Kreis

Ein Kreis ist eine ebene geometrische Figur, die zu den klassischen und grundlegenden Objekten der euklidischen Geometrie gehört.^[1] Er ist definiert als die Menge aller Punkte einer Ebene, die den gleichen Abstand (den Radius) zu einem bestimmten Punkt dieser Ebene (dem Mittelpunkt) haben.^[2]

In einem kartesischen Koordinatensystem lässt sich ein Kreis mit Radius $r$ und Mittelpunkt $(x_{M}, y_{M})$ durch die folgende Kreisgleichung beschreiben:

(x - x_{M})^{2} + (y - y_{M})^{2} = r^{2}

Bereits die alten Ägypter und Babylonier versuchten, den Flächeninhalt des Kreises näherungsweise zu bestimmen. In der griechischen Antike stieß der Kreis wegen seiner Vollkommenheit auf Interesse. Archimedes versuchte erfolglos, den Kreis mit den Werkzeugen Zirkel und Lineal in ein Quadrat mit exakt gleichem Flächeninhalt zu überführen, um so den Flächeninhalt des Kreises bestimmen zu können (siehe Quadratur des Kreises). Erst 1882 konnte Ferdinand von Lindemann durch den Nachweis einer besonderen Eigenschaft der Kreiszahl, nämlich der Transzendenz, zeigen, dass diese Aufgabe unlösbar ist.

Worterklärungen

Radius, Kreis, Kreislinie und Kreisfläche

Der Abstand, den die Punkte eines Kreises zum Mittelpunkt haben, ist der Radius oder Halbmesser des Kreises.^[3] Oft wird auch eine Strecke, die den Kreismittelpunkt mit der Kreislinie verbindet, als Radius bezeichnet.

Umgangssprachlich und früher wird mit dem Begriff „Kreis“ häufig die von einem Kreis eingeschlossene Fläche bezeichnet,^[4] so auch in den Elementen des Euklid.^[5] Nach der oben gegebenen Definition ist ein Kreis jedoch eine Kurve, also ein eindimensionales Gebilde, und keine zweidimensionale Fläche. Zur Verdeutlichung verwendet man daher oft anstatt Kreis die Begriffe Kreislinie, Kreisrand oder Kreisperipherie.^[6] Die von einer Kreislinie eingeschlossene offene Fläche heißt das Innere des Kreises. Die abgeschlossene Menge aller Punkte einer Kreislinie und ihres Inneren wird dagegen Kreisfläche, Vollkreis oder Kreisscheibe genannt.

Bogen, Sehne, Sektor, Segment und Ring

Eine zusammenhängende Teilmenge eines Kreises (also der Kreislinie) ist ein Kreisbogen. Eine Verbindungsstrecke von zwei Punkten auf der Kreislinie bezeichnet man als Kreissehne. Zu jeder Sehne gehören zwei Kreisbögen. Die längsten Kreissehnen sind diejenigen, die durch den Mittelpunkt verlaufen, also die Durchmesser. Die zugehörigen Kreisbögen heißen Halbkreise. Ist die Kreissehne kein Durchmesser, so sind die Kreisbögen unterschiedlich lang.

Ein Kreissektor (Kreisausschnitt) ist eine Fläche, die von zwei Radien und einem dazwischen liegenden Kreisbogen begrenzt wird. Bilden die zwei Radien einen Durchmesser, wird der Sektor auch als Halbkreis bezeichnet.

Kreissegmente (Kreisabschnitte) werden von einem Kreisbogen und einer Kreissehne eingeschlossen.

Ein Kreisring entsteht, wenn man aus einem Kreis einen kleineren Kreis mit demselben Mittelpunkt herausschneidet.

Sekante, Tangente und Passante

Für die Lage einer Geraden in Bezug auf einen gegebenen Kreis gibt es drei Möglichkeiten:

Ist der Abstand zwischen Kreismittelpunkt und Gerade kleiner als der Kreisradius, so haben Kreis und Gerade zwei (verschiedene) Schnittpunkte und man nennt die Gerade Sekante (lateinisch secare = „schneiden“). Manchmal bezeichnet man den Spezialfall einer Sekante, die durch den Mittelpunkt eines Kreises verläuft, als Zentrale.
Stimmt der Abstand des Kreismittelpunkts zu der Geraden mit dem Radius überein, so gibt es genau einen gemeinsamen Punkt. Man sagt, dass die Gerade den Kreis berührt, und nennt den gemeinsamen Punkt einen Berührpunkt und die Gerade eine Tangente (lateinisch tangere = „berühren“). Eine Tangente steht im Berührpunkt senkrecht (orthogonal, normal) zum entsprechenden Radius.
Wenn der Abstand des Kreismittelpunkts von der Geraden größer ist als der Kreisradius, dann haben Kreis und Gerade keinen Punkt gemeinsam. In diesem Fall bezeichnet man die Gerade als Passante. Diese Bezeichnung hat keinen unmittelbaren lateinischen Ursprung, sondern wurde wohl nach franz. oder ital. passante = „Vorbeigehende“ gebildet. Die lat. Wurzel ist passus = Schritt.

Formale Definition

In einer Ebene $E$ ist ein Kreis $k$ mit Mittelpunkt $M \in E$ und Radius $r > 0$ die Punktmenge

k = {X \in E | \overline{M X} = r} .

^[7]

Dabei ist der Radius $r$ eine positive reelle Zahl, und $\overline{M X}$ bezeichnet die Länge der Strecke $[M X]$ .

Der doppelte Radius heißt Durchmesser und wird oft mit $d$ bezeichnet. Radius $r$ und Durchmesser $d$ sind somit durch die Beziehungen $d = 2 r$ oder $r = d / 2$ miteinander verknüpft.

Das Innere des Kreises ist formal definiert als die (offene) Punktmenge

{X \in E | \overline{M X} < r},

die (abgeschlossene) Kreisscheibe als

{X \in E | \overline{M X} \leq r} .

