyle operatorname arc O 1 MB 2 cdot operatorname arc O 1 BA nbsp wegen A B D D A B displaystyle angle ABD angle DAB nbsp ist auch arc O 1 A E 2 arc O 1 B A displaystyle operatorname arc O 1 AE 2 cdot operatorname arc O 1 BA nbsp also ist jeder der Bogen arc O 1 M B displaystyle operatorname arc O 1 MB nbsp und arc O 1 A E 2 O 1 B A displaystyle operatorname arc O 1 AE 2 cdot O 1 BA nbsp Somit ist der Kreis M B A E Z displaystyle MBAEZ nbsp in sieben gleich lange Teile geteilt was zu beweisen war 11 Bestimmen des Endpunktes M der Strecke AM Bearbeiten nbsp Bild 5 Bestimmen der Strecke A M displaystyle overline AM nbsp mithilfe des Graphen der Funktion f x displaystyle f x nbsp als AnimationDas nebenstehende Bild zeigt eine alternative Losung Darin wird der Punkt M displaystyle M nbsp anstatt des Punktes D displaystyle D nbsp bestimmt Die Dreiecke A C B displaystyle ACB nbsp und C M B displaystyle CMB nbsp sowie die Punkte D displaystyle D nbsp und V displaystyle V nbsp sind nicht Teil der Losung sie dienen lediglich der Veranschaulichung Fur eine exakte Konstruktion zeichnet man zuerst das Quadrat A W R C displaystyle AWRC nbsp mit der beliebigen Seitenlange a A C displaystyle a overline AC nbsp und verlangert A C displaystyle overline AC nbsp uber C displaystyle C nbsp hinaus Um die Dreiecke W R U displaystyle WRU nbsp und C T M displaystyle CTM nbsp mit gleich grossen Flacheninhalten zu erhalten reicht es den Punkt M displaystyle M nbsp zu bestimmen Abschliessend wird die Verbindungslinie von Punkt W displaystyle W nbsp bis Punkt M displaystyle M nbsp eingetragen VoruberlegungGesucht ist eine Funktion f x displaystyle f x nbsp deren Graph die x Achse eines kartesischen Koordinatensystems in M displaystyle M nbsp schneidet Nullstelle und somit die Strecke A M displaystyle overline AM nbsp erzeugt AnsatzSei a 1 displaystyle a 1 nbsp dann ist die Lange der Strecke A M displaystyle overline AM nbsp gleich dem Langenverhaltnis der kleinsten Diagonale B M displaystyle overline BM nbsp zur Seitenlange s displaystyle s nbsp des regelmassigen Siebenecks siehe hierzu Bild 4 Beweis durch Kreisteilung 12 A M B M s 2 cos p 7 1 801 937 735 displaystyle overline AM tfrac overline BM s 2 cos left tfrac pi 7 right 1 801 937 735 ldots nbsp Dies fuhrt uber die kubische Gleichung 13 x 3 x 2 2 x 1 0 displaystyle x 3 x 2 2x 1 0 nbsp schliesslich zur Funktion f x x 3 x 2 2 x 1 displaystyle f x x 3 x 2 2x 1 nbsp mit deren dritten Nullstelle in M 1 801 937 735 0 displaystyle M left 1 801 937 735 ldots mid 0 right nbsp Fur allgemeine a gt 0 displaystyle a gt 0 nbsp ergibt sich aufgrund linearer Skalierung entsprechend 14 A M a 2 cos p 7 a 1 801 937 735 displaystyle overline AM a cdot 2 cos left tfrac pi 7 right a cdot 1 801 937 735 ldots nbsp Bestimmen des Punktes M mithilfe eines markierten Lineals Bearbeiten nbsp Bild 6 Konstruktion von Archimedes als Neusis KonstruktionWie im Abschnitt Konstruktion von Archimedes erlautert gibt es keine Uberlieferung wie er ein markiertes Lineal in seiner speziellen Neusis Konstruktion nutzte um den Punkt M displaystyle M nbsp zu erhalten Nichtsdestotrotz gibt es die Moglichkeit der Einschiebung Bild 6 mithilfe der bereits bekannten Methode fur ein Siebeneck mit gegebener Seitenlange von David Johnson Leisk auch