Goldener Schnitt

Man sagt, dass zwei Größen ${\displaystyle a>b>0}$  im Verhältnis des Goldenen Schnittes stehen, falls

${\displaystyle {\frac {a}{b}}={\frac {a+b}{a}}}$ 

erfüllt ist. Die Zahl

${\displaystyle {\frac {a}{b}}=\Phi }$ 

wird dann ebenfalls Goldener Schnitt genannt. Es muss sich bei den Werten ${\displaystyle a}$  und ${\displaystyle b}$  dabei nicht um (dimensionslose) reelle Zahlen handeln; auch eine Assoziation zu physikalischen Größen unter Zuweisung entsprechender Maßeinheiten ist möglich. Klassisch ist dabei die Veranschaulichung über das Teilungsverhältnis zweier Strecken (bei dem die längere Strecke als „Major“ und die kürzere als „Minor“ bezeichnet wird^[1]), aber auch andere Einheiten können betrachtet werden, siehe zum Beispiel Goldenes Rechteck.

In der Literatur wird der Ausdruck „Goldener Schnitt“ jedoch auch für andere Dinge verwendet. Er bezeichnet^[2]

• den Vorgang der Teilung an sich,
• gelegentlich den Teilungspunkt,
• meist jedoch die Zahl ${\displaystyle \Phi }$  selbst.

 

Es bezeichnen ${\displaystyle a>b>0}$  die Teilstreckenlängen der Gesamtstrecke ${\displaystyle a+b}$ . Es gilt dann nach Definition des Goldenen Schnitts die Relation^[3]

${\displaystyle {\frac {a}{b}}={\frac {a+b}{a}}}$ .

Multipliziere mit ${\displaystyle a\cdot b}$ :

${\displaystyle \qquad \quad a^{2}=b\cdot a+b^{2}}$ 

${\displaystyle \iff \,a^{2}-b\cdot a-b^{2}=0}$ 

a) Lösung der quadratischen Gleichung mittels Lösungsformel:

${\displaystyle a={\frac {b}{2}}\pm {\frac {b\cdot {\sqrt {5}}}{2}}}$ .

Nur die positive Lösung ist hier von Bedeutung:

${\displaystyle a={\frac {b}{2}}+{\frac {b\cdot {\sqrt {5}}}{2}}=b\cdot {\frac {1+{\sqrt {5}}}{2}}}$ .

Damit ist

${\displaystyle {\frac {a}{b}}={\frac {1+{\sqrt {5}}}{2}}=\Phi }$ .

b) Graphische Lösung der quadratischen Gleichung^[4]

 

${\displaystyle a^{2}-b\cdot a-b^{2}=0}$ .

Setzt man ${\displaystyle b=1}$ , ergibt sich die quadratische Gleichung

${\displaystyle a^{2}-a-1=0}$ ,

mit ${\displaystyle p=1}$  und ${\displaystyle q=-1}$ .

Deren Lösung gelingt beispielsweise mit der im Folgenden beschriebenen Konstruktion in einem kartesischen Koordinatensystem.

Nach dem Ziehen des Kreises ${\displaystyle k}$  mit Radius gleich ${\displaystyle 1}$  um den Mittelpunkt ${\displaystyle M(0|1)}$  und dem anschließenden Festlegen der zueinander parallelen Tangenten an den Punkten ${\displaystyle A(0|2)}$  und ${\displaystyle B(0|0)}$ , werden auf den entsprechenden Tangenten, wegen ${\displaystyle |{\overline {AC}}|={\frac {4}{p}}}$  und ${\displaystyle |{\overline {BD}}|={\frac {q}{p}}}$ ,^[4] die Punkte ${\displaystyle C(4|2)}$  und ${\displaystyle D(-1|0)}$  bestimmt. Eine Verbindung des Punktes ${\displaystyle C}$  mit ${\displaystyle D}$  erzeugt auf dem Kreisbogen ${\displaystyle k}$  die Schnittpunkte ${\displaystyle E}$  und ${\displaystyle F}$ . Die beiden abschließenden geraden Linien ab Punkt ${\displaystyle A}$  durch ${\displaystyle E}$  und ${\displaystyle F}$  liefern auf der ${\displaystyle x}$ -Achse die Punkte ${\displaystyle X_{1}}$  und ${\displaystyle X_{2}}$  mit den Längen ${\displaystyle |{\overline {BX_{1}}}|=-x_{1}}$  und ${\displaystyle |{\overline {BX_{2}}}|=x_{2}}$ .^[4]

Der hier relevante positive Wert der Lösung: ${\displaystyle |{\overline {BX_{2}}}|=x_{2}=\Phi =1{,}618033\ldots }$ .

Die erste erhalten gebliebene genaue Beschreibung des Goldenen Schnittes findet sich im zweiten Buch der Elemente des Euklid (um 300 v. Chr., siehe Innere Teilung nach Euklid), der darauf über seine Untersuchungen an den platonischen Körpern und dem Fünfeck beziehungsweise dem Pentagramm stieß. Seine Bezeichnung für dieses Teilungsverhältnis wurde später ins Lateinische als „proportio habens medium et duo extrema“ übersetzt, was als „Teilung im inneren und äußeren Verhältnis“ bezeichnet wird.^[5][6]

 

In seinem Rechenbuch Liber abbaci (nicht erhaltene Erstfassung 1202, erhaltene 2. Fassung nicht vor 1220), einem umfangreichen arithmetischen und algebraischen Lehrwerk über das Rechnen mit den indo-arabischen Ziffern, kommt der italienische Mathematiker Leonardo da Pisa, genannt „Fibonacci“, kurz auf die später nach ihm benannte Fibonacci-Folge zu sprechen.^[7] Fibonacci führt die Zahlenfolge vor (2, 3, 5, 8 … bis 377) und weist darauf hin, dass sich jedes Glied der Reihe (ab dem dritten) durch Summierung der beiden vorhergehenden Reihenglieder errechnen lässt. Eine weitere Beschäftigung mit dieser Folge findet sich bei ihm nicht, das heißt der Zusammenhang zum Goldenen Schnitt wird von ihm nicht dargestellt. Dass ihm allerdings der (erst später so genannte) Goldene Schnitt bekannt und in der Tradition Euklids ein Begriff war, zeigt sich gegen Ende seines Werks bei einer algebraischen Aufgabe, in der es (in moderner Formulierung wiedergegeben) darum geht^[8] ${\displaystyle a}$  und ${\displaystyle b}$  zu finden mit ${\displaystyle 10=a+b}$  und ${\displaystyle {\tfrac {a}{b}}+{\tfrac {b}{a}}={\sqrt {5}}}$ . Hierzu weist Fibonacci darauf hin, dass im Fall von ${\displaystyle a>b}$  die Proportion ${\displaystyle 10:a=a:b}$  gilt, 10 also von ${\displaystyle a}$  und ${\displaystyle b}$  im Verhältnis des Goldenen Schnittes geteilt wird („et scis, secundum hanc diuisionem, 10 diuisa esse media et extrema proportione; quia est sicut 10 ad maiorem partem, ita maior pars ad minorem“).^[9] Aber auch hier stellt er den Zusammenhang zum Goldenen Schnitt nicht her.