Geschichte

Zeit der Ägypter und Babylonier

Der Kreis gehört neben dem Punkt und der geraden Linie zu den ältesten Elementen der vorgriechischen Geometrie.^[8] Schon vor 4000 Jahren beschäftigten sich die Ägypter mit ihm in ihren geometrischen Studien. Sie konnten den Flächeninhalt $A$ eines Kreises näherungsweise bestimmen, indem sie vom Durchmesser $d$ ein Neuntel seiner Länge abzogen und das Ergebnis mit sich selbst multiplizierten. Sie rechneten also

A \approx {(\frac{8}{9} d)}^{2} = \frac{256}{81} r^{2} = 3,16049 \dots \cdot r^{2}

und bestimmten so näherungsweise (mit einer Abweichung von nur etwa +0,6 %) den Flächeninhalt einer Kreisfläche. Diese Näherung wurde in der altägyptischen Abhandlung Papyrus Rhind gefunden. Sie lässt sich erhalten (siehe nebenstehendes Bild), wenn man den Kreis durch ein unregelmäßiges Achteck annähert.^[9] Um die Seite des zum Kreis annähernd flächengleichen Quadrates (rot) rechnerisch zu erhalten, ermittelt man nach Kurt Vogel den Flächeninhalt des unregelmäßigen Achtecks und bestimmt aus dessen Wert die nächstliegende Quadratzahl. Die Wurzel daraus ist dann die gesuchte Seitenlänge des flächengleichen Quadrates.^[10]

Die Babylonier (1900 bis 1600 vor Christus) benutzten eine ganz andere Methode, um den Flächeninhalt der Kreisscheibe zu berechnen. Im Gegensatz zu den Ägyptern gingen sie vom Kreisumfang $U$ aus, den sie als dreimal den Kreisdurchmesser $d$ schätzten. Der Flächeninhalt wurde dann auf ein Zwölftel des Quadrates des Umfanges geschätzt, also^[11] mit einer Abweichung von −4,5 % ein deutlich schlechteres Ergebnis.

A \approx \frac{1}{12} U^{2} \approx \frac{9}{12} d^{2} = 3 r^{2}

Die Babylonier beschäftigten sich aber auch schon mit Kreissegmenten. Sie konnten die Länge der Sehne oder die Höhe des Kreissegments (die senkrecht auf der Sehnenmitte stehende Strecke zwischen Sehne und Umfang) berechnen. Damit begründeten sie die Sehnengeometrie, die später von Hipparch weiterentwickelt wurde und die Claudius Ptolemaios an den Anfang seines astronomischen Lehrbuches Almagest stellte.^[12]

Antike

Die Griechen werden meist als die Begründer der Wissenschaft von der Natur angesehen. Als der erste bedeutende Philosoph dieser Zeit, der sich mit Mathematik beschäftigte, gilt Thales von Milet (624–546 v. Chr.). Er brachte Wissen über die Geometrie aus Ägypten mit nach Griechenland, wie zum Beispiel die Aussage, dass der Durchmesser den Kreis halbiert. Andere Aussagen zur Geometrie wurden von Thales selbst aufgestellt. Der heute nach Thales benannte Satz besagt, dass Peripheriewinkel im Halbkreis rechte Winkel sind. Insbesondere war Thales der erste, bei dem der Begriff des Winkels auftrat.^[13]

Die erste bekannte Definition des Kreises geht auf den griechischen Philosophen Platon (428/427–348/347 v. Chr.) zurück, die er in seinem Dialog Parmenides formulierte:

„Rund ist doch wohl das, dessen äußerste Teile überall vom Mittelpunkt aus gleich weit entfernt sind.“

– Platon: Parmenides^[14]

Zirka 300 Jahre vor Christus lebte der griechische Mathematiker Euklid von Alexandria. Über ihn selbst ist wenig bekannt, aber sein Werk im Bereich der Geometrie war beachtlich. Sein Name ist heute noch in Zusammenhängen wie euklidischer Raum, euklidische Geometrie oder euklidische Metrik in Gebrauch. Sein wichtigstes Werk waren Die Elemente, eine dreizehnbändige Abhandlung, in der er die Arithmetik und Geometrie seiner Zeit zusammenfasste und systematisierte. Er folgerte die mathematischen Aussagen aus Postulaten und begründete damit die euklidische Geometrie. Der dritte Band der Elemente beschäftigte sich mit der Lehre über den Kreis.^[15]

Von Archimedes, der vermutlich zwischen 287 v. Chr. und 212 v. Chr. auf Sizilien lebte, ist eine ausführliche Abhandlung mit dem Titel Die Kreismessung überliefert.^[16] Er bewies in dieser Arbeit, dass der Flächeninhalt eines Kreises (A_K) gleich dem Flächeninhalt eines rechtwinkligen Dreiecks (A_D) mit dem Kreisradius (r) als der einen und dem Kreisumfang (U_K) als der anderen Kathete ist. Der Flächeninhalt des Kreises lässt sich also als ½ · Umfang · Radius angeben (s. Bild).^[17] Mit dieser Erkenntnis führte er das Problem der Quadratur des Kreises auf die Frage der Konstruierbarkeit des Umfangs aus dem vorgegebenen Radius zurück.

„Jeder Kreis ist einem rechtwinkligen Dreiecke inhaltsgleich, insofern der Radius gleich der einen der den rechten Winkel einschließenden Seiten, der Umfang aber gleich der Basis [gemeint ist: der anderen Kathete] ist.“

– Archimedes: Die Kreismessung^[18]

In seiner Abhandlung Die Kreismessung konnte Archimedes zeigen, dass der Umfang eines Kreises größer als 3 ¹⁰⁄₇₁ und kleiner als 3 ¹⁄₇ des Durchmessers ist. Für praktische Zwecke wird diese Näherung ²²⁄₇ (~ 3,143) heute noch verwendet.

Aus diesen beiden Aussagen folgert man, dass sich der Flächeninhalt eines Kreises zum Quadrat seines Durchmessers nahezu wie ¹¹⁄₁₄ verhält. Euklid war bereits bekannt, dass sich der Flächeninhalt eines Kreises proportional zum Quadrat seines Durchmessers verhält.^[19] Archimedes gibt hier eine gute Näherung der Proportionalitätskonstante an.