Crockett Johnson genannt In seiner Veroffentlichung aus dem Jahr 1975 beschreibt er den Losungsweg zum Bestimmen der Halfte des Zentriwinkels m p 7 displaystyle mu tfrac pi 7 nbsp mithilfe eines Quadrats und z B des gleichschenkligen Dreiecks A E C displaystyle AEC nbsp Die Weiterfuhrung liefert den Umkreismittelpunkt O displaystyle O nbsp des Siebenecks 15 Konstruktionsbeschreibung Bearbeiten Es beginnt mit dem Quadrat A W R C displaystyle AWRC nbsp mit der Seitenlange a displaystyle a nbsp und der Diagonalen A R displaystyle overline AR nbsp Es folgen der Kreisbogen b displaystyle b nbsp um C displaystyle C nbsp mit dem Radius C W displaystyle overline CW nbsp und die Mittelsenkrechte der Strecke A C displaystyle overline AC nbsp Nun wird das Lineal mit der Markierung der Seitenlange a displaystyle a nbsp so platziert dass ein Endpunkt der Markierung auf der Mittelsenkrechten der zweite auf dem Kreisbogen b displaystyle b nbsp liegt und die Kante des Lineals durch den Punkt A displaystyle A nbsp verlauft Die Bezeichnung der so gefundenen Punkte E displaystyle E nbsp und F displaystyle F nbsp sowie die Verbindungen des Punktes E displaystyle E nbsp mit A displaystyle A nbsp und C displaystyle C nbsp schliessen sich an Somit ergibt sich am Winkelscheitel E displaystyle E nbsp die Halfte des Zentriwinkels m p 7 displaystyle mu tfrac pi 7 nbsp Weiter geht es mit der Halbierung der Strecke A E displaystyle overline AE nbsp in G displaystyle G nbsp und dem Errichten einer Orthogonalen Senkrechten auf A E displaystyle overline AE nbsp in G displaystyle G nbsp mit Schnittpunkt O displaystyle O nbsp auf der Mittelsenkrechten Anschliessend um O displaystyle O nbsp den Umkreis k 1 displaystyle k 1 nbsp des Dreiecks E C A displaystyle ECA nbsp mit dem Radius O E displaystyle overline OE nbsp ziehen der Schnittpunkt ist I displaystyle I nbsp Ab dem Punkt I displaystyle I nbsp tragt man einmal in Richtung E displaystyle E nbsp die Seitenlange a displaystyle a nbsp des Quadrates auf dem Kreis ab es ergibt den Schnittpunkt J displaystyle J nbsp Nun bedarf es noch einer Verlangerung der Strecke A C displaystyle overline AC nbsp ab C displaystyle C nbsp und einer Halbgeraden ab J displaystyle J nbsp durch I displaystyle I nbsp bis sie die Verlangerung ab C displaystyle C nbsp im gesuchten Punkt M displaystyle M nbsp trifft Beweis zu Punkt M Bearbeiten nbsp Bild 7 Skizze fur den Beweis der Neusis KonstruktionEin moglicher Beweis Bild 7 besteht darin zu zeigen dass das Dreieck M A I displaystyle MAI nbsp ein gleichschenkliges Dreieck ist Mit anderen Worten Die Sehne A I displaystyle overline AI nbsp des Kreises k 1 displaystyle k 1 nbsp und die Strecke A M displaystyle overline AM nbsp mussen gleich lang sein Im gleichschenkligen Dreieck A I C displaystyle AIC nbsp mit den Schenkeln a displaystyle a nbsp ist die Sehne A I displaystyle overline AI nbsp eine Diagonale uber zwei Seiten eines Siebenecks mit dem Innenwinkel a 5 7 180 displaystyle alpha tfrac 5 7 cdot 180 circ nbsp Die Seitenlange c A I displaystyle c overline AI nbsp ergibt sich aus A I 2 a sin a 2 a 1 801 937735 displaystyle overline AI 2 cdot a cdot sin left frac alpha 2 right a cdot 1 801937735 ldots nbsp Ergebnis der Berechnung der Streckenlange A M displaystyle overline AM