Konstruktion mit Zirkel und Lineal

Die Konstruktion eines regelmäßigen Sechsecks nur mit Zirkel und Lineal

In der euklidischen Geometrie versteht man unter einer Konstruktion mit Zirkel und Lineal die Entwicklung der exakten zeichnerischen Darstellung einer Figur auf der Grundlage vorgegebener Größen, wobei in der Regel nur Zirkel und Lineal verwendet werden dürfen. Das Lineal hat keine Markierungen; man kann damit also nur Geraden zeichnen, aber keine Strecken abmessen.

In der Geometrie werden Zirkel und Lineal auch als euklidische Werkzeuge bezeichnet. Problemlösungen, die auf andere Hilfsmittel zurückgreifen, wurden von den Griechen der klassischen Periode (und auch später von den meisten Geometrietreibenden bis ins 20. Jahrhundert) als nicht zufriedenstellend betrachtet.

Euklidische Werkzeuge

Die Beschränkung auf die „euklidischen Werkzeuge“ leitete sich aus den Postulaten ab, die Euklid am Anfang seines Lehrbuches Die Elemente zusammengestellt hatte. Daraus ergeben sich als einzige zugelassene Anwendungen dieser Werkzeuge:

• das Ziehen einer Geraden mit unbeschränkter Länge durch zwei beliebig gegebene, voneinander verschiedene Punkte,
• das Ziehen eines Kreises, der einen beliebig gegebenen Punkt als Mittelpunkt hat und durch einen beliebig gegebenen anderen Punkt verläuft, und
• das Übertragen bzw. Abschlagen einer Strecke auf einer Geraden oder einer Kreislinie.

Ein Beispiel wäre die Konstruktion eines Dreiecks aus drei Vorgaben, etwa zweier Seiten und eines Winkels.

Geschichte

In der Antike forderte man vorerst kollabierende Zirkel. Später war auch der nicht-kollabierende Zirkel für Konstruktionen erlaubt – nicht zuletzt, weil mit Lineal und kollabierendem Zirkel dieselben Punkte konstruiert werden können wie mit Lineal und nicht-kollabierendem Zirkel.

Die Konstruktion nur mittels Zirkel und (unskaliertem) Lineal galt viele Jahrhunderte als die Krone mathematischer Logik. Sie galt aber lange als weitgehend ausgereizt. Die Entdeckung einer Konstruktionsmethode für das regelmäßige Siebzehneck am 29. März 1796 durch Carl Friedrich Gauß war die erste wesentliche Neuerung seit zweitausend Jahren. Mit Hilfe der im 19. Jahrhundert entwickelten Galoistheorie über Nullstellen von Polynomen konnten auch Aussagen über konstruierbare Polygone und die Dreiteilung beliebiger Winkel gemacht werden.

Viele Mathematiker haben sich jahrelang an – wie man heute weiß unlösbaren – Aufgaben wie der Quadratur des Kreises versucht. Innerhalb der letzten gut 100 Jahre wurde die euklidische Einschränkung jedoch mehr und mehr als unnötige Begrenzung der Möglichkeiten gesehen. Einige Kritiker sahen darin sogar eine sogenannte Denkblockade. Daher wurde das Spektrum der Werkzeuge erweitert. Eine allgemeine Teilung des Winkels kann mit Hilfe einer Schablone erfolgen, deren Kante eine archimedische Spirale bildet. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts kam mit dem „Tomahawk“ ein Gerät zur allgemeinen Dreiteilung des Winkels auf.

Nach dem Satz von Mohr-Mascheroni (nach Georg Mohr und Lorenzo Mascheroni) können Konstruktionsaufgaben mit Zirkel und Lineal auch mit dem Zirkel allein ausgeführt werden und nach dem Satz von Poncelet-Steiner (nach Jean-Victor Poncelet, Jakob Steiner) auch mit dem Lineal und einem vorgegebenen Kreis.

Algebraische Operationen

Mit Zirkel und Lineal kann man mit graphisch vorgegebenen oder bereits konstruierten reellen Zahlen die folgenden elementaren algebraischen Operationen ausführen (das heißt, deren Ergebnis in der Darstellung auf dem Zahlenstrahl konstruieren):

• die Addition zweier Zahlen (Konstruktion einer Summe),
• die Subtraktion zweier Zahlen (Konstruktion einer Differenz),
• die Multiplikation zweier Zahlen (Konstruktion eines Produktes),
• die Division einer Zahl durch eine von Null verschiedene Zahl (Konstruktion eines Quotienten),
• das Quadratwurzelziehen aus einer nichtnegativen Zahl (Konstruktion einer Quadratwurzel).