In einer weiteren Arbeit Über Spiralen^[16] beschreibt Archimedes die Konstruktion der später nach ihm benannten archimedischen Spirale. Mit dieser Konstruktion war es Archimedes möglich, den Umfang eines Kreises auf einer Geraden abzutragen. Auf diese Weise konnte nun der Flächeninhalt eines Kreises exakt bestimmt werden. Jedoch kann diese Spirale nicht mit Zirkel und Lineal konstruiert werden.^[20]

Apollonios von Perge lebte zirka 200 Jahre vor Christus. In seiner Kegelschnittlehre Konika fasste er unter anderem die Ellipse und den Kreis als Schnitte eines geraden Kreiskegels auf – genauso wie es heute noch in der algebraischen Geometrie definiert wird. Seine Erkenntnisse gehen auf seine Vorgänger Euklid und Aristaios (um 330 v. Chr.) zurück, deren verfasste Abhandlungen über Kegelschnitte jedoch nicht mehr überliefert sind.^[21]

Nach Apollonios ist weiterhin das apollonische Problem benannt, zu drei gegebenen Kreisen mit den euklidischen Werkzeugen Lineal und Zirkel die Kreise zu konstruieren, die die gegebenen berühren. Jedoch im Vergleich zu Euklids Elementen, die auch im Mittelalter die Grundlage der Geometrie bildeten, fanden die Werke von Apollonios zunächst nur im islamischen Bereich Beachtung. In Westeuropa erlangten seine Bücher erst im 17. Jahrhundert größere Bedeutung, als Johannes Kepler die Ellipse als die wahre Bahn eines Planeten um die Sonne erkannte.^[22]

Renaissance

In der Wissenschaftsgeschichte nennt man den Zeitraum zwischen 1400 n. Chr. und 1630 n. Chr. üblicherweise Renaissance, auch wenn der zeitliche Abschnitt nicht mit der Periodisierung etwa der Kunstgeschichte übereinstimmt. In dieser Zeit fanden Euklids Elemente wieder mehr Beachtung. Sie gehörten zu den ersten gedruckten Büchern und wurden in den darauffolgenden Jahrhunderten in vielen verschiedenen Ausgaben verlegt. Erhard Ratdolt stellte 1482 in Venedig die erste gedruckte Ausgabe der Elemente her. Eine der bedeutendsten Ausgaben von Euklids Elementen wurde von dem Jesuiten Christoph Clavius herausgegeben. Er fügte den eigentlichen Texten Euklids neben den spätantiken Büchern XIV und XV noch ein sechzehntes Buch und weitere umfangreiche Ergänzungen hinzu. Beispielsweise ergänzte er eine Konstruktion der gemeinsamen Tangenten zweier Kreise.^[23]

19. Jahrhundert

Nach Vorleistungen von Leonhard Euler, der die eulersche Identität aufstellte, Johann Heinrich Lambert und Charles Hermite konnte Ferdinand von Lindemann 1882 beweisen, dass die Zahl $π$ transzendent ist. Das heißt, es gibt keine Polynomfunktion mit rationalen Koeffizienten, für die π eine Nullstelle ist. Da jedoch schon im 17. Jahrhundert gezeigt wurde, dass die Kreiszahl $π$ eine Nullstelle einer solchen Polynomfunktion sein müsse, damit die Quadratur des Kreises mit Zirkel und Lineal funktioniere, wurde somit zugleich bewiesen, dass es kein solches Verfahren geben kann.^[24]

Gleichungen

In der analytischen Geometrie werden geometrische Objekte mit Hilfe von Gleichungen beschrieben. Punkte in der Ebene werden dazu meist durch ihre kartesischen Koordinaten $(x, y)$ dargestellt und ein Kreis ist dann die Menge aller Punkte, deren Koordinaten die jeweilige Gleichung erfüllen.

Koordinatengleichung

Der euklidische Abstand eines Punktes $X = (x, y)$ vom Mittelpunkt $M = (x_{M}, y_{M})$ berechnet sich als

\overline{X M} = \sqrt{(x - x_{M})^{2} + (y - y_{M})^{2}} .

Durch Quadrieren der definierenden Gleichung $\overline{X M} = r$ ergibt sich die Mittelpunktsgleichung

{(x - x_{M})}^{2} + {(y - y_{M})}^{2} = r^{2}

für die Punkte $(x, y)$ auf dem Kreis mit Mittelpunkt $M = (x_{M}, y_{M})$ und Radius $r$ . Ausmultipliziert ergibt sich daraus

x^{2} + y^{2} + a x + b y + c = 0

mit

a = - 2 x_{M}

,

b = - 2 y_{M}

und

c = x_{M}^{2} + y_{M}^{2} - r^{2}

.

Ein wichtiger Spezialfall ist die Koordinatengleichung des Einheitskreises

x^{2} + y^{2} = 1.

Funktionsgleichung

Da der Kreis kein Funktionsgraph ist, lässt er sich auch nicht durch eine Funktionsgleichung darstellen. Behelfsweise kann ein Paar von Funktionsgleichungen

f_{1} (x) = y_{M} + \sqrt{r^{2} - (x - x_{M})^{2}}

und

f_{2} (x) = y_{M} - \sqrt{r^{2} - (x - x_{M})^{2}}

verwendet werden, wobei $f_{1}$ und $f_{2}$ jeweils auf $[x_{m} - r, x_{m} + r]$ definiert sind.^[25] Für den Einheitskreis vereinfacht sich dieses zu

f_{1} (x) = \sqrt{1 - x^{2}}

und

f_{2} (x) = - \sqrt{1 - x^{2}} .

Parameterdarstellung

Eine andere Möglichkeit, einen Kreis durch Koordinaten zu beschreiben, bietet die Parameterdarstellung (siehe auch Polarkoordinaten):

\begin{matrix} x & = x_{M} + r \cos φ \\ y & = y_{M} + r \sin φ \end{matrix}

Hier werden die Koordinaten $x$ und $y$ durch den Parameter $φ$ ausgedrückt, der alle Werte mit $0 \leq φ < 2 π$ annehmen kann.

