Goldener Schnitt/Grundlegende mathematische Eigenschaften
Der Goldene Schnitt ist eine irrationale Zahl; das heißt, er lässt sich nicht als Bruch zweier ganzer Zahlen darstellen.[1] Weiter bedeutet es, dass die Dezimalentwicklung kein periodisches Muster aufzeigt. Die ersten 50 Nachkommastellen des Goldenen Schnittes sind gegeben durch
- .[2]
Seit dem Dezember 2023 sind 20 Billionen (20 × 1012) Nachkommastellen von berechnet und verifiziert worden.[3]
Der Grund, warum irrational ist, verbirgt sich hinter der Irrationalität von .
Der Beweis, dass irrational sein muss, erfolgt analog zum Beweis der Irrationalität der Wurzel aus 2 bei Euklid. Dazu ist es nützlich, das Gesetz der bis auf die Reihenfolge eindeutigen Zerlegbarkeit natürlicher Zahlen in Primzahlen zu kennen. Nimmt man an, es wäre mit einem vollständig gekürzten Bruch mit positiven ganzen Zahlen , so gilt bereits
- .
Es ist also und ergo auch durch teilbar, da eine Primzahl ist. Damit besitzt also den Primteiler , und dieser taucht bei in gerader Anzahl auf, da sich beim Quadrieren alle Primfaktoren verdoppeln. Da und teilerfremd sind – es ist nach Annahme vollständig gekürzt – taucht der Primfaktor nirgends in auf. Ergo taucht er nur einmal in auf. Dies ist ein Widerspruch zur eindeutigen Primfaktorzerlegung, die besagt, dass auf beiden Seiten gleich viele Fünfen auftauchen müssen, aber ist keine gerade Zahl.[4] Zu guter Letzt muss dann auch irrational sein, da irrationale Zahlen im Produkt mit rationalen Zahlen (außer 0) und in Summe mit rationalen Zahlen wieder irrational sind.
Die Goldene Zahl ist ferner eine algebraische Zahl vom Grad 2, insbesondere kann sie mit Zirkel und Lineal konstruiert werden. Damit grenzt sie sich von anderen berühmten Konstanten, wie der Kreiszahl oder der Eulerschen Zahl , ab, die transzendent, und damit niemals Nullstelle eines nicht-konstanten Polynoms mit rationalen Koeffizienten sind.
| Abweichung zu in % | |||
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | = 1,0000 | −38 |
| 1 | 2 | = 2,0000 | +23 |
| 2 | 3 | = 1,5000 | −7,3 |
| 3 | 5 | ≈ 1,6667 | +3,0 |
| 5 | 8 | = 1,6000 | −1,1 |
| 8 | 13 | = 1,6250 | +0,43 |
| 13 | 21 | ≈ 1,6154 | −0,16 |
| 21 | 34 | ≈ 1,6190 | +0,063 |
| 34 | 55 | ≈ 1,6176 | −0,024 |
| 55 | 89 | ≈ 1,6182 | +0,0091 |
| 89 | 144 | ≈ 1,6180 | −0,0035 |
| 144 | 233 | ≈ 1,6181 | +0,0013 |
In einem engen Zusammenhang zum Goldenen Schnitt steht die unendliche Zahlenfolge der Fibonacci-Zahlen (siehe unten die Abschnitte Mittelalter und Renaissance):
- .
Die jeweils nächste Zahl in dieser Folge wird als Summe der beiden vorangehenden erhalten. Das Verhältnis zweier aufeinanderfolgender Zahlen der Fibonacci-Folge strebt gegen den Goldenen Schnitt (siehe Tabelle). Das rekursive Bildungsgesetz bedeutet nämlich
- .
Sofern dieses Verhältnis gegen einen Grenzwert konvergiert, muss für diesen gelten
- .
In der Tat lässt sich daraus
folgern.[5] Die Glieder der Fibonacci-Folge lassen sich für alle über die Formel von Binet berechnen:[6]
- .
Diese Formel liefert die für die Fibonacci-Folge veranschlagten Anfangswerte und und erfüllt die rekursive Gleichung für alle mit .[7]
Ähnlich gilt
für die -te Lucas-Zahl.[8] Allgemeiner ist jede komplexe Folge mit von der Form , wobei komplexe Zahlen sind, und umgekehrt.[9]
Da der Goldene Schnitt irrational ist, stellt sich die Frage, wie gut er sich durch rationale Zahlen annähern lässt. Grundsätzlich konnte gezeigt werden, dass es für eine beliebige irrationale Zahl stets unendlich viele rationale Zahlen gibt, so dass
- .