Alle Zahlen, die nicht durch Anwendung endlich vieler dieser elementaren Operationen erhalten werden können, können auch nicht mit Zirkel und Lineal konstruiert werden. Das sind sogar überabzählbar viele, nämlich (wenn die Zahlen 0 und 1 vorgegebenen sind) alle transzendenten Zahlen wie etwa die Kreiszahl $\pi$ oder die Eulersche Zahl $\mathrm {e}$, aber auch jede algebraische Zahl mindestens dritten Grades wie etwa ${\sqrt[{3}]{2}}$. Mit Zirkel und Lineal konstruierbar sind genau die algebraischen Zahlen höchstens zweiten Grades, also die Nullstellen der Polynome $ax^{2}+bx+c$ mit ganzzahligen Koeffizienten a, b und c wie etwa $4+3\cdot {\sqrt {2}}$ als Lösung der quadratischen Gleichung $x^{2}-8x-2=0.$

Zur Konstruktion des Produktes und des Kehrwertes wird der Strahlensatz verwendet und zur Konstruktion von Quadratwurzeln der Kathetensatz oder der Höhensatz des Euklid (siehe Zeichnungen weiter unten).

Eine geometrische Struktur, die eigens dazu entwickelt wurde, die Möglichkeiten der Konstruktionen mit Zirkel und Lineal algebraisch darzustellen, bilden die euklidischen Ebenen (im Sinne der synthetischen Geometrie) über euklidischen Körpern.

• 

  Addition 1+2

• 

  Differenz 3−2=3+(−2)

• 

  Multiplikation 2 × 1,5

• 

  Multiplikation −0,5 × 2

• 

  Division 3 : 2

• 

  Konstruktion der Wurzel aus 2

• 

  Konstruktion der Wurzel aus 3

• 

  Konstruktion der Wurzel aus a

Zwischenschritte, zum Beispiel, um beim Bild zu ${\sqrt {2}}$ das Quadrat zu konstruieren, wurden der Übersichtlichkeit wegen weggelassen.

Unmögliche Konstruktionen

Viele geometrische Figuren können nicht allein mit Zirkel und Lineal exakt konstruiert werden. Darunter sind die klassischen Probleme der antiken Mathematik:

• die Dreiteilung des Winkels,
• die Verdoppelung des Würfels,
• die Quadratur des Kreises

sowie

• die Kegelschnitte (mit Ausnahme des Kreises) und
• viele regelmäßige Vielecke.

Der Beweis, dass diese Probleme grundsätzlich nicht mit Zirkel und Lineal zu lösen sind, gelang jedoch erst im 19. Jahrhundert. Dennoch bewirkten die Versuche, das Unmögliche zu vollbringen, eine Reihe von Leistungen. Die Griechen fanden einige Lösungen der „klassischen“ Probleme mit anderen Hilfsmitteln, wobei sie viele Resultate der höheren Geometrie entdeckten.

Näherungskonstruktion

Für einige Figuren, die mit Zirkel und Lineal nicht konstruiert werden können oder für die die Konstruktion zu aufwändig ist, gibt es Möglichkeiten, diese zumindest näherungsweise zu konstruieren. Diese Näherungskonstruktionen kommen dem wahren Objekt sehr nahe. Bekannte Näherungskonstruktionen sind zum Beispiel die Näherungskonstruktion für die Kreiszahl Pi, die Näherungskonstruktion für die Quadratur des Kreises, die Näherungskonstruktion für das regelmäßige Siebeneck und die Näherungskonstruktion für das regelmäßige Neuneck.

Anwendung

Die geometrischen Grundkonstruktionen spielen insbesondere in der darstellenden Geometrie und im technischen Zeichnen eine wesentliche Rolle. Ihre Vermittlung beginnt bereits mit der Schulmathematik und findet im Ausbildungsberuf des technischen Zeichners vielfältige Anwendungen.

Weblinks

•  Wikibooks: Die drei antiken Rätsel – Lern- und Lehrmaterialien
•  Wikibooks: Näherungskonstruktionen – Lern- und Lehrmaterialien
• Zirkel und Lineal: Ein freies Programm für Konstruktionen am Computer
• Konstruktionen mit Zirkel und Lineal (mit Anleitung) (bei mathezentrale.de)