nbsp aus dem Abschnitt Bestimmen des Endpunktes M der Strecke AM A M a 1 801 937 735 displaystyle overline AM a cdot 1 801 937 735 ldots nbsp daraus folgt A I A M displaystyle overline AI overline AM nbsp Was zu beweisen war Bestimmen des Punktes M mithilfe zweier Zickzacklinien in einem gleichschenkligen Dreieck Bearbeiten nbsp Bild 8 Bestimmen des Punktes M displaystyle M nbsp mithilfe zweier sich kreuzender Zickzacklinien in einem gleichschenkligen Dreieck mit den Innenwinkeln ϕ 3 ϕ 3 ϕ displaystyle phi 3 phi 3 phi nbsp C T B M displaystyle overline CT overline BM nbsp A 5 Animation mit 20 s PauseArchibald H Finlay veroffentlichte 1959 in The Mathematical Gazette unter dem Titel 2863 Zig Zag paths einen Kreis mit acht speziellen Kreissektoren die unterschiedliche Zickzacklinien beinhalten Ein Kreissektor zeigt ein gleichschenkliges Dreieck mit dem Zentriwinkel 180 7 ϕ displaystyle tfrac 180 circ 7 phi nbsp eines Vierzehnecks den beiden Basiswinkeln mit je 3 ϕ displaystyle 3 phi nbsp sowie zwei sich kreuzende vom Dreieck umschriebene Zickzacklinien mit sieben gleich langen Geradenabschnitten 16 Das Zusammenspiel des Dreiecks A B B displaystyle ABB nbsp mit Seitenlange a displaystyle a nbsp des Quadrates und den beiden Zickzacklinien ermoglicht das Finden des Punktes M displaystyle M nbsp der Strecke A M displaystyle overline AM nbsp 17 Es ist vorteilhaft die Konstruktion Bild 8 mittels einer Dynamischen Geometrie Software zu erstellen Fur eine Konstruktion auf Papier gabe es z B auch die Moglichkeit den beweglichen Winkelschenkel durch einen Papierstreifen zu ersetzen oder man nimmt dazu fur eine pragmatische Losung einfach sieben gleich lange Zahnstocher 18 Die weitere Vorgehensweise ware gleich wie die im Folgenden beschriebene bzw wie die in der Animation Bild 8 gezeigte VorgehensweiseNach der Konstruktion des Quadrates A W R C displaystyle AWRC nbsp und dem Einzeichnen der Diagonalen A R displaystyle overline AR nbsp wird die Seite A C displaystyle overline AC nbsp des Quadrates mittels einer Halbgeraden uber C displaystyle C nbsp hinaus verlangert Dies ergibt den feststehenden Winkelschenkel des spateren Winkels ϕ displaystyle phi nbsp Eine nun folgende zweite Halbgerade ab dem Scheitel A displaystyle A nbsp sprich der bewegliche Winkelschenkel schliesst einen Winkel mit noch unbestimmter Winkelweite ein Es geht weiter mit den zwei sich kreuzenden Zickzacklinien d h mit dem Eintragen der vorerst funf Seitenlangen a A C displaystyle a overline AC nbsp eine ist die Quadratseite Beginnend mit der ersten Zickzacklinie beim Scheitel A displaystyle A nbsp wird zuerst auf dem beweglichen Winkelschenkel die Lange a displaystyle a nbsp abgetragen dabei ergibt sich der Schnittpunkt X displaystyle X nbsp Es folgt wieder mithilfe a displaystyle a nbsp das vorlaufige Bestimmen der Punkte M displaystyle M nbsp und B displaystyle B nbsp Auf die gleiche Art und Weise werden die Punkte Y displaystyle Y nbsp und B displaystyle B nbsp der zweiten Zickzacklinie eingetragen Die siebte Lange a displaystyle a nbsp rot Grundlinie des gesuchten Dreiecks A B B displaystyle ABB nbsp wird nahe B displaystyle B nbsp auf dem feststehenden Winkelschenkel platziert Um das Dreieck A B B displaystyle ABB nbsp zu erhalten bedarf es noch der Verbindung