DIE QUADRATUR DES KREISES ALS NÄHERUNGSLÖSUNG
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Bei einer Näherungslösung ist
immer die Frage nach der Genauigkeit angebracht. Dazu
kann man im Fall der Quadratur die Winkel und auch die
Höhen/Seitenverhältnisse des Quadratur-Dreiecks
benutzen. Beginnen wir mit den Winkeln. Die Differenz zwischen genauem Wert und dem Näherungswert besitzt bei alpha und beta den gleichen Betrag nämlich: 0° 0´ 40,33" . Rechnet man dies prozentual auf die genauen Winkel um, so ergibt sich für alpha eine Ungenauigkeit von ± 0,0216 % und für beta eine Ungenauigkeit von ± 0,0294 %. Winkelmäßig gesehen ist die Ungenauigkeit also stets kleiner als eine Winkelminute, und prozentual gesehen bedeutet dies eine Ungenauigkeit, die 0,03% nicht überschreitet. Was sich als hinreichend genau, für die meisten vorkommenden Verhältnisse, bezeichnen läßt. Beim Zeichnen in der Größenordnung DINA3 oder DINA4 beträgt die Zeichengenauigkeit maximal 0,1 Grad, was 6 Winkelminuten entspricht. Damit hat die Quadratur-Ungenauigkeit keinen Einfluß auf die Zeichengenauigkeit, und ist in diesem Größenbereich daher unerheblich. |
Die Quadratur-Konstruktion ist ja dazu gedacht, einen vorgegebenen Kreis in ein umfanggleiches Quadrat zu verwandeln. Da der Radius bekannt ist, entsteht für die Quadratseite daraus eine eindeutige Beziehung. Dies gilt auch, wenn für π die Näherungslösung eingesetzt wird und die entsprechende Gleichung lautet dann: |
Zur weiteren Untersuchung kann man zuerst von einem Einheitskreis (r=1) ausgehen und dann die zugehörigen Quadrate betrachten. Also die genaue Quadratseite und die durch die Näherung ermittelte Seite. Die Differenz zwischen genauem Wert und Näherungswert läßt sich zur Ungenauigkeits - Bestimmung benutzen. |
Für das Seiten/Radiusverhältnis des Quadratur-Dreiecks gilt |
a:r = π:2 |
Für die Näherung des Seiten / Radiusverhältnis gilt: |
a:r = 11:7 |
Die Differenz zwischem genauen Wert und Näherungswert des Seiten/Radius - Verhältnisses erhält man: |
Δ a = (π/2 - 11/7)h |
Um einen Überblick der Abweichungen bei verschiedenen Größenverhältnissen zu erhalten, braucht man jetzt nämlich nur den Einheitsradius in 10er Schritten zu vergrößern. Aus Übersichtsgründen wurde die minimale Größe für den Radius des Grundkreises mit 10 cm angesetzt. |
Kreisradius | Differenz = wahrer Wert - Näherung |
für die Seiten der Quadrate | |
10 cm | 0,063224 mm |
1 m | 0,63224 mm |
10 m | 6,3224 mm |
100 m | 6,3224 cm |
1km | 63,224 cm |
10 km | 6,3224 m |
100 km | 63,224 m |
Tabelle 2
Bei der Berechnung der Differenz ergibt sich eigentlich ein negatives Ergebnis, heißt also der Näherungswert ist etwas zu groß geraten. |
Aus der Tabelle 2 wird ersichtlich das im
Größenbereich von ein paar 10 cm, also DINA4 oder auch DINA3 Format, die
Ungenauigkeit maximal 0,2 mm beträgt. Damit liegt sie in der
Größenordnung der Zeichenungenauigkeit und kann daher
vernachlässigt werden. Die Quadratur-Konstruktion
könnte in dieser Größenordnung also als gute
Näherung genutzt werden. Im Meter wie im 10 Meter-Bereich beträgt die Ungenauigkeit maximal 1-2 cm. Bei architektonischen Objekten, wie Häusern oder Parks, können Wände und Ränder von Beeten oder Wegen, sowohl die Näherungslösung als auch den wahren Wert enthalten. Desgleichen gilt für den 100 bis 200 Meter-Bereich. Hier liegt die Ungenauigkeit bei etwa 10 cm. Und kann daher auch in Mauern oder Beeträndern oder Wegen beide Quadratur-Lösungen enthalten. Im 1 bis 2 Kilometer-Bereich beträgt der Fehler etwa einen Meter. Auch hier läßt sich die Quadratur- Konstruktion noch, durch Wege, Straßen, Beete oder Gebäude markiert, ohne Einschränkung benutzen. Im 10 bis 20 km-Bereich liegt die Ungenauigkeit bei etwa 10 m. Selbst hier noch lassen sich Wege, Straße, Beete oder auch Gebäude noch so gebrauchen, das eine Quadratur ermöglicht wird. Rechnet man die, in Tabelle 1 angegebenen, Differenzen prozentual auf die wahren Seitenlängen der Quadrate um, so erhält man einen Fehler von ± 0,07 %, für alle auftretenden Fälle. Genau genommen bezieht der Fehler sich ja auf die gesamte Quadratseite. Da in der Quadratur - Konstruktion aber alle vorkommenden Elemente entlang einer Symmetrie-Achse angeordnet sind, werden die Quadratseiten halbiert. Damit verteilt sich auch der Fehlabstand zu beiden Seiten der Symmetrie-Achse, d.h. der Fehler wird ebenfalls halbiert. |
Der mittlere Fehler für die Quadratseiten kann daher mit ± 0,035 % angesetzt werden. |
Nimmt man also ein Schnitt-Dreieck und betrachtet darin die Höhe h und die Grundseite s, indem die Verhältnisse dieser Größen zueinander gebildet werden, so ergibt sich: |
Für das Seiten/Höhenverhältnis des Schnitt-Dreiecks gilt |
s:h = π:4 |
Für die Näherung des Seiten/Höhenverhältnis gilt dann |
s:h = 11:14 |
Die Differenz zwischen genauem Wert und Näherungswert läßt sich zur Ungenauigkeitsbestimmung benutzen. |
Δ s = (π/4 - 11/14)h |
Um einen Überblick der Abweichungen bei verschiedenen Größenverhältnissen zu erhalten, braucht man ja nur, wie oben schon geschehen, den Einheitsradius in 10er Schritten zu vergrößern. Aus Übersichtsgründen wurde auch hier die minimale Größe für den Radius des Grundkreises mit 10 cm angesetzt. |
Höhe/Radius | Differenz = wahrer Wert - Näherung |
für die Grundseite des Schnitt-Dreiecks | |
10 cm | 0,0316122 mm |
1 m | 0,316122 mm |
10 m | 3,16122 mm |
100 m | 3,16122 cm |
1km | 31,6122 cm |
10 km | 3,16122 m |
100 km | 31,6122 m |
Tabelle 3
Bei der Berechnung der Differenz ergibt sich
eigentlich ein negatives Ergebnis, heißt also der
Näherungswert ist etwas zu groß geraten. Rechnet man die, in Tabelle 3 angegebenen, Differenzen prozentual auf die wahre Höhe des Schnitt- Dreicks (bzw. dem Radius des Kreises) um, so erhält man einen Fehler von ± 0,04 %, für alle auftretenden Fälle. Aus der Tabelle 3 im Vergleich zu Tabelle 2 ist ersichtlich, das die vorkommenden Fehlergrößen nur die Hälfte des Quadratseiten-Fehlers ausmachen. Damit gelten alle Genauigkeitsbetrachtungen, die für die Quadratseite gemacht worden sind, auch in diesem Fall. |