| DIE QUADRATUR DES KREISES ALS NÄHERUNGSLÖSUNG |
| Zur Geschichte der Zahl Pi (p) |
| Vom Mittelalter bis zur Moderne |
| 1.6.0 | Verfeinerte Näherungen | 1540-1600 | |
| 1.6.1 | Adriaen Metius, Valentius Otho | 1573 | |
| 1.6.2 | Ludolph von Ceulen | 1540-1610 | |
| 1.6.3 | Jacob Marcelis | 1700 | |
| 1.7.0 | Reihenentwicklungen | 1640 - 1780 | |
| 1.7.1 | Pi als Symbol | ||
| 1.8.0 | Lambert und die Irrtionalität von Pi | 1761 | |
| 1.8.1 | Lindemann und Pi als transzendente Zahl | 1882 | |
| 1.9.0 | Näherungswerte für Pi in Bruchdarstellung | ||
| 1.9.1 | Die geometrisch günstigste Näherung | ||
| Im Mittelalter wurden, in Europa, die Verfahren zur Berechnung von p erheblich verfeinert. Tycho de Brahe (1546-1601), ein dänischer Astronom, nahm für p den Wert: |
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| Der französische Mathematiker und Rechtsgelehrte Francois
Viete (1540-1603) drang 1579, in
Fortsetzung der archimedischen Methode, bis zum 393216-Eck
vor. Er erhielt eine Ungleichung, die den Wert für p bis auf 9 Dezimalstellen angab. Viete, (lateinisch Vieta) der "Vater" der modernen Algebra, stellte erstmals eine geschlossene Formel für p vor, die sich aus einem unendlichen Produkt ableiten läßt. |
| Dieses Produkt fand Leonard Euler dann etwa 150 Jahre später. Die Konvergenz dieses Ausdrucks konnte aber erst F. Rudio im Jahre 1891 beweisen. |
| Mehr als
1000 Jahre nach Tsu Ch'ung-Chi entdeckte Adriaen Metius dieselbe Näherung 355/113, als er das
arithmetische Mittel von Zähler und Nenner der beiden Näherungen
377/120 und 333/106, die auf Berechnungen seines Vaters
beruhten, bildete. Beachtenswert ist hier, das durch den relativ einfachen Bruch 333/106 insgesamt 4 Dezimalstellen von p anfallen: |
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| Zu erwähnen wäre noch Valentinus Otho, durch den im Jahre 1573 die Näherung 355/113 bekannt wurde. |
| Um einen Eindruck von der Faszination dieser Zahl in vergangenen Jahren zu vermitteln, dient der niederländische Mathematiker Ludolf von Ceulen (1539-1610). Er errechnete p auf 35 Stellen genau. Hier sein Wert, der auch heute noch gültig ist: |
| p = 3,14159265358979323846264338327950288... |
| Ludolph van
Ceulen widmete einen grossen Teil seiner Arbeit und
seines Lebens der Berechnung der Zahl p. 1596
errechnete er 20 richtige Stellen und kurz vor seinem Tod
weitere 15. Dabei diente ihm die Archimedische Methode
als Grundlage. Er benutzte ein- und umschriebene Polygone
mit 262 Seiten. Die letzten drei der von ihm
berechneten Ziffern wurden in seinen Grabstein
eingemeisselt. Daher wird p auch manchmal als Ludolphsche Zahl bezeichnet. Im Übrigen auch die Version von p, die auf der Titelseite dieser Website angegeben ist. |
| Um 1700 herum war Jacob Marcelis der Meinung, daß es ihm gelungen sei, den Kreis zu quadrieren, und damit den exakten Wert für p zu bestimmen. Diesen gab er wie folgt an: |
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| Von Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), einem deutschen Philosoph und Universalgelehrten, stammt die nachfolgende Reihe für p , die er bei der Untersuchung des Konvergenzverhaltens unendlicher Reihen 1673 fand. |
| Die
einfache, aber nur sehr langsam konvergierende Formel läßt
sich mit Hilfe der Potenzreihe des Arcustangens ableiten.