 

Die Entdeckung, dass sich bei Teilung eines Gliedes der Fibonacci-Folge durch das vorhergehende Reihenglied als Näherungswert ${\displaystyle \Phi }$  ergibt, wurde lange Zeit Johannes Kepler zugeschrieben, konnte jedoch Ende des 20. Jahrhunderts schon in einer handschriftlichen Anmerkung nachgewiesen werden, mit der ein mutmaßlich aus Italien stammender Leser in der ersten Hälfte des 16. Jahrhunderts Euklids Theorem II.11 in der Euklid-Ausgabe Paciolis von 1509 kommentierte:

Der Herausgeber dieser Euklid-Ausgabe, der Franziskaner Luca Pacioli di Borgo San Sepolcro (1445–1514), der an der Universität Perugia Mathematik lehrte, hatte sich intensiv mit dem Goldenen Schnitt befasst. Er nannte diese Streckenteilung „vermutlich als erster […] divina proportio (göttliches Verhältnis)“,^[11] was sich auf Platons Identifizierung der Schöpfung mit den fünf platonischen Körpern bezog, zu deren Konstruktion der Goldene Schnitt ein wichtiges Hilfsmittel darstellt. Sein gleichnamiges Werk De divina proportione von 1509 besteht aus drei unabhängigen Büchern. Bei dem ersten handelt es sich um eine rein mathematische Abhandlung, die jedoch keinerlei Bezug zur Kunst und Architektur herstellt. Das zweite ist ein kurzer Traktat über die Schriften des Römers Vitruv aus dem 1. Jahrhundert v. Chr. zur Architektur, in denen Vitruv die Proportionen des menschlichen Körpers als Vorlage für Architektur darstellt. Dieses Buch enthält eine Studie von Leonardo da Vinci (1452–1519) über den vitruvianischen Menschen. Das Verhältnis der Seitenlänge des den Menschen umgebenden Quadrats zum Radius des umgebenden Kreises – nicht das Verhältnis der Proportionen des Menschen selbst – in diesem berühmten Bild entspricht mit einer Abweichung von 1,7 % dem Goldenen Schnitt, der jedoch im zugehörigen Buch gar nicht erwähnt wird. Darüber hinaus würde diese Abweichung bei einem konstruktiven Verfahren nicht zu erwarten sein.

 

Im Oktober 1597 stellte Johannes Kepler in einem Brief an seinen früheren Tübinger Professor Michael Maestlin die Frage, warum es nur eine einzige mögliche Lösung für die Aufgabe gebe, ein rechtwinkliges Dreieck zu konstruieren, bei dem das Verhältnis der kürzeren zur längeren Seite dem der längeren zur Hypotenuse entspricht (Kepler-Dreieck). Auf das Original dieses Briefes notierte Maestlin eine Berechnung, die die Hypotenuse einmal mit 10 und einmal mit 10.000.000, und für den letzteren Fall dann die längere Seite mit 7.861.514 und die kürzeste Seite mit 6.180.340 beziffert. Fünf Ziffern dieser Zahl stimmen mit den ersten fünf Nachkommastellen des Goldenen Schnittes (${\displaystyle \Phi }$  = 1,61803 398…) überein. Das ist, nach den älteren sexagesimalen Berechnungen der Antike, die erste bekannte dezimale Angabe dieser Art.^[12]

Populär wurde der Begriff Goldener Schnitt erst in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts, obwohl die mathematischen Prinzipien schon seit der Antike bekannt waren. Der Begriff Goldene Zahl stammt aus dieser Zeit, noch 1819 wird dieser Begriff mit dem Meton-Zyklus in einem der griechischen Kalendersysteme in Verbindung gebracht.^[13] In der deutschen Literatur sind bereits Anfang des 18. Jahrhunderts vereinzelt Hinweise auf eine sinngemäße bzw. wortwörtliche Form des Begriffes „Goldener Schnitt“ zu finden. Erst ab dem zweiten Viertel des 19. Jahrhunderts war er weiter verbreitet.^[14] Die folgenden Beispiele aus der deutschen Literatur verweisen auf den Begriff in ähnlicher Art und Weise.

1717 wurde der Begriff Goldener Schnitt sinngemäß von M. Johann Wentzel Kaschube in seinem Werk Cursus mathematicus …^[15] verwendet. Er beschreibt darin eine geometrische Aufgabe (Näheres im Abschnitt Konstruktionsverfahren), deren Lösung dieses besondere Teilungsverhältnis verlangt. Am Schluss der Aufgabe §.35. ist zu lesen: „Die Alten hissen [sc. hießen] diesen Schnitt den Goldenen.“^[16] Zu jener Zeit fand das Teilungsverhältnis des Goldenen Schnittes auch in der Akustik im Zusammenhang mit Verhältnissen der Saitenlänge Anwendung. Diese Form der Saitenteilung – so Ernst Florens Friedrich Chladni 1802 in Die Akustik unter Die geometrische Theilung^[17]  – wollte auch Gottfried Wilhelm Leibniz.^[18] Zwar lassen sich damit nicht Tonhöhenabstände, sprich Intervalle finden, „desto brauchbarer ist sie aber, wie im folgenden Abschnitte wird gezeigt werden, zu gewissen nothwendigen Abänderungen derselben.“^[17] Chladni leitete die Tonverhältnisse also nicht aus den Saitenlängen ab, sondern aus den Verhältnissen der Schwingungszahlen.^[17] Bezüglich des Goldenen Schnitts merkt Chladni an: „Es ist diese Theilung eben dasselbe, was von einigen ältern Mathematikern, die besondere Eigenschaften darin finden wollten, sectio aurea, oder sectio divina [der Goldene Schnitt oder göttliche Schnitt] genennt worden ist.“^[17]

Etwas mehr als fünfzig Jahre später wurden die Proportionen des menschlichen Körpers wissenschaftlich mit denen des Goldenen Schnittes verglichen. Adolf Zeising benennt 1854 in Neue Lehre von den Proportionen des menschlichen Körpers … das Ergebnis der „Maassbestimmungen […] kurzweg, das Proportionalgesetz“. Er beschreibt es als einen geometrischen Weg zur proportionalen Teilung einer Linie ${\displaystyle ab}$ ^[19] und stellt fest:

Gustav Theodor Fechner, ein Begründer der experimentellen Psychologie, stellte 1876 bei Untersuchungen mit Versuchspersonen anhand von Rechtecken in der Tat eine Präferenz für den Goldenen Schnitt fest.^[21] Die Ergebnisse bei der Streckenteilung und bei Ellipsen fielen jedoch anders aus. Neuzeitliche Untersuchungen zeigen, dass das Ergebnis solcher Experimente stark vom Kontext der Darbietung abhängt. Fechner fand ferner bei Vermessungen von Bildern in verschiedenen Museen Europas, dass die Seitenverhältnisse im Hochformat im Mittel etwa 4:5 und im Querformat etwa 4:3 betragen und sich damit deutlich vom Goldenen Schnitt unterscheiden.^[22][23]

Bis ins späte 20. Jahrhundert erhielt der Goldene Schnitt auf viele Art und Weise seine Aufmerksamkeit ausschließlich in der Makrowelt. Dann aber entdeckten Wissenschaftler bei Forschungen in der atomaren Welt überraschenderweise Gebilde mit mathematischen Kennwerten, die dem Goldenen Schnitt gleichen. Die Forschungsergebnisse der beiden folgenden Beispiele fanden in den betreffenden Wissenschaftsbereichen hohe internationale Anerkennung.