Wendet man auch diese Gleichungen speziell auf den Einheitskreis an, so erhält man:

\begin{matrix} x & = \cos φ \\ y & = \sin φ \end{matrix}

Es ist auch eine Parameterdarstellung ohne den Rückgriff auf trigonometrische Funktion möglich (rationale Parametrisierung), allerdings wird dabei die gesamte Menge der reellen Zahlen als Parameterbereich benötigt und der Punkt $(x_{M} - r, y_{M})$ wird nur als Grenzwert für $t \to \pm \infty$ erreicht.

\begin{matrix} x & = x_{M} + r \frac{1 - t^{2}}{1 + t^{2}} \\ y & = y_{M} + r \frac{2 t}{1 + t^{2}} \end{matrix}

Für den Einheitskreis ergibt sich dann:

\begin{matrix} x & = \frac{1 - t^{2}}{1 + t^{2}} \\ y & = \frac{2 t}{1 + t^{2}} \end{matrix}

Komplexe Darstellung

In der komplexen Zahlenebene lässt sich der Kreis um $m \in ℂ$ mit Radius $r > 0$ durch die Gleichung

| z - m | = r

darstellen. Mit Hilfe der komplexen Exponentialfunktion erhält man die Parameterdarstellung

z = m + r e^{i φ}, 0 \leq φ < 2 π .

Dreipunkteform einer Kreisgleichung

Die Koordinatengleichung des Kreises durch drei vorgegebene Punkte $(x_{1}, y_{1}), (x_{2}, y_{2}), (x_{3}, y_{3})$ , die nicht auf einer Gerade liegen, ergibt sich durch Umformung der 3-Punkteform (Beseitigung der Nenner und quadratische Ergänzung):

\frac{(x - x_{1}) (x - x_{2}) + (y - y_{1}) (y - y_{2})}{(y - y_{1}) (x - x_{2}) - (y - y_{2}) (x - x_{1})} = \frac{(x_{3} - x_{1}) (x_{3} - x_{2}) + (y_{3} - y_{1}) (y_{3} - y_{2})}{(y_{3} - y_{1}) (x_{3} - x_{2}) - (y_{3} - y_{2}) (x_{3} - x_{1})}

Kreis durch drei Punkte

Aus der Dreipunkteform und der Koordinatengleichung ergibt sich für den Kreis durch drei vorgegebene Punkte $(x_{1}, y_{1}), (x_{2}, y_{2}), (x_{3}, y_{3})$ mit

z_{1} := {x_{1}}^{2} + {y_{1}}^{2}, z_{2} := {x_{2}}^{2} + {y_{2}}^{2}, z_{3} := {x_{3}}^{2} + {y_{3}}^{2}

und den Determinanten

A := det (\begin{matrix} 1 & 1 & 1 \\ y_{1} & y_{2} & y_{3} \\ z_{1} & z_{2} & z_{3} \end{matrix}), B := det (\begin{matrix} x_{1} & x_{2} & x_{3} \\ 1 & 1 & 1 \\ z_{1} & z_{2} & z_{3} \end{matrix}), C := det (\begin{matrix} x_{1} & x_{2} & x_{3} \\ y_{1} & y_{2} & y_{3} \\ 1 & 1 & 1 \end{matrix}), D := det (\begin{matrix} x_{1} & x_{2} & x_{3} \\ y_{1} & y_{2} & y_{3} \\ z_{1} & z_{2} & z_{3} \end{matrix})

für den Mittelpunkt $(x_{m}, y_{m})$ und den Radius $r :$

x_{m} = - \frac{A}{2 C}, y_{m} = - \frac{B}{2 C}; r^{2} = \frac{A^{2} + B^{2} + 4 C D}{4 C^{2}}

Liegen die drei gegebenen Punkte auf einer Geraden, so ist $C = 0$ .

Kreisberechnung

Kreiszahl

Das Verhältnis von Kreisumfang zu Kreisdurchmesser ist aus Gründen der Ähnlichkeit für alle Kreise gleich groß. Der Zahlenwert dieses Verhältnisses wird in der Elementargeometrie als die Kreiszahl

π = \frac{U}{d} = \frac{U}{2 r}

definiert. Die Zahl $π$ hat den Wert $π = 3,14159 \dots$ . Sie ist eine transzendente Zahl, die auch in vielen anderen Bereichen der Mathematik eine herausragende Bedeutung hat.

Umfang

Entsprechend der obigen Definition von $π$ als das Verhältnis von Kreisumfang $U$ zu Kreisdurchmesser $d$ gilt

U = π d = 2 π r .

Dabei ist $r$ der Radius des Kreises.

Kreisfläche

Der Flächeninhalt $A$ (lat. area: Fläche) der Kreisfläche, auch Kreisinhalt genannt, lässt sich durch Grenzwert-Betrachtungen berechnen, die auf Archimedes zurückgehen. Wenn man den Kreis, wie in der nebenstehenden Abbildung veranschaulicht, in Kreissektoren zerlegt, lässt sich seine Fläche in eine annähernd rechteckige Form (rechte Figur) bringen. Der Flächeninhalt bleibt gleich. Je feiner man nun den Kreis in Sektoren unterteilt, um so mehr nähert sich die nur annähernd rechteckige Form (rechte Figur) einem Rechteck an mit der Länge $π r$ (halber Umfang) und der Breite $r$ . Im Grenzwert ergibt sich als Flächeninhalt $A$ der Kreisfläche somit:

A = π r^{2} = \frac{π d^{2}}{4} \approx 0,78540 d^{2} .

Ein formaler Beweis dieser Formel lässt sich zum Beispiel über Integrieren der Kreisgleichung führen oder nutzt, wie Archimedes, die unten beschriebene Annäherung durch regelmäßige Vielecke.

Aus Gründen der Ähnlichkeit ist der Flächeninhalt $A$ der Kreisfläche proportional zum Quadrat des Radius $r$ (und damit auch zum Quadrat des Durchmessers $d$ ) eines Kreises. Die Grenzwert-Betrachtung mittels der Zerlegung des Kreises in Sektoren (siehe Abbildung oben) zeigt, dass der Proportionalitätsfaktor identisch ist mit dem Proportionalitätsfaktor beim Verhältnis von Umfang und Durchmesser eines Kreises, also gleich $π$ .

Durchmesser

Der Durchmesser $d$ eines Kreises mit Flächeninhalt $A$ und mit Radius $r$ lässt sich durch

d = 2 r = 2 \sqrt{\frac{A}{π}} \approx 1,12838 \sqrt{A}

berechnen.

