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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