Als Erster erkannte Dan Shechtman mit seinen Kollegen 1982 bei Röntgenstrukturanalysen Beugungsbilder mit fünfzähliger Symmetrie in Quasikristallen^[24] der Festkörperphysik. Für diese Entdeckung bekam Shechtman 2011 den Nobelpreis für Chemie. Näheres ist im Abschnitt Quasikristalle enthalten. Die erstmalige Entdeckung des Goldenen Schnitts in fester Materie gelang Forschern des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) im Kristall aus Kobalt-Niobat (veröffentlicht in der Zeitschrift Science, Januar 2010).^[25] Näheres ist im Abschnitt Kobalt-Niobat enthalten.

Der Goldene Schnitt ist eine irrationale Zahl; das heißt, er lässt sich nicht als Bruch zweier ganzer Zahlen darstellen.^[26] Weiter bedeutet es, dass die Dezimalentwicklung kein periodisches Muster aufzeigt. Die ersten 50 Nachkommastellen des Goldenen Schnittes sind gegeben durch

${\displaystyle \Phi =1{,}61803\;39887\;49894\;84820\;45868\;34365\;63811\;77203\;09179\;80576\;\ldots }$ .^[27]

Seit dem Dezember 2023 sind 20 Billionen (10 × 10¹²) Nachkommastellen von ${\displaystyle \Phi }$  berechnet und verifiziert worden.^[28]

Der Grund, warum ${\displaystyle \Phi ={\tfrac {1+{\sqrt {5}}}{2}}}$  irrational ist, verbirgt sich hinter der Irrationalität von ${\displaystyle {\sqrt {5}}}$ .

Der Beweis, dass ${\displaystyle {\sqrt {5}}}$  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 sei ${\displaystyle {\tfrac {p}{q}}={\sqrt {5}}}$  mit einem vollständig gekürzten Bruch ${\displaystyle {\tfrac {p}{q}}}$  mit positiven ganzen Zahlen ${\displaystyle p,q}$ , so gilt bereits

${\displaystyle p^{2}=5q^{2}}$ .

Es ist also ${\displaystyle p^{2}}$  und ergo auch ${\displaystyle p}$  durch ${\displaystyle 5}$  teilbar, da ${\displaystyle 5}$  eine Primzahl ist. Damit besitzt ${\displaystyle p}$  also den Primteiler ${\displaystyle 5}$ , und dieser taucht bei ${\displaystyle p^{2}}$  in gerader Anzahl auf, da sich beim Quadrieren alle Primfaktoren verdoppeln. Da ${\displaystyle p}$  und ${\displaystyle q}$  teilerfremd sind – es ist ${\displaystyle {\tfrac {p}{q}}}$  nach Annahme vollständig gekürzt – taucht der Primfaktor ${\displaystyle 5}$  nirgends in ${\displaystyle q}$  auf. Ergo taucht er nur einmal in ${\displaystyle 5q^{2}}$  auf. Dies ist ein Widerspruch zur eindeutigen Primfaktorzerlegung, die besagt, dass auf beiden Seiten gleich viele Fünfen auftauchen müssen, aber ${\displaystyle 1}$  ist keine gerade Zahl.^[29] Zu guter Letzt muss dann auch ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}+{\tfrac {\sqrt {5}}{2}}}$  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 ${\displaystyle \pi }$  oder der Eulerschen Zahl ${\displaystyle \mathrm {e} }$ , ab, die transzendent, und damit niemals Nullstelle eines nicht-konstanten Polynoms mit rationalen Koeffizienten sind.

Verhältnisse aufeinanderfolgender
Fibonacci-Zahlen

${\displaystyle f_{n}}$	${\displaystyle f_{n+1}}$	${\displaystyle {\frac {f_{n+1}}{f_{n}}}}$	Abweichung zu ${\displaystyle \Phi }$  in %
01	01	= 1,0000	−38,0000
01	02	= 2,0000	+23,0000
02	03	= 1,5000	−7,300
03	05	≈ 1,6667	+3,000
05	08	= 1,6000	−1,100
08	13	= 1,6250	+0,430
13	21	≈ 1,6154	−0,160
21	34	≈ 1,6190	+0,063
34	55	≈ 1,6176	−0,024
55	89	≈ 1,6182	0+0,0091
89	144	≈ 1,6180	0−0,0035
144	233	≈ 1,6181	0+0,0013

In einem engen Zusammenhang zum Goldenen Schnitt steht die unendliche Zahlenfolge der Fibonacci-Zahlen (siehe unten die Abschnitte Mittelalter und Renaissance):

${\displaystyle 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,\ldots }$ .

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 ${\displaystyle f_{n+1}=f_{n}+f_{n-1}}$  bedeutet nämlich

${\displaystyle {\frac {f_{n+1}}{f_{n}}}={\frac {f_{n}+f_{n-1}}{f_{n}}}=1+{\frac {f_{n-1}}{f_{n}}}}$ .

Sofern dieses Verhältnis gegen einen Grenzwert ${\displaystyle x}$  konvergiert, muss für diesen gelten

${\displaystyle x=1+{\frac {1}{x}}}$ .

In der Tat lässt sich daraus

${\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {f_{n+1}}{f_{n}}}=\Phi }$ 

folgern.^[30] Die Glieder der Fibonacci-Folge ${\displaystyle f_{n}}$  lassen sich für alle ${\displaystyle n\in \mathbb {N} }$  über die Formel von Binet berechnen:^[31]

${\displaystyle f_{n}={\frac {1}{\sqrt {5}}}\left(\Phi ^{n}-\left(-{\tfrac {1}{\Phi }}\right)^{n}\right)}$ .

Diese Formel liefert die für die Fibonacci-Folge veranschlagten Anfangswerte ${\displaystyle f_{0}=0}$  und ${\displaystyle f_{1}=1}$  und erfüllt die rekursive Gleichung ${\displaystyle f_{n+1}=f_{n}+f_{n-1}}$  für alle ${\displaystyle n}$  mit ${\displaystyle n\geq 1}$ .^[32]

Ähnlich gilt

${\displaystyle L_{n}=\Phi ^{n}+\left(-{\tfrac {1}{\Phi }}\right)^{n}=\Phi ^{n}+(1-\Phi )^{n}}$ 

für die ${\displaystyle n}$ -te Lucas-Zahl.^[33] Allgemeiner ist jede komplexe Folge ${\displaystyle (F_{n})_{n\in \mathbb {Z} }}$  mit ${\displaystyle F_{n}=F_{n-1}+F_{n-2}}$  von der Form ${\displaystyle F_{n}=a\Phi ^{n}+b(-\Phi ^{-1})^{n}}$ , wobei ${\displaystyle a,b}$  komplexe Zahlen sind, und umgekehrt.^[34]

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 ${\displaystyle x}$  stets unendlich viele rationale Zahlen ${\displaystyle {\tfrac {p}{q}}}$  gibt, so dass

${\displaystyle \left|x-{\frac {p}{q}}\right|<{\frac {1}{{\sqrt {5}}q^{2}}}}$ .