der Grundlinie der Lange a displaystyle a nbsp rot mit den Endpunkten B displaystyle B nbsp und B displaystyle B nbsp der beiden Zickzacklinien Die Animation Bild 8 zeigt ein Beispiel wie dies erreicht werden kann Mit dem fertiggestellten Dreieck A B B displaystyle ABB nbsp ist der Punkt M displaystyle M nbsp so platziert dass die Dreiecke W R U displaystyle WRU nbsp und T M C displaystyle TMC nbsp nun den gewunschten gleichen Flacheninhalt haben A 5 Weiterfuhrende Konstruktion bei gegebenem Umkreis bzw bei gegebener Seitenlange BearbeitenUmkreis gegeben Bearbeiten Siehe hierzu Bild 9 Ausgehend von den konstruierten Punkten D displaystyle D nbsp und M displaystyle M nbsp zieht man zuerst ab dem Winkelscheitel A displaystyle A nbsp die Halbgerade g 1 displaystyle g 1 nbsp mit der Winkelweite m 2 displaystyle tfrac mu 2 nbsp Es folgt das Abtragen des gegebenen Umkreisradius r displaystyle r nbsp auf die Halbgerade g 1 displaystyle g 1 nbsp ab A displaystyle A nbsp dabei ergibt sich der Mittelpunkt O displaystyle O nbsp des Umkreises Nun zieht man um O displaystyle O nbsp den Umkreis des gesuchten Siebenecks mit dem Radius r A O displaystyle r overline AO nbsp Schneidet der Umkreis die Strecke A B displaystyle overline AB nbsp in E displaystyle E nbsp so ist die Seitenlange s displaystyle s nbsp hiermit gefunden Schneidet der Umkreis die Strecke A B displaystyle overline AB nbsp nicht wird ab B displaystyle B nbsp die Halbgerade g 2 displaystyle g 2 nbsp gezogen bis sie den Umkreis in E displaystyle E nbsp schneidet und so die Seitenlange s displaystyle s nbsp liefert Abschliessend werden die Seitenlange s displaystyle s nbsp funfmal gegen den Uhrzeigersinn abgetragen und die noch fehlenden Seiten des Siebenecks eingezeichnet nbsp Bild 9 Siebeneck bei gegebenem Umkreisradius r displaystyle r nbsp Weiterfuhrung der Konstruktion von Archimedes Bild 3 oder 5 Animation am Ende 30 s Pause nbsp Bild 10 Siebeneck bei gegebener Seitenlange s displaystyle s nbsp Weiterfuhrung der Konstruktion von Archimedes Bild 3 oder 5 Animation am Ende 30 s Pause Seitenlange gegeben Bearbeiten Siehe hierzu Bild 10 Ausgehend von den konstruierten Punkten D displaystyle D nbsp und M displaystyle M nbsp zieht man zuerst ab dem Winkelscheitel A displaystyle A nbsp die Halbgerade g 1 displaystyle g 1 nbsp mit der Winkelweite m 2 displaystyle tfrac mu 2 nbsp Nun soll die gegebene Seitenlange s displaystyle s nbsp bestimmt werden Ist die Seitenlange s A E A B displaystyle s overline AE leq overline AB nbsp wird sie auf A B displaystyle overline AB nbsp abgetragen Andernfalls ist zuvor ab B displaystyle B nbsp die Halbgerade g 2 displaystyle g 2 nbsp zu ziehen um drauf E displaystyle E nbsp platzieren zu konnen Nach dem Einzeichnen eines Kreisbogens mit dem Radius A E displaystyle overline AE nbsp um A displaystyle A nbsp bis die Strecke A M displaystyle overline AM nbsp in F displaystyle F nbsp geschnitten wird zieht man eine Linie ab E displaystyle E nbsp durch F displaystyle F nbsp auf die Halbgerade g 1 displaystyle g 1 nbsp Dabei ergibt sich der Schnittpunkt O displaystyle O nbsp sowie das Dreieck A O E displaystyle AOE nbsp Wegen Ahnlichkeit der Dreiecke A O E A F E displaystyle AOE sim AFE nbsp entspricht der am Eckpunkt O displaystyle O nbsp