Hans Walser, [20200712]
Spiralen im regelmŠ§igen Vieleck
Anregung: M. E., B.
Im Kontext von regelmŠ§igen n-Ecken werden Spiralen gegebener LŠnge gesucht.
Wir treffen dabei auf pythagoreische Dreiecke.
In einem gleichseitigen Dreieck setzen wir die Folge der Kantenmittendreiecke ein (Abb. 1).
Abb. 1: Kantenmittendreiecke
Wir zeichnen eine Kantenmittenspirale ein (Abb. 2).
Abb. 2: Kantenmittenspirale
Bezogen auf die SeitenlŠnge 1 des Dreieckes hat die Kantenmittenspirale die LŠnge s:
(1)
Die Kantenmittenspirale ist gleich gro§ wie die SeitenlŠnge des Dreiecks.
Abb. 3: Im Quadrat
Das analoge Spielchen im Quadrat (Abb. 3) fźhrt zu einer Kantenmittenspirale der LŠnge s:
(2)
Wie muss die Kantenmittenfigur modifiziert werden, um eine vorgegebene SpiralenlŠnge, insbesondere eine ganzzahlige SpiralenlŠnge, zu erhalten?
Wir unterteilen die Kanten des n-Eckes in einem anderen VerhŠltnis.
Beispiel: Wir unterteilen die Quadratseite im VerhŠltnis (Abb. 4).
Abb. 4: Unterteilung im VerhŠltnis 4:3
In dieser Situation erhalten wir die SpiralenlŠnge 2. Dies kšnnen wir einsehen wie folgt.
Abb. 5: Beweisfigur
Das gelbe rechtwinklige Dreieck in der Beweisfigur (Abb. 5) hat die Katheten und und daher die Hypotenuse . Dies ist auch der LŠngenreduktionsfaktor von einem Quadrat zum nachfolgenden Quadrat.
Die Startstrecke der Spirale ist . Fźr die nachfolgenden Strecken ergibt sich jedes Mal eine Reduktion mit dem Faktor q:
(3)
Damit erhalten wir fźr die gesamte SpiralenlŠnge s:
(4)
Bemerkung: Das gelbe Dreieck in der Abbildung 5 ist ein pythagoreisches Dreieck.
Zu gegebener SpiralenlŠnge s und gegebener Eckenzahl n suchen wir ein passendes TeilverhŠltnis . (Im Beispiel der Abbildung 5 ist s = 2, n = 4 und ).
In der Arbeitsfigur (Abb. 6) wurde n = 5 gewŠhlt.
Wir berechnen die Seite q des gelben Dreiecks. Es hat die beiden źbrigen Seiten und und den der gesuchten Seite q gegenźberliegenden Winkel .
Abb. 6: Arbeitsfigur
Der Kosinus-Satz liefert:
(5)
Dies kann umgeformt werden zu:
(6)
Da q der LŠngenreduktionsfaktor von einem n-Eck zum nachfolgenden ist, ergibt sich fźr die SpiralenlŠnge s:
(7)
Die Beziehung (7) kann mit Einsetzen von (6) umgeformt werden zu:
(8)
Die quadratische Gleichung (8) hat die triviale erste Lšsung , welche fźr uns nicht relevant ist. Die zweite Lšsung ist unser gesuchtes TeilverhŠltnis:
(9)
In den Abbildungen 2 und 4 hatten wir ganzzahlige SpiralenlŠngen. Wir kšnnen nun umgekehrt nach TeilverhŠltnissen fragen, welche zu ganzzahligen SpiralenlŠngen fźhren.
Rationale TeilverhŠltnisse ergeben sich offenbar (unbewiesene Vermutung) nur fźr die Eckenzahlen n = 3, 4 und 6. Es zeigt sich, dass wir dabei auf pythagoreische Dreiecke sto§en.