Dieses Resultat ist fundamental im Gebiet der diophantischen Approximation.^[35] Erhöht sich der Nenner ${\displaystyle q}$ , sind grundsätzlich auch bessere Annäherungen möglich, wie das sogar quadratische Abklingen der rechten Seite zeigt. Bemerkenswert ist die Konstante ${\displaystyle {\sqrt {5}}}$ , 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 ${\displaystyle C>{\sqrt {5}}}$  nur endlich viele rationale Annäherungen mit

${\displaystyle \left|\Phi -{\frac {p}{q}}\right|<{\frac {1}{Cq^{2}}}}$ 

existieren.^[36] Für irrationale Zahlen, die nicht zu ${\displaystyle \Phi }$  äquivalent sind, lässt sich die Konstante ${\displaystyle C}$  größer als ${\displaystyle {\sqrt {5}}}$  wählen (nämlich mit Wert ${\displaystyle 2{\sqrt {2}}}$  (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“.^[37][38][39]

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 ${\displaystyle \Phi =1+{\tfrac {1}{\Phi }}}$ , woraus sich durch wiederholte Anwendung ergibt:

${\displaystyle \Phi =1+{\frac {1}{\Phi }}=1+{\frac {1}{1+{\frac {1}{\Phi }}}}=\dotsb =1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {\cdots }{\dotsb +{\cfrac {1}{\Phi }}}}}}}}}}}$ .

Bricht man die Kettenbruchentwicklung ab, erhält man stets einen Bruch aus zwei aufeinanderfolgenden Fibonacci-Zahlen.^[40] 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 ${\displaystyle \pi }$  – 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.^[41]

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:[42] Errichte auf der Strecke AB im Punkt B eine Senkrechte der halben Länge von AB mit dem Endpunkt C. Der Kreis um C mit dem Radius CB schneidet die Verbindung AC im Punkt D. Der Kreis um A mit dem Radius AD teilt im Punkt S die Strecke AB im Verhältnis des Goldenen Schnittes. Dies kann wie folgt eingesehen werden: Über den Satz des Pythagoras ergibt sich für die Länge der Hypotenuse der Wert |AC|${\displaystyle ={\sqrt {1^{2}+\left({\tfrac {1}{2}}\right)^{2}}}}$ |AB|${\displaystyle ={\tfrac {\sqrt {5}}{2}}}$ |AB|. Subtrahiert man von dieser die Länge |DC|${\displaystyle ={\tfrac {1}{2}}}$ AB, verbleibt gerade AD${\displaystyle ={\tfrac {{\sqrt {5}}-1}{2}}}$ |AB|${\displaystyle =\Phi ^{-1}}$ |AB|${\displaystyle =}$ |AS|. Aus den algebraischen Vorüberlegungen ist nun bekannt, dass dies das Verhältnis der stetigen Teilung ist.[43]
	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.“[44] 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: Errichte auf der Strecke AB im Punkt A eine Senkrechte der halben Länge von AB mit dem Endpunkt C. Der Kreis um C mit dem Radius CB schneidet die Verlängerung von AC im Punkt D. Der Kreis um A mit dem Radius AD teilt im Punkt S die Strecke AB im Verhältnis des Goldenen Schnittes.
	Konstruktion nach dem österreichischen Künstler Kurt Hofstetter, die dieser 2005 im Forum Geometricorum[45] publizierte: Halbiere die Strecke AB in M durch Streckensymmetrale mit Radius AB und konstruiere dabei ein gleichseitiges Dreieck ABC mit der Seitenlänge AB und C unterhalb von AB. Konstruiere ein gleichschenkliges Dreieck MBD mit Schenkellänge AB über der Grundlinie MB. Die Strecke CD teilt im Punkt S die Strecke AB im Verhältnis des Goldenen Schnittes.

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.“[46] 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: Errichte auf der Strecke AS im Punkt S eine Senkrechte der Länge AS mit dem Endpunkt C. Konstruiere die Mitte M der Strecke AS. Der Kreis um M mit dem Radius MC schneidet die Verlängerung von AS im Punkt B. S teilt AB im Verhältnis des Goldenen Schnittes. Dieses Verfahren wird für die Konstruktion des Fünfecks bei gegebener Seitenlänge verwendet.

Konstruktion nach dem amerikanischen Künstler George Odom, die dieser 1982 entdeckte:[47] Konstruiere ein gleichseitiges Dreieck. Konstruiere den Umkreis, also den Kreis, der durch alle Ecken des Dreiecks verläuft. Halbiere zwei Seiten des Dreiecks in den Punkten A und S. Die Verlängerung von AS schneidet den Kreis im Punkt B. S teilt AB im Verhältnis des Goldenen Schnittes. 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, ${\displaystyle \mathrm {\overline {AD}} }$  verhält sich zu ${\displaystyle \mathrm {\overline {BD}} }$  wie ${\displaystyle \mathrm {\overline {BD}} }$  zu ${\displaystyle \mathrm {\overline {CD}} }$ . Der Beweis dazu nutzt die Ähnlichkeit geeignet gewählter Dreiecke.^[48]

Das Pentagramm, eines der ältesten magischen Symbole der Kulturgeschichte, steht in einer besonders engen Beziehung zum Goldenen Schnitt.^[49] 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.^[50]

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 ${\displaystyle |{\overline {\mathrm {CD} }}|=|{\overline {\mathrm {CC'} }}|}$  gilt. Ursache ist, dass das Dreieck ${\displaystyle \mathrm {DCC^{\prime }} }$  zwei gleiche Winkel besitzt, wie durch Parallelverschiebung der Strecke ${\displaystyle \mathrm {\overline {CC^{\prime }}} }$  erkannt werden kann, und daher gleichschenklig ist. Nach dem Strahlensatz gilt:

${\displaystyle {\frac {|{\overline {\mathrm {AB} }}|}{|{\overline {\mathrm {BB'} }}|}}={\frac {|{\overline {\mathrm {AC} }}|}{|{\overline {\mathrm {CC'} }}|}}}$ 

Wird ${\displaystyle |{\overline {\mathrm {AC} }}|=|{\overline {\mathrm {AB} }}|+|{\overline {\mathrm {BC} }}|}$  ersetzt und die Gleichheit der auftretenden Teilstücke beachtet, so wird genau die obige Definitionsgleichung für den Goldenen Schnitt erhalten.

