rahmenlos|rechts|hochkant=1.3|Quadratur des Kreises
Die Quadratur des Kreises ist ein klassisches Problem der Geometrie. Die Aufgabe besteht darin, aus einem gegebenen Kreis mit Zirkel und Lineal in endlich vielen Schritten ein Quadrat gleichen Flächeninhalts zu konstruieren, sprich die Konstruktion eines Quadrats mit der Seitenlänge . Sie ist äquivalent zur sogenannten Rektifikation des Kreises, also der Konstruktion einer geraden Strecke, die dem Kreisumfang entspricht. Das wiederum entspricht der Konstruktion der Kreiszahl (halber Kreisumfang) aus der Strecke, deren Länge gleich Längenmaßeinheit ist. Beschränkt man die Konstruktionsmittel auf Zirkel und Lineal, so ist die Aufgabe aufgrund der Transzendenz von unlösbar. Erst im Jahre 1882 konnte dies von dem deutschen Mathematiker Ferdinand von Lindemann bewiesen werden.
Die Quadratur des Kreises gehört zu den populärsten Problemen der Mathematik. Jahrhundertelang suchten neben Mathematikern auch immer wieder Laien vergeblich nach einer Lösung. Der Begriff Quadratur des Kreises ist in vielen Sprachen zu einer Metapher für eine unlösbare Aufgabe geworden.
Geschichte Vorgeschichte mini|Näherungsverfahren des Ahmes im Papyrus Rhind:Ein Kreis mit Durchmesser 9 in einem Quadrat der Seitenlänge 9, das in neun kleinere Quadrate der Seitenlänge 3 zerlegt wird. Der Flächeninhalt des Kreises entspricht ungefähr dem eines (unregelmäßigen) Achtecks (7·9) und etwas genauer dem eines Quadrats mit Seitenlänge 8 (64).
Bereits in den altorientalischen Hochkulturen gab es Verfahren zur Berechnung von Kreisflächen. Beispielsweise wird im Papyrus Rhind (um 1550 v. Chr.) der Durchmesser des Kreises in 9 Teile geteilt. Sein genauer Flächeninhalt in diesen Einheiten ist . Dieser Wert wird dann durch ein Quadrat (im Bild rot) der Kantenlänge 8 angenähert, also durch (siehe hierzu Aus dem Papyrus Rhind). In einem zweiten Verfahren wird der Kreis durch ein unregelmäßiges Achteck angenähert. Dazu werden von dem 9×9-Quadrat, in das er einbeschrieben ist, an allen vier Ecken gleiche Dreiecke mit zusammen 18 Flächeneinheiten abgeschnitten, sodass 63 übrig bleiben. Derartige Musterlösungen waren aus der Praxis gewonnen und für die Praxis bestimmt, es gab keine weitergehenden theoretischen Überlegungen, insbesondere wurde kein Unterschied zwischen exakter Lösung und Näherung gemacht.
Eine deduktive Vorgehensweise in der Mathematik, bei der durch Beweise gestützte Sätze die Musteraufgaben ersetzen, entwickelte sich ab dem 6. Jahrhundert v. Chr. in Griechenland. Ansatzweise ist sie schon bei Thales von Milet, deutlicher in der von Pythagoras von Samos gegründeten Schule der Pythagoreer zu erkennen.Árpád Szabó: Wie ist die Mathematik zu einer deduktiven Wissenschaft geworden? In: Jean Christianidis (Hrsg.): Classics in the History of Greek Mathematics. Boston Studies in the Philosophy of Science, Band 240, Springer Science & Business Media, 2013, S. 68 ff. () Mit der gemeinhin dem Pythagoreer Hippasos von Metapont zugeschriebenen Entdeckung inkommensurabler Strecken im späten 6. oder frühen 5. Jahrhundert v. Chr. stellte sich heraus, dass es konstruierbare Objekte gibt (beispielsweise die Diagonale eines Quadrats), die nicht als ganzzahliges Verhältnis darstellbar sind. Dies schien bemerkenswert, da die einzigen bekannten Arten von Zahlen die ganzen Zahlen und die Verhältnisse ganzer Zahlen (im heutigen Sprachgebrauch die „rationalen Zahlen“) waren. Beliebige geometrische Strecken mussten dementsprechend stets kommensurabel sein, also in einem ganzzahligen Längenverhältnis zueinander stehen. Durch die Entdeckung waren nun Längen geometrisch konstruierbar, die arithmetisch nicht als „Zahl“ im bisherigen Sinn darstellbar waren (im heutigen Sprachgebrauch handelt es sich um „irrationale Zahlen“). Die Geometrie konnte plötzlich mehr darstellen, als die Arithmetik es vermochte.Wolfgang Tzschoppe: 2.3 Die Zahlengerade füllt sich. In: Struktur der Mathematik - Mathematik der Strukturen. Books on Demand, 2012, S. 40 ff. ()Andreas Büchter, Hans-Wolfgang Henn: 4.1.1 Ein kurzer historischer Überblick. In: Elementare Analysis: Von der Anschauung zur Theorie. Springer-Verlag, 2010, S. 107 ff. () Als Folge dieser Entdeckung trat die Arithmetik zugunsten der Geometrie in den Hintergrund, Gleichungen mussten jetzt geometrisch gelöst werden, etwa durch Aneinanderlegung von Figuren und Überführung verschiedener Figuren in Rechtecke oder Quadrate. Aus dem späten 5. Jahrhundert stammen die drei klassischen Konstruktionsprobleme der antiken Mathematik, neben der Quadratur des Kreises noch die Aufgabe der Dreiteilung des Winkels und das Delische Problem der Verdoppelung des Würfels.