Krümmung

Eine im Vergleich zu den bisher beschriebenen Größen weniger elementare Eigenschaft des Kreises ist die Krümmung. Zur präzisen Definition der Krümmung werden Begriffe aus der Analysis benötigt, sie lässt sich jedoch aufgrund der Symmetrieeigenschaften des Kreises einfach berechnen. Anschaulich gibt die Krümmung in jedem Punkt $P$ an, wie stark der Kreis in der unmittelbaren Umgebung des Punktes $P$ von einer Geraden abweicht. Die Krümmung $κ$ des Kreises im Punkt $P$ lässt sich durch

κ (P) = \frac{1}{r}

berechnen, wobei $r$ wieder der Radius des Kreises ist. Im Gegensatz zu anderen Kurven hat der Kreis in jedem Punkt die gleiche Krümmung. Außer dem Kreis hat nur noch die Gerade eine konstante Krümmung, mit $κ = 0$ . Bei allen anderen Kurven ist die Krümmung vom betrachteten Punkt $P$ abhängig.

Weitere Formeln

In den folgenden Formeln bezeichnet $α$ den Sektorwinkel im Bogenmaß. Bezeichnet $α^{'}$ den Winkel im Gradmaß, so gilt die Umrechnung $α = \frac{π}{18 0^{\circ}} α^{'}$ .

Formeln zum Kreis
Fläche eines Kreisringes	$A = π (r_{a}^{2} - r_{i}^{2})$
Länge eines Kreisbogens	$L_{B} = r α$
Fläche Kreissektor	$A_{S K} = \frac{r^{2}}{2} α$
Fläche eines Kreissegments	$A_{S G} = \frac{r^{2}}{2} \cdot (α - \sin α)$
Länge Kreissehne	$l_{K S} = 2 r \sin \frac{α}{2}$
Höhe (Kreissegment)	$h = r - r \cos \frac{α}{2}$

Näherungen für den Flächeninhalt

Da die Kreiszahl $π$ eine transzendente Zahl ist, gibt es kein Konstruktionsverfahren mit Zirkel und Lineal, mit dem man den Flächeninhalt exakt bestimmen kann. Außerdem sind transzendente Zahlen auch irrational, und daher hat $π$ auch keine endliche Dezimalbruchentwicklung, weshalb der Kreisflächeninhalt bei rationalem Radius auch keine endliche Dezimalbruchentwicklung besitzt. Aus diesen Gründen wurden bis heute unterschiedliche Näherungsverfahren für den Flächeninhalt und somit auch den Umfang eines Kreises entwickelt. Manche der Näherungsverfahren, wie beispielsweise das im Abschnitt Annäherung durch Vielecke erläuterte Verfahren, können durch mehrfache Wiederholung ein beliebig genaues Ergebnis liefern.

Annäherung durch Quadrate

Ein Kreis mit Radius $r$ wird mit einem Quadrat der Seitenlänge $2 r$ umschrieben. Ihm wird weiter ein Quadrat mit der Diagonalen $2 r$ einbeschrieben. Der Flächeninhalt des äußeren Quadrates ist $4 r^{2}$ , der des inneren nach der Dreiecksflächenformel $2 r^{2}$ und der Mittelwert ist somit $3 r^{2}$ . Mit dieser Näherung $3 r^{2}$ wird die Kreisfläche mit einem relativen Fehler von weniger als 5 % bestimmt.

Auszählen in einem Raster

Die Kreisfläche lässt sich annähernd bestimmen, indem man ihr viele kleine Quadrate unterlegt (z. B. mit Millimeterpapier). Zählt man alle Quadrate, die vollständig innerhalb des Kreises liegen, so erhält man einen etwas zu niedrigen Wert für die Fläche, zählt man auch alle Quadrate mit, die den Kreis lediglich schneiden, so ist der Wert zu groß. Der Mittelwert beider Ergebnisse ergibt eine Näherung für den Flächeninhalt des Kreises, deren Güte mit der Feinheit des Quadratrasters steigt.

Annäherung durch Vielecke

Bei einer anderen Möglichkeit zur Kreisflächenbestimmung ist in den Kreis ein regelmäßiges Sechseck einzuzeichnen, dessen Ecken auf dem Kreis liegen. Werden nun die Seitenmitten vom Mittelpunkt aus auf den Kreis projiziert und diese neuen Punkte mit den alten Ecken verbunden, so entsteht ein regelmäßiges Zwölfeck. Wird dieser Vorgang wiederholt, entstehen nacheinander ein 24-Eck, ein 48-Eck und so fort.

In jedem Sechseck sind die Seiten gleich lang wie der Umkreisradius. Die Seiten der folgenden Vielecke ergeben sich mit Hilfe des Satzes von Pythagoras jeweils aus den Seiten der vorhergehenden. Aus den Seiten lassen sich die Flächen der Vielecke durch Dreiecksflächenberechnung exakt bestimmen. Sie sind alle etwas kleiner als die Kreisfläche, der sie sich bei steigender Eckenzahl jedoch annähern.

Entsprechend kann man mit einem Sechseck verfahren, das von außen an den Kreis gezeichnet ist, dessen Seitenmitten also auf ihm liegen. Man erhält eine fallende Folge von Flächenmaßen, deren Grenzwert wiederum die Kreisfläche ist.

Geometrische Sätze und Begriffe rund um den Kreis

Symmetrie und Abbildungseigenschaften

Der Kreis ist eine geometrische Figur von sehr hoher Symmetrie. Jede Gerade durch seinen Mittelpunkt ist eine Symmetrieachse. Zudem ist der Kreis rotationssymmetrisch, d. h. jede Drehung um den Mittelpunkt bildet den Kreis auf sich selbst ab. In der Gruppentheorie werden die genannten Symmetrieeigenschaften des Kreises durch seine Symmetriegruppe charakterisiert. Formal ergibt sich dafür die orthogonale Gruppe $O (2)$ , das ist die Gruppe der orthogonalen $2 \times 2$ -Matrizen.

Alle Kreise mit dem gleichen Radius sind zueinander kongruent, lassen sich also durch Bewegungen – sogar durch Parallelverschiebungen – aufeinander abbilden. Zwei beliebige Kreise sind zueinander ähnlich. Sie lassen sich stets durch eine zentrische Streckung und eine Parallelverschiebung aufeinander abbilden.

