Carlyle-Kreis

Der Carlyle-Kreis (auch Lill-Kreis) i​st ein spezieller Kreis i​m kartesischen Koordinatensystem, dessen Schnittpunkte m​it der x-Achse m​it den Schnittpunkten e​iner normierten quadratischen Funktion u​nd der x-Achse übereinstimmen. Er k​ann damit z​ur geometrischen Konstruktion d​er Nullstellen e​iner normierten quadratischen Funktion verwandt werden.

Quadratische Funktion mit zugehörigem Carlyle-Kreis

Definition und Eigenschaften

Für eine normierte quadratische Funktion ${\displaystyle f(x)=x^{2}+px+q}$ ist der Carlyle-Kreis definiert als derjenige Kreis, der die Verbindungsstrecke ${\displaystyle AD}$ der Punkte ${\displaystyle A(0|1)}$ und ${\displaystyle D(-p|q)}$ als Durchmesser besitzt.[1][2]

Der so definierte Kreis besitzt den Mittelpunkt ${\displaystyle M=\left({\tfrac {-p}{2}}|{\tfrac {q+1}{2}}\right)}$, den Radius ${\displaystyle r={\tfrac {\sqrt {p^{2}+(q-1)^{2}}}{2}}}$ und die x-Koordinaten seiner Schnittpunkte mit der x-Achse sind die Nullstellen der zugehörigen quadratischen Funktion. Letzteres sieht man, indem man die Schnittpunkte mit der x-Achse in der Kreisgleichung betrachtet:[2]

${\displaystyle \left(x-{\tfrac {-p}{2}}\right)^{2}+\left(y-{\tfrac {q+1}{2}}\right)^{2}={\tfrac {p^{2}+(q-1)^{2}}{4}}}$

Für d​ie Schnittpunkte m​it der x-Achse g​ilt nun zusätzlich, d​ass ihre y-Koordinate 0 ist. Setzt m​an dies i​n der Kreisgleichung e​in und löst d​ie Gleichung d​ann nach x auf, s​o erhält m​an die p-q-Formel, d​ie die Nullstellen e​iner normierten quadratischen Funktion berechnet:[2]

${\displaystyle x_{1,2}=-{\tfrac {p}{2}}\pm {\sqrt {\left({\tfrac {p}{2}}\right)^{2}-q}}}$

Trapez und Carlyle-Kreis

Ergänzt man die Punkte ${\displaystyle A(0|1)}$ und ${\displaystyle D(-p|q)}$ aus der Definition um die Punkte ${\displaystyle B(0|0)}$ und ${\displaystyle C(-p|0)}$, so erhält man ein Trapez, dessen Seite ${\displaystyle AD}$ der Durchmesser des Carlyle-Kreises ist. Dieser schneidet zudem die Seite BC in den Punkten ${\displaystyle S_{1}(x_{1}|0)}$ und ${\displaystyle S_{2}(x_{2}|0)}$. Nach dem Satz des Thales ist der Winkel ${\displaystyle \angle AS_{2}D}$ ein rechter Winkel, was wiederum zur Folge hat, dass die Dreiecke ${\displaystyle \triangle ABS_{2}}$ und ${\displaystyle \triangle S_{2}CD}$ ähnlich sind. Dies liefert dann die folgende Verhältnisgleichung:

${\displaystyle {\frac {1}{x_{2}}}={\frac {x_{1}}{q}}\,\Rightarrow \,x_{1}x_{2}=q}$

Weiterhin gilt auch ${\displaystyle x_{1}+x_{2}=-p}$ und damit aufgrund der Umkehrung des Wurzelsatz von Vieta, dass ${\displaystyle x_{1}}$ und ${\displaystyle x_{2}}$ Nullstellen von ${\displaystyle f(x)=x^{2}+px+q}$ sind.[2]

Komplexe Nullstellen einer normierten Parabel mit dem Carlyle-Kreis:
${\displaystyle {\begin{aligned}\,&x^{2}+px+q=0\land {\tfrac {p^{2}}{4}}-q<0\\\Rightarrow \,&x_{1,2}=a\pm b\cdot i\end{aligned}}}$