Eine Beschränkung der Konstruktionsmittel auf Zirkel und Lineal wurde dabei nicht generell gefordert. Während der Beschäftigung mit den klassischen Problemen wurden schon früh Lösungen gefunden, die auf weitergehenden Hilfsmitteln basieren. Allerdings kristallisierte sich im Lauf der Zeit eine Haltung heraus, die eine möglichst weitgehende Beschränkung verlangt. Spätestens bei Pappos war diese weitestgehende Beschränkung zur Maßregel geworden.Arthur Donald Steele: Über die Rolle von Zirkel und Lineal in der griechischen Mathematik. In: Oskar Becker (Hrsg.): Zur Geschichte der griechischen Mathematik; Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 1965, S. 146–202
Frühe Arbeiten Als einer der ersten soll dem griechischen Schriftsteller Plutarch zufolge der Philosoph Anaxagoras „im Gefängnis die Quadratur des Kreises aufgeschrieben (oder: gezeichnet, )“ haben,Helmuth Gericke: 4. Die Quadratur des Kreises; Mathematik in Antike und Orient, Springer-Verlag, 2013, S. 94 () nähere Angaben zu Anaxagoras’ Konstruktion macht Plutarch nicht. Ein Gefängnisaufenthalt des Anaxagoras wäre auf etwa 430 v. Chr. zu datieren, als der Philosoph in Athen wegen Gottlosigkeit angeklagt war.Paul Deussen: Anaxagoras. Allgemeine Geschichte der Philosophie. Band 2. F.A. Brockhaus, Leipzig 1911, S. 124 ff. ()
Ausführlichere Quellen zu den Anfängen der Forschung sind hauptsächlich spätantike Kommentare zu Werken des Aristoteles, Schriften also, die mit einer zeitlichen Distanz von rund 900 Jahren entstanden sind. Dementsprechend unsicher sind zeitliche Reihenfolge und genaue Gedankengänge der ersten Ansätze. Die wichtigsten Arbeiten des 5. Jahrhunderts v. Chr. stammen von Hippokrates von Chios, Antiphon, Bryson von Herakleia und Hippias von Elis.Albin Lesky: Die Aufklärung und ihre Gegner: Die Fachwissenschaften. Geschichte der griechischen Literatur. Walter de Gruyter, 2015, S. 545 ()
mini|Die „Möndchen des Hippokrates“: Der Flächeninhalt des grauen „Möndchens“ entspricht dem des rechtwinkligen Dreiecks ABC. Die Überführung von Dreiecken in Rechtecke, von Rechtecken in Quadrate (Quadratur des Rechtecks) oder die Addition zweier Quadrate (Satz des Pythagoras) war mit den bekannten geometrischen Sätzen bereits damals elementar zu bewältigen. Hippokrates von Chios konnte um 440 v. Chr. ein Beispiel für eine krummlinig begrenzte Fläche geben, die exakt in ein Quadrat überführt werden konnte. Ausgehend von dem bei ihm noch als Axiom benutzten Satz, dass sich die Flächeninhalte ähnlicher Kreissegmente wie die Quadrate über ihren Sehnen verhalten, gelang es Hippokrates, von Kreisbögen begrenzte Flächen, die sogenannten „Möndchen des Hippokrates“, zu quadrieren.Oskar Becker: 3. Lunulae Hippocratis; Das mathematische Denken der Antike. Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 1966, S. 58 () Die Quadratur des Kreises ist auf diese Weise jedoch nicht zu erreichen, da nur bestimmte Möndchen – zum Beispiel die über der Seite des Quadrats, nicht jedoch die über der Seite eines regelmäßigen Sechsecks – quadrierbar sind.