Kreiswinkel und Winkelsätze

Eine Kreissehne mit Endpunkten $A$ und $B$ teilt einen gegebenen Kreis in zwei Kreisbögen. Ein Winkel $∠ A C B$ mit Scheitel $C$ auf einem der Kreisbögen wird Umfangswinkel oder Peripheriewinkel genannt. Der Winkel $∠ A M B$ mit Scheitel im Mittelpunkt $M$ heißt Mittelpunktswinkel oder Zentriwinkel.

Im Spezialfall, dass die Sehne den Mittelpunkt enthält, also ein Durchmesser des Kreises ist, ist der Mittelpunktswinkel ein gestreckter Winkel mit 180°. In dieser Situation gilt eine grundlegende Aussage der Kreisgeometrie, der Satz von Thales: Er besagt, dass Umfangswinkel über einem Durchmesser stets rechte Winkel sind, also 90° betragen. Der Kreis um das rechtwinklige Dreieck wird in dieser Situation auch Thaleskreis genannt (Weiteres im Abschnitt Thaleskreis).

Auch im Fall einer beliebigen Kreissehne sind alle Umfangswinkel, die auf dem gleichen Kreisbogen liegen, gleich groß. Diese Aussage wird auch Umfangswinkelsatz genannt. Der Kreisbogen, auf dem die Scheitel der Umfangswinkel liegen, heißt Fasskreisbogen. Liegen Umfangswinkel und Zentriwinkel auf der gleichen Seite der Sehne, dann ist der Zentriwinkel doppelt so groß wie der Umfangswinkel (Kreiswinkelsatz). Zwei Umfangswinkel, die auf gegenüberliegenden Seiten der Sehne liegen, ergänzen einander zu 180°.

Der Umfangswinkel ist genauso groß wie der spitze Sehnentangentenwinkel zwischen der Sehne und der durch einen ihrer Endpunkte verlaufenden Tangente (Sehnentangentenwinkelsatz).

Sätze über Sehnen, Sekanten und Tangenten

Für Kreise gilt der Sehnensatz, der besagt: Schneiden sich zwei Sehnen $[A C]$ und $[B D]$ in einem Punkt $S$ , so gilt

\overline{A S} \cdot \overline{C S} = \overline{B S} \cdot \overline{D S},

d. h., die Produkte der jeweiligen Sehnenabschnitte sind gleich.

Zwei Sehnen eines Kreises, die sich nicht schneiden, können verlängert werden zu Sekanten, die entweder parallel sind oder sich in einem Punkt $S$ außerhalb des Kreises schneiden. Ist Letzteres der Fall, so gilt analog zum Sehnensatz der Sekantensatz

\overline{A S} \cdot \overline{C S} = \overline{B S} \cdot \overline{D S} .

Im Fall einer Sekante, die den Kreis in den Punkte $A$ und $C$ schneidet, und einer Tangente, die den Kreis im Punkt $B$ berührt, gilt der Sekanten-Tangenten-Satz: Ist $S$ der Schnittpunkt von Sekante und Tangente, so folgt

\overline{A S} \cdot \overline{C S} = {\overline{B S}}^{2} .

Umkreise und Inkreise in Dreiecken

Sind $A, B, C$ drei Punkte, die nicht auf einer Geraden liegen, also ein nicht ausgeartetes Dreieck bilden, dann existiert ein eindeutig bestimmter Kreis durch diese Punkte, nämlich der Umkreis des Dreiecks $A B C$ . Der Mittelpunkt des Umkreises ist der Schnittpunkt der drei Mittelsenkrechten des Dreiecks. Ebenso kann jedem Dreieck ein eindeutig bestimmter Kreis einbeschrieben werden, der die drei Seiten berührt, d. h., die Dreiecksseiten bilden Tangenten des Kreises. Dieser Kreis wird Inkreis des Dreiecks genannt. Sein Mittelpunkt ist der Schnittpunkt der drei Winkelhalbierenden.

In der Elementargeometrie werden noch weitere Kreise am Dreieck betrachtet: Die Ankreise liegen außerhalb des Dreiecks und berühren eine Seite und die Verlängerungen der beiden anderen Seiten. Ein weiterer interessanter Kreis am Dreieck ist der Feuerbachkreis, benannt nach Karl Wilhelm Feuerbach. Auf ihm liegen die drei Seitenmittelpunkte und die drei Fußpunkte der Höhen. Da auf ihm außerdem die drei Mittelpunkte der Strecken zwischen dem Höhenschnittpunkt und den Ecken des Dreiecks liegen, wird der Feuerbachkreis auch Neunpunktekreis genannt. Sein Mittelpunkt liegt wie der Schwerpunkt, der Umkreismittelpunkt und der Höhenschnittpunkt auf der eulerschen Geraden.

Umkreise in unregelmäßigen Vielecken

Im Gegensatz zu Dreiecken besitzen unregelmäßige Polygone (Vielecke) mit mehr als drei Ecken im Allgemeinen keinen Umkreis oder Inkreis. Für regelmäßige Polygone existieren aber beide stets.

Viereck

Ein Viereck, das einen Umkreis besitzt, wird Sehnenviereck genannt. Ein konvexes Viereck ist genau dann ein Sehnenviereck, wenn sich gegenüberliegende Winkel zu 180° ergänzen. Ein Viereck, das einen Inkreis besitzt, wird Tangentenviereck genannt. Ein konvexes Viereck ist genau dann ein Tangentenviereck, wenn die Summe der Seitenlängen zweier gegenüberliegender Seiten gleich der Summe der beiden anderen Seitenlängen ist.

Sechseck

Ein unregelmäßiges Sechseck mit Umkreis (auch Sehnensechseck genannt), dessen Diagonalen sich in einem Punkt schneiden, hat besondere Eigenschaften, die an den Satz von Ceva erinnern. In der Fachliteratur wird der nachfolgende Satz deshalb mitunter auch als „Satz von Ceva für Kreise“ bezeichnet:

In einem Kreis schneiden sich die drei Sehnen $A X$ , $B Y$ und $C Z$ in einem Punkt $P$ (siehe Abbildung). Dann gilt für die Seiten des einbeschriebenen Sechsecks $A Z B X C Y$ die Verhältnisgleichung

$\frac{d}{e} = \frac{f}{g} = \frac{h}{k}$ .

