Mathematik ist wunderwunderschön: Noch mehr Anregungen zum Anschauen und Erforschen für Menschen zwischen 9 und 99 Jahren
()
Über dieses E-Book
Wie die beiden Vorgängerbände Mathematik ist schön und Mathematik ist wunderschön macht auch dieses Buch wieder zahlreiche Angebote, sich mit (weiteren) bekannten oder weniger bekannten Fragestellungen aus der Mathematik zu beschäftigen. Auch diesmal geht es vor allem um die anschauliche Darstellung mathematischer Sachverhalte und um elementare Zugänge zu nicht immer einfachen Themen aus Geometrie, Arithmetik und Stochastik.
Das Buch bietet in allen Kapiteln eine Vielzahl von Anregungen, die dazu beitragen, einzelne Fragestellungen zu vertiefen. „Lösungen“ hierzu können von der Internetseite des Springer-Verlags heruntergeladen werden. Hilfreich sind auch die zahlreichen Hinweise auf Internetseiten sowie auf weiterführende Literatur.
Die verschiedenen Kapitel sind unabhängig voneinander lesbar und setzen in der Regel nur geringe Voraussetzungen aus dem Schulunterricht voraus.
Auch dieses Buch wurde für alle geschrieben, die Freude an der Mathematik haben oder verstehen möchten, warum das Buch diesen Titel trägt.
Stimmen zu Mathematik ist schön
[...] Ich empfinde das Buch wie eine Wanderung unter Leitung eines erfahrenen Bergführers, dem man sich anvertrauen muss. [...] Man spürt an jeder Stelle, dass der Autor überzeugt, ja begeistert von seiner Materie ist, dass er den Stoff beherrscht und uns zeigen möchte, wie es geht. [...]
Prof. Dr. Albrecht Beutelspacher in Spektrum der Wissenschaft
[…] Selten habe ich ein ästhetisch derart ansprechendes Buch gelesen wie diesen Bild- und Textband des Autors Heinz Klaus Strick. Bereits das Anschauen ohne Lesen des Textes ist lehrreich: Die Mathematik springt gleichsam ins Auge. […]
Dr. Klaus Schlüter in mathematik lehren
Mehr von Heinz Klaus Strick lesen
Mathematik ist wunderschön: Noch mehr Anregungen zum Anschauen und Erforschen für Menschen zwischen 9 und 99 Jahren Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMathematik ist schön: Anregungen zum Anschauen und Erforschen für Menschen zwischen 9 und 99 Jahren Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenStochastische Paradoxien Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMathematik – einfach genial!: Bemerkenswerte Ideen und Geschichten von Pythagoras bis Cantor Bewertung: 0 von 5 Sternen0 Bewertungen
Ähnlich wie Mathematik ist wunderwunderschön
Ähnliche E-Books
Integralrechnung für Höhlenmenschen und andere Anfänger: Die Berechnung von Flächen und Lösung von Differentialgleichungen Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenAlgebra für Höhlenmenschen und andere Anfänger: Eine Einführung in die Grundlagen der Mathematik Bewertung: 3 von 5 Sternen3/5Warum Kühe gern im Halbkreis grasen: ... und andere mathematische Knobeleien Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenNeuer Weg Richtung Weltformel: Wer löst das Rätsel? Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenEinen Kreis gibt es nicht: Mathematik erklärt uns die Welt, wie sie eigentlich nicht ist. Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenFantastische Rätsel und wie Sie sie lösen können: Logik, Wahrscheinlichkeit, Geometrie, Spiele und mehr! Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenDas kleine Buch der Zahlen: Vom Abzählen bis zur Kryptographie Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenWie man mit Rechenkünsten Schwiegereltern beeindruckt, Magier durchschaut und fiktive Länder erkundet Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMathematik und Gott und die Welt: Was haben Kunst, Musik oder Religion mit Mathematik am Hut? Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenIllustrierte Wanderungen durch das Denken 2: Band zwei: Die Entwicklung des Denkens Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenAlgorithmen in der Graphentheorie: Ein konstruktiver Einstieg in die Diskrete Mathematik Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenAbenteuer Mathematik: Brücken zwischen Wirklichkeit und Fiktion Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenLiebe und Mathematik: Im Herzen einer verborgenen Wirklichkeit Bewertung: 4 von 5 Sternen4/5Wie man durch eine Postkarte steigt: ...und andere spannende mathematische Experimente Bewertung: 3 von 5 Sternen3/5Alea iacta est: Faszinierende Geheimnisse eines ungewöhnlichen Spielwürfels Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenRECHNEN IN BEWEGUNG: Rechenfähigkeiten entwickeln - Rechenprobleme überwinden Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenDie Schule schwänzt das Lernen. (E-Book): Und niemand sitzt nach. Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenDenken in Strukturen und seine Geschichte: Von der Kraft des mathematischen Beweises Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenTechnik skizzieren: Für Ingenieure, Designer, Architekten, Planer, Gestalter perspektivisch richtig und garantiert einfach zu lernen Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenWie man einen Würfel aufpustet: 44 mathematische Experimente Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenEinführung in die mathematische Philosophie Bewertung: 4 von 5 Sternen4/5Komm mit, lass uns Mathe spielen: Ein Zahlenland-Aktionsbuch Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenDas innere Archiv: Steigern Sie Ihre Intelligenz durch nachhaltiges Gehirnmanagement Bewertung: 4 von 5 Sternen4/5Mathematische Geschichten IV – Euklidischer Algorithmus, Modulo-Rechnung und Beweise: Für begabte Schülerinnen und Schüler in der Unterstufe Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenDie Grundlagen der Arithmetik: Eine logische mathematische Untersuchung über den Begriff der Zahl Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMathematische Erzählungen: Geschichten mit grundlegenden Begriffen der Mathematik Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenWissenschaftlich schreiben und denken Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenDie berühmtesten Formeln der Welt... und wie man sie versteht Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenNeue Power fürs Gehirn: So nutzen Sie Ihr ganzes Potenzial Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenPhantasieerzählung Kleckswerk: Spottgeschichten vom Diesseits und Jenseits Bewertung: 0 von 5 Sternen0 Bewertungen
Mathematik für Sie
Rechnen und Textaufgaben - Gymnasium 5. Klