Goldener Schnitt/Geometrische Aussagen
Als Konstruktionsverfahren werden nach den Postulaten des Euklid nur diejenigen Verfahren akzeptiert, die sich auf die Verwendung von Zirkel und Lineal (ohne Skala) beschränken. Für die Teilung einer Strecke im Verhältnis des Goldenen Schnittes gibt es eine Fülle derartiger Verfahren, von denen im Folgenden exemplarisch nur einige erwähnt werden. Unterschieden wird dabei eine innere und äußere Teilung. Bei der äußeren Teilung wird der in der Verlängerung der Ausgangsstrecke außen liegende Punkt gesucht, der die vorhandene Strecke zum (größeren) Teil des Goldenen Schnittes macht. Der Goldene Schnitt stellt dabei einen Spezialfall der harmonischen Teilung dar. Aufgeführt werden im Folgenden auch zwei moderne, von Künstlern gefundene Konstruktionen.
Klassisches Verfahren mit innerer Teilung nach Heron von Alexandria, das wegen seiner Einfachheit beliebt ist:[1]
Dies kann wie folgt eingesehen werden: Über den Satz des Pythagoras ergibt sich für die Länge der Hypotenuse der Wert
Subtrahiert man von dieser die Länge |DC|AB, verbleibt gerade AD|AB||AB||AS|. Aus den algebraischen Vorüberlegungen ist nun bekannt, dass dies das Verhältnis der stetigen Teilung ist.[2] | |
| Innere Teilung nach Euklid:
Johann Friedrich Lorenz beschrieb im Jahr 1781 in seinem Buch Euklids Elemente folgende Aufgabe von Euklid: „Eine gegebne gerade Linie, AB, so zu schneiden, daß das Rectangel aus der Ganzen und Einem der Abschnitte, dem Quadrat des anderen Abschnitts gleich sey.“[3] Das Ergebnis der nebenstehenden Animation zeigt, die Strecke AB ist in einem Verhältnis geteilt, das als Goldener Schnitt mit innerer Teilung bezeichnet wird. Als Darstellung dieses Verfahrens hat sich eine vereinfachte Konstruktion, siehe linkes Bild, bewährt:
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Konstruktion nach dem österreichischen Künstler Kurt Hofstetter, die dieser 2005 im Forum Geometricorum[4] publizierte:
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| Klassisches Verfahren mit äußerer Teilung nach Euklid:
„Die Seiten eines demselben Kreis einbeschriebenen gleichseitigen Sechsecks und eines gleichseitigen Zehnecks zusammen ergeben eine Strecke, die in stetiger Teilung geteilt ist, wobei die Seite des Sechsecks der größere Teil ist.“[5] Die nebenstehende Animation (am Ende mit 30 s Pause) zeigt prinzipiell die hierfür erforderlichen Konstruktionsschritte. Die abschließend eingetragenen strichlierten Linien sowie die Punkte K und L sind nicht Teil der Lösung nach Euklid. Sie sollen lediglich den konstruktiven Weg zur folgenden Vereinfachung verdeutlichen. Die Darstellung im linken Bild hat sich als vereinfachte Konstruktion bewährt:
Dieses Verfahren wird für die Konstruktion des Fünfecks bei gegebener Seitenlänge verwendet. | |
Konstruktion nach dem amerikanischen Künstler George Odom, die dieser 1982 entdeckte:[6]
Die algebraische Herleitung ist im Unterabschnitt Im Umkreis eines gleichseitigen Dreiecks beschrieben. |

