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Anhang 2 - GEONExT

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Hinweise zu den nachfolgenden Anhängen:<br />

Die Anhänge haben unterschiedlichen Charakter. Manche dienen nur der Verdeutlichung<br />

allgemeiner Argumentationen (z.B. 1, 4-6, 21-24, 48-50). Das<br />

schließt nicht aus, daß sie auch als Planungshintergrund für entsprechende Unterrichtseinheiten<br />

dienen können (Ausnahmen: 4, 5). Zugehörige Erfahrungen<br />

sind aber noch nicht repräsentativ. <strong>Anhang</strong> 2 ist eine Zusammenstellung von Variationen,<br />

wie sie in einer amerikanischen Versuchsklasse beobachtet wurden<br />

(D. Brutlag in Brown; Walter 1993). Die Anhänge 11, 12, 14, 55, 56 und 62 entstammen<br />

dem Unterricht von Mitgliedern der Planungsgruppe, <strong>Anhang</strong> 7 liegt<br />

eine Mathematikstunde in einer Saarbrücker Grundschule zugrunde. Nachträglich:<br />

Auch Beispiel 1 zeigt Variationen, wie sie einer von uns in mehreren Klassen<br />

7-9, auch in zwei Oberstufenkursen veranlaßt hat, übrigens mit unterschiedlichem<br />

Anklang (von verbreitetem Desinteresse über ungeteilte Aufmerksamkeit<br />

bis zu einhelliger Begeisterung). Die Anhänge 18, 25, 39 und 42 kommen aus<br />

der Arbeit mit Lehramtskandidaten, <strong>Anhang</strong> 26 aus einer Lehrerfortbildungsveranstaltung<br />

(wobei die Initialaufgabe in einem mitgebrachten Schulbuch zufällig<br />

gewählt wurde). Den Anhängen 10, 16, 20, 31, 33, 37, 52 und 53 liegen Planungen<br />

und Erfahrungen aus dem Unterricht zugrunde.<br />

Indessen stellt eines all dieser Beispiele konkreten Unterricht dar, und keines<br />

kann unmittelbar als roter Faden für einen solchen Unterricht dienen. Schon<br />

deshalb nicht, weil die jeweiligen Varianten beim Aufschreiben linear hintereinandergefügt<br />

werden müssen, im Unterricht aber als bloße Vorschläge gesammelt<br />

und vorstrukturiert werden sollten (s. 5).<br />

Anders die Anhänge 54-62. Dies sind nachträgliche Protokolle von Kollegen<br />

über Unterrichtseinheiten, die dem Variieren dienten. Ohne Musterstunden zu<br />

sein, zeigen sie (in je eigener Dokumentationsweise), daß ein solcher Unterricht<br />

möglich und sinnvoll ist. Der Leser fühle sich aufgefordert, uns weitere Beispiele<br />

(beiderlei Art) zur Verfügung zu stellen.<br />

In diesem Zusammenhang weisen wir auch auf einen Unterrichtsbericht von<br />

Ulshöfer 1998 hin, der sich auf die Variation einer Aufgabe zur Kombinatorik in<br />

Klasse 10 bezieht. Sie ist außerhalb unseres Projekts und fast zufällig, jedenfalls<br />

situationsbedingt entstanden, entspricht aber im Verlauf und der nachträglichen<br />

Reflexion völlig unserer Intention. Auch die Variationen über eine klassische<br />

Extremwertaufgabe (Heuß 1999) sind hier zu nennen.<br />

Auf eine einheitliche Darstellung unserer Variationsbeispiele haben wir bewußt<br />

verzichtet. Jedoch ist bei fast jeder Variante hervorgehoben, welcher Teil der<br />

Ausgangsaufgabe (des „Themas“) oder einer früheren Variation abgeändert<br />

wurde und welche Strategie dieser Änderung explizit oder implizit zugrunde<br />

liegt.<br />

Weitere Beispiele bis hin zu originalen Variationsleistungen einzelner Schülerinnen<br />

und Schüler finden sich in Henning; Leneke 2000.<br />

47


<strong>Anhang</strong> 1: Parallelogrammdrittelung<br />

Initialaufgabe:<br />

Ein Parallelogramm soll von einer Ecke aus durch 2 Geraden in 3 inhaltsgleiche<br />

Teilflächen zerlegt werden.<br />

Lösung:<br />

Die zugehörige Diagonale halbiert die<br />

Parallelogrammfläche. Darum braucht<br />

man jedes der beiden Teildreiecke nur<br />

noch geeignet zu dritteln.<br />

Mögliche Variationen durch<br />

Verallgemeinern:<br />

V a) Zerlegung durch n Geraden in n+1 inhaltsgleiche Teilflächen<br />

V b) Zerlegung von irgendeinem Punkt der Ebene aus (außen, auf dem Rand,<br />

innen (?))<br />

V c) Zerlegung eines (allgemeinen) Vierecks<br />

V d) Zerlegung durch Streckenzüge<br />

Spezialisieren:<br />

S a) Zerlegung eines Rechtecks, einer Raute, eines Quadrats<br />

S b) wie V b), aber von einem Seitenmittelpunkt aus<br />

Analogisieren:<br />

A a) Zerlegung eines Kreises<br />

A b) Zerlegung eines Spates (Quaders) durch Ebenen von einer Kante (Ecke)<br />

aus<br />

A c) Zerlegung durch zwei Geraden parallel zu einer gegebenen Geraden<br />

A d) Dreiteilung des Parallelogrammrandes<br />

A e) Dreiteilung von einer Diagonale her<br />

A f) Dreiteilung mittels zweier Kreisbögen von gegenüberliegenden Ecken aus<br />

Zerlegen und Zusammensetzen:<br />

Z a) Zusätzliche Zerlegung von der Gegenecke her. Frage nach Teil- und Inhaltsverhältnissen<br />

Z b) Kombination von V a) und V b)<br />

Z c) Kombination zweier Zerlegungen nach A c) mit Seiten als Richtgeraden<br />

48


<strong>Anhang</strong> 2: Zahlenspiel<br />

Initialaufgabe:<br />

Nimm eine vierziffrige natürliche Zahl, bei der alle Ziffern verschieden sind.<br />

Stelle die Ziffern so um, daß einmal eine möglichst große und zum anderen eine<br />

möglichst kleine Zahl entsteht. Subtrahiere die zweite von der ersten neugebildeten<br />

Zahl. Verfahre mit der Differenz in gleicher Weise usw.<br />

Lösung:<br />

Man landet stets bei 6174. Diese Zahl wiederholt sich dann ständig: 7641 – 1467<br />

= 6174 .<br />

Mögliche Variationen durch<br />

Analogie:<br />

A a) Beginne mit einer dreiziffrigen Zahl.<br />

(Man landet stets bei 495.)<br />

A b) Nimm eine dreiziffrige Zahl. Verdopple jede Ziffer. So kommst Du zu einer<br />

neuen dreiziffrigen Zahl. Nimm notfalls die Quersumme der verdoppelten<br />

Ziffer.<br />

(Nach genau 6 Schritten erscheint wieder die Ausgangszahl.)<br />

A c) Nimm eine dreiziffrige Zahl. Stelle die Einerziffer voran. Erhöhe die neue<br />