 

In einem gleichschenkligen Dreieck ${\displaystyle \mathrm {ABC} }$ , dessen Grundseite ${\displaystyle \mathrm {\overline {AB}} }$  längengleich zu der Höhe ${\displaystyle \mathrm {\overline {DC}} }$  ist, teilt der innerhalb des Dreiecks liegende Schnittpunkt ${\displaystyle \mathrm {F} }$  des Inkreises mit der Höhe diese im Goldenen Schnitt.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann ${\displaystyle |{\overline {\mathrm {AB} }}|=|{\overline {\mathrm {CD} }}|}$  angenommen werden. Die rechtwinkligen Dreiecke ${\displaystyle \mathrm {MBE} }$  und ${\displaystyle \mathrm {DBM} }$  sind kongruent, da sie in zwei Seiten und dem (rechten) Gegenwinkel der größeren Seite übereinstimmen. Es gilt ${\displaystyle |{\overline {\mathrm {DB} }}|=|{\overline {\mathrm {BE} }}|=1}$  und damit ${\displaystyle |{\overline {\mathrm {CE} }}|=|{\overline {\mathrm {CB} }}|-|{\overline {\mathrm {BE} }}|={\sqrt {5}}-1}$ . Nach dem Satz des Pythagoras gilt ${\displaystyle |{\overline {\mathrm {BC} }}|^{2}=2^{2}+1^{2}=5\Leftrightarrow |{\overline {\mathrm {BC} }}|={\sqrt {5}}}$  in dem rechtwinkligen Dreieck ${\displaystyle \mathrm {DBC} }$ . Ebenfalls nach dem Satz des Pythagoras gilt in dem rechtwinkligen Dreieck ${\displaystyle \mathrm {CME} }$ : ${\displaystyle |{\overline {\mathrm {CE} }}|^{2}=(2-r)^{2}-r^{2}\Leftrightarrow ({\sqrt {5}}-1)^{2}=4-4r\Leftrightarrow r={\frac {{\sqrt {5}}-1}{2}}=\Phi ^{-1}}$ . Mit ${\displaystyle d=2r}$  folgt hieraus ${\displaystyle \Phi =2:d}$  = (Höhe von ABC) : (Durchmesser des Inkreises von ABC), was zu zeigen war.^[51]

 

In dem gleichseitigen Dreieck ${\displaystyle \mathrm {ABC} }$  schneidet die durch ${\displaystyle \mathrm {E} }$  und ${\displaystyle \mathrm {F} }$  verlaufende Parallele zu ${\displaystyle {\overline {\mathrm {AB} }}}$  den Umkreis in ${\displaystyle \mathrm {D} }$  und ${\displaystyle \mathrm {G} }$ . Ist ${\displaystyle {\overline {\mathrm {AE} }}={\overline {\mathrm {EC} }}}$ , dann teilt ${\displaystyle \mathrm {F} }$  die Strecke ${\displaystyle {\overline {\mathrm {EG} }}}$  im Goldenen Schnitt.

Aus den Eigenschaften eines gleichseitigen Dreiecks und aus dem Strahlensatz folgen unmittelbar die Längengleichheiten

${\displaystyle |{\overline {\mathrm {AE} }}|=|{\overline {\mathrm {BF} }}|=|{\overline {\mathrm {CE} }}|=|{\overline {\mathrm {CF} }}|=|{\overline {\mathrm {EF} }}|=a}$  und ${\displaystyle |{\overline {\mathrm {AB} }}|=2a}$ .

Nach dem Sehnensatz gilt:

 ${\displaystyle a^{2}=b(a+b)\Leftrightarrow {\frac {a^{2}}{b}}=a+b\Leftrightarrow \left({\frac {a}{b}}\right)^{2}={\frac {a}{b}}+1}$ 

${\displaystyle \Leftrightarrow \left({\frac {a}{b}}\right)^{2}-\left({\frac {a}{b}}\right)-1=0\Leftrightarrow {\frac {a}{b}}=\Phi }$ 

Somit teilt ${\displaystyle \mathrm {F} }$  die Strecke ${\displaystyle {\overline {\mathrm {EG} }}}$  im Goldenen Schnitt.^[52]

 

Für einen Quader mit den Kantenlängen ${\displaystyle \mathrm {a} }$ , ${\displaystyle \mathrm {b} }$  und ${\displaystyle \mathrm {c} }$ , der Raumdiagonalenlänge ${\displaystyle \mathrm {d} }$  und dem Volumen ${\displaystyle \mathrm {V} }$  gelte ${\displaystyle a>c}$ , ${\displaystyle b=1}$ , ${\displaystyle d=2}$  und ${\displaystyle V=1}$ .

Dann gilt für den Goldenen Schnitt ${\displaystyle \Phi }$  das Verhältnis

${\displaystyle \Phi ={\frac {a}{b}}={\frac {a+b}{a}}={\frac {1+{\sqrt {5}}}{2}}}$ .

Aus der Volumengleichung ${\displaystyle a\cdot b\cdot c=1}$  folgt wegen ${\displaystyle b=1}$ 

${\displaystyle a\cdot c=1}$ . (1)

Da die Raumdiagonale die Länge 2 hat, gilt

${\displaystyle {\sqrt {a^{2}+1^{2}+c^{2}}}=2\Leftrightarrow a^{2}+c^{2}=3}$ . (2)

Aus (1) und (2) erhält man ${\displaystyle a^{2}+a^{-2}=3}$ .

Die Lösungen mit positivem Wert sind ${\displaystyle a=\Phi }$  oder  ${\displaystyle a=\Phi ^{-1}}$  und damit analog ${\displaystyle c=\Phi }$  oder ${\displaystyle c=\Phi ^{-1}}$ .

Wegen ${\displaystyle a>c}$  kommen nur ${\displaystyle a=\Phi }$  und ${\displaystyle c=\Phi ^{-1}}$  in Betracht.^[53] Damit ergibt sich

${\displaystyle {\frac {a}{b}}=\Phi }$   und  ${\displaystyle {\frac {c}{b}}=\Phi ^{-1}}$ 

 

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.^[54] 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.^[55]

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

 

 

Der Goldene Winkel ergibt sich, wenn der Vollwinkel (360°) gemäß dem Goldenen Schnitt geteilt wird. Dies erzeugt u. a. den überstumpfen Winkel ${\displaystyle {\tfrac {2\pi }{\Phi }}\approx 3{,}88\approx 222{,}5^{\circ }}$ . Dessen Ergänzungswinkel mit ${\displaystyle 2\pi -{\tfrac {2\pi }{\Phi }}\approx 2{,}40\approx 137{,}5^{\circ }}$  wird als Goldener Winkel bezeichnet. Dies ist dadurch gerechtfertigt, dass es keine Rolle spielt, welcher der beiden Teilwinkel zuerst abgelesen wird und das Vorzeichen in der Angabe ${\displaystyle \pm 2\pi }$  nur die Drehrichtung des Winkels angibt.^[56]

Durch fortgesetzte Drehungen um den Goldenen Winkel entstehen immer neue Positionen, deren Besonderheit darstellt, dass sie sich theoretisch nie überschneiden. Dieser Effekt – wie im Bild skizziert bei den Blattansätzen einer Blüte – ist bedingt von der maximalen Irrationalität des Goldenen Schnitts. (Näheres im Abschnitt Biologie).

Dabei zerlegen die ersten ${\displaystyle n}$  Positionen den Kreis in ${\displaystyle n}$  Ausschnitte. Diese ${\displaystyle n}$  Ausschnitte haben höchstens drei verschiedene Winkel. Im Fall einer Fibonacci-Zahl ${\displaystyle n=f_{k}}$  treten nur zwei Winkel ${\displaystyle {\tfrac {2\pi }{\Phi ^{k-1}}},{\tfrac {2\pi }{\Phi ^{k}}}}$  auf. Für ${\displaystyle f_{k}<n<f_{k+1}}$  tritt der Winkel ${\displaystyle {\tfrac {2\pi }{\Phi ^{k+1}}}}$  hinzu.^[57]

Betrachtet man für wachsendes ${\displaystyle n}$  fortfolgend die sich verfeinernden Zerlegungen des Kreises, so teilt die ${\displaystyle (n+1)}$ -te Position stets einen der verbliebenen größten Ausschnitte, und zwar immer den im Verlauf der Teilungen zuerst entstandenen, das heißt den „ältesten“ Ausschnitt. Diese Teilung erfolgt im Goldenen Verhältnis, sodass, im Uhrzeigersinn gesehen, ein Winkel ${\displaystyle {\tfrac {2\pi }{\Phi ^{l}}}}$  mit geradem ${\displaystyle l}$  vor einem Winkel ${\displaystyle {\tfrac {2\pi }{\Phi ^{l\pm 1}}}}$  mit ungeradem ${\displaystyle l\pm 1}$  liegt.^[58]

Wenn wir den Ausschnitt mit dem Winkel ${\displaystyle {\tfrac {2\pi }{\Phi ^{k}}}}$  mit ${\displaystyle w_{k}}$  bezeichnen, so erhalten wir nacheinander die Kreiszerlegungen
${\displaystyle \ w_{0}}$ , ${\displaystyle \ w_{2}w_{1}}$ , ${\displaystyle \ w_{2}w_{2}w_{3}}$ , ${\displaystyle \ w_{4}w_{3}w_{2}w_{3}}$ , ${\displaystyle \ w_{4}w_{3}w_{4}w_{3}w_{3}}$ , ${\displaystyle \ w_{4}w_{3}w_{4}w_{3}w_{4}w_{5}}$ , ${\displaystyle \ w_{4}w_{4}w_{5}w_{4}w_{3}w_{4}w_{5}}$ , ${\displaystyle \ w_{4}w_{4}w_{5}w_{4}w_{4}w_{5}w_{4}w_{5}}$ , ${\displaystyle \ w_{6}w_{5}w_{4}w_{5}w_{4}w_{4}w_{5}w_{4}w_{5}}$ , ${\displaystyle \ w_{6}w_{5}w_{4}w_{5}w_{6}w_{5}w_{4}w_{5}w_{4}w_{5}}$  usw.

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.^[59]

Die Goldene Spirale, auch Bernoulli’sche Spirale genannt, ist ein Sonderfall der logarithmischen Spirale: Ihr Streckungsfaktor (siehe Zentrische Streckung) ist ${\displaystyle \Phi }$ ,^[59] die Zahl des Goldenen Schnitts. Sie lässt sich mittels rekursiver Teilung eines Goldenen Rechtecks in je ein Quadrat und ein weiteres, kleineres Goldenes Rechteck näherungsweise konstruieren. Ihr Radius ändert sich bei jeder 90°-Drehung um den Faktor ${\displaystyle \Phi }$ .

Die Goldene Spirale lässt sich unter Verwendung von Polarkoordinaten durch

${\displaystyle \textstyle r(\theta )=\Phi ^{\frac {2\theta }{\pi }}}$ 

parametrisieren.^[60] Die Idee von Polarkoordinaten ist hierbei, einen Punkt ${\displaystyle \mathrm {P} }$  in der Ebene durch seinen Abstand ${\displaystyle r}$  zum Ursprung und den mit der ${\displaystyle x}$ -Achse eingeschlossen Winkel ${\displaystyle \theta }$  festzulegen. Dessen Polarkoordinaten sind dann ${\displaystyle (r,\theta )}$ , und durch Wahl des Radius in Abhängigkeit vom sich verändernden Winkel ${\displaystyle \theta }$  lassen sich manche geometrische Figuren durch eine entsprechende Funktion ${\displaystyle r(\theta )}$  einfacher beschreiben als in klassischen kartesischen Koordinaten. Zu beachten ist, dass mehrfache Umdrehungen um den Ursprung, etwa in den Fällen ${\displaystyle \theta _{0}=0}$  (Ausgangslage), ${\displaystyle \theta _{1}=2\pi }$  (eine Volldrehung), ${\displaystyle \theta _{2}=4\pi }$  (zwei Volldrehungen) usw. unterschiedliche Radii hervorrufen können, was auch an der nicht-periodischen Figur der Spirale zu erkennen ist.

Eine brauchbare Näherung für die Goldene Spirale findet sich bereits bei Kepler. Man erhält diese Approximation, wenn man in die Quadrate Viertelkreise mit dem Radius der Seitenlänge des Quadrats einzeichnet. Dies ist im mittleren Bild illustriert. Im linken Bild wird die Güte dieser Approximation veranschaulicht.

•  
  Grün Annäherung durch Vierteilkreise (rechtes Bild); Rot Goldene Spirale; Gelb: Überlappungen.
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  Annäherung der Goldenen Spirale, unter Benutzung von Viertelkreisen und der Fibonacci-Folge ${\displaystyle 1,1,2,3,5,8,13,21,\ldots }$ 
•  
  Goldene Spiralen sind selbstähnlich. Ihre Form wiederholt sich unendlich oft, wenn sie vergrößert wird.

Die Goldene Spirale ist unter den logarithmischen Spiralen durch die folgende Eigenschaft ausgezeichnet. Seien ${\displaystyle P_{1},P_{2},P_{3},P_{4}}$  vier auf der Spirale aufeinanderfolgende Schnittpunkte mit einer Geraden durch das Zentrum. Dann sind die beiden Punktepaare ${\displaystyle P_{1},P_{4}}$  und ${\displaystyle P_{2},P_{3}}$  harmonisch konjugiert, das heißt, für ihr Doppelverhältnis gilt:^[61]

${\displaystyle (P_{\theta },P_{\theta +3\pi };\ P_{\theta +\pi },P_{\theta +2\pi })={\frac {(-\Phi ^{6}-\Phi ^{4})(-\Phi ^{2}-1)}{(-\Phi ^{6}+\Phi ^{2})(+\Phi ^{4}-1)}}={\frac {-\Phi ^{2}}{(-\Phi ^{2}+1)^{2}}}=-1}$ 

 

Die Spira mirabilis ist ebenfalls ein Sonderfall der logarithmischen Spirale: Ihr Streckungsfaktor ist ${\displaystyle \Phi ^{-1}}$ ,^[62] sprich der Kehrwert des Goldenen Schnitts. Sie benötigt für die Näherungskonstruktion die rekursive Teilung eines Goldenen Dreiecks in je ein gleichschenkliges stumpfwinkliges Dreieck und in ein weiteres, kleineres Goldenes Dreieck. Dies ist begründet durch eine sogenannte Drehstreckung ${\displaystyle \sigma }$ . Sie enthält eine Drehung um ${\displaystyle {\tfrac {-3\pi }{5}}}$  (entspricht ${\displaystyle -108^{\circ }}$ ). Daraus ergibt sich eine Streckung mit dem Faktor ${\displaystyle \Phi ^{-1}}$ .