Regelmäßiges Fünfeck und Pentagramm bilden jeweils eine Grundfigur, in der das Verhältnis des Goldenen Schnittes wiederholt auftritt. Die Seite eines regelmäßigen Fünfecks befindet sich im Goldenen Schnitt zu seinen Diagonalen. Die Diagonalen untereinander wiederum teilen sich ebenfalls im Goldenen Verhältnis, das heißt, verhält sich zu wie zu . Der Beweis dazu nutzt die Ähnlichkeit geeignet gewählter Dreiecke.[7]
Das Pentagramm, eines der ältesten magischen Symbole der Kulturgeschichte, steht in einer besonders engen Beziehung zum Goldenen Schnitt.[8] Zu jeder Strecke und Teilstrecke im Pentagramm findet sich ein Partner, der mit ihr im Verhältnis des Goldenen Schnittes steht. In der Abbildung sind alle drei möglichen Streckenpaare jeweils blau (längere Strecke) und orange (kürzere Strecke) markiert. Sie lassen sich über das oben beschriebene Verfahren der stetigen Teilung nacheinander erzeugen. Im Prinzip ist es damit in das verkleinerte Pentagramm fortsetzbar, das in das innere Fünfeck gezeichnet werden könnte, und damit in alle weiteren. Stünden die beiden Strecken in einem Verhältnis ganzer Zahlen, müsste dieses Verfahren der fortgesetzten Subtraktion irgendwann Null ergeben und damit abbrechen. Die Betrachtung des Pentagramms zeigt aber anschaulich, dass das nicht der Fall ist. Eine Weiterentwicklung dieser Geometrie findet sich bei der Penrose-Parkettierung.[9]
Für den Beweis, dass es sich um den Goldenen Schnitt handelt, beachte man, dass neben den vielen Strecken, die aus offensichtlichen Symmetriegründen gleich lang sind, auch gilt. Ursache ist, dass das Dreieck zwei gleiche Winkel besitzt, wie durch Parallelverschiebung der Strecke erkannt werden kann, und daher gleichschenklig ist. Nach dem Strahlensatz gilt:
Wird ersetzt und die Gleichheit der auftretenden Teilstücke und beachtet, so wird genau die obige Definitionsgleichung für den Goldenen Schnitt erhalten.

In einem gleichschenkligen Dreieck , dessen Grundseite längengleich zu der Höhe ist, teilt der innerhalb des Dreiecks liegende Schnittpunkt des Inkreises mit der Höhe diese im Goldenen Schnitt.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann angenommen werden. Die rechtwinkligen Dreiecke und sind kongruent, da sie in zwei Seiten und dem (rechten) Gegenwinkel der größeren Seite übereinstimmen. Es gilt und damit . Nach dem Satz des Pythagoras gilt in dem rechtwinkligen Dreieck . Ebenfalls nach dem Satz des Pythagoras gilt in dem rechtwinkligen Dreieck : . Mit folgt hieraus = (Höhe von ABC) : (Durchmesser des Inkreises von ABC), was zu zeigen war.[10]

In dem gleichseitigen Dreieck schneidet die durch und verlaufende Parallele zu den Umkreis in und . Ist dann teilt die Strecke im Goldenen Schnitt.
Aus den Eigenschaften eines gleichseitigen Dreiecks und aus dem Strahlensatz folgen unmittelbar die Längengleichheiten
- und .
Nach dem Sehnensatz gilt:
Somit teilt die Strecke im Goldenen Schnitt.[11]

Für einen Quader mit den Kantenlängen , und , der Raumdiagonalenlänge und dem Volumen gelte , , und .
Dann gilt für den Goldenen Schnitt das Verhältnis
- .
Aus der Volumengleichung folgt wegen
- . (1)
Da die Raumdiagonale die Länge 2 hat, gilt
- . (2)
Aus (1) und (2) erhält man .
Die Lösungen mit positivem Wert sind oder und damit analog oder .
Wegen kommen nur und in Betracht.[12] Damit ergibt sich
- und .