Die Tabelle 1 zeigt fźr n = 4 und die natźrlichen Zahlen fźr s die zugehšrigen TeilverhŠltnisse. Ebenso ist die ErgŠnzung der TeilverhŠltnisse auf 1 angegeben. Die ZŠhler b beziehungsweise a (Reihenfolge beachten) sind die Katheten eines pythagoreischen Dreiecks mit der Hypotenuse c. Es handelt sich dabei um die ăfast gleichschenkligenŇ pythagoreischen Dreiecke. Die Hypotenuse c ist jeweils um 1 grš§er als die Kathete b.
n |
s |
|
|
b |
a |
c |
4 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
4 |
2 |
4/7 |
3/7 |
4 |
3 |
5 |
4 |
3 |
12/17 |
5/17 |
12 |
5 |
13 |
4 |
4 |
24/31 |
7/31 |
24 |
7 |
25 |
4 |
5 |
40/49 |
9/49 |
40 |
9 |
41 |
4 |
6 |
60/71 |
11/71 |
60 |
11 |
61 |
4 |
7 |
84/97 |
13/97 |
84 |
13 |
85 |
4 |
8 |
112/127 |
15/127 |
112 |
15 |
113 |
4 |
9 |
144/161 |
17/161 |
144 |
17 |
145 |
4 |
10 |
180/199 |
19/199 |
180 |
19 |
181 |
4 |
11 |
220/241 |
21/241 |
220 |
21 |
221 |
4 |
12 |
264/287 |
23/287 |
264 |
23 |
265 |
4 |
13 |
312/337 |
25/337 |
312 |
25 |
313 |
4 |
14 |
364/391 |
27/391 |
364 |
27 |
365 |
4 |
15 |
420/449 |
29/449 |
420 |
29 |
421 |
4 |
16 |
480/511 |
31/511 |
480 |
31 |
481 |
4 |
17 |
544/577 |
33/577 |
544 |
33 |
545 |
4 |
18 |
612/647 |
35/647 |
612 |
35 |
613 |
4 |
19 |
684/721 |
37/721 |
684 |
37 |
685 |
4 |
20 |
760/799 |
39/799 |
760 |
39 |
761 |
Tab. 1: Im Quadrat
Die Tabelle 2 zeigt fźr n = 3 und die natźrlichen Zahlen fźr s die zugehšrigen TeilverhŠltnisse. Ebenso ist die ErgŠnzung der TeilverhŠltnisse auf 1 angegeben. Die ZŠhler b beziehungsweise a (Reihenfolge beachten) sind die Schenkel des 60ˇ-Winkels eines pythagoreischen 60ˇ-Dreieckes. Die Seite c ist jeweils um s – 1 grš§er als die Seite b.
n |
s |
|
|
b |
a |
c |
3 |
1 |
1/2 |
1/2 |
1 |
1 |
1 |
3 |
2 |
8/11 |
3/11 |
8 |
3 |
7 |
3 |
3 |
21/26 |
5/26 |
21 |
5 |
19 |
3 |
4 |
40/47 |
7/47 |
40 |
7 |
37 |
3 |
5 |
65/74 |
9/74 |
65 |
9 |
61 |
3 |
6 |
96/107 |
11/107 |
96 |
11 |
91 |
3 |
7 |
133/146 |
13/146 |
133 |
13 |
127 |
3 |
8 |
176/191 |
15/191 |
176 |
15 |
169 |
3 |
9 |
225/242 |
17/242 |
225 |
17 |
217 |
3 |
10 |
280/299 |
19/299 |
280 |
19 |
271 |
3 |
11 |
341/362 |
21/362 |
341 |
21 |
331 |
3 |
12 |
408/431 |
23/431 |
408 |
23 |
397 |
3 |
13 |
481/506 |
25/506 |
481 |
25 |
469 |
3 |
14 |
560/587 |
27/587 |
560 |
27 |
547 |
3 |
15 |
645/674 |
29/674 |
645 |
29 |
631 |
3 |
16 |
736/767 |
31/767 |
736 |
31 |
721 |
3 |
17 |
833/866 |
33/866 |
833 |
33 |
817 |
3 |
18 |
936/971 |
35/971 |
936 |
35 |
919 |
3 |
19 |
1045/1082 |
37/1082 |
1045 |
37 |
1027 |
3 |
20 |
1160/1199 |
39/1199 |
1160 |
39 |
1141 |
Tab. 2: Im gleichseitigen Dreieck
Die Abbildung 7 illustriert das zweite Beispiel mit den Seiten 3, 8 und 7.