Einerziffer um 2. Wenn diese Summe zweiziffrig ist, so nimm nur deren<br />

Einerziffer.<br />

(Nach genau 15 Schritten erhält man wieder die Ausgangszahl.)<br />

A d) Nimm eine dreiziffrige Zahl. Wenn sie durch 3 teilbar ist, so teile sie durch<br />

3. Andernfalls nimm das Quadrat der Quersumme.<br />

(Entweder landet man bei 1 oder beim Zyklus 169 - 256.)<br />

Verallgemeinerung:<br />

Bildet man aus einer natürlichen Zahl nach irgendeiner festen Vorschrift eine<br />

neue Zahl mit gleichvielen Ziffern, so landet man schließlich bei einer bestimmten<br />

Zahl oder bei einem Zyklus.<br />

(Nachweis über das Schubfachprinzip: Verteilt man m (> n) Objekte irgendwie<br />

auf n Fächer, so liegen in mindestens einem Fach zwei oder mehr dieser Objekte.)<br />

49


<strong>Anhang</strong> 3: Kreisgleichung<br />

Initialproblem:<br />

Wie läßt sich ein Ursprungskreis analytisch charakterisieren?<br />

Lösung:<br />

{P(x;y)| x 2 + y 2 = r 2 } oder kurz x 2 + y 2 = r 2 ( mit r ∈ + )<br />

Sich anbietende Variationen (einfache Erweiterungen, Alternativen):<br />

Wie läßt sich ein Kreis mit Mittelpunkt M ≠ Ursprung O charakterisieren?<br />

Läßt sich der Ursprungskreis noch anders charakterisieren? Elementargeometrisch?<br />

Als Funktionsgraph? Als Vereinigung von Funktionsgraphen? Mit Polarkoordinaten?<br />

Als Parameterfunktion?<br />

Naheliegende Variationen (Analogien, Kontextwechsel):<br />

Wie läßt sich eine Tangente an einen Ursprungskreis charakterisieren? Wie eine<br />

Ellipse? Welche Punktmenge verbirgt sich hinter x 2 − y 2 = r 2 ? Hinter x 2 ⋅ y 2 = r 2<br />

und hinter x 2 : y 2 = r 2 ?<br />

Ungewöhnliche Variationen (Erweiterungen und Verallgemeinerungen):<br />

Was für eine Punktmenge wird durch x 3 + y 3 = r 3 dargestellt? Kann man sie noch<br />

anders darstellen? Welche Eigenschaften hat sie?<br />

Wie sieht die Schar x n + y n = r n aus ? Welche Eigenschaften hat sie?<br />

(Hierzu ein leicht zu erstellendes Computerbild.<br />

Was ergibt sich für x -1 + y -1 = r -1 ? Für x y r<br />

+ = ? Für [x] + [y] = [r] ?<br />

Allgemein für f(x) + f(y) = f(r ) , wobei f für irgendeine Funktion steht?<br />

50<br />

)


<strong>Anhang</strong> 4: Schulbuchseite<br />

Original:<br />

51


Zu 6.:<br />

Wie ist das, wenn die Temperaturen um 5° sinken? Um 3° steigen? Erst um 4°<br />

steigen und dann um 6° fallen?<br />

Wo ist es am kältesten, wo am wärmsten? Warum?<br />

Um welche Jahreszeit könnte es sich handeln?<br />

Gibt es vergleichbare Situationen?<br />

Zu 7.:<br />

Bilde Dir weitere solche Aufgaben!<br />

Ersetze die Zahlen ganz oder teilweise durch ihre Gegenzahlen! Was fällt auf?<br />

Ersetze − durch + !<br />

Wandle mindestens eine Aufgabe in eine Textaufgabe um!<br />

Zu 8.:<br />

Berechne 3 − x für x ∈ {−3;−2;...;2;3} !<br />

Berechne x − 3 für die angegebenen Zahlen.<br />

Welche Zahl muß man für x einsetzen, damit sich −3 (−1;0;1;3) ergibt?<br />

Was passiert, wenn x wächst (fällt)?<br />

Zu 9.:<br />

Kann man noch anders prüfen? Auch mit dem Taschenrechner?<br />

Gib dem Nachbarn eine (richtige oder falsche) Gleichung und lasse sie ihn prüfen.<br />

Prüfe selbst dessen Aufgabe !<br />

Zu 10.:<br />

Wie kann man sich durch eine Zeichnung helfen?<br />

Ändere die Zahlen jeder Aufgabe so ab, daß auch jeweils die anderen Zeichen<br />

passen !<br />

Ordnungszeichen einsetzen und Rechenzeichen offen lassen !<br />

Zu mindestens einer Teilaufgabe eine „Rechengeschichte“ entwerfen !<br />

Zu W1.:<br />

Untersuche auch andere (Verkehrs) Zeichen auf Achsensymmetrie.<br />

Welche dieser Zeichen sind auch punktsymmetrisch (drehsymmetrisch)?<br />

Untersuche in dieser Weise auch die Spielbretter von bekannten Spielen ! Ebenso<br />

die Embleme der Bundesligavereine !<br />

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Punkt- und Achsensymmetrie einer<br />

Figur?<br />

Zu W2.:<br />

Untersuche auch alle anderen Buchstaben auf Achsensymmetrie !<br />

52


Welche dieser Buchstaben sind punktsymmetrisch (drehsymmetrisch)?<br />

Untersuche so auch alle Ziffern !<br />

Bilde symmetrische Wörter und Zahlen !<br />

Kriegst Du sogar einen symmetrischen Satz hin?<br />

<strong>Anhang</strong> 5: Schulbuchseite<br />

Original:<br />

53


Zu 4.:<br />

So zerschneiden und aneinanderlegen, daß ein Rechteck entsteht, bei dem keine<br />

Seite so lang ist wie a oder b !<br />

.., bei dem eine Seite so lang ist wie a und die andere so lang wie b !<br />

So zerschneiden und aneinanderlegen, daß ein Quadrat entsteht !<br />

Wie hilft man sich bei einem überschrägen Parallelogramm?<br />

Zu 5.:<br />

Bilde aus den angegebenen Punkten noch weitere Vierecke und untersuche sie<br />

auf Parallelogrammeigenschaft !<br />

Wie viele verschiedene Vierecke kann man überhaupt aus den angegebenen<br />

Punkten bilden?<br />

Wie kann man den Flächeninhalt derjenigen Vierecke bestimmen, die keine Parallelogramme<br />

sind?<br />

Wie kann man schnell, ohne zu zeichnen, die Koordinaten von vier Punkten angeben,<br />

die ein Parallelogramm bilden? Auch dann, wenn keine Seite parallel zu<br />

den Koordinatenachsen liegt?<br />

Zu 6.:<br />

a) Zeichne noch einige dieser Parallelogramme im Streifen dazu. Was gilt für<br />

sie? Warum?<br />

b) Welches aller dieser Parallelogramme hat den größten Umfang?<br />

Und weiter:<br />

Wie sehen alle Parallelogramme aus, die mit einem Rechteck den Flächeninhalt<br />

und eine Seite gemeinsam haben?<br />

... den Umfang und eine Seite gemeinsam haben?<br />

Wie ist das bei Dreiecken?<br />

Und bei geraden und schiefen Quadern?<br />

Zu W1.:<br />

Darf man wirklich so rechnen?<br />

Was bekommt man für 10 DM?<br />

Ab 17 Uhr verkauft der Händler die Pfirsiche mit 10% Ermäßigung. Was kostet<br />

das Kilo jetzt?<br />

Um 18.15 Uhr kauft Frau Meier den verbliebenen Rest: 6 kg. Der Händler gibt<br />

ihn ihr für 7,50 DM. Welchen Kilopreis hat sie bezahlt?<br />

Zuhause muß sie leider 1,5 kg faule Pfirsiche in den Müll geben. Rechne erneut!<br />

Zu W2.:<br />

54


Was hätte Daniel sagen müssen,<br />

- wenn in die erste Vorstellung 100 Personen<br />

- in die zweite Vorstellung 200 Personen<br />

- in die letzte Vorstellung 150 Personen gekommen wären?<br />

Sind drei Besucherzahlen denkbar, bei denen die beiden Prozentzahlen gleich<br />

sind?<br />

<strong>Anhang</strong> 6: Weltbevölkerung<br />

Initialproblem:<br />

Nach Berechnungen der UNO hat die Weltbevölkerung am 12. Oktober 1999<br />

die 6-Milliarden-Grenze erreicht. Gegenwärtig kommen jährlich etwa 1,3 % dazu.<br />

Wie viele Menschen werden in 10 Jahren leben?<br />

Rechnung und Lösung:<br />

6⋅1,013 10 = 6,82...<br />

Dann werden knapp 7 Milliarden Menschen leben.<br />

Mögliche Variationen:<br />

Wie viele Menschen werden in 20 Jahren leben? (geringfügig ändern)<br />

Wann werden 10 Milliarden Menschen leben? (Bedingungen vertauschen)<br />

Wann wird sich die Menschheit verdoppelt haben? (umzentrieren)<br />

Wie viele Menschen kommen in einem Jahr, an einem Tag, in einer Sekunde<br />

dazu? (umzentrieren)<br />

Wann wird jeder Mensch nur noch 1 m 2 Platz auf der Erde haben? (final fragen)<br />

Vor wie vielen Jahren haben 2 Milliarden Menschen gelebt? (Denkrichtung umkehren)<br />

Wann haben Adam und Eva gelebt? (überspitzt fragen)<br />

Kann das denn wirklich stimmen? (nachfragen)<br />

Was muß an der Einstiegsaufgabe und an den Variationen geändert werden?<br />

(Aufgabe realistischer machen)<br />

Wie wird sich die Weltbevölkerung in Wirklichkeit entwickeln? Wie bekomme<br />

ich Informationen darüber? (z.B. im Internet über www.dsw-online.de oder in<br />

der Tageszeitung 1 )<br />

1 DPA-Meldung vom 28.2.2001: „Bis zum Jahr 2050 wird die Weltbevölkerung von derzeit<br />

6,1 Milliarden auf mehr als 9,3 Milliarden Menschen anwachsen. Zu diesem Ergebnis kommt<br />

ein Bericht der Abteilung für Wirtschaft und Soziales der Vereinten Nationen, der am Mitt-<br />

55


(nichtmathematische Lösungswege beschreiten, aktuelle Daten beschaffen)<br />

Wie ist das in Deutschland, in Industrieländern, in der dritten Welt, in China?<br />

(spezifizieren)<br />

Wie ist das, wenn die Vermehrungsrate nicht konstant bleibt? (Konsequenzen<br />

überdenken)<br />

Wie sollte die Bevölkerungsentwicklung in Zukunft vor sich gehen? Sind noch<br />

andere Modelle (statt konstanter prozentualer Vermehrung) denkbar? Wie kann<br />

man die Entwicklung beeinflussen? (anders modellieren und Alternativen diskutieren)<br />

woch in New York veröffentlicht wurde. Demnach wächst die Weltbevölkerung zur Zeit um<br />

1,2% im Jahr.“ (Das „Demnach“ bezieht sich offensichtlich auf den Bericht (der von sinkender<br />

Wachstumsrate ausgeht), nicht auf die vorab genanten Zahlen, aus denen (bei angenommener<br />

Konstanz) eine Wachstumsrate von 0,85 % folgen würde.)<br />

56


<strong>Anhang</strong> 7: Summanden gesucht<br />

Initialaufgabe:<br />

3 + 5<br />

Lösung:<br />

8<br />

Mögliche Variationen durch<br />

Umkehrung: Gib noch andere „Plus-Aufgaben“ an mit dem Ergebnis 8.<br />

Wie viele gibt es?<br />

Analogie: Wie ist das mit dem Ergebnis 6,7, 9,10?<br />

Kann man der Zahl ansehen, wie viele „Plus-Aufgaben“ es dazu<br />

gibt? (Anschlußfrage stellen)<br />

Analogie: Finde „Minus-Aufgaben“ mit dem Ergebnis 8.<br />

Wie viele gibt es?<br />

Warum gibt es viel mehr als „Plus-Aufgaben“?<br />

Analogie: Nenne „Mal-Aufgaben“ mit dem Ergebnis 8.<br />

Wie viele gibt es? Welche gehören zusammen?<br />

Umzentrierung: Gib eine Zahl an, die mehr „Mal-Aufgaben“ hat als 8.<br />

Gib eine Zahl an, die möglichst viele „Mal-Aufgaben“ hat.<br />

Analogie: Gib eine Zahl an, die weniger „Mal-Aufgaben“ hat als 8.<br />

Gib eine Zahl an, die möglichst wenige „Mal-Aufgaben“ hat.<br />

57


<strong>Anhang</strong> 8: Drahtmodell<br />

Initialaufgabe:<br />

Aus Draht soll ein Quader hergestellt werden, der 15 cm lang, 8 cm breit und 4<br />

cm hoch ist. Wieviel Draht braucht man dazu?<br />

Lösung:<br />

Man braucht 4 ⋅ (15 cm + 8 cm + 4 cm) = 108 cm Draht.<br />

Mögliche Variationen:<br />

a) Abänderung der Seitenlängen<br />

Strategie: geringfügig ändern<br />

b) Frage nach Oberflächeninhalt und Volumen dieses Quaders<br />

Strategie: übliche Fragen stellen<br />

c) Der Draht steht in Form von 15 cm langen Stäben zur Verfügung. Wie viele<br />

davon braucht man?<br />

Strategie: Bedingungen erschweren<br />

(Man braucht 8 Stäbe.)<br />

d) Aus 108 cm Draht soll ein Quader hergestellt werden, der so lang ist wie<br />

breit und halb so hoch. Welche Maße muß dieser Quader haben?<br />

Strategie: Gegebene und gesuchte Größen vertauschen<br />

(27cm = 10,8 cm + 10,8 cm + 5,4 cm)<br />

Hinweis: Diese Maße können durch systematisches Probieren gefunden<br />

werden.<br />

e) α) Welche verschiedenen Quader kann man aus 108 cm Draht herstellen?<br />

β) Ist ein Würfel darunter ?<br />

58


Strategie: Richtung umkehren, Frage spezialisieren<br />

(α) alle Quader, bei denen die Summe der von derselben Ecke ausgehenden<br />

Kanten 27 cm beträgt<br />

β) ja, mit Kantenlänge 9 cm )<br />

f) Wie oft muß man mindestens (höchstens) löten?<br />

Strategie: Kontext beachten<br />

(mindestens 8-mal (einmal an jeder Ecke), höchstens 16-mal (zweimal an<br />

jeder Ecke (genügende Drahtlängen vorausgesetzt))<br />

g) Wie viele Drahtstücke müssen mindestens (höchstens) verlötet werden?<br />

Strategie: Kontext beachten<br />

(mindestens 4, höchstens 12 Drahtstücke (genügende Länge vorausgesetzt)<br />

h) Derselbe Quader soll aus Pappe hergestellt werden. Wieviel Pappe braucht<br />

man dazu?<br />

Strategie: analogisieren<br />

(2 ⋅ (15⋅8 cm 2 + 15⋅4 cm 2 + 8⋅4 cm 2 ) = 424 cm 2 )<br />

Hinweis: Hierbei sind die Klebefalzen vernachlässigt worden.<br />

i) Wie h) . Doch soll das Quadernetz aus einem rechteckigen Stück Pappe<br />

ausgeschnitten werden. Wie groß muß dieses Rechteck mindestens sein ?<br />

Strategie: sinnvoll machen<br />

(Mindestseitenlängen: 24 cm und 23 cm)<br />

j) Aus Draht soll eine quadratische Pyramide hergestellt werden. Die Mantelkanten<br />

sollen die Länge 5 cm haben, die Quadratkanten die Länge 6 cm .<br />

Wieviel Draht wird benötigt?<br />

Strategie: analogisieren<br />

k) Anwendung der Fragestellungen b)-j) auf die quadratische Pyramide (soweit<br />

sinnvoll bzw. möglich)<br />

Strategie: Variationen kombinieren<br />

l) Welcher Quader aus 108 cm Draht hat das größte Volumen (den größten<br />

Oberflächeninhalt)?<br />

Strategie: umzentrieren<br />

59


(In beiden Fällen der Würfel. Das kann zwar elementar bewiesen werden 1 ,<br />

doch noch nicht innerhalb der geometrischen Propädeutik, zu der die Initialaufgabe<br />

gehört. Hier genügt das Plausibelmachen durch Vergleich mit ausgewählten<br />

Quadern.)<br />

m) Welcher Quader, dessen Netz aus einem Stück Pappe mit den Seitenlängen<br />

24 cm und 23 cm hergestellt werden soll, hat das größte Volumen?<br />

Strategie: Variationen kombinieren (i) mit l))<br />

(Die exakte Lösung (Seitenlängen 15,18.. cm, 8,08.. cm, 3,91.. cm) ist nur<br />

mittels Differentialrechnung erreichbar. Doch kann man sich durchaus mit<br />

der ungefähren ganzzahligen Lösung 15 cm, 8 cm, 4 cm zufriedengeben, die<br />

sich durch Vergleich (und durch den Ausgangsquader) aufdrängt.)<br />

<strong>Anhang</strong> 9: Abfüllen in Flaschen<br />

Initialaufgabe (aus einem Schulbuch 2 ):<br />

66 l Apfelsaft werden in ½-l-Flaschen und ¾-l-Flaschen abgefüllt. Es sind dreimal<br />

so viel ¾-l-Flaschen wie ½-l-Flaschen. Wie viele Flaschen sind es von jeder<br />

Sorte?<br />

Lösung:<br />

Drei ¾-l-Flaschen und eine ½-l-Flasche nehmen 2 ¾ l Apfelsaft auf.<br />

66 11<br />

: = 24<br />

4<br />

Es sind 24 ½-l-Flaschen und 72 ¾-l-Flaschen.<br />

Mögliche Variationen:<br />

a) Es sind genau so viele ½-l-Flaschen wie ¾-l-Flaschen.<br />

Strategie: Bedingung ändern<br />

(<br />

3 1 5<br />

4 2 4<br />

66 5<br />

52<br />

4<br />

4<br />

+ =<br />

: =<br />

5<br />

Man braucht je 53 Flaschen. Allerdings auch zusätzlich noch ¼ l Apfelsaft.<br />

Oder: Man braucht je 52 Flaschen. Es bleibt 1 l Apfelsaft übrig (wovon noch<br />

zwei kleine Flaschen gefüllt werden können).<br />

1 s. Schupp,H.: Extremalprobleme am Quader - In: Praxis der Mathematik 22 (1980), H.1,<br />

S.1-5<br />

2 Schönbeck,J.; Schupp,H. (Hrsg.): PLUS 7 - Paderborn: Schöningh 1982<br />

60


) Ein Getränkevertrieb braucht 400 ½-l-Flaschen und 200 ¾-l-Flaschen Apfelsaft.<br />

Wie viele l sind das insgesamt?<br />

Strategie: Kontext vereinfachen<br />

(350 l)<br />

c) 1000 l Wein werden in 1-l-Flaschen und 0,7-l-Flaschen abgefüllt. Es sind<br />

dreimal so viele 0,7-l-Flaschen wie 1-l-Flaschen. Wie viele Flaschen sind es<br />

von jeder Sorte?<br />

Strategie: Kontext sinnvoll abändern<br />

(3 ⋅ 0,7 + 1 ⋅ 1 = 3,1; 1000 : 3,1 = 322,58..; 322 ⋅ 3,1 = 988,2<br />

Man braucht 966 0,7-l-Flaschen und 322 1-l-Flaschen. Etwa 2 l Wein bleiben<br />

übrig.)<br />

d) 200l Apfelsaft sollen auf Flaschen gezogen werden. Die Firma benutzt dazu<br />

½-l-Flaschen und ¾-l-Flaschen. Im Moment sind nur noch 180 ¾-l-Flaschen<br />

da, die alle benutzt werden sollen. Wie viele ½-l-Flaschen werden noch gebraucht?<br />

Strategie: Kontext erschweren.<br />

(200 − 180 ⋅ ¾ = 65 . Man braucht noch 130 ½-l-Flaschen.)<br />

e) Jemand hat 66 l Apfelsaft in ½-l- Flaschen und ¾-l-Flaschen abgefüllt. Dabei<br />

wurden 48 ¾-l-Flaschen mehr als ½-l-Flaschen benutzt. Wie viele Flaschen<br />

waren es von jeder Sorte?<br />

Strategie: Bedingung verändern<br />

(48 ¾-l-Flaschen fassen 36 l Apfelsaft. Die restlichen 30 l verteilen sich<br />

gleichmäßig auf die beiden Flaschensorten.<br />

30 : 5/4 = 24<br />

Es sind 72 und 24 ½-l-Flaschen.)<br />

f) Ausgangssituation. Man möchte möglichst wenig Flaschen benutzen. Mit<br />

wie vielen kommt man aus?<br />

Strategie: Ziel wechseln<br />

(66 : ¾ = 88<br />

Man kommt mit 88 (¾-l-)Flaschen aus.)<br />

g) 66 l Apfelsaft sollen in ¾-l-Flaschen und ½-l-Flaschen abgefüllt werden.<br />

Auf wie viele Weisen ist das möglich?<br />

Strategie: Ziel wechseln<br />

(1. Möglichkeit: 132 ½-l-Flaschen und 0 ¾-l-Flaschen<br />

61


2. Möglichkeit: 126 ½-l-Flaschen und 4 ¾-l-Flaschen<br />

...<br />

45. Möglichkeit: 0 ½-l-Flaschen und 88 ¾-l-Flaschen)<br />

h) Es sollen 600 l Apfelsaft in ½-l-Flaschen, ¾-l-Flaschen und 1-l-Flaschen<br />

abgefüllt werden. Es sollen genau so viele ½-l-Flaschen wie ¾-l-Flaschen<br />

benutzt werden und doppelt so viele 1-l-Flaschen.<br />

Strategie: Bedingung erschweren<br />

( ½ + ¾ + 2 = 3 ¼<br />

600 13<br />

: =<br />

4<br />

184 1<br />

2<br />

Man braucht 184 ½-l-Flaschen, 184 ¾-l-Flaschen und 368 1-l-Flaschen. 2l<br />

bleiben übrig (bzw. können noch zusätzlich abgefüllt werden).)<br />

<strong>Anhang</strong> 10: Zwischenbruch<br />

Initialaufgabe:<br />

Gib eine Bruchzahl an, die zwischen 2<br />

7<br />

Lösung(en):<br />

2<br />

7<br />

4<br />

= und<br />

14<br />

3<br />

7<br />

Mögliche Variationen:<br />

6<br />

= . Dazwischen liegt<br />

14<br />

5<br />

14 .<br />

a) Gib eine Bruchzahl an, die zwischen 2<br />

7<br />

Strategie: geringfügig ändern<br />

( 2<br />

7<br />

und 3<br />

7 liegt.<br />

62<br />

und 3<br />

8 liegt.<br />

16 3 21<br />

= und = . Dazwischen liegt z.B.<br />

56 8 56<br />

18 9<br />

= . )<br />

56 28<br />

b) Gib eine Dezimalzahl an, die zwischen 7,2 und 7,3 liegt.<br />

Strategie: Zahlentyp verändern<br />

(z.B. 7,26)<br />

c) Gib 4 Bruchzahlen an, die zwischen 2<br />

7<br />

Strategie: Forderung verschärfen<br />

( 2<br />

7<br />

und 3<br />

7 liegen.<br />

10 3 15<br />

= und = . Dazwischen liegen<br />

35 7 35<br />

11 12 13 14<br />

, , und . )<br />

35 35 35 35


d) Gib 10 Bruchzahlen an zwischen 2<br />

7<br />

und 3<br />

8 .<br />

Strategie: kombinieren (hier die Variationen 2. und 3.)<br />

( 2<br />

7<br />

16 48 3 21 63<br />

= = und = = . Dazwischen liegen z.B.<br />

56 168 8 56 168<br />

51 52 60<br />

, ,..., .)<br />

168 168 168<br />

e) Gib eine Bruchzahl an zwischen 5 5<br />

und .<br />

13 12<br />

Strategie: Besonderheit abändern<br />

( 5 60 5 65<br />

= und = . Dazwischen liegt z.B.<br />

13 156 12 156<br />

64 16<br />

= .<br />

156 39<br />

Oder: Zwischen 5<br />

13<br />

5<br />

und liegt<br />

12<br />

5 10 2<br />

12, 5 25 5<br />

= = .)<br />

f) Gibt es noch weitere Möglichkeiten, zu einer Zwischenzahl zu kommen?<br />

Strategie: Methodenwechsel<br />

(Addiere die halbe Differenz der beiden Bruchzahlen zur kleineren Bruchzahl.<br />

Oder:<br />

2/7 3/7<br />

2/7 3/7<br />

5/14<br />

5/7<br />

1<br />

1<br />

63<br />

2 1 3 2<br />

+ ⋅ ( − ) =<br />

7 2 7 7<br />

2 1<br />

+<br />

7 14<br />

= 5<br />

14<br />

Nimm die halbe Summe der<br />

beiden Zahlen.<br />

1 2 3 5<br />

⋅ ( + ) =<br />

2 7 7 14<br />

Daß die beiden Möglichkeiten äquivalent sind (a + (b−a)/2 = (a+b)/2), dürfte<br />

hier wohl noch nicht erkannt werden, wohl aber, daß man sie bei jedem<br />

Bruchzahlenpaar anwenden kann.


g) Zum Ergebnis 5<br />

gelangt man auch, wenn man (was beim Addieren völlig<br />

14<br />

falsch ist) Zähler 2 zu Zähler 3 und Nenner 7 zu Nenner 7 addiert. Bekommt<br />

man so immer eine Zwischenzahl?<br />

Strategie: Auffälligkeiten überprüfen<br />

(Liegt 5 1<br />

= zwischen<br />

15 3<br />

2<br />

7<br />

und 3<br />

8<br />

? Ja; denn 1<br />

3<br />

64<br />

2 2 1 3 3<br />

= > und = < .<br />

6 7 3 9 8<br />

Auch alle weiteren Überprüfungen bestätigen die Vermutung. Ihr exakter<br />

Nachweis kann allerdings erst mit algebraischen Mitteln geführt werden:<br />

Ist a c<br />

a a c c<br />

< also ad < bc so <<br />

b d b b d d<br />

+<br />

+ <<br />

, , , weil a⋅(b+d) < b⋅(a+c) und (a+c)⋅d<br />

< c⋅(b+d). )<br />

h) Wie viele Bruchzahlen liegen überhaupt zwischen 2<br />

7<br />

Strategie: nachfragen<br />

(Antwort: beliebig viele. Begründungen:<br />

α) Zwischen 2<br />

7<br />

zwischen 5<br />

14<br />

usw.<br />

und 3<br />

7 ?<br />

5<br />

9<br />

und liegt wieder eine Zwischenzahl (z.B. ), ebenso<br />

14 28<br />

und 3<br />

7<br />

11<br />

(z.B. ), dazwischen auch wieder Zwischenzahlen<br />

28<br />

β) Je größer der Erweiterungsfaktor ist, desto mehr Zahlen passen dazwischen.<br />

(Genauer: Sollen n Zahlen dazwischenpassen, muß man mit n+1 erweitern.))<br />

i) Wie heißt die Bruchzahl, die direkt hinter der 0 kommt?<br />

Strategie: Fangfragen stellen<br />

(Es gibt keine nächstgrößere Bruchzahl. Zwischen jeder Bruchzahl und der<br />

Null gibt es eine kleinere Zwischenzahl (z.B. die halb so große).<br />

j) Zwischen welchen Zahlen liegen 2<br />

7<br />

Strategie: Denkrichtung umkehren<br />

(z.B. zwischen 1<br />

7<br />

5<br />

und )<br />

7<br />

und 3<br />

7 ?<br />

Hinweis: Diese Variation eignet sich vorzüglich zum Festigen der Größenvorstellungen<br />

bei Bruchzahlen und zur Wiederholung von deren Ordnungsstruktur.