Dieser geometrische Nachweis der Eigenschaften des Carlyle-Kreises zeigt zudem, dass er sich als eine Modifikation eines Spezialfalls der Methode von Lill, einem graphischen Verfahren zur Bestimmung der Nullstellen eines Polynoms, auffassen lässt. Bei diesem werden zu einem gegebenen Polynom vom Grad ${\displaystyle n}$ von einem gemeinsamen Punkt ausgehend zwei Polygonzüge der Längen ${\displaystyle n}$ und ${\displaystyle n-1}$ konstruiert. Fallen nun auch deren Endpunkte zusammen, so ist der Tangens des Winkels, den die beiden Polygonzüge am gemeinsamen Ausgangspunkt bilden, eine Nullstelle des Polynoms. Für eine normierte quadratische Funktion erhält man als Polygonzüge ${\displaystyle ABCD}$ und ${\displaystyle AS_{2}D}$ und da diese beide in dem gemeinsamen Punkt ${\displaystyle D}$ enden, ist ${\displaystyle \tan(\angle BAS_{2})=x_{2}}$ eine Nullstelle der quadratischen Funktion.[3]

Der Carlyle-Kreis kann auch verwandt werden, um die komplexen Nullstellen einer normierten quadratischen Funktion zu konstruieren. In diesem Fall schneidet er selbst die x-Achse nicht, sondern ein weiterer Kreis, den man mit seiner Hilfe konstruiert. Der identische Realteil ${\displaystyle a}$ der beiden komplexen Nullstellen entspricht dem vorzeichenbehafteten Abstand der Vertikalen ${\displaystyle g}$ durch den Mittelpunkt ${\displaystyle M}$ des Carlyle-Kreis zur y-Achse. Der Mittelpunkt ${\displaystyle T}$ des zweiten Kreises liegt wie der Carlyle-Kreises auf der Vertikalen ${\displaystyle g}$ und sein Radius entspricht dem Abstand des Mittelpunktes ${\displaystyle M}$ des Carlyle-Kreises von der x-Achse. Weiterhin berühren sich beide Kreise von außen. Die Tangente vom Schnittpunkt ${\displaystyle S(a|0)}$ der Vertikalen ${\displaystyle g}$ mit der Achse x-Achse an Carlyle-Kreis berührt diesen in ${\displaystyle R}$ und der zweite Kreis schneidet die x-Achse in ${\displaystyle U_{1}}$ und ${\displaystyle U_{2}}$. Der Betrag des Imaginärteils der Nullstelle ${\displaystyle b}$ entspricht dann der Längen der Strecke ${\displaystyle SR}$, ${\displaystyle SU_{1}}$ oder ${\displaystyle SU_{2}}$.[4]

Polygonkonstruktionen

Wurzeln von ${\displaystyle z^{5}=1}$ am Einheitskreis in der komplexen Zahlenebene

Carlyle-Kreise können zur Zirkel-und-Lineal-Konstruktion diverser regulärer Polygone verwandt werden. Hierbei wird benutzt, dass alle Punkte der Ebene mit rationalen Koordinaten prinzipiell mit Zirkel und Lineal konstruierbar sind; daher ist es möglich, einen Carlyle-Kreis mit Punkt ${\displaystyle D(-p|q)}$ für ${\displaystyle p,q\in \mathbb {Q} }$ zu verwenden, ohne die Konstruktionsregeln zu verletzen.

Die prinzipielle Idee, die die Verwendung von Carlyle-Kreisen ermöglicht, besteht darin, die Eckpunkte eines regulären Polygons als die komplexen Wurzeln der Gleichung ${\displaystyle z^{n}=1}$ auf dem Einheitskreis in der komplexen Zahlenebene aufzufassen. Aus mehreren komplexen Wurzeln leitet man dann zwei neue Zahlen her, die die Nullstellen einer normierten quadratischen Gleichung sind und somit mit Hilfe eines Carlyle-Kreises konstruiert werden können. Die beiden Zahlen sind zudem so gewählt, dass man bei ihrer Kenntnis die für sie verwendeten komplexen Wurzeln, also die Eckpunkte des Polygons, konstruieren kann. Im Folgenden wird dieser Ansatz am Beispiel des Fünfecks beschrieben, darüber hinaus lässt er sich insbesondere auch zur Konstruktion des Siebzehnecks, des 257-Ecks und des 65537-Ecks nutzen.[1]

Pentagonkonstruktion mit dem Carlyle-Kreis (grün)