Abb. 7: Pythagoreisches 60ˇ-Dreieck
Die Tabelle 3 zeigt fźr n = 6 und die natźrlichen Zahlen fźr s die zugehšrigen TeilverhŠltnisse. Ebenso ist die ErgŠnzung der TeilverhŠltnisse auf 1 angegeben. Die ZŠhler b beziehungsweise a (Reihenfolge beachten) sind die Schenkel des 120ˇ-Winkels eines pythagoreischen 120ˇ-Dreieckes.
n |
s |
|
|
b |
a |
c |
6 |
2 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
6 |
3 |
3/8 |
5/8 |
3 |
5 |
7 |
6 |
4 |
8/15 |
7/15 |
8 |
7 |
13 |
6 |
5 |
5/8 |
3/8 |
5 |
3 |
7 |
6 |
6 |
24/35 |
11/35 |
24 |
11 |
31 |
6 |
7 |
35/48 |
13/48 |
35 |
13 |
43 |
6 |
8 |
16/21 |
5/21 |
16 |
5 |
19 |
6 |
9 |
63/80 |
17/80 |
63 |
17 |
73 |
6 |
10 |
80/99 |
19/99 |
80 |
19 |
91 |
6 |
11 |
33/40 |
7/40 |
33 |
7 |
37 |
6 |
12 |
120/143 |
23/143 |
120 |
23 |
133 |
6 |
13 |
143/168 |
25/168 |
143 |
25 |
157 |
6 |
14 |
56/65 |
9/65 |
56 |
9 |
61 |
6 |
15 |
195/224 |
29/224 |
195 |
29 |
211 |
6 |
16 |
224/255 |
31/255 |
224 |
31 |
241 |
6 |
17 |
85/96 |
11/96 |
85 |
11 |
91 |
6 |
18 |
288/323 |
35/323 |
288 |
35 |
307 |
6 |
19 |
323/360 |
37/360 |
323 |
37 |
343 |
6 |
20 |
120/133 |
13/133 |
120 |
13 |
127 |
Tab. 3: Im regelmŠ§igen Sechseck
Die Abbildung 8 illustriert das zweite Beispiel mit den Seiten 5, 3 und 7.
Abb. 8: Pythagoreisches 120ˇ-Dreieck
Die Tabelle 4 zeigt fźr n = 5 und die natźrlichen Zahlen fźr s die zugehšrigen TeilverhŠltnisse. Sie sind vermutlich nicht rational.
n |
s |
|
5 |
1 |
–1.618033981 |
5 |
2 |
0.3374359374 |
5 |
3 |
0.5628489493 |
5 |
4 |
0.6684264726 |
5 |
5 |
0.7317368721 |
5 |
6 |
0.7743625681 |
5 |
7 |
0.8051451706 |
5 |
8 |
0.8284652236 |
5 |
9 |
0.8467629765 |
5 |
10 |
0.8615126043 |
5 |
11 |
0.8736598069 |
5 |
12 |
0.8838402059 |
5 |
13 |
0.8924972803 |
5 |
14 |
0.8999501004 |
5 |
15 |
0.9064342135 |
5 |
16 |
0.9121273596 |
5 |
17 |
0.9171662166 |
5 |
18 |
0.9216576328 |
5 |
19 |
0.9256863564 |
5 |
20 |
0.9293204768 |
Tab. 4: Im regelmŠ§igen Fźnfeck
Websites
Hans Walser: Kantenmittenspirale
www.walser-h-m.ch/hans/Miniaturen/K/Kantenmittenspirale/Kantenmittenspirale.htm
Literatur
Walser, H. (2013): Der Goldene Schnitt. 6., bearbeitete und erweiterte Auflage. Mit einem Beitrag von Hans Wu§ing źber populŠrwissenschaftliche Mathematikliteratur aus Leipzig. Leipzig: EAGLE, Edition am Gutenbergplatz. ISBN 978-3-937219-85-1.