eingeschlossene Winkel dem Zentriwinkel 2 m 2 p 7 displaystyle 2 mu tfrac 2 pi 7 nbsp des Siebenecks und O displaystyle O nbsp dem Mittelpunkt des gesuchten Umkreises Abschliessend werden der Umkreis um O displaystyle O nbsp mit dem Radius r A O displaystyle r overline AO nbsp gezogen die Seitenlange s displaystyle s nbsp funfmal gegen den Uhrzeigersinn abgetragen und die noch fehlenden Seiten des Siebenecks eingezeichnet Literatur BearbeitenJohannes Tropfke Die Siebeneckabhandlung des Archimedes The University of Chicago Press Journals Osiris Band 1 Christoph J Scriba Einige Bemerkungen zu antiken Konstruktionen Kap 3 Die Siebeneckskonstruktion nach Archimedes In Amphora Festschrift fur Hans Wussing zu seinem 65 Geburtstag S 677 692 1992 Springer Basel AG ISBN 978 3 0348 9696 2 J L Berggren Geometrische Konstruktionen in der Islamischen Welt PDF 4 Abu Sahl al Quhi uber das regelmassige Siebeneck Nicht mehr online verfugbar spektrum de 2011 S 83 89 archiviert vom Original am 20 August 2021 abgerufen am 18 Juni 2023 Jan P Hogendijk Greek and Arabic Constructions of the Regular Heptagon Kap 4 Arabic Constructions of the Regular Heptagon In JSTOR Journal Article in Archive for History of Exact Sciences Band 30 Nr 3 4 1984 S 217 ff Springer Christian Marinus Taisbak Analysis of the So called Lemma of Archimedes for Constructing a Regular Heptagon Wiley Online Library Centaurus Juli 1993 Band 36 S 191 199 Wilbur R Knorr On Archimedes Construction of the Regular Heptagon Wiley Online Library Centaurus Oktober 1989 Band 32 S 257 271 Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Archimedes construction of a heptagon Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Siebeneck nach David Johnson LeiskEinzelnachweise Bearbeiten Jan P Hogendijk Greek and Arabic Constructions of the Regular Heptagon Kap 2 4 The Greek origin of the construction In JSTOR Journal Article in Archive for History of Exact Sciences Band 30 Nr 3 4 1984 S 211 Springer a b Carl Schoy Die trigonometrischen Lehren des persischen Astronomen Abuʼl Raiḥan Muḥ Ibn Aḥmad al Biruni dargestellt nach Al qanun al masʻudi Hannover Orient Buchhandlung Heinz Lafaire 1927 S 74 Digitalisat PDF 4 2 MB auf Jan P Hogendijk University of Utrecht Department of Mathematics abgerufen am 14 Oktober 2019 a b H W Alten A Djafari Naini M Folkerts H Schlosser K H Schlote H Wussing 4000 Jahre Algebra Geschichte Kulturen Menschen 2 4 2 Konstruktion des regelmassigen Siebenecks durch Einschiebung von Archimedes Springer Verlag Berlin Heidelberg 2008 ISBN 978 3 540 43554 9 S 80 a b c Carl Schoy Die trigonometrischen Lehren des persischen Astronomen Abuʼl Raiḥan Muḥ Ibn Aḥmad al Biruni dargestellt nach Al qanun al masʻudi Hannover Orient Buchhandlung Heinz Lafaire 1927 S 85 Abschnitt Ubersetzung Digitalisat PDF 4 2 MB auf Jan P Hogendijk University of Utrecht Department of Mathematics abgerufen am 16 Mai 2023 Christoph J Scriba Einige Bemerkungen zu antiken Konstruktionen J TROPFKE schrieb in TROPFKE 1936 S 684 uber diese archimedische Konstruktion J L Berggren Mathematik im mittelalterlichen Islam PDF 4 Abu Sahl uber das regelmassige Siebeneck Nicht mehr online verfugbar archive org 20 August 2021 S 83 archiviert vom Original am 20 August 2021 abgerufen am 22 Oktober 2021 H W Alten A Djafari