Nach dem Sehnensatz sind folgende Dreiecke ähnlich zueinander:

A Z P

zu

X C P

,

B X P

zu

Y A P

,

C Y P

zu

Z B P

Also gilt:

\frac{d}{g} = \frac{a}{x} = \frac{z}{c}

\frac{f}{k} = \frac{b}{y} = \frac{x}{a}

\frac{h}{e} = \frac{c}{z} = \frac{y}{b}

Da die Flächeninhalte ähnlicher Figuren wie die Quadrate der entsprechenden Seitenlängen ansteigen, folgt

\frac{d}{e} \cdot \frac{f}{g} \cdot \frac{h}{k} = \frac{d}{g} \cdot \frac{f}{k} \cdot \frac{h}{e} = {(\frac{a z}{c x} \cdot \frac{b x}{a y} \cdot \frac{c y}{b z})}^{\frac{1}{2}} = 1

und weiter für die Flächeninhalte der Teildreiecke:

\frac{[A Z P]}{[X C P]} = \frac{d^{2}}{g^{2}}

\frac{[X P B]}{[P Y A]} = \frac{f^{2}}{k^{2}}

\frac{[P C Y]}{[Z B P]} = \frac{h^{2}}{e^{2}}

Somit gilt:

\frac{[A Z P] \cdot [X P B] \cdot [P C Y]}{[X C P] \cdot [P Y A] \cdot [Z B P]} = {(\frac{d}{e} \cdot \frac{f}{g} \cdot \frac{h}{k})}^{2} = 1

Daraus folgt

\frac{d}{e} = \frac{f}{g} = \frac{h}{k}

und gleichzeitig, dass das Produkt der Flächen der grünen Dreiecke gleich dem Produkt der Flächen der gelben Dreiecke ist.

Damit ist die Aussage des Satzes bewiesen.^[26]^[27]

Einem Kreis einbeschriebene Kreise

Beziehungen im Dreipass

Gegeben sei ein Dreipass mit drei sich paarweise berührenden kongruenten Kreisen mit Radius $r$ , die einem Kreis $k$ mit Radius $R$ einbeschrieben sind. Dann gilt

r = R \cdot (2 \sqrt{3} - 3)

.

Beweis:

Der Umkreis eines gleichseitigen Dreiecks mit der Seitenlänge $s$ hat den Radius

R = \frac{s}{3} \sqrt{3}

,

was gleichbedeutend ist mit

s = R \sqrt{3}

.

Hieraus folgt nach dem Strahlensatz im gelben Dreieck von Figur 1

(R - r) : R = (2 r) : (R \sqrt{3})

und weiter nach elementaren algebraischen Termumformungen

r = R \cdot (2 \sqrt{3} - 3)

.

Beziehungen im Vierpass

Gegeben sei ein Vierpass aus Dreiviertelkreisbögen von vier kongruenten Kreisen mit Radius $r$ , die einem Kreis $k$ mit Radius $R$ einbeschrieben sind. Dann gilt

r = R \cdot (\sqrt{2} - 1)

.

Beweis:

Nach dem Satz des Pythagoras gilt im gelben Dreieck von Figur 2

(2 r)^{2} = 2 \cdot {(R - r)}^{2}

.

Hieraus folgt nach elementaren algebraischen Termumformungen

r = R \cdot (\sqrt{2} - 1)

.^[28]

Beziehungen im Sechspass

Gegeben sei ein Sechspass aus Zweidrittelkreisbögen von sechs kongruenten Kreisen mit Radius $r$ , die einem Kreis mit Radius $R$ einbeschrieben sind. Dann gilt

r = \frac{R}{3}

.

Der Beweis ergibt sich unmittelbar aus Figur 3 aufgrund der Eigenschaften der eingezeichneten gleichseitigen Dreiecke.^[29]

Bogendreieck

Drei Eckpunkte eines Quadrats seien Mittelpunkte dreier Kreise, die durch den Diagonalenschnittpunkt des Quadrates verlaufen. Dann ist das Quadrat flächengleich zu dem von den drei Kreisen begrenzten gelben Bereich, dem sogenannten Bogendreieck (Figuren 4 und 5).^[30]

Der Beweis ergibt sich durch geometrische Verschiebungen und Drehungen aus den Figuren 6, 7 und 8.

Eine andere Beweisvariante verwendet eine Parkettierung der Ebene mit den gelben Kreisteilen bzw. den rot umrandeten Quadraten. Die Flächengleichheit resultiert aus der Tatsache, dass einerseits die gelben Kreisteile und andererseits die rot umrandeten Quadrate jeweils die gesamte Ebene parkettieren (Figur 9).^[30]

Im Gegensatz zum Kreis ist es möglich, zu einem von drei Kreisen begrenzten Bogendreieck ein flächengleiches Quadrat zu konstruieren.

Figur 4
Figur 5
Figur 6
Figur 7
Figur 8
Figur 9

Kreisspiegelungen und Möbiustransformationen

Die Kreisspiegelung, auch Inversion genannt, ist eine spezielle Abbildung der ebenen Geometrie, die eine Spiegelung der euklidischen Ebene an einem gegebenen Kreis $k$ mit Mittelpunkt $M$ und Radius $r$ beschreibt. Ist $P \neq M$ ein gegebener Punkt, dann ist sein Bildpunkt $P^{'}$ dadurch bestimmt, dass er auf der Halbgeraden $M P$ liegt und sein Abstand von $M$ die Gleichung

\overline{M P} \cdot \overline{M P^{'}} = r^{2}

erfüllt. Die Kreisspiegelung bildet das Innere des gegebenen Kreises $k$ auf sein Äußeres ab und umgekehrt. Alle Kreispunkte von $k$ werden auf sich selbst abgebildet. Kreisspiegelungen sind winkeltreu, orientierungsumkehrend und kreistreu. Letzteres bedeutet, dass verallgemeinerte Kreise – das sind Kreise und Geraden – wieder auf verallgemeinerte Kreise abgebildet werden.

