Neunzehneck

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Regelmäßiges Neunzehneck

Ein Neunzehneck, auch als Nonadekagon bezeichnet (englisch auch enneadecagon, enneakaidecagon),[1] ist ein Polygon mit 19 Seiten und 19 Ecken. Oft ist dabei ein ebenes, regelmäßiges Neunzehneck gemeint, bei dem alle Seiten gleich lang sind und alle Eckpunkte auf einem gemeinsamen Umkreis liegen.

Regelmäßiges Neunzehneck[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das regelmäßige Neunzehneck ist nach Carl Friedrich Gauß und Pierre-Laurent Wantzel kein konstruierbares Polygon, denn seine Seitenanzahl ist kein Produkt einer Zweierpotenz mit paarweise voneinander verschiedenen Fermatschen Primzahlen.

Größen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Größen[2] eines regelmäßigen Neunzehnecks
Innenwinkel

Größen des Neunzehnecks

Zentriwinkel

(Mittelpunktswinkel)

Seitenlänge
Umkreisradius
Inkreisradius
Höhe
Flächeninhalt

Mathematische Zusammenhänge[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Innenwinkel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Innenwinkel wird von zwei benachbarten Seiten der Länge eingeschlossen.

Zentriwinkel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Zentriwinkel oder Mittelpunktswinkel wird von zwei benachbarten Umkreisradien der Länge eingeschlossen.

Seitenlänge[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Seitenlänge errechnet sich zu

.

Umkreisradius[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Radius des Umkreises ergibt sich durch Umformen der Formel für die Seitenlänge zu

.

Inkreisradius[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Inkreisradius ist die Höhe eines gleichschenkligen Teildreiecks mit den beiden Schenkeln gleich dem Umkreisradius und der Grundlinie gleich der Seitenlänge :

Höhe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Höhe eines regelmäßigen Neunzehneckes ergibt sich aus der Summe von Inkreisradius und Umkreisradius :

Flächeninhalt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Flächeninhalt eines Dreiecks berechnet sich allgemein zu . Für die Berechnung des Neunzehnecks werden die Ergebnisse der Seitenlänge und des Inkreisradius herangezogen, worin für die Höhe eingesetzt wird:

daraus folgt für die Fläche eines Teildreiecks
zusammengefasst ergibt sich
und für die Fläche des ganzen Neunzehnecks

Geometrische Konstruktionen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein regelmäßiges Neunzehneck ist nicht mit Zirkel und Lineal konstruierbar. Verwendet man jedoch ein zusätzliches Hilfsmittel wie z. B. den Tomahawk zur exakten Dreiteilung (Trisektion) eines Winkels oder ein spezielles Kurvenlineal mit der Kurvenform der archimedischen Spirale bzw. der Quadratrix des Hippias für die Teilung des 90-Grad-Winkels in gleich große Winkelweiten, ist eine exakte Lösung machbar.

Um den Tomahawk für die Bestimmung des Zentriwinkels nutzen zu können, bedarf es dafür zuerst einer evtl. komplizierten Konstruktion mindestens einer geeigneten Winkelweite, wie im Beispiel Dreizehneck von Andrew M. Gleason zu sehen ist.

Dagegen bietet sowohl die archimedische Spirale als auch die Quadratrix des Hippias einen einfachen und kurzen Weg – er führt über die Teilung einer Strecke in gleich lange Teile und die anschließende Projektion von vier dieser Teile in die gewählte Kurve − zum Auffinden des gesuchten Zentriwinkels.

Quadratrix des Hippias als zusätzliches Hilfsmittel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bild 1: Regelmäßiges Neunzehneck mit vorgegebenem Umkreis als exakte Konstruktion mit der Quadratrix des Hippias als zusätzlichem Hilfsmittel

Die Konstruktion (Bild 1) ist nahezu gleich der des Elfecks.

Nach dem Zeichnen des Quadrates z. B. mit der Seitenlänge und der Konstruktion der speziellen Kurve, der sogenannten Quadratrix des Hippias,[3] mit der Parameterdarstellung :[4][5]

wird die Strecke in neunzehn gleich lange Abschnitte mithilfe der Streckenteilung geteilt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in der Zeichnung nur die relevanten Punkte dargestellt.

Der Zentriwinkel des Neunzehnecks ergibt sich aus aber die Quadratrix des Hippias unterteilt nur die Winkel ab bis in gleich große Winkel. Daraus folgt, ein Neunzehntel der Strecke kann nur ein Neunzehntel des Winkels erzielen. Deshalb wird wegen der Berechnung des Zentriwinkels aus dem Umkreis mit seinen das Vierfache eines Neunzehntels, d. h. der Teilungspunkt der Strecke zur Konstruktion des Zentriwinkels genutzt. Dieser entsteht nach der Konstruktion einer Parallelen zu ab bis zur Kurve der Quadratrix, dabei ergibt sich der Punkt . Nun zieht man eine Halbgerade ab dem Winkelscheitel durch bis zum Umkreis.

Somit ergibt sich der Zentriwinkel und auf dem Umkreis der zweite Eckpunkt . Die Länge der Strecke ist die exakte Seitenlänge des regelmäßigen Neunzehnecks.

Näherungskonstruktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bild 2: Neunzehneck, Näherungskonstruktion mit einer universellen Methode

Bild 2 zeigt ein Neunzehneck in seinem Umkreis, erstellt mit einer universellen Methode.[6][7]

Zuerst wird der Durchmesser in gleich lange Teile mithilfe des Strahlensatzes geteilt (in der Zeichnung nicht dargestellt) oder mittels Aneinanderreihen von gleich langen Abständen bestimmt. Nun werden entweder die geraden oder die ungeraden Zahlen (Teilungspunkte) auf dem Durchmesser markiert. In diesem Beispiel sind die geraden Zahlen und eingetragen. Die anschließende Halbierung von erfolgt mithilfe der zwei Kreisbögen um bzw. mit dem Radius . Die Kreisbögen schneiden sich in den Punkten und Durch deren Verbindung erhält man den Mittelpunkt und die vertikale Mittelachse.

Nach dem Einzeichnen des Umkreises um durch geht es weiter mit dem Festlegen der Eckpunkte auf dem Umkreis. Das Lineal wird an den Punkt und an die gerade Zahl gelegt. Danach am Lineal entlang eine kurze Linie durch die gegenüberliegende Hälfte der Umkreislinie gezogen, ergibt den Eckpunkt des entstehenden Neunzehnecks. Diese Vorgehensweise wiederholt sich beim Bestimmen der Eckpunkte Sie wird fortgesetzt, jetzt ausgehend vom Punkt bis die restlichen Eckpunkte gefunden sind. Abschließend werden die benachbarten Eckpunkte miteinander verbunden.

Das Besondere an dieser Methode ist, neun Seiten des Neunzehnecks haben paarweise die gleiche Länge, z. B. die Seiten und . Die Seite hat eine von den anderen unterschiedliche Länge.

Dem Betrag nach größter, zweitkleinster und kleinster absoluter Fehler der Seitenlängen des Neunzehnecks bei einem Umkreisradius mit :

bei
bei und
bei und

Sieht man sich die beiden betragsmäßig kleinsten absoluten Fehler der benachbarten Seiten an, folgt daraus, beide sind nahezu gleich von einer idealen Mitte entfernt. Das bedeutet, würde man in dieser Näherungskonstruktion z. B. nur die Strecken (hellbraun) und (hellblau) konstruieren, anschließend das arithmetische Mittel dieser Strecken konstruktiv ermitteln, ergäbe dies eine Seitenlänge des Neunzehnecks mit einer Abweichung von rund

.

Oder anders gesagt, bei einem Umkreisradius wäre die Abweichung der konstruierten ersten Seite .

Vorkommen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Erlöserkirche in Ani[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Erlöserkirche in Ani, ein anderer Blick auf die Kirche
Erlöserkirche in Ani,
ein anderer Blick auf die Kirche

Die Kirche befindet sich im Osten des Ortes Ani, der Hauptstadt des ehemaligen Königreichs Armenien, im äußersten Osten der heutigen Türkei in der Provinz Kars an der Grenze zu Armenien.

Auf der Website VirtualANI.org ist die Architektur der Kirche so beschrieben (freie Übersetzung):[8]

„Die Architektur

Die Kirche ist ungefähr kreisförmig, wobei die untere Hälfte des Äußeren in ein 19-seitiges Polygon unterteilt ist. Die sehr große (und sehr breite) Trommel [obere Hälfte] ist unüblicherweise nicht in ein Polygon unterteilt, sondern ist ein perfekter Kreis. Sie ist von 12 schmalen Fenstern durchbrochen und innen mit einer halbkreisförmigen Kuppel versehen. Die Kirche hat nur einen einzigen Eingang, in der Südfassade, durch eine monumentale rechteckige Tür, die mit einem Architrav von pseudoantiken Schnitzereien gekrönt ist. Der Innenraum hatte acht Apsiden, wobei die Altarapsis viel größer als die anderen war. Auf beiden Seiten der Altarapsis befanden sich winzige Kapellen, die in die Wanddicke eingearbeitet waren. Diese Kapellen und die vergrößerte Apsis schwächten wahrscheinlich die Struktur in solcher Weise, dass hier ein Schaden entstand, der schließlich zum Zusammenbruch der Kirche führte.“

Regelmäßige überschlagene Neunzehnecke[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein regelmäßiges überschlagenes Neunzehneck ergibt sich, wenn beim Verbinden der neunzehn Eckpunkte jedes Mal mindestens einer übersprungen wird und die somit erzeugten Sehnen gleich lang sind. Notiert werden solche regelmäßige Sterne mit Schläfli-Symbolen , wobei die Anzahl der Eckpunkte angibt und jeder -te Punkt verbunden wird. In der folgenden Galerie sind die acht möglichen regelmäßigen Neunzehnstrahlsterne, auch Enneadekagramme genannt, dargestellt.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Regelmäßige Neunzehnecke – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Eric W. Weisstein: CRC Concise Encyclopedia of Mathematics. S. 914 Enneadecagon. 2003, abgerufen am 28. Januar 2018.
  2. William Templeton: The millwright & engineer’s pocket companion. S. 48 Nonadecagon. 1852, abgerufen am 28. Januar 2018.
  3. Rieke Deimer: Die Quadratrix. In: Mathematik / Algebraische Geometrie, Ausgewaehlte hoehere Kurven WS2016-17. Universität Mainz, 6. Januar 2017, abgerufen am 28. Januar 2018.
  4. Hans-Wolfgang Henn: Elementare Geometrie und Algebra. Verlag Vieweg+Teubner, 2003, S. 45–48. Seite 46 ff. Quadratrix (Auszug (Google)), abgerufen am 29. Januar 2018.
  5. Horst Hischer: Mathematik in der Schule 32 (1994) 5. Geschichte der Mathematik als didaktischer Aspekt (2). Lösung klassischer Probleme. S. 279 ff., abgerufen am 29. Januar 2018.
  6. H. August: Zeichnerische Konstruktion eines Elfecks. In: Zeichnerische Konstruktionen: Mehrecke. Abgerufen am 5. Februar 2018.
  7. Peter Eckardt: Siebeneck. In: Sterne und Polygone. Abgerufen am 5. Februar 2018.
  8. Steven Sim: THE CHURCH OF THE REDEEMER (SURP AMENAP’RKITCH). VirtualANI, abgerufen am 13. Juli 2018. Aus dem Internet Archive