<strong>Anhang</strong> 11: Ballpyramide<br />

Initialproblem:<br />

Tennisbälle werden in der Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet, so<br />

daß sich darauf eine Pyramide aufbauen läßt. Erste Experimente verdeutlichen<br />

den stufenweisen Aufbau der Pyramiden und die schnell wachsende Anzahl von<br />

benötigten Tennisbällen.<br />

Für eine zweistufige Pyramide braucht man 4 Bälle, für eine dreistufige 10, für<br />

eine vierstufige bereits 20 usw.<br />

Wie viele Tennisbälle benötigt man für eine fünfzigstufige Pyramide?<br />

Verallgemeinerung: Wie viele Bälle braucht man für eine n-stufige Pyramide?<br />

Spezialisierung: Aus wie vielen Bällen besteht dort eine Seite?<br />

Wie viele Bälle kann man sehen?<br />

65


Analogie: Wie ist das, wenn jeder obere Ball auf 4 unteren Bällen liegt?<br />

Umzentrierung: Wie hoch ist die zweistufige, die n-stufige Pyramide?<br />

Die Lösung schon der Ausgangsfrage führt über Experimentieren und Zählen zu<br />

verschiedenen rekursiven Ansätzen. Nach den Lösungen am Computer wird eine<br />

explizite Formel gesucht. Hierzu eröffnen sich ganz verschiedene Wege (Polynomansatz,<br />

Ausgleichskurven, Pyramidalzahlen im Pascal-Dreieck). Alle Lösungsstrategien<br />

können auf andere Potenzsummen angewandt und schließlich<br />

kann auch spezialisiert werden (figurierte Zahlen, Gauß-Idee zur Summe der<br />

ersten n natürlichen Zahlen u.ä.). Fast alle der in 7 genannten Strategien können<br />

hier erfolgreich eingesetzt werden.<br />

Eine ausführliche Darstellung des Initialproblems und der zu seiner Lösung angewandten<br />

Strategien findet man in<br />

Schmidt, G.: Die Tennisballpyramide - In: Der Mathematikunterricht 43 (1997),<br />

H.2, S.38-53<br />

<strong>Anhang</strong> 12: Tankfüllung<br />

66


s. dazu auch <strong>Anhang</strong> 59<br />

<strong>Anhang</strong> 13: NIM-Spiel<br />

Initialaufgabe:<br />

Auf dem Tisch liegen 20 Spielsteine. Zwei Spieler A,B nehmen abwechselnd 1<br />

oder 2 Steine weg. Es gewinnt, wer den letzten Zug macht. Kann A, der beginnt,<br />

sicher gewinnen?<br />

Lösung:<br />

Ja, wenn er zunächst 2 Steine nimmt, und dann stets die Zahl der von B weggenommenen<br />

Steine jeweils durch die Zahl der selbstentfernten Steine zu 3 ergänzt.<br />

Denn dann besetzt er nacheinander alle Gewinnpositionen. (Darunter seien<br />

alle Anzahlen der auf dem Tisch verbliebenen Steine verstanden, von denen<br />

aus man sicher gewinnen kann.)<br />

18<br />

17<br />

16<br />

15<br />

14<br />

13<br />

12 9<br />

A B A B A A A B A B<br />

A<br />

67<br />

6<br />

5<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

0


Mögliche Variationen durch<br />

geringfügig ändern („wackeln“):<br />

19 bzw. 21 statt 20 Steine<br />

(19: Hier sind die Gewinnpositionen dieselben. A gewinnt sicher, wenn er zu<br />

nächst einen Stein nimmt und dann wie o.a. verfährt.<br />

21: Hier sind die Gewinnpositionen 21; 18; 15; ... 3; 0. Nun kann A nur gewinnen,<br />

wenn ihn B auf eine Gewinnposition läßt. Ansonsten gewinnt B sicher.)<br />

verallgemeinern:<br />

n Steine<br />

(a) Ist n durch 3 teilbar und n : 3 = d, so ist 3⋅d ⎯ 3⋅(d−1) ⎯ ... ⎯ 3⋅1 die Folge<br />

der Gewinnpositionen (kurz: Gewinnfolge). B gewinnt sicher, wenn er<br />

jeden Zug von A zu 3 ergänzt.<br />

b) Ist n nicht durch 3 teilbar, also n = 3⋅d + i mit i = 1,2 , so ist die Gewinnfolge<br />

dieselbe. A gewinnt, wenn er zunächst i Steine nimmt und dann jeweils zu 3<br />

ergänzt. )<br />

Ziel ändern:<br />

... Verloren hat, wer den letzten Zug machen muß.<br />

(Jetzt muß man die Position 1 anstreben. Dann muß der Gegner den letzten Stein<br />

nehmen. Gewinnfolge ist also 19 ⎯ 16 ⎯ 13 ⎯ 10 ⎯ 7 ⎯ 4 ⎯ 1. A sollte also<br />

einen Stein wegnehmen und wie gewohnt ergänzen, bis 19 Steine genommen<br />

sind und B den letzten Stein nehmen muß.)<br />

kombinieren:<br />

... Verloren hat, wer bei n Steinen den letzten Zug machen muß.<br />

(Wie bei „Gewonnen hat...“, jedoch mit n−1 statt n.)<br />

Bedingung ändern:<br />

... nehmen abwechselnd 1 oder 3 (2 oder 3, 1 oder 2 oder 3) Steine weg.<br />

(a) 1 oder 3<br />

jetzige Gewinnfolge: 20 ⎯ 16 ⎯ 12 ⎯ 8 ⎯ 4<br />

B kann sicher gewinnen, wenn er die von A weggenommenen Steine jeweils<br />

zu 4 Steinen ergänzt. Mehr noch: B kann nicht verlieren, wie immer er auch<br />

zieht; denn A kommt immer auf eine ungerade Zahl, also nie in eine Gewinnposition.<br />

b) 2 oder 3<br />

Gewinnfolge: 20 ⎯ 15 ⎯ 10 ⎯ 5<br />

Wieder ist B im Vorteil. A muß versuchen, in die Gewinnfolge hineinzukommen<br />

oder aber die Position 19 anzusteuern, weil B dann den letzten<br />

68


Stein nicht mehr nehmen kann (1 fehlt diesmal), also A den letzten Zug<br />

überlassen muß.<br />

Hinweis: Zwischen „letztem Ziehen“ und „letztem Stein“ ist deutlich zu unterscheiden.<br />

Wo sich, wie in diesem Fall, Unterschiede auftun, kann selbstverständlich<br />

entsprechend variiert werden.<br />

c) 1 oder 2 oder 3<br />

Gewinnfolge: wie in a), doch ist jetzt die für B genannte Strategie unbedingt<br />

erforderlich. )<br />

verallgemeinern:<br />

n Steine. Abwechselnd werden x oder y Steine genommen (y ≥ x > 0). Wer gewinnt,<br />

A oder B?<br />

(Es sei n = d⋅(x+y) + i mit 0 ≤ i < x+y. Ist i = 0, so gewinnt B, wenn der die o.a.<br />

Ergänzungsstrategie verfolgt. Ist i > 0, so gewinnt A, wenn er zunächst i Steine<br />

nimmt und dann jeweils zu x+y ergänzt.<br />

Allerdings ist dabei vorausgesetzt, daß i = x oder i = y.<br />

Im Falle 0 < i < x ≤ y gewinnt B mit der Ergänzungsstrategie; denn schließlich<br />

bleiben i Steine übrig, die A nicht mehr nehmen kann.<br />

Im Falle x ≤ y < i gewinnt A, wenn er zunächst y Steine wegnimmt und dann<br />

wie gewohnt ergänzt. Zum Schluß bleiben i−y Steine übrig, die B wegen i−y < x<br />

nicht mehr nehmen kann.<br />

Der verbleibende Fall x < i < y muß in mehrere Unterfälle zerlegt werden, weshalb<br />

wir hier nicht näher auf ihn eingehen.)<br />

kombinieren:<br />

Wie eben, jedoch mit Verlust beim letztmaligen Ziehen.<br />

(An die Stelle der letzten Gewinnzahl n tritt nun die letzte Gewinnzahl n − kleinere<br />

der beiden Zahlen x,y. Alles weitere entsprechend.)<br />

anders verallgemeinern:<br />

n Steine. Jeder Spieler muß 1 und darf höchstens m (m < n) Steine wegnehmen.<br />