Dass Dreiecke (und damit beliebige Vielecke) in ein Quadrat übergeführt werden konnten, war ein zweiter Ansatz, ein dem Kreis flächengleiches Polygon zu konstruieren. Antiphon hatte die Idee, den Kreis durch einbeschriebene Vielecke anzunähern. Bryson von Herakleia verfeinerte dieses Vorgehen, indem er den Kreis zusätzlich durch umbeschriebene Vielecke näherte und einen Zwischenwert bildete.Christoph J. Scriba, Peter Schreiber: Möndchenquadratur des Hippokrates. 5000 Jahre Geometrie: Geschichte Kulturen Menschen. Springer-Verlag, 2013, S. 48 ()
Hippias von Elis entwickelte etwa 425 v. Chr. zur Lösung der Winkeldreiteilung eine Kurve, die mechanisch durch die Überlagerung einer kreisförmigen mit einer linearen Bewegung erzeugt wurde. Gut hundert Jahre später entdeckte Deinostratos, dass mithilfe dieser Kurve, der sogenannten Quadratrix, die Strecke der Länge – und damit mithilfe weiterer elementarer Konstruktionen ein Quadrat mit dem Flächeninhalt – konstruiert werden kann. Da die Quadratrix selbst jedoch eine sogenannte transzendente Kurve ist (siehe hierzu Beweis der Unmöglichkeit), also nicht mit Zirkel und Lineal zu erzeugen ist, war die Lösung im strengen Sinne damit nicht erreicht.James Gow: A Short History of Greek Mathematics, Franco von Lüttich. 1884, Reprint: Cambridge University Press, 2010, S. 162–164 ()Jean-Paul Delahaye: Geschichte der Zahl zur Zeit der Geometrie; — Die Story: Aus dem Französischen von Manfred Stern. Springer-Verlag, 2013, S. 71 ff. ()
Archimedes mini|Kreisquadratur mithilfe der Spirale: A bezeichne den Punkt der Spirale um den Ursprung O, den sie nach der ersten Umdrehung erreicht. Die Tangente an die Spirale in diesem Punkt schneide die Senkrechte zu OA in B. Nach Archimedes ist die Strecke BO gleich dem Umfang des Kreises mit Radius OA, der Flächeninhalt des roten Kreises also gleich dem Flächeninhalt des blauen Dreiecks.
Eine ausführliche Abhandlung mit dem Titel Die Kreismessung ist von Archimedes überliefert. Archimedes bewies in dieser Arbeit drei grundlegende Sätze:
Der Flächeninhalt eines Kreises ist gleich dem Flächeninhalt eines rechtwinkligen Dreiecks mit dem Kreisradius als der einen und dem Kreisumfang als der anderen Kathete. Berechnen lässt sich die Kreisfläche also als ½ · Radius · Umfang. Der Flächeninhalt eines Kreises verhält sich zum Quadrat seines Durchmessers nahezu wie . Der Umfang eines Kreises ist größer als und kleiner als des Durchmessers.
Mit dem ersten Satz wurde das Problem der Quadratur des Kreises auf die Frage nach der Konstruierbarkeit des Umfangs eines Kreises aus dem vorgegebenen Radius und damit auf die Konstruierbarkeit von zurückgeführt. Im dritten Satz gab Archimedes gleich eine ebenso einfache wie genaue Näherung dieser Zahl an, nämlich , ein Wert (≈ 3,143), der für praktische Zwecke noch heute Verwendung findet. Der zweite Satz ist ein einfaches Korollar aus den beiden anderen; dass sich der Flächeninhalt eines Kreises proportional zum Quadrat seines Durchmessers verhält, war bereits Euklid bekannt. Archimedes gab hier den Wert der Proportionalitätskonstanten an.
Zum Beweis seiner Aussagen zog Archimedes die Idee des Bryson von Herakleia heran, mit der man eine beliebige Annäherung des Kreises durch ein- und umbeschriebene regelmäßige Polygone erreicht. Ausgehend vom einbeschriebenen Sechseck und umbeschriebenen Dreieck gelangte Archimedes durch sukzessive Verdoppelung der Seitenzahl jeweils beim 96-Eck an. Eine geschickte Abschätzung der in den einzelnen Rechenschritten auftretenden Quadratwurzeln ergab seine in Satz 3 genannten Schranken.F. Rudio: III. Der Umfang eines jeden Kreises ist dreimal so groß wie der Durchmesser und noch um etwas größer, … Archimedes, Huygens, Lambert, Legendre. Vier Abhandlungen über die Kreismessung. 1892, S. 75 ff. ()Eugen Beutel: Archimedes Die Quadratur des Kreises. 1920, 2. Auflage. Teubner, Leipzig 1920. S. 14 ff.; umich.edu (PDF)