Das nebenstehende Bild zeigt ein solches gleichschenkliges Dreieck ${\displaystyle \mathrm {ABC} }$  mit den Basiswinkeln ${\displaystyle 72^{\circ }}$  und dem Scheitelwinkel ${\displaystyle 36^{\circ }}$  bei ${\displaystyle \mathrm {A} }$ . Es gilt: ${\displaystyle \mathrm {\overline {|AC|}} :\mathrm {\overline {|BC|}} =\Phi }$ .^[62]

Vorgehensweise

Es beginnt mit dem Halbieren des Winkels ${\displaystyle 72^{\circ }}$  am Scheitel ${\displaystyle \mathrm {B} }$ . Dabei teilt der generierte Punkt ${\displaystyle \mathrm {D} }$  die Schenkellänge ${\displaystyle {\overline {\mathrm {AC} }}}$  im Goldenen Schnitt. Es entsteht dabei das gleichschenklige stumpfwinklige Dreieck ${\displaystyle \mathrm {ABD} }$  sowie das Dreieck ${\displaystyle \mathrm {BCD} }$ . Dass letzteres auch ein Goldenes Dreieck ist, zeigt die folgende einfache Überprüfung der Winkelweiten.

Am Scheitel ${\displaystyle \mathrm {B} }$  ergibt sich durch die Winkelhalbierende des Ausgangsdreiecks die Winkelweite ${\displaystyle 36^{\circ }}$ ; der Basiswinkel am Scheitel ${\displaystyle \mathrm {C} }$  bleibt unverändert ${\displaystyle 72^{\circ }}$ . Wird die Winkelsumme eines ebenen Dreiecks mit ${\displaystyle 180^{\circ }}$  berücksichtigt, ist am Scheitel ${\displaystyle \mathrm {D} }$  der Basiswinkel ebenfalls ${\displaystyle 72^{\circ }}$ . Dies zeigt auf, das entstandene Dreieck ${\displaystyle \mathrm {BCD} }$  und das Goldene Dreieck ${\displaystyle \mathrm {ABC} }$  sind zwei zueinander ähnliche Dreiecke.^[62]

Für den Nachweis, dass der Punkt ${\displaystyle \mathrm {D} }$  tatsächlich die Schenkellänge ${\displaystyle {\overline {\mathrm {AC} }}}$  im Goldenen Schnitt teilt, gilt:^[63]

${\displaystyle {\overline {\mathrm {AC} }}={\overline {\mathrm {BC} }}\cdot \Phi ={\overline {\mathrm {CD} }}\cdot \Phi ^{2}={\overline {\mathrm {CD} }}\cdot \left(\Phi +1\right)}$ .

Nun bedarf es noch der Bestimmung des Polpunktes ${\displaystyle \mathrm {O} }$  als Schnittpunkt der beiden Seitenhalbierenden ${\displaystyle {\overline {\mathrm {XC} }}}$  und ${\displaystyle {\overline {\mathrm {YD} }}}$ . Die darüber hinaus eingezeichneten goldenen Dreiecke ${\displaystyle \mathrm {CDE,DEF,EFG,FGH,GHI} }$  und anderes mehr zeigen, dass diese Vorgehensweise beliebig weit fortgesetzt werden kann.

Mit ${\displaystyle \mathrm {A,B,C,D} }$  und ${\displaystyle \mathrm {E} }$  sind die ersten fünf Punkte auf der – noch zu konstruierenden – Spirale bestimmt. Hat der Polpunkt ${\displaystyle \mathrm {O} }$  die Polarkoordinaten ${\displaystyle \left(\mathrm {\mu ^{\theta },\theta } \right)}$ , so gilt für die Spira mirabilis die Polargleichung^[62]

${\displaystyle \mu =\Phi ^{\frac {5}{3\pi }}}$ .

Angenäherte Spira mirabilis mittels Kreisbögen

• Praktikable Methode als Konstruktion mit Zirkel und Lineal

An den gleichschenkligen stumpfwinkligen Dreiecken wird jeweils um deren Scheitelpunkt mit dem stumpfen Winkel, ein Kreisbogen mit der Winkelweite ${\displaystyle 108^{\circ }}$  (entspricht ${\displaystyle 180^{\circ }-2\cdot 36^{\circ }}$ ) und dem Radius gleich dem eines Schenkels gezogen.

Mit anderen Worten: Am Dreieck ${\displaystyle \mathrm {ABD} }$  wird um dessen Scheitelpunkt ${\displaystyle \mathrm {D} }$  (mit dem stumpfen Winkel), ein Kreisbogen von ${\displaystyle \mathrm {A} }$  nach ${\displaystyle \mathrm {B} }$  gezogen. Gleiches gilt für die weiteren ähnlichen Dreiecke.

 

Wird die Strecke ${\displaystyle \mathrm {\overline {AB}} }$  mit Länge ${\displaystyle a}$  durch den Punkt ${\displaystyle \mathrm {T} }$  im Verhältnis des Goldenen Schnitts in zwei Teilstrecken ${\displaystyle \mathrm {\overline {AT}} }$  und ${\displaystyle \mathrm {\overline {BT}} }$  mit Längen ${\displaystyle x}$  und ${\displaystyle a-x}$  geteilt, so ist ${\displaystyle x}$  bereits das geometrische Mittel der Zahlen ${\displaystyle a}$  und ${\displaystyle a-x}$ . Das folgt aus der allgemeinen Definition des geometrischen Mittels ${\displaystyle {\bar {x}}_{\text{geom}}={\sqrt[{n}]{x_{1}\cdot x_{2}\dotsm x_{n}}}}$ , hier: ${\displaystyle x={\sqrt[{2}]{a(a-x)}}}$ . In der Tat folgt mit ${\displaystyle {\tfrac {x}{a}}={\tfrac {1}{\Phi }}}$  bereits

${\displaystyle {\sqrt {a(a-x)}}=a{\sqrt {1-{\frac {1}{\Phi }}}}={\frac {a}{\Phi }}=x}$ .

Des Weiteren folgt daraus unmittelbar, dass ${\displaystyle a}$  wiederum das geometrische Mittel von ${\displaystyle x}$  und ${\displaystyle a+x}$  ist.^[64] Man hat in diesem Fall

${\displaystyle {\sqrt {x(a+x)}}=a{\sqrt {{\frac {1}{\Phi }}\left(1+{\frac {1}{\Phi }}\right)}}=a}$ .

 

 

Mit der im Folgenden beschriebenen Papierstreifen-Methode erzeugt ein sogenannter Überhandknoten^[65] ein regelmäßiges Fünfeck (Bild 1), bei dem die Faltenlänge (rot) die Seitenlänge ${\displaystyle a}$  ist und die Diagonale (grün) – gebildet von der Kante des Papierstreifens – die Länge ${\displaystyle \Phi \cdot a}$  hat.

Die Diagonale und die sich daran anschließenden drei Seiten des Fünfecks bilden ein symmetrisches Trapez.^[66]

(1) Ist ${\displaystyle \mathrm {ABCD} }$  ein symmetrisches Trapez (Bild 2), so gilt

${\displaystyle \mathrm {\overline {AB}} =\mathrm {\overline {BC}} =\mathrm {\overline {CD}} }$ ,^[67]

so ist die Diagonale ${\displaystyle \mathrm {\overline {AC}} }$  auch die Winkelhalbierende des Winkels ${\displaystyle \mathrm {BAD} }$ .