Die 12 Ecken des Ikosaeders bilden die Ecken von 3 gleich großen, senkrecht aufeinanderstehenden Rechtecken mit gemeinsamem Mittelpunkt und mit den Seitenverhältnissen des Goldenen Schnittes. Die zwölf Ecken eines Ikosaeders sind also die zwölf Ecken dreier goldener Rechtecke, die paarweise aufeinander senkrecht stehen.[13] Diese Anordnung der 3 Rechtecke wird auch Goldener-Schnitt-Stuhl genannt. Weil der Ikosaeder zum Pentagondodekaeder dual ist, bilden die 12 Mittelpunkte der Fünfecke ebenfalls die Ecken eines Goldener-Schnitt-Stuhls.
Ferner kann in ein gegebenes Oktaeder ein Ikosaeder so einbeschrieben werden, dass dessen Ecken die Kanten des Oktaeders im Goldenen Schnitt teilen.[14]
Ein Rechteck, dessen Seitenverhältnis dem Goldenen Schnitt entspricht, wird als Goldenes Rechteck benannt; ebenso heißt ein gleichschenkliges Dreieck, bei dem zwei Seiten in diesem Verhältnis stehen, Goldenes Dreieck.
- Zum Vergleich von Rechtecksproportionen siehe Abschnitt Vergleich mit anderen prominenten Seitenverhältnissen.
- Ein Goldenes Dreieck ist Inhalt der Methode äußere Teilung im Abschnitt Konstruktionsverfahren, äußere Teilung
Beide Spiralen hängen mit dem Goldenen Schnitt zusammen. Sie sind nicht als Konstruktion mit Zirkel und Lineal darstellbar. Für eine Näherungskonstruktion bedarf es – wie im Folgenden erläutert – eines Goldenen Rechtecks bzw. eines Goldenen Dreiecks.[18]

teilt die Strecke im Verhältnis des Goldenen Schnittes:
Wird die Strecke mit Länge durch den Punkt im Verhältnis des Goldenen Schnitts in zwei Teilstrecken und mit Längen und geteilt, so ist bereits das geometrische Mittel der Zahlen und . Das folgt aus der allgemeinen Definition des geometrischen Mittels , hier: . In der Tat folgt mit bereits
- .
Des Weiteren folgt daraus unmittelbar, dass wiederum das geometrische Mittel von und ist.[23] Man hat in diesem Fall
- .

Goldener Schnitt im gefalteten und verknoteten Papierstreifen

Symmetrisches Trapez, die gepunkteten Linien zeigen das Fünfeck im Umkreis sowie den Papierstreifen
Mit der im Folgenden beschriebenen Papierstreifen-Methode erzeugt ein sogenannter Überhandknoten[24] ein regelmäßiges Fünfeck (Bild 1), bei dem die Faltenlänge (rot) die Seitenlänge ist und die Diagonale (grün) – gebildet von der Kante des Papierstreifens – die Länge hat.
Die Diagonale und die sich daran anschließenden drei Seiten des Fünfecks bilden ein symmetrisches Trapez.[25]
(1) Ist ein symmetrisches Trapez (Bild 2), so gilt
- ,[26]
so ist die Diagonale auch die Winkelhalbierende des Winkels .
(2) Ist der Winkel , so verhält sich
Zu (1)
Vorausgesetzt das Dreieck ist gleichschenklig, so ist und . Aus der Symmetrie des Trapezes ergibt sich die Gleichheit der vier betrachteten Winkel (grün).
Die beiden Diagonalen und schneiden sich im Scheitel und erzeugen damit den Scheitelwinkel .
Infolgedessen sind die Basiswinkel des gleichschenkligen Dreiecks gleich denen des . Demzufolge ergibt sich die Gleichheit . Somit ist bestätigt: ist die Winkelhalbierende von .[27]
Zu (2)
Aufgrund der Voraussetzung folgt mittels Hilfssatz (1), der Winkel . Wegen der Symmetrie des Trapezes ist auch der Winkel . Da die Winkelsumme im Dreieck beträgt, ist auch .
Demzufolge ist das Dreieck wegen seiner Innenwinkel ein Goldenes Dreieck. Das Dreieck hat – für eine mögliche Zahl – deshalb die Seitenlängen . Somit ist bestätigt:
- .[27]