Die Wurzeln von ${\displaystyle z^{5}=1}$ sind ${\displaystyle Z_{i}=\exp({\tfrac {2\pi }{5}}\cdot i)}$ für ${\displaystyle i=0,...,4}$. Nun wählt man die beiden Zahlen ${\displaystyle s_{1}=Z_{2}+Z_{3}}$ und ${\displaystyle s_{2}=Z_{1}+Z_{4}}$. Diese erfüllen die beiden Gleichungen ${\displaystyle s_{1}\cdot s_{2}=-1}$ und ${\displaystyle s_{1}+s_{2}=-1}$, damit sind sie Nullstellen der normierten quadratischen Funktion ${\displaystyle f(x)=x^{2}+x-1}$. Da ${\displaystyle Z_{1}}$ und ${\displaystyle Z_{4}}$ und ${\displaystyle Z_{2}}$ und ${\displaystyle Z_{3}}$ konjugierte Wurzeln gilt zudem, dass ${\displaystyle s_{1}}$ und ${\displaystyle s_{2}}$ dem doppelten Realteil der zugehörigen komplexen Wurzeln entsprechen.[2]

Damit ergibt sich das folgende Konstruktionsverfahren: Man zeichnet zunächst den Einheitskreis und dann den zu ${\displaystyle f(x)}$ gehörenden Carlyle-Kreis mit ${\displaystyle D(-1|-1)}$. Um die Schnittpunkte des Carlyle-Kreises mit der x-Achse zeichnet man dann je einen Kreis mit Radius 1. Diese beiden Kreise schneiden den Einheitskreis in ${\displaystyle Z_{1},Z_{2},Z_{3}}$ und ${\displaystyle Z_{4}}$ (Konstruktion der Mittelsenkrechten von ${\displaystyle s_{1}}$ und ${\displaystyle s_{2}}$). ${\displaystyle Z_{0}}$ erhält man als Schnittpunkt des Einheitskreises mit der x-Achse, somit sind alle Eckpunkte des Fünfecks konstruiert.[2]

Geschichte

Carlyles Lösung von Leslies Problem. Die schwarze Strecke wird so geteilt, dass ihre Abschnitte ein Rechteck (grün) formen, das flächengleich zu einem vorgegebenen Rechteck (rot) ist.

Howard Eves (1911–2004) zufolge beschrieb d​er Mathematiker John Leslie (1766–1832) d​ie Nullstellenkonstruktion m​it Hilfe d​es Carlyle-Kreises i​n seinem Buch Elements o​f Geometry u​nd merkte d​ort an, d​ass sie i​hm von e​inem seiner Schüler, Thomas Carlyle (1795–1881), vorgeschlagen worden war.[5] Die Darstellung b​ei Leslie enthält z​war eine analoge Kreiskonstruktion, jedoch n​och ohne kartesisches Koordinatensystem, quadratische Funktion o​der explizite quadratische Gleichung, stattdessen i​st sie i​n eine elementargeometrische Problemstellung z​ur Konstruktion flächengleicher Rechtecke eingekleidet. Carlyle verwendete d​abei Kreis u​nd Trapez, u​m die Aufgabe z​u lösen:[6]

Teile eine Strecke so, dass ihre Abschnitte die Seiten eines neuen Rechtecks bilden, das flächengleich zu einem vorgegebenen Rechteck ist (Proposition XVII in der dritten Ausgabe von John Leslies Elements of Geometry).[6]

Der österreichische Ingenieur und Beamte Eduard Lill publizierte 1867 ein graphisches Verfahren zur Bestimmung der Nullstellen eines Polynoms (Lills Methode); wendet man dieses auf eine normierte quadratische Funktion an, so erhält man das weiter oben erwähnte Trapez ${\displaystyle ABCD}$ mit ${\displaystyle |AB|=1}$ und der ${\displaystyle AD}$ als Durchmesser des Carlyle-Kreises.[3] In einem 1925 veröffentlichten Artikel beschreibt G. A. Miller, dass man aus dem Verfahren von Lill im Falle einer normierten quadratischen Funktion eine Kreiskonstruktion ableiten kann, deren Schnittpunkte mit der x-Achse mit den Nullstellen der quadratischen Funktion übereinstimmen, und liefert damit die moderne Definition des Carlyle-Kreises.[7]

Eves verwendete d​en Kreis i​m modernen Sinne für e​ine Übungsaufgabe i​n seinem Buch Introduction t​o the History o​f Mathematics (1953) u​nd stellte d​ort in e​iner Anmerkung d​en Bezug z​u Carlyle her. Spätere Publikationen beginnen d​ann zunehmend d​ie Bezeichnung Carlyle-Kreis o​der Carlyle-Verfahren z​u übernehmen. Duane W. DeTemple verwendete d​en Carlyle-Kreis (1989, 1991), u​m möglichst einfache Zirkel-und-Lineal-Konstruktionen bestimmter regelmäßiger Polygone z​u erhalten.[1] Ladislav Beran beschrieb 1999, w​ie man d​en Carlyle-Kreis verwenden kann, u​m auch d​ie komplexen Nullstellen e​iner normierten quadratischen Funktion geometrisch z​u konstruieren.[4]