Dieses Resultat ist fundamental im Gebiet der diophantischen Approximation.[10] Erhöht sich der Nenner , sind grundsätzlich auch bessere Annäherungen möglich, wie das sogar quadratische Abklingen der rechten Seite zeigt. Bemerkenswert ist die Konstante , die optimal gewählt ist, also nicht weiter vergrößert werden kann. Grund dafür ist der Goldene Schnitt, der (zusammen mit zu ihm äquivalenten Zahlen) die Eigenschaft hat, dass für alle nur endlich viele rationale Annäherungen mit
existieren.[11] Für irrationale Zahlen, die nicht zu äquivalent sind, lässt sich die Konstante größer als wählen (nämlich mit Wert (Satz von Hurwitz)). Der Goldene Schnitt gehört also unter den irrationalen Zahlen zu den am schlechtesten durch rationale Zahlen approximierbaren. Da seine Kettenbruchentwicklung überdies nur Einsen enthält, ist er in diesem Sinn die „irrationalste aller Zahlen“.[12][13][14]
Der mathematische Beweis der oberen Aussage fußt auf sogenannten Kettenbrüchen. Jede reelle Zahl lässt sich (im Wesentlichen eindeutig) durch einen Kettenbruch darstellen. Bricht man diesen nach endlich vielen Schritten ab, ergibt sich eine „besonders gute“ rationale Annäherung an diese Zahl. Für die Goldene Zahl gilt nun aber , woraus sich durch wiederholte Anwendung ergibt:
- .
Bricht man die Kettenbruchentwicklung ab, erhält man stets einen Bruch aus zwei aufeinanderfolgenden Fibonacci-Zahlen.[15] Weil im Kettenbruch lediglich Einsen auftauchen – die kleinste natürliche Zahl –, nähert sich dieser Kettenbruch mit der „minimal möglichen Geschwindigkeit“ der Goldenen Zahl an. Im Vergleich ist der Kettenbruch zur Kreiszahl – ebenfalls irrational – deutlich schneller konvergent.
In der Theorie der dynamischen Systeme werden Zahlen, deren unendliche Kettenbruchdarstellung ab einer Stelle nur noch Einsen enthält, als „noble Zahlen“ bezeichnet. In diesem Kontext wird der Goldene Schnitt als „nobelste“ aller noblen Zahlen bezeichnet.[16]
- ↑ Bronstein, Semendjajew et al.: Taschenbuch der Mathematik. 6. Auflage. Verlag Harri Deutsch, S. 2.
- ↑ Folge A001622 in OEIS.
- ↑ Alexander J. Yee: Records Set by y-cruncher. In: numberworld.org, abgerufen am 3. Juli 2024 (englisch).
- ↑ Ivan Niven: Irrational numbers, The Mathematical Association of America, Wiley and Sons, 1956, S. 15–16.
- ↑ Steven R. Finch: Mathematical Constants (= Encyclopedia of Mathematics and its Applications, Band 94). Cambridge University Press, 1.2 The Golden Mean, φ, 2003, S. 6.
- ↑ Herbert Henning, Christian Hartfeldt: 16 Die Fibonacci-Zahlen. Goldener Schnitt in der Mathematik. (PDF) Universität Magdeburg, 2003, S. 19, abgerufen am 4. Oktober 2022.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. Spektrum, Heidelberg/Berlin/Oxford 1988, ISBN 3-411-03155-7, S. 87–91
- ↑ Manfred Schroeder: Number Theory in Science and Communication. 5. Auflage. Springer, S. 91.
- ↑ Manfred Schroeder: Number Theory in Science and Communication. 5. Auflage. Springer, S. 84.
- ↑ Ivan Niven: Irrational numbers, The Mathematical Association of America, Wiley and Sons, 1956, S. 68.
- ↑ Ivan Niven: Irrational numbers, The Mathematical Association of America, Wiley and Sons, 1956, S. 70.
- ↑ Ben Green: Irrational and Transcendental Numbers. In: Timothy Gowers, June Barrow-Green, Imre Leader: The Princeton Companion to Mathematics. Princeton University Press 2008, ISBN 978-0-691-11880-2, S. 222 (Auszug (Google)).
- ↑ Peter Berger: Der goldene Schnitt. (PDF) S. 14, abgerufen am 28. August 2022.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. Spektrum, Heidelberg/Berlin/Oxford 1988, ISBN 3-411-03155-7, S. 101.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 101.
- ↑ Manfred Schroeder: Number Theory in Science and Communication. 5. Auflage. Springer, S. 79.