Die Hintereinanderausführung zweier Kreisspiegelungen ergibt eine Möbiustransformation. Möbiustransformationen – eine weitere wichtige Klasse von Abbildungen der Ebene – sind daher ebenfalls winkeltreu und kreistreu, allerdings orientierungserhaltend.

Kreisspiegelungen und Möbiustransformationen lassen sich besonders übersichtlich mit Hilfe komplexer Zahlen darstellen: Bei einer Kreisspiegelung eines Punktes $z \in ℂ ∖ {z_{0}}$ an dem Kreis ${x \in ℂ : | x - z_{0} | = r}$ lautet die Formel für den Bildpunkt $w \in ℂ ∖ {z_{0}}$

w = z_{0} + \frac{r^{2}}{\bar{z} - {\bar{z}}_{0}} .

Für die Spiegelung am Einheitskreis gilt einfach $w = 1 / \bar{z}$ .

Möbiustransformationen der komplexen Ebene werden durch gebrochen lineare Funktionen der Gestalt

w = \frac{a z + b}{c z + d}

mit $a, b, c, d \in ℂ$ und $a d \neq b c$ dargestellt.

Konstruktionen mit Zirkel und Lineal

Ein klassisches Problem der Geometrie ist die Konstruktion geometrischer Objekte mit Zirkel und Lineal in endlich vielen Konstruktionsschritten aus einer gegebenen Punktemenge. In jedem Schritt dürfen dabei Geraden durch gegebene oder bereits konstruierte Punkte gezogen werden sowie Kreise um solche Punkte mit gegebenem oder bereits konstruiertem Radius gezogen werden. Die dadurch konstruierten Punkte ergeben sich als Schnittpunkte zweier Geraden, zweier Kreise oder einer Geraden mit einem Kreis. Naturgemäß spielen daher bei allen Konstruktionen mit Zirkel und Lineal Kreise eine wichtige Rolle.

Im Folgenden sollen exemplarisch einige Konstruktionen angesprochen werden, die im Zusammenhang mit der Geometrie von Kreisen von Bedeutung sind.

Thaleskreis

Für die Konstruktion des Thaleskreises über einer gegebenen Strecke $\overline{A B}$ wird zunächst der Mittelpunkt $M$ dieser Strecke konstruiert, der auch der Mittelpunkt des Thaleskreises ist. Dazu werden um $A$ und $B$ jeweils zwei kurze Kreisbögen mit dem gleichen Radius $r$ geschlagen, wobei $r$ so groß gewählt werden muss, dass die vier Kreisbögen sich in zwei Punkten $C$ und $D$ schneiden. Das ist z. B. für $r = \overline{A B}$ der Fall. Die Strecke $\overline{C D}$ schneidet dann $\overline{A B}$ im Mittelpunkt $M$ . Der gesuchte Thaleskreis ist nun der Kreis mit Mittelpunkt $M$ und Radius $\overline{A M} = \overline{M B}$ (Figur 1).

Figur 1: Der Thaleskreis über einer gegebenen Strecke $\overline{A B} .$
Tangenten mit Hilfe des Thaleskreises durch Punkt $P$ an den Kreis $k .$

Konstruktion von Tangenten

Gegeben sei ein Punkt $P$ außerhalb eines Kreises $k$ mit Mittelpunkt $M$ und es sollen die beiden Tangenten an den Kreis konstruiert werden, die durch den Punkt $P$ laufen. Diese elementare Konstruktionsaufgabe lässt sich einfach mit Hilfe des Satzes von Thales lösen: Man konstruiert den Thaleskreis mit der Strecke $\overline{P M}$ als Durchmesser. Die Schnittpunkte dieses Kreises mit $k$ sind dann die Berührpunkte der gesuchten Tangenten (Figur 1).

Kreis durch drei gegebene Punkte

Gegeben sind die Punkte $A, B$ und $C$ , gesucht ist jener Kreis, der durch diese Punkte verläuft.

Es beginnt mit dem Ziehen dreier Kreise mit gleicher Zirkelöffnung mit dem Radius gleich dem zweitgrößten Abstand $| \overline{A B} |$ um die Punkte $A, B$ und $C$ . Als Schnittpunkte ergeben sich $D, E, F$ und $G$ . Nun werden die beiden Mittelsenkrechten $m s_{1}$ bzw. $m s_{2}$ der Abstände $| \overline{B C} |$ und $| \overline{A B} |$ mithilfe der Verbindungen der Punkte $D$ mit $E$ und $F$ mit $G$ generiert. Schnittpunkt der beiden Mittelsenkrechten ist der Mittelpunkt $M$ des gesuchten Kreises, der abschließend durch die drei Punkte $A, B$ und $C$ gezogen wird.

Streckendrittelung

Für jede der folgenden alternativen Figuren bedarf es nur einer Zirkelöffnung, sprich die Kreise haben stets den Radius gleich der gegebenen Strecke $\overline{A B}$ . Die alphabetisch bezeichneten Punkte zeigen jeweils die Reihenfolge der Konstruktionsschritte für die Drittelung der Strecke $\overline{A B}$ an.

In Figur 2, Figur 4 und in Figur 5 erzeugt jeweils der Schnittpunkt $F$ die Streckendrittelung.

In Figur 2 ist die Strecke $\overline{A F}$ halb so lang wie die Strecke $\overline{F B}$ .^[31]^[32]

In Figur 3 liefert der Teilungspunkt $T$ die Drittelung der Strecke $\overline{A B}$ .

Konstruktion der Schnittpunkte in Figur 4 bzw. in Figur 5:

$F$ ist der Schnittpunkt der Strecke $\overline{A B}$ und der Strecke $\overline{D E}$ .
$G$ ist der Schnittpunkt des Kreises mit dem Mittelpunkt $C$ und der Strecke $\overline{D E}$ .
$H$ ist der Schnittpunkt des Kreises mit dem Mittelpunkt $B$ und dem Kreis mit dem Mittelpunkt $G$ .
$I$ ist der Schnittpunkt der Strecke $\overline{A B}$ und der Strecke $\overline{C H}$ und liefert somit das letzte Drittel der Strecke $\overline{A B}$ .

Die Figur 4 mit den Kreismittelpunkten $A, B$ und $C$ und Figur 5 mit den Kreismittelpunkten

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]