Naini M Folkerts H Schlosser K H Schlote H Wussing 4000 Jahre Algebra Geschichte Kulturen Menschen 2 4 2 Konstruktion des regelmassigen Siebenecks durch Einschiebung von Archimedes Springer Verlag Berlin Heidelberg 2008 ISBN 978 3 540 43554 9 S 81 a b c H W Alten A Djafari Naini M Folkerts H Schlosser K H Schlote H Wussing 4000 Jahre Algebra Geschichte Kulturen Menschen 2 4 2 Konstruktion des regelmassigen Siebenecks durch Einschiebung von Archimedes Springer Verlag Berlin Heidelberg 2008 ISBN 978 3 540 43554 9 S 81 82 Carl Schoy Die trigonometrischen Lehren des persischen Astronomen Abuʼl Raiḥan Muḥ Ibn Aḥmad al Biruni dargestellt nach Al qanun al masʻudi Hannover Orient Buchhandlung Heinz Lafaire 1927 S 84 ff Digitalisat PDF 4 2 MB auf Jan P Hogendijk University of Utrecht Department of Mathematics abgerufen am 14 Oktober 2019 3 Nullstellen des Funktionsgraphen Wolfram Alpha abgerufen am 13 Juli 2020 a b c Carl Schoy Die trigonometrischen Lehren des persischen Astronomen Abuʼl Raiḥan Muḥ Ibn Aḥmad al Biruni dargestellt nach Al qanun al masʻudi Hannover Orient Buchhandlung Heinz Lafaire 1927 S 83 Digitalisat PDF 4 2 MB auf Jan P Hogendijk University of Utrecht Department of Mathematics abgerufen am 14 Oktober 2019 OEIS COMMENTS rho 7 2 cos Pi 7 is the length ratio smallest diagonal side in the regular 7 gon heptagon OEIS COMMENTS An algebraic integer of degree 3 with minimal polynomial x3 x2 2x 1 OEIS COMMENTS rho 7 2 cos Pi 7 Crockett Johnson A Construction for a Regular Heptagon PDF In The Mathematical Gazette Florida Atlantic University Marz 1975 S 17 19 abgerufen am 19 Dezember 2021 Archibald H Finlay 2863 Zig Zag paths PDF In The Mathematical Gazette Cambridge University Press 3 November 2016 S 199 abgerufen am 25 Januar 2022 Crockett Johnson A Construction for a Regular Heptagon PDF In The Mathematical Gazette Florida Atlantic University Marz 1975 S 19 20 abgerufen am 10 Marz 2022 Eric W Weisstein Regular Heptagon In The Mathematical Gazette MathWorld A Wolfram Web Resource abgerufen am 21 Juni 2023 Anmerkungen Bearbeiten Ein regelmassiges Vieleck sprich n Eck oder Polygon ist nach Carl Friedrich Gauss nur dann konstruierbar Wenn n displaystyle n nbsp das Produkt einer Potenz von 2 mit paarweise voneinander verschiedenen Fermatschen Primzahlen ist Jan P Hogendijk Die Zuschreibung an Archimedes erfolgt auch durch die arabischen Gelehrten Abu l Jud Al Sijzi Al Kuhi Al Saghani Al Shanni Ibn al Haytham und Kamal Al Din ibn Yunus Der Name Archimedes und sogar der Name des Ubersetzers Thabit ibn Qurra konnten jedoch von einem Schreiber dem Text hinzugefugt worden sein Ubersetzung In der Literatur findet man haufig auch 836 A D als Geburtsjahr Die Bezeichnungen der Punkte sind dem Buch von H W Alten 4000 Jahre Algebra Geschichte Kulturen Menschen S 81 entnommen a b Das Dreieck ABC in A Construction for a Regular Heptagon wird durch den Zentriwinkel 180 7 ϕ displaystyle tfrac 180 circ 7 phi nbsp des Vierzehnecks und die Seitenlange a displaystyle a nbsp des Quadrates bestimmt Es musste daher richtig heissen auf S 20 Ende des letzten Absatzes If AY equals BF then AX is BA XY is AF YB is AE nbsp Dieser Artikel wurde am 25 Mai 2023 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Siebeneck nach Archimedes amp oldid 239125040