Papierstreifen mit den vier eingezeichneten Trapezen
Zuerst ist die Streifenbreite gleich der Trapezhöhe zu ermitteln und anschließend die Anordnung der vier Trapeze () darzustellen (Bild 3). Hierzu werden die ermittelten Abmaße des symmetrischen Trapezes – z. B. aus einem bereits konstruierten Fünfeck (siehe Bild 2) – auf einem Blatt Papier übertragen. Nach dem Beschriften der beiden Enden mit , bedarf es nur noch des Ausschneidens des Papierstreifens.
Bis zum fertigen Fünfeck sind nur drei Faltungen mit gleicher Faltrichtung und das Zusammenziehen des Überhandknotens erforderlich. Begonnen wird mit der Faltlinie , demzufolge das Trapez oberhalb des Streifenendes (Bild 4) zum Liegen kommt. Der Punkt der Diagonale ist dabei direkt auf dem Punkt positioniert. Das regelmäßige Fünfeck kann man bereits jetzt erkennen.
Die zweite Faltung mit der Faltlinie (Bild 5) und dritte Faltung mit (Bild 6) werden analog zur ersten ausgeführt. Schließlich benötigt es nur noch das Durchziehen (Verknoten) des Streifenendes zwischen dem Streifenende und dem Trapez , um das gesuchte regelmäßige Fünfeck mit Goldenen Schnitt zu erhalten.[28]
-
Bild 4
Falten der ersten Faltlinie -
Bild 5
Falten der zweiten Faltlinie -
Bild 6
Falten der dritten und letzten Faltlinie , Streifenende zwischen dem Streifenende und dem Trapez durchgezogen
- ↑ Bronstein, Semendjajew et al.: Taschenbuch der Mathematik. 6. Auflage. Verlag Harri Deutsch, S. 198.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 21.
- ↑ Johann Friedrich Lorenz: Euklids Elemente, fünfzehn Bücher. Hrsg.: Im Verlag der Buchhandlung des Waysenhauses. Halle 1781, S. 31 ff. (Euklids Elemente, Zweytes Buch, Der 11. Satz. Eine gegebne gerade Linie, AB, so zu schneiden … [abgerufen am 19. Dezember 2016]).
- ↑ Forum Geometricorum Volume 5 (2005) 135–136. (PDF; 26 kB).
- ↑ Euklid: XIII.9. (PDF) Euklid: Stoicheia. Buch XIII. Opera Platonia, 2010, S. 9–10, abgerufen am 24. Oktober 2022.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 22–23.
- ↑ John Stillwell: Mathematics and Its History. Third Edition. Springer, S. 28.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 44–45.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 80–84.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt, zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg/Berlin/Oxford 1996, ISBN 978-3-8154-2511-4, Seiten 73 und 74.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt, zweite überarbeitete und erweiterte Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg/Berlin/Oxford 1996, ISBN 978-3-8154-2511-4, Seiten 22 und 23.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt, zweite überarbeitete und erweiterte Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg/Berlin/Oxford 1996, ISBN 978-3-8154-2511-4, Seiten 67 und 68.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 51.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 53.
- ↑ Alfred Posamentier, Ingmar Lehmann: The Glorious Golden Ratio, Prometheus Books, S. 128.
- ↑ Stanisław Świerczkowski: On successive settings of an arc on the circumference of a circle. In: Fundamenta Mathematicae. 46.2, 1958, S. 187–189.
- ↑ Tony van Ravenstein: Optimal Spacing of Points on a Circle. In: The Fibonacci Quaterly. 27, 1989, S. 18–24, mathstat.dal.ca (PDF; 1,6 MB).
- ↑ a b Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. Spektrum, Heidelberg/Berlin/Oxford 1988, ISBN 3-411-03155-7, S. 57–61.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 60.
- ↑ Forum Geometricorum Volume 16 (2016) 429–430 (PDF).
- ↑ a b c d Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. Spektrum, Heidelberg/Berlin/Oxford 1988, ISBN 3-411-03155-7, S. 62.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. Spektrum, Heidelberg/Berlin/Oxford 1988, ISBN 3-411-03155-7, S. 63.
- ↑ I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew: Taschenbuch der Mathematik. 20. Auflage. Gemeinschaftsausgabe Verlag Nauka Moskau und BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig 1981, S. 167.
- ↑ Daniel Lordick: 6 Torusknoten, Torusverschlingungen, Zöpfe und Papierbänder. Von der Knotentheorie zum Klettergerüst. researchgate.net, Februar 2012, S. 67–11, abgerufen am 25. April 2023.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 39–44.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 40.
- ↑ a b c Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 41.
- ↑ Albrecht Beutelspacher, Bernhard Petri: Der Goldene Schnitt. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1996, S. 42–44.