Wer hat eine Gewinnstrategie?<br />

(Gilt (m+1)⏐n , so hat B eine Gewinnstrategie: Ergänze jeweils die Steinezahl<br />

von A durch deine eigene zu m+1. Andernfalls sei n = d·(m+1) + i mit i ∈ {1,2,<br />

... ,m−1}. A gewinnt sicher, wenn er zunächst i Steine nimmt und dann verfährt<br />

wie für B beschrieben.)<br />

Variation variieren:<br />

Wie eben, doch ist nun m nicht mehr konstant, sondern höchstens gleich der<br />

Hälfte der verbliebenen Steine.<br />

69


(Hier muß ich versuchen, dem Gegner 2 u − 1 Steine zu hinterlassen. Das ist trivial<br />

für u = 1, also für 1 Stein. Den diesen kann er gemäß der neuen Regel nicht<br />

mehr nehmen, also den letzten Zug nicht mehr machen. Nimmt er zuvor i von<br />

den verbliebenen 2 u − 1 Steinen, so muß i ≤ ½ ·(2 u − 1), also i ≤ (2 u-1 −1) sein.<br />

Ich selbst nehme dann 2 u-1 −i Steine. Das ist zulässig, weil 1 = 2 u-1 − (2 u-1 − 1) ≤<br />

2 u-1 − i = ½ · (2 u − 1 + 1) − i ≤ ½ · (2 u − 1 + i) − i = ½ ·((2 u − 1) − i) . Dann findet<br />

der Gegner bei seinem nächsten Zug (2 u − 1) − i − (2 u-1 − i) = 2 u-1 − 1 Steine vor,<br />

kommt also aus der Verlustposition nicht mehr heraus.)<br />

Bedingung ändern:<br />

Es sind nun drei Spieler A,B,C.<br />

(Da zwischen zwei Zügen desselben Spielers 2,3, oder 4 Steine genommen werden<br />

können, ist für keinen von ihnen eine Gewinnstrategie möglich.)<br />

andere Bedingung ändern:<br />

Die 20 Steine sind nun auf zwei Haufen verteilt. Man darf wie bisher 1 oder 2<br />

Steine nehmen, aber keine 2 Steine aus verschiedenen Haufen.<br />

(Es kommt nun auf den Unterschied der Steinezahl in den beiden Haufen an, den<br />

ein Spieler vorfindet. Ist er durch 3 teilbar (wie bei der Konstellation (1;1)), so<br />

ist dies für ihn ungünstig, andernfalls günstig (wie bei (1;0) = (0;1) oder bei<br />

(1;2) = (2;1)). Eine günstige Position kann fortgesetzt werden, wenn man die<br />

folgende Aktion des Gegners so erwidert, daß die Teilbarkeit der absoluten<br />

Differenz der beiden Steineanzahlen durch 3 gewahrt bleibt. Ob A sicher gewinnen<br />

kann, hängt davon ab, ob er die anfängliche Verteilung der Steine in eine<br />

Gewinnposition abändern kann (Beispiel: (15;5) ⎯ (14;5) ) oder eine solche bereits<br />

vorfindet, wodurch die Gewinnstrategie für B greift (Beispiel: (13;7) ⎯<br />

(13;6) (⎯ (12;6).)<br />

Variation variieren:<br />

Wiederum zwei Haufen mit insgesamt 20 Klötzchen. Jeder Spieler muß mindestens<br />

1 Stein und darf beliebig viele Steine nehmen, aber immer nur von einem<br />

Haufen.<br />

((x;x) ist immer eine Verlustposition für mich: Was ich tue, tut der andere Spieler<br />

auch; insbesondere: Beseitige ich einen Haufen, so der andere den anderen<br />

Haufen und hat gewonnen. Es kommt demnach auf die Anfangsverteilung der<br />

Steine an. Bei Gleichverteilung gewinnt B, sonst A (wenn die eben erwähnte<br />

Strategie angewandt wird). )<br />

umkehren:<br />

A und B fangen bei 0 (bei leerem Tisch) an und legen abwechselnd 1 oder 2<br />

Steine auf den Tisch. Gewonnen hat, wer den 20.ten Stein legt. Kann A gewinnen?<br />

70


(Ja, wenn er zunächst 2 Steine legt und auf x Steine seines Gegners mit 3-x eigenen<br />

Steinen antwortet. Gewinnfolge (jetzt mit der Gesamtzahl der gelegten<br />

Steine) : 2 ⎯ 5 ⎯ 8 ⎯ 11 ⎯ 14 ⎯ 17 ⎯ 20 .)<br />

Hinweis:<br />

Mühelos kann man weitervariieren, insbesondere durch kombinieren und verallgemeinern,<br />

und dadurch die Aufgabenschwierigkeit fast beliebig steigern. Da<br />

Thema und erste Variationen recht einfach sind, eignet sich das Beispiel zur Variation<br />

in allen Schulformen und auf allen Schulstufen.<br />

<strong>Anhang</strong> 14: Spielabbruch<br />

71


Die hier angedeuteten Lösungswege sind nur ein Auszug aus vielen Möglichkeiten.<br />

Für unser Anliegen sind nun von Interesse die<br />

Abänderungen und Verallgemeinerungen:<br />

- Variation der Anzahl der zum Sieg notwendigen Punkte und des Spielstandes<br />

beim Abbruch<br />

- Erhöhung der Anzahl der Spieler (3 oder mehr)<br />

- Variation der Gewinnwahrscheinlichkeit p = 0.5 (anderes oder allgemeines p)<br />

- anderes Aufteilungskriterium<br />

Kombinationen dieser Varianten<br />

Eine ausführliche Darstellung vieler origineller, von Schülern entwickelter einschlägiger<br />