Literatur

• Rainer Kaenders (Hrsg.), Reinhard Schmidt (Hrsg.): Mit GeoGebra mehr Mathematik verstehen. 2. Auflage. Springer Spektrum, 2014, ISBN 978-3-658-04222-6, S. 68-71
• Patricia R. Allaire, Robert E. Bradley: Geometric Approaches to Quadratic Equations from Other Times and Places. (PDF; 398 kB) In: The Mathematics Teacher, Vol. 94, No. 4, April 2001, S. 308–313 (JSTOR)
• Duane W. DeTemple: Simple Constructions for the Regular Pentagon and Heptadecagon. In: The Mathematics Teacher, Vol. 82, No. 5 (Mai 1989), S. 361–365 (JSTOR 27966269)
• Duane W. DeTemple: Carlyle Circles and the Lemoine Simplicity of Polygon Constructions (PDF) In: The American Mathematical Monthly, Vol. 98, No. 2 (Feb., 1991), S. 97–108 (JSTOR 2323939)
• E. John Hornsby, Jr.: Geometrical and Graphical Solutions of Quadratic Equations (PDF) In: The College Mathematics Journal, Vol. 21, No. 5 (Nov., 1990), S. 362–369 (JSTOR 2686901)
• Walter M. Patterson III, Andre M. Lubecke: A Special Circle for Quadratic Equations. In: The Mathematics Teacher, Vol. 84, No. 2 (Februar 1991), S. 125–127 (JSTOR 27967040)
• G. A. Miller: Geometric Solution of the Quadratic Equation. In: The Mathematical Gazette, Vol. 12, No. 179 (Dez., 1925), S. 500–501 (JSTOR 3602823)
• Ladislav Beran: The Complex Roots of a Quadratic from a Circle. In: The Mathematical Gazette, Vol. 83, No. 497 (Jul., 1999), S. 287–291 (JSTOR 3619064)

Weblinks

• Eric W. Weisstein: Carlyle Circle. In: MathWorld (englisch).

Einzelnachweise

1. Duane W. DeTemple: Carlyle Circles and the Lemoine Simplicity of Polygon Constructions. (Memento vom 11. August 2011 im Internet Archive; PDF) In: The American Mathematical Monthly, Vol. 98, No. 2 (Feb., 1991), S. 97–108 (JSTOR 2323939)
2. Rainer Kaenders (Hrsg.), Reinhard Schmidt (Hrsg.): Mit GeoGebra mehr Mathematik verstehen. Springer Spektrum, 2. Auflage, 2014, ISBN 978-3-658-04222-6, S. 68-71
3. Siehe Kaenders/Schmidt, S. 70–73. Man beachte hier, dass die Methode von Lill eigentlich nicht die angegebene Trapezfigur liefert, sondern eine zu ihr kongruente Figur, die um 90° gedreht und an der Horizontalen gespiegelt ist. Dadurch ist der Schnittwinkel im Ausgangspunkt der nach der Methode von Lill konstruierten kongruenten Figur negativ und dementsprechend ist dort nicht der Tangens des Schnittwinkels eine Nullstelle des Polynoms, sondern der negative Tangens
4. Ladislav Beran: The Complex Roots of a Quadratic from a Circle. In: The Mathematical Gazette, Vol. 83, No. 497 (Jul., 1999), S. 287–291 (JSTOR 3619064)
5. Siehe dazu z. B. Hornsby, DeTemple oder Howard Eves: An Introduction into the History of Mathematics. 3. Ausgabe. Holt, Reinhart and Winston, 1969, S. 73
6. John Leslie: Elements of geometry and plane trigonometry: With an appendix, and copious notes and illustrations. 3. Ausgabe. Archibald Constable & Co, 1817, S. 176, S. 430. Dazu sei angemerkt, dass die Bemerkung zu Carlyle in den früheren Ausgaben des Buches (1809, 1811) noch nicht enthalten ist.
7. G. A. Miller: Geometric Solution of the Quadratic Equation. In: The Mathematical Gazette, Vol. 12, No. 179 (Dez., 1925), S. 500–501 (JSTOR 3602823)