(2) Ist der Winkel ${\displaystyle \mathrm {BAD} =72^{\circ }}$ , so verhält sich

${\displaystyle |\mathrm {\overline {AC}} |:|\mathrm {\overline {AB}} |=\Phi :1}$ ^[68]

Zu (1)

Vorausgesetzt das Dreieck ${\displaystyle \mathrm {BAC} }$  ist gleichschenklig, so ist ${\displaystyle \angle \mathrm {BAC} =\angle \mathrm {ACB} }$  und ${\displaystyle \angle \mathrm {CBD} =\angle \mathrm {BDC} }$ . Aus der Symmetrie des Trapezes ergibt sich die Gleichheit der vier betrachteten Winkel (grün).

Die beiden Diagonalen ${\displaystyle \mathrm {\overline {AC}} }$  und ${\displaystyle \mathrm {\overline {BD}} }$  schneiden sich im Scheitel ${\displaystyle \mathrm {S} }$  und erzeugen damit den Scheitelwinkel ${\displaystyle \angle \mathrm {DSA} =\angle \mathrm {BSC} }$ .

Infolgedessen sind die Basiswinkeln des gleichschenkligen Dreiecks ${\displaystyle \mathrm {SDA} }$  gleich denen des ${\displaystyle \triangle \mathrm {SBC} }$ . Demzufolge ergibt sich die Gleichheit ${\displaystyle \angle \mathrm {BAC} =\angle \mathrm {CBD} =\angle \mathrm {CAD} }$ . Somit ist bestätigt: ${\displaystyle \mathrm {\overline {AC}} }$  ist die Winkelhalbierende von ${\displaystyle \angle \mathrm {BAD} }$ .^[68]

Zu (2)

Aufgrund der Voraussetzung folgt mittels Hilfssatz (1), der Winkel ${\displaystyle \mathrm {CAD} =36^{\circ }}$ . Wegen der Symmetrie des Trapezes ist auch der Winkel ${\displaystyle \mathrm {ADC} =72^{\circ }}$ . Da die Winkelsumme im Dreieck ${\displaystyle \mathrm {ACD} =180^{\circ }}$  beträgt, ist auch ${\displaystyle \angle \mathrm {DCA} =72^{\circ }}$ .

Demzufolge ist das Dreieck ${\displaystyle \mathrm {ACD} }$  wegen seiner Innenwinkeln ${\displaystyle 36^{\circ },\;72^{\circ },\;72^{\circ }}$  ein Goldenes Dreieck. Das Dreieck ${\displaystyle \mathrm {ACD} }$  hat – für eine mögliche Zahl ${\displaystyle a}$  – deshalb die Seitenlängen ${\displaystyle \Phi \cdot a,\;a,\;\Phi \cdot a}$ . Somit ist bestätigt:

${\displaystyle |\mathrm {\overline {AC}} |:|\mathrm {\overline {AB}} |=|\mathrm {\overline {AC}} |:|\mathrm {\overline {CD}} |=\Phi :1=\Phi }$ .^[68]

 

Zuerst ist die Streifenbreite gleich der Trapezhöhe zu ermitteln und anschließend die Anordnung der vier Trapeze (${\displaystyle \mathrm {T_{1}\ldots T_{4}} }$ ) darzustellen (Bild 3). Hierzu werden die ermittelten Abmaße des symmetrischen Trapezes ${\displaystyle \mathrm {ABCD} }$  – z. B. aus einem bereits konstruierten Fünfeck (siehe Bild 2) – auf einem Blatt Papier übertragen. Nach dem Beschriften der beiden Enden mit ${\displaystyle \mathrm {E_{1},\;E_{2}} }$ , 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 ${\displaystyle \mathrm {F_{1}} }$ , demzufolge das Trapez ${\displaystyle \mathrm {T_{2}} }$  oberhalb des Streifenendes ${\displaystyle \mathrm {E_{1}} }$  (Bild 4) zum Liegen kommt. Der Punkt ${\displaystyle \mathrm {A'} }$  der Diagonale ${\displaystyle \mathrm {\overline {A'C}} }$  ist dabei direkt auf dem Punkt ${\displaystyle \mathrm {A} }$  positioniert. Das regelmäßige Fünfeck ${\displaystyle \mathrm {ABCDE} }$  kann man bereits jetzt erkennen.

Die zweite Faltung mit der Faltlinie ${\displaystyle \mathrm {F_{2}} }$  (Bild 5) und dritte Faltung mit ${\displaystyle \mathrm {F_{2}} }$  (Bild 6) werden analog zur ersten ausgeführt. Schließlich benötigt es nur noch das Durchziehen (Verknoten) des Streifenendes ${\displaystyle \mathrm {E_{2}} }$  zwischen dem Streifenende ${\displaystyle \mathrm {E_{1}} }$  und dem Trapez ${\displaystyle \mathrm {T_{2}} }$ , um das gesuchte regelmäßige Fünfeck mit Goldenen Schnitt zu erhalten.^[69]

•  
  Bild 4
  Falten der ersten Faltlinie ${\displaystyle \mathrm {F_{1}} }$ 
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  Bild 5
  Falten der zweiten Faltlinie ${\displaystyle \mathrm {F_{2}} }$ 
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  Bild 6
  Falten der dritten und letzten Faltlinie ${\displaystyle \mathrm {F_{3}} }$ , Streifenende ${\displaystyle \mathrm {E_{2}} }$  zwischen dem Streifenende ${\displaystyle \mathrm {E_{1}} }$  und dem Trapez ${\displaystyle \mathrm {T_{2}} }$  durchgezogen

Der Goldene Schnitt ist als Nullstelle des Polynoms ${\displaystyle X^{2}-X-1}$  eine algebraische Zahl. Weil das Polynom normiert ist und alle Koeffizienten ganzzahlig sind, ist der Goldene Schnitt sogar eine algebraisch ganze Zahl. Es sei ${\displaystyle K:=\mathbb {Q} (\Phi )=\mathbb {Q} ({\sqrt {5}})}$ , dann ist ${\displaystyle K/\mathbb {Q} }$  eine Körpererweiterung von Grad 2. Damit ist ${\displaystyle K}$  ein quadratischer Zahlkörper. Es ist der reell-quadratische Zahlkörper kleinster Diskriminante, nämlich 5 (der reell-quadratische Zahlkörper mit nächstgrößerer Diskriminante ist ${\displaystyle \mathbb {Q} ({\sqrt {2}})}$  mit Diskriminante 8).^[70] Es sei ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{K}}$  der zugehörige Ganzheitsring. Weil ${\displaystyle \Phi }$  ganz ist, gilt ${\displaystyle \Phi \in {\mathcal {O}}_{K}}$ , aber mehr als das: Wegen

${\displaystyle N_{K/\mathbb {Q} }(\Phi )=\Phi \Phi '={\frac {1+{\sqrt {5}}}{2}}\cdot {\frac {1-{\sqrt {5}}}{2}}={\frac {1-5}{4}}=-1\in \mathbb {Z} ^{\times }}$ 

ist der Goldene Schnitt sogar Einheit des Ganzheitsrings ${\displaystyle {\mathcal {O}}_{K}}$ . Sein multiplikativ Inverses ist ${\displaystyle -\Phi '={\tfrac {{\sqrt {5}}-1}{2}}=\Phi -1}$ . Dies lässt sich algebraisch allein durch Kenntnis des Minimalpolynoms ${\displaystyle X^{2}-X-1}$  zeigen: