Eine Torte für die Mathematik – Wir begehen den $\pi$-Tag


Meine lieben,
Immer wieder habe ich das Datum verpasst. Aber diesmal nicht. Es geht um den 14. März eines jeden Jahres. Schreibt man das Datum in englischer Schreibweise, dann ist es March, 14th. oder 03.14. Und diese letzte Schreibweise kommt uns doch irgendwie bekannt vor. Spätestens dann, wenn man den Punkt durch unser deutsches Komma ersetzt. Dann wird daraus nämlich die Zahl 3,14, also die Kreiszahl $\pi$.

Diese Zahl ist den meisten aus der Schule bekannt. Mathematik, Geometrie und damit verbunden auch die Astronomie wäre ohne sie nicht denkbar. Ob dieser Wichtigkeit verwundert es nicht, dass man ihr genau den 14.03. als Gedenktag widmete.
Dann tun wir das doch einfach auch und begehen den $\pi$-Tag.
Bevor es los geht, noch eine kleine Anmerkung:

Wenn ich das Pi-Zeichen $\pi$ hier immer für Sehende schön angezeigt einfüge, dann kann es sein, dass im Fließtext der Lesefluss für unsere Sprachausgabe nutzer:innen etwas beeinträchtigt wird, weil dann immer auf einen mathematischen Modus umgeschaltet wird. Außerdem wird das $\pi$-Zeichen und andere mathematische Ausdrücke auf unseren Punktschriftzeilen leider momentan nur in der englischsprachlich mathematischen Notation für Blinde ausgegeben. Deshalb kann es durchaus sein, dass ich derlei dann und wann als Fließtext setze und nicht so formatiere, wie es mathematisch schön und korrekt auszusehen hätte. An anderen Stellen werde ich einfach zwei Varianten verwenden. Seht mir das also bitte nach.

Die Feier

Als Begründer dieser Tradition gilt Larry Shaw, der den Pi Day 1988 am Exploratorium in San Francisco initiierte, wo er seitdem jährlich begangen wird.

2009 wurde in den USA der 14. März vom US-Kongress zum offiziellen Nationaltag für die Kreiskonstante Pi erklärt.
Der Pi-Tag wird traditionell mit dem gemeinsamen Verzehren von kreisförmigen Kuchen begangen (im Englischen wird der griechische Buchstabe π lautgleich wie das englische Wort pie, Kuchen, ausgesprochen). Ein solcher Kuchen von 20 Zentimetern Durchmesser hat zudem π Quadratdezimeter Grundfläche.
Zur Verbreitung des Gedenktages trägt auch bei, dass zufällig der 14. März auch der Geburtstag Albert Einsteins und (seit 2018) der Todestag Stephen Hawkings ist. Besonders genaue Anhänger feiern um 13:59:26 Uhr und erreichen die Kreiszahl damit bis zur siebten Nachkommastelle
(3/14 1:59:26 pm).
Am Massachusetts Institute of Technology wurden 2015 in Anlehnung an den Pi-Tag einige Termine auf Samstag, den 14. März um 9:26 Uhr ET (3/14/15 9:26 am) gelegt.
Mindestens seit dem Jahr 2000 wird auch ein Pi-Näherungstag (Pi Approximation Day) am 22. Juli gefeiert, mit dem die näherungsweise Darstellung von π durch Archimedes (Archimedischer Algorithmus) als 22/7 ≈ 3,14 geehrt werden soll.
Daran sieht man sofort, dass die Kreiszahl Jahrtausende alt ist, wenn schon der alte Grieche mit ihr arbeitete, der mit seinem Heureka-Ruf aus seiner Wanne sprang.

Ich weiß nicht, ob er sich als er seinen Widersacher bat, seine Kreise nicht zu stören, gerade geometrisch mit der Kreiszahl beschäftigte, aber es soll ja dann quasi leider sein letzter Satz gewesen sein.

Was ist $\pi$
Zur Bezeichnung Pi kam die Zahl durch die Anfangsbuchstaben der beiden griechischen Wörter Perimetrus (Umfang) und Peripheria (Randbereich).

Ein Kreis mit dem Durchmesser 1 hat den Umfang pi.
Die Kreiszahl, auch Ludolphsche Zahl, Ludolfsche Zahl oder Archimedes-Konstante, abgekürzt mit dem griechischen Kleinbuchstaben ($\pi$), ist eine mathematische Konstante, die das Verhältnis des Umfangs eines Kreises zu seinem Durchmesser angibt. Dieses Verhältnis ist für alle Kreise gleich, unabhängig von ihrer Größe. Die dezimale Darstellung der Kreiszahl beträgt 3,14159265… Die PÜnktchen stehen für weitere Ziffern, denn pi reißt nicht ab.
Im Alltag reichen aber oft die ersten beiden Stellen hinter dem Komma aus.

Seit dem 8. Juni 2022 sind 100 Billionen Nachkommastellen der Kreiszahl bekannt.

Ein weiterer Ansatz pi zu definieren führt über den Vergleich der Kreisfläche und des Quadrates seines Radius. So ergibt sich die Kreisfläche als R^2 *pi. Kennt jeder noch aus der Schule.
Es gibt noch weitere Möglichkeiten pi über Reihen, Kettenbrüche, Winkelfunktionen etc. anzunähern, aber die sparen wir uns an dieser Stelle.
Einige dieser Ansätze durfte ich im Studium der Analysis und der Numerik kennenlernen.

Die Kreiszahl ist transzendent und hat damit unendlich viele Nachkommastellen. Darin sind bislang keine vorhersagbaren Muster erkennbar, die Ziffernfolge erscheint chaotisch.
Die Zahl ist eine irrationale Zahl, also eine reelle, aber keine rationale Zahl. Das bedeutet, dass sie nicht als Verhältnis zweier ganzer Zahlen , also nicht als Bruch , dargestellt werden kann. Das wurde 1761 (oder 1767) von Johann Heinrich Lambert bewiesen.
Dass pi transzendent ist, bedeutet auch, dass es kein vom Nullpolynom verschiedenes Polynom mit rationalen Koeffizienten gibt, das pi zur Nullstelle hat. So ist auch jede Zahl, die durch algebraische Operationen wie Addition und Multiplikation mit sich selbst und mit ganzen Zahlen aus erzeugt wird, wiederum transzendent. Das wurde erstmals von Ferdinand von Lindemann 1882 bewiesen.

Als Konsequenz ergibt sich daraus, dass es unmöglich ist, pi nur mit ganzen Zahlen oder Brüchen und Wurzeln auszudrücken, und dass die exakte Quadratur des Kreises mit Zirkel und Lineal nicht möglich ist.

Geschichte der Annäherung

Die Notwendigkeit, den Umfang eines Kreises aus seinem Durchmesser zu ermitteln oder umgekehrt, stellt sich im ganz praktischen Alltag: Man braucht solche Berechnungen zum Beschlagen eines Rades, zum Einzäunen runder Gehege, zum Berechnen der Fläche eines runden Feldes oder des Rauminhalts eines zylindrischen Getreidespeichers. Daher suchten Buchhalter und Wissenschaftler, vor allem Mathematiker und Astronomen, seit der Antike nach immer genaueren Näherungswerten für die Kreiszahl. Wesentliche Beiträge lieferten etwa ägyptische, babylonische und griechische Wissenschaftler, im Mittelalter vor allem chinesische und persische Wissenschaftler, in der Neuzeit französische, englische, schottische, deutsche und schweizerische Wissenschaftler. In der jüngeren Geschichte gerieten die Bestrebungen zur größtmöglichen Annäherung an phasenweise zu einer regelrechten Rekordjagd, die zuweilen skurrile und auch aufopfernde Züge annahm.
Aber wie schon gesagt, reichen im Alltag oft schon die ersten zwei Nachkommastellen als Näherung aus.
Mit der Näherung der ersten21 Nachkommastellen wäre erst der Umfang eines Kreises von etwa 3,8 Billiarden km Durchmesser (das entspricht der Entfernung zum Polarstern) um einen Millimeter falsch (nämlich zu kurz) berechnet.

Die Kreiszahl und einige ihrer Eigenschaften waren bereits in der Antike bekannt. Das älteste bekannte Rechenbuch der Welt, das altägyptische Rechenbuch des Ahmes aus der Mitte der 16. Jahrhundert v. Chr., erwähnt einen Bruch, der zumindest bis zur dritten Nachkommastelle ungefähr pi ergibt.

Als Näherung für pi benutzten die Babylonier häufig einfach nur 3 +1/8, solange dessen Abweichung von gut 4,5 % nicht ins Gewicht fiel. Den Wert 3 nutzte man auch im alten China, und er findet sich auch in der biblischen Beschreibung des Wasserbeckens, das für den Jerusalemer Tempel geschaffen wurde:

Dann machte er das Meer. Es wurde aus Bronze gegossen und maß 10 Ellen von einem Rand zum anderen; es war völlig rund und 5 Ellen hoch. Eine Schnur von 30 Ellen konnte es rings umspannen.

1. Buch der Könige, Kapitel 7 Ausstattung des Tempels, Vers 23, König Salomo, Hiram aus Tyrus formte das Meer, ein Wasserbecken aus Bronze.

In Indien nahm man für die Kreiszahl in den Sulbasutras, den Schnurregeln zur Konstruktion von Altären, den Wert und wenige Jahrhunderte v. Chr. in der Astronomie den Näherungswert Quadratwurzel aus 10, $\sqrt{10}$.

Handwerker benutzten in Zeiten vor Rechenschiebern und Taschenrechnern die Näherung 22/7 und berechneten damit vieles im Kopf. Der Fehler gegenüber pi beträgt etwa 0,04 %. In den meisten Fällen liegt das innerhalb der möglichen Fertigungsgenauigkeit und ist damit absolut akzeptabel.

Eine andere oft genutzte Näherung ist der Bruch 355/113 , immerhin auf sieben Stellen genau.

Und in dem Zusammenhang fällt mir eine kleine Geschichte zu pi ein.
Vor etwa zwanzig Jahren brachte eine Firma für Hilfsmittel für blinde Menschen einen sog. wissenschaftlichen Taschenrechner mit Sprachausgabe heraus. Auf einer Hilfsmittelmesse und auch danach noch, hatte ich die Gelegenheit, das Gerät zu testen. Noch am Messestand probierte ich gleich mal die Pi-Taste aus. Und obwohl dieser Rechner zehn Stellen anzeigen konnte, gab der Druck auf die pi-Taste lediglich nur 3,14 aus. Das war mir jetzt aber doch zumindest für das interne Rechnen etwas zu ungenau, wenn man bedenkt dass schon alte Handwerker und Astronomen das besser hin bekamen. Also gab ich tatsächlich einfach mal die kleine Aufgabe pi mal 100 ein. Als Ergebnis erhielt ich tatsächlich 314,0. Selbiges probierte ich dann auch noch mit der Euler-Zahl und mit der Quadratwurzel aus zwei aus. Es war dasselbe. Spätestens nach der dritten Nachkommastelle brachen all diese Zahlen ab. Das ärgerte mich dann schon, dass sich so ein Taschenrechner als wissenschaftlich bezeichnete und dazu noch um 500 Euro kosten sollte. Die Aufgabe 10/3*3 ergab übrigens nicht 10, sondern 9,99…
Aber zurück zur Kreiszahl.

Kommt pi vielleicht doch mal zum Abschluss?

Möndchen

Ich habe jetzt nicht ganz das Bild im Kopf, was die im folgenden erwähnten „Möndchen“ genau waren. Ich nehme an, dass hier ein Kreis in ganz viele „Kuchenstückchen“ zerschnitten wurde, und man diese gegeneinander zu einem Rechteck legte. Die Rundungen der Stückchen werden immer kleiner, in desto mehr Teile man den Kreis zerschneidet. Das ganze wird also einem Rechteck immer ähnlicher, dessen lange Kanten eben durch die Teilbögen des Kreises etwas wellig sind.
Somit ist das eine geometrische Annäherung an pi.

Die Flächensumme der Möndchen des Hippokrates entspricht der Fläche eines rechtwinkligen Dreiecks. Ein Beispiel für eine rationale Darstellbarkeit von Kreisausschnitten, weshalb es lange für möglich gehalten wurde, dass auch die Kreiszahl selbst rational ist.

Für den griechischen Mathematiker Archimedes und viele nach ihm war unklar, ob die Berechnung von pi nicht doch irgendwann zum Abschluss käme, ob also eine rationale Zahl sei, was die jahrhundertelange Jagd auf die Zahl verständlich werden lässt. Zwar war den griechischen Philosophen die Irrationalität derartiger Zahlen bekannt, dennoch hatte Archimedes keinen Grund, bei einem Kreis von vornherein eine rationale Darstellbarkeit der Flächenberechnung auszuschließen. Denn es gibt durchaus allseitig krummlinig begrenzte Flächen, die sich als rationale Zahl darstellen lassen, sogar von Kreisteilen eingeschlossene wie die Möndchen des Hippokrates.

Annäherung durch Vielecke

Archimedes gelang es um 250 v. Chr., die Kreiszahl mathematisch einzugrenzen, d. h. eine Ober- und Unterschranke anzugeben. Hierzu näherte er sich wie auch andere Mathematiker mit regelmäßigen Vielecken dem Kreis an, um Näherungswerte für pi zu gewinnen. Mit umbeschriebenen und einbeschriebenen Vielecken, beginnend bei Sechsecken, durch wiederholtes Verdoppeln der Eckenzahl bis zu 96-Ecken, berechnete er obere und untere Schranken für den Kreisumfang.

In den westlichen Kulturen stellten diese Berechnungen von Archimedes über eine sehr lange Zeit – wie in manchen anderen gesellschaftlichen und kulturellen Bereichen auch – den Status quo in Bezug auf die Genauigkeit der Kenntnis von pi dar. Erst im 16. Jahrhundert erwachte das Interesse wieder.

Fortschritte in der Annäherung erzielten in der Zeit des 4. bis 15. Jahrhunderts vor allem chinesische und persische Wissenschaftler:
Im dritten Jahrhundert bestimmte Liu Hui aus dem 192-Eck die Schranken 3,141024 und 3,142704 sowie später aus dem 3072-Eck den Näherungswert 3,1416.
Um 480 berechnete der chinesische Mathematiker und Astronom Zu Chongzhi (429–500) für die Kreiszahl , also die ersten 7 Dezimalstellen. Er kannte bereits einen Näherungsbruch, der in Europa erst im 16. Jahrhundert gefunden wurde (Adriaan Metius, deshalb auch Metius-Wert genannt). Im 14. Jahrhundert berechnete Zhao Youqin die Kreiszahl über ein 16384-Eck auf sechs Dezimalstellen genau.
Der indische Mathematiker und Astronom Aryabhata gibt im Jahre 498 das Verhältnis des Kreisumfangs zum Durchmesser mit an, was nur um rund 0,00023 % zu hoch liegt.
In seinem 1424 abgeschlossenen Werk Abhandlung über den Kreis berechnete der persische Wissenschaftler Dschamschid Masʿud al-Kaschi mit einem 3×228-Eck bereits auf 16 Stellen genau.

In Europa gelang es Ludolph van Ceulen 1596, die ersten 35 Dezimalstellen von pi zu berechnen. Angeblich opferte er dafür 30 Jahre seines Lebens. Van Ceulen steuerte allerdings noch keine neuen Gedanken zur Berechnung bei. Er rechnete einfach nach der Methode des Archimedes weiter, aber während Archimedes beim 96-Eck aufhörte, setzte Ludolph die Rechnungen bis zum einbeschriebenen $2^62$-Eck fort.

Bis heute lässt die Zahl pi die Mathematiker nicht in Ruhe. Es gäbe hier noch viel zu berichten, wie man sich mit neueren mathematischen Verfahren und Algorithmen und Computern der Zahl versuchte anzunähern, aber für deren Verständnis ist viel mathematisches Grundwissen nötig, das ich nur teilweise besitze. Das erspare ich uns jetzt. Wer hier tiefer einsteigen möchte, findet auf Wikipedia tiefe Befriedigung.

Weitere Kuriositäten

  • Freunde der Zahl feiern am 14. März (in US-amerikanischer Notation 3/14) den Pi-Tag und am 22. Juli (in US-amerikanischer Notation 7/22) den Pi Approximation Day.
  • Im Jahr 1897 sollte im US-Bundesstaat Indiana mit dem Indiana Pi Bill die Kreiszahl gesetzlich auf einen der von Hobbymathematiker Edwin J. Goodwin gefundenen Werte festgelegt werden, der sich auf übernatürliche Eingebungen berief. Aus seinen Arbeiten lassen sich unterschiedliche Werte für die Kreiszahl ableiten, unter anderem 4 oder 16⁄5. Nachdem er eine gebührenfreie Nutzung seiner Entdeckungen anbot, verabschiedete das Repräsentantenhaus diesen Gesetzentwurf einstimmig. Als Clarence A. Waldo, Mathematikprofessor der Purdue University, davon zufällig bei einem Besuch des Parlaments erfuhr und Einspruch erhob, vertagte die zweite Kammer des Parlaments den Entwurf auf unbestimmte Zeit.
  • Paragraph 30b der Straßenverkehrszulassungsordnung bestimmt in Deutschland für die Berechnung des (für die Kfz-Steuer relevanten) Hubraums eines Verbrennungsmotors: „Für pi wird der Wert von 3,1416 eingesetzt.“
  • Die Versionsnummer des Textsatzprogramms TeX von Donald E. Knuth wird entgegen den üblichen Konventionen der Software-Entwicklung seit den 1990er Jahren so inkrementiert, dass sie sich langsam annähert.
  • Der Versionsname der freien Geoinformationssystemssoftware QGIS lautet in der Version 3.14 „Pi“. Für Bugfix-Versionen werden zusätzliche Dezimalstellen hinzugefügt.
  • Wissenschaftler senden mit Radioteleskopen die Kreiszahl ins Weltall. Sie sind der Meinung, dass andere Zivilisationen diese Zahl kennen müssen, wenn sie das Signal auffangen können.
  • Der aktuelle Rekord im Pi-Vorlesen liegt bei 108.000 Nachkommastellen in 30 Stunden. Der Weltrekordversuch begann am 3. Juni 2005 um 18:00 Uhr und wurde am 5. Juni 2005 um 0:00 Uhr erfolgreich beendet. Über 360 Leser lasen jeweils 300 Nachkommastellen. Organisiert wurde der Weltrekord vom Mathematikum in Gießen.

Film, Musik, Kultur und Literatur

• Im Roman Der Zauberberg von Thomas Mann schildert der Erzähler im Kapitel Der große Stumpfsinn auf mitleidig-belächelnde Weise, wie die Nebenfigur des Staatsanwalts Paravant den „verzweifelten Bruch“ Pi zu enträtseln versucht. Paravant glaubt, dass die „planende Vorsehung“ ihn dazu bestimmt habe, „das transzendente Ziel in den Bereich irdisch genauer Erfüllung zu reißen“. Er bemüht sich, in seiner Umgebung eine „humane Empfindlichkeit zu wecken für die Schande der Verunreinigung des Menschengeistes durch die heillose Irrationalität dieses mystischen Verhältnisses“, und fragt sich, „ob nicht die Menschheit sich die Lösung des Problems seit Archimedes’ Tagen viel zu schwer gemacht habe, und ob diese Lösung nicht in Wahrheit die kindlich einfachste sei.“ In diesem Zusammenhang erwähnt der Erzähler den historischen Zacharias Dase, der Pi bis auf zweihundert Stellen nach dem Komma berechnet hat.
• In der Science-Fiction-Serie Raumschiff Enterprise bemächtigt sich in Folge 43, Der Wolf im Schafspelz (orig. Titel Wolf in the Fold), ein fremdes Wesen des Bordcomputers. Der 1. Offizier Spock befiehlt darauf dem Computer, die Zahl Pi bis auf die letzte Nachkommastelle zu berechnen. Durch diese Aufgabe wird der Computer so überfordert, dass das Wesen den Computer wieder verlässt.
• 1981 wurde Carl Sagans Buch Contact veröffentlicht. Das Buch beschreibt das SETI-Programm zur Suche nach außerirdischer Intelligenz und damit verbundene philosophische Betrachtungen. Es endet mit der fiktiven Beantwortung der Frage, ob das Universum zufällig entstanden ist oder planvoll geschaffen wurde. Die Zahl spielt für die im Rahmen der Handlung folgerichtige Antwort die zentrale Rolle.
• 1998 veröffentlichte Darren Aronofsky (Requiem for a Dream) den Film Pi, in dem ein mathematisches Genie (Sean Gullette als ‚Maximilian Cohen‘) die Weltformel aus herausfiltern möchte.
• Auf dem 2005 erschienenen Doppelalbum Aerial von Kate Bush ist ein Lied der Zahl Pi gewidmet.
• Die im November 2006 eröffnete Medieninstallation Pi in der Wiener Opernpassage widmet sich unter anderem der Kreiszahl.
• Im Film Nachts im Museum 2 (2009) ist die Kreiszahl die Kombination für die Tafel des Ahkmenrah. Die Kombination wird mit Hilfe von Wackelkopf-Einsteins gelöst und öffnet in dem Film das Tor zur Unterwelt.
• Die progressive Deathcore-Band After the Burial hat auf ihrem Debütalbum Forging a Future Self das Lied Pi (The Mercury God of Infinity) veröffentlicht. Es besteht aus einem Akustikgitarrensolo, auf das ein Breakdown folgt, dessen Rhythmus an die ersten 110 Stellen der Kreiszahl angelehnt ist.

Und was lernen wir aus all dem?

Fange niemals einen Satz an wie:

„Pi ist genau …“
Der wird immer falsch.

2 Gedanken zu „Eine Torte für die Mathematik – Wir begehen den $\pi$-Tag“

  1. Ein Physiker, ein Mathematiker und ein Zimmermann unterhalten sich über Pi. Sagt der Physiker: „Pi ist 3, genauer messen können wir das meist eh nicht“. Der Mathematiker entgegnet: „Pi ist 3,14 , denn zwei Nachkommastellen sollte man schon mitziehen“. Der Zimmermann wirft ein: „Pi ist 3.14159265359…“ „Halt“, unterbrechen der Physiker und der Mathematiker den Zimmermann. Der Mathematiker fragt: „Warum nutzt du so viele Nachkommazahlen?“. Der Zimmermann antwortet: „Wir im Handwerk schaffen Pi mal Daumen. Und wenn der Daumen so krumm ist wie meiner, dann muss wenigstens Pi stimmen!“.

  2. Moin Gerhard,
    sitze hier im eingeschneiten Jokkmokk in Nordschweden (3 Wochen). An 4 Tagen hatte ich schon prächtige Polarlichter.
    Sende dir liebe Grüße vom Polarkreis und danke für deinen fleißg geschriebenen Blog
    Utz

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