Leibniz fand unabhängig von Newton die Differential- und
Integralrechnung Durch
die Ausarbeitung der Analysis, von dem englischen
Physiker, Mathematiker und Astronom Isaac Newton (1642 - 1727) und dem
Schweizer Mathematiker Leonhard Euler (1707-1783), konnten bessere Näherungswerte
von p gefunden werden. |
| Der griechische Buchstaben p (p) zur Bezeichnung der Verhältniszahl
des Kreisumfangs zum Kreisdurchmesser soll sich ableiten
aus dem griechischen Wort perijeria (periphereia) = Kreis(umfang), Umkreis, Umfangslinie oder auch von
perimetros, dt. Umfang. Der griechische Buchstabe p wurde als Abkürzung für "Peripherie" von englischen Mathematikern benutzt, genannt werden hier Oughtred (1667) und Issac Barrow (1630-1677). Weiterhin William Jones (1675-1749) mit seinem Werk Synopsis palmariorum matheseos. Doch ihre Beispiele blieben ohne Nachahmung. Aufgegriffen wurde der Buchstabe später von Leonhard Euler in seiner Abhandlung Variae observationes circa series infinitas. Euler verwendet zunächst p bis 1735, ab 1738 dann p . Danach etablierte sich der griechische Buchstabe auch bei anderen Mathematikern als Symbol für die Kreiskonstante und setzte sich so dann überall durch. Euler fand u.a. die Beziehung eip + 1 = 0 , die eine Voraussetzung für Lindemanns Beweis der Transzendenz von p ist. |
| Johann Heinrich Lambert (1728-1777), deutscher Mathematiker, Physiker,
Astronom und Philosoph, gelang es im Jahre 1761, die
Irrationalität von p
zu beweisen. Irrationalität einer Zahl besagt, das sie nicht als Bruch zweier ganzen Zahlen darstellbar ist. Lambert nähert sich der Kreiszahl durch eine Folge von Brüchen. Zuerst zeigte er, daß tan x nicht rational sein kann, wenn Mit Hilfe von Kettenbrüchen konnte er auch die besten Näherungen in Form von Brüchen berechnen. Dazu zählt beispielsweise: |
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| Der deutsche Mathematiker Ferdinand
von Lindemann (1852-1939) bewies dann im Jahre 1882, das p eine transzendente Zahl ist, d.h. unter
anderem: p ist unendlich und
unperiodisch. Unendlichkeit und Unperiodizität langen allein allerdings nicht aus, um Transzendenz einer Zahl zu gewährleisten. Transzendenz einer Zahl bedeutet: Nicht Lösung einer Gleichung mit GANZZAHLIGEN oder RATIONALEN Koeffizienten zu sein. Den Beweis veröffentlichte er in dem Artikel "Über die Zahl p" in den "Mathematischen Annalen" in München. Zuerst bewies Lindemann, daß die Lösung von eip + 1 = 0 nicht algebraisch sein kann. Er wußte aber, daß p dieser Gleichung genügte (das hatte schon Newton bewiesen), woraus er noch weiter folgerte, daß p keine algebraische Zahl sein kann. Die Konsequenz ist, das eine Konstruktion der Zahl p durch Lineal und Zirkel, also die geometrische Quadratur des Kreises nicht exakt möglich ist. Zu erwähnen wäre da noch das, seit den Griechen, quasi ganze Generationen von Mathematikern vorher versucht hatten, eine Lösung der Quadratur mit Zirkel und Lineal zu erreichen. Lindemanns Beweis zeigt demzufolge auch die Aussichtslosigkeit eines solchen Unterfangens. Was andererseits bedeutet, das vorhandene geometrische Konstruktionen, die Quadratur des Kreises betreffend, als Näherungslösungen zu betrachten sind. Und bei Näherungen, das heißt bei ihrer Anwendung und Benutzung, spielt eher die Frage der Genauigkeit eine grosse Rolle. |
| Wie in der obigen historischen Betrachtung behandelt worden ist, läßt sich p durch Bruchdarstellungen annähern. Hier einige Beispiele, wie sie im Laufe der Zeit auch immer wieder von verschiedenen Autoren benutzt worden sind. Die erste abweichende Dezimalstelle ist dabei rot markiert und die Ziffernfolge wird hier abgebrochen. |
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Tabelle 1 - Näherungen für Pi in Bruchdarstellung
| Praktisch geometrisch gesehen, also aus Gründen
der Konstruierbarkeit, sind quasi nur die
Bruchdarstellungen deren Nenner kleiner als 1000 sind,
verwendbar. Und hier fallen lediglich 4 Werte auf: Tsu
Chu'ung-Chi Adriaen
Metius Claudius
Ptolemäus Archimedes |
| Die angegebenen Näherungen lassen sich geometrisch nutzen bzw. umsetzen, so das eine Quadratur des Kreises, als annähernde Konstruktion, lediglich mit Zirkel und Lineal ausgeführt, also durchaus möglich ist. |
| Die am häufigsten verwendete Näherung ist der von Archimedes verwendete Wert 22/7 |
| Dadurch reduziert sich das Thema Quadratur des
Kreises auf zwei Zahlen: die 7
und die 11. Es ergeben sich hier
zwei Möglichkeiten: das 14:11 und das 11:7 Verhältnis.
Aus jeder Proportion resultiert eine spezifische
Quadraturkonstruktion. In den nächsten Kapiteln werden daher beide Konstruktionen gezeigt. Ferner erfolgt eine Untersuchung ihrer Genauigkeit. |