Ideen findet man in<br />

Schmidt, G.: Experimenteller und anschaulicher Stochastikunterricht rund um<br />

das „Problem der abgebrochenen Partien“ - In: Stochastik in der Schule 18<br />

(1998), H.1<br />

<strong>Anhang</strong> 15: Quadratzerlegung<br />

Initialaufgabe:<br />

Zerlege ein Quadrat in 4 Teilquadrate.<br />

Lösung:<br />

durch Einzeichnen der Mittelsenkrechten<br />

(von denen je zwei gegenüberliegende<br />

zusammenfallen)<br />

Mögliche Variationen:<br />

a) Zerlege in eine andere Anzahl von Teilquadraten.<br />

Strategie: geringfügig ändern bzw. verallgemeinern<br />

(leicht: Statt 4 kann auch jede größere Quadratzahl genommen werden. Die<br />

Zerlegung in n 2 Teilquadrate schafft man durch ein Gitter mit 2 Scharen mit<br />

je n gleichabständigen Seitenparallelen.<br />

schwieriger: Kann die Anzahl auch ungleich einer Quadratzahl sein? Ja, weil<br />

keineswegs verlangt ist, daß die Teilquadrate kongruent sind. So kann man<br />

eine Zerlegung in m Quadrate stets zu einer Zerlegung in m+3 Quadrate<br />

73


weiterführen, indem man ein Teilquadrat wiederum in 4 Teilquadrate zerlegt<br />

(s.u. links).<br />

Oder aber in m−3 Quadrate, wenn es möglich ist, 4 Teilquadrate zu einem<br />

Teilquadrat zusammenzufassen (s.o. rechts).<br />

Insgesamt ergibt sich so, daß jede natürliche Zahl ≠ 2,3,5 Zerlegungsanzahl<br />

sein kann.)<br />

b) Zerlege ein Rechteck in 4 Teilquadrate.<br />

Strategie: Bedingung abändern (hier: Oberbegriff wählen)<br />

(Das ist außer beim Sonderfall Quadrat<br />

sicher möglich bei einem Rechteck,<br />

dessen Seitenlängen sich wie 4:1<br />

verhalten, aber auch bei einem<br />

Rechteck mit dem Seitenlängenverhältnis<br />

5:3 (s. nebenst. Fig.). Gibt es<br />

noch weitere?)<br />

c) Zerlege ein Quadrat in 4 Teilrechtecke.<br />

Strategie: vertauschen (gegenüber b))<br />

(Das ist durch (irgendeine) Vierteilung<br />

einer Seite und zugehöriger Parallelenschar<br />

auf einfache Weise möglich und<br />

kann sofort auf jede Teilungsanzahl n<br />

verallgemeinert werden. )<br />

d) Zerlege einen Kreis in 4 Kreise.<br />

74


Strategie: analogisieren<br />

(Das ist nicht möglich (auch bei anderer Teilungszahl), weil man mit Kreisen<br />

nicht parkettieren kann.)<br />

e) Zerlege einen Kreis in 4 Quadrate.<br />

Strategie: Bedingungen ändern, um bisher Unmögliches (s. d)) zu überwinden;<br />

oder auch: analogisieren (von der Initialaufgabe her)<br />

(Das ist immer noch unmöglich. Aus 4 kongruenten Quadraten lassen sich<br />

nur die fünf bekannten „Quadronimos“ zusammenbauen (s.u.), aus 4 beliebigen<br />

Quadraten ebenfalls nur Polygonflächen mit rechtwinkligen Ecken.)<br />

f) Zerlege einen Kreis in 4 kongruente Teilflächen.<br />

Strategie: wie in e)<br />

(Das ist vom Mittelpunkt her durch zwei zueinander senkrechte Geraden<br />

leicht möglich und kann sofort auf n Teilflächen verallgemeinert werden, indem<br />

man n−1 Geraden durch den Mittelpunkt verlaufen läßt, von denen irgend<br />

zwei benachbarte einen Winkel mit Maß 360°/n einschließen.)<br />

g) Zerlege ein Quadrat in 4 kongruente Teilflächen.<br />

Strategie: erweitern (von der Initialaufgabe her) bzw. analogisieren (von f)<br />

her)<br />

(Die folgenden 6 Zerlegungen können nur vage andeuten, welcher Reichtum<br />

an Möglichkeiten sich hier auftut.)<br />

75


h) Zerlege ein Quadrat in 4 inhaltsgleiche Teilflächen.<br />

Strategie: (nochmals) erweitern<br />

(Die Möglichkeiten vergrößern sich erneut. Zwei Beispiele:<br />

i) Zerlege ein Quadrat in 4 inhaltsgleiche Teilflächen, aber so, daß sein Mittelpunkt<br />

im Innern einer der Teilflächen liegt.<br />

Strategie: Variation (s. h)) durch eine zusätzliche Bedingung erschweren<br />

(Die folgenden beiden Zeichnungen zeigen zwei Möglichkeiten.)<br />

76<br />

)


j) Schöpfe einen Kreis durch 4 kongruente Kreise möglichst gut aus.<br />

Strategie: sinnvoll machen (von her) bzw. analogisieren (von f) her)<br />

(Für den Radius r eines kleines Kreises ergibt sich (mit R als dem Radius des<br />

Ausgangskreises) aus 2r = (R−r)⋅ 2 schließlich r = ( 2 − 1)<br />

⋅ R , so daß die 4<br />

Kreise auch mit Zirkel und Lineal konstruierbar sind. Sie bedecken insgesamt<br />

etwa 69 % der Fläche des Ausgangskreises.)<br />

k) Zerlege einen Würfel in 4 Teilwürfel<br />

Strategie: analogisieren (hier: Ebene → Raum)<br />

(Das ist nicht möglich. Die erste erreichbare Teilungszahl ist 2 3 = 8.)<br />

Hinweis: Möglich sind selbstverständlich auch alle weiteren Kubikzahlen sowie<br />

gewisse Zwischenzahlen, die man durch geeignetes Zusammenfassen<br />

oder Weiterteilen von Teilwürfeln (s. a)) erreichen kann.<br />

Beispiel: 27 − 8 + 1 = 20, 27 + 27 − 1 = 53<br />

l) Zerlege ein gleichseitiges Dreieck in 4 gleichseitige Dreiecke.<br />

Strategie: analogisieren (hier: innerhalb der regelmäßigen Vielecke)<br />

(möglich, durch geeignete Seitenmittenverbindung)<br />

77<br />

R-r<br />

r


Hinweis: Wie beim Quadrat sind auch alle anderen Teilungszahlen außer 2,3<br />

und 5 möglich.<br />

Hinweis:<br />

Die o.a. Varianten können auf mannigfache Weise weitervariiert und kombiniert<br />

werden. Wir haben hier ein ausgezeichnetes Beispiel für die Tatsache, daß auch<br />

und nicht zuletzt (wie übrigens in der Musik) einfache „Themata“ interessante<br />

und nichttriviale Variationen gestatten.<br />

Beispiel: Ein Schüler fragt, ob man ein Quadrat auch in lauter verschieden große<br />

Quadrate einteilen könne. Eine Mitschülerin meint, sie habe so etwas einmal auf<br />

einer Briefmarke gesehen. 1 Der Lehrer ist überfragt. Alle nehmen sich vor, zuhause<br />

eine solche Zerlegung zu konstruieren. Niemandem gelingt es; erst eine<br />

ausgedehnte Literaturrecherche erbringt, daß es solche perfekte Zerlegungen in n<br />

Teilquadrate für alle n ≥ 21 gibt. 2<br />

1 In der Tat hat die Deutsche Bundespost aus Anlaß des Internationalen Mathematiker-<br />

Kongresses (ICM) in Berlin 1998 eine Sondermarke herausgegeben, auf der eine Fläche in 11<br />

verschiedene Quadrate zerlegt ist. Sie ist jedoch kein Quadrat, sondern ein Rechteck mit dem<br />

Seitenlängenverhältnis 177:176.<br />

2 Mehr dazu in Quaisser, E.: Diskrete Geometrie - Heidelberg: Spektrum 1994. Auf S.178<br />

sieht man dort eine Zerlegung mit n = 21, auf S.179 mit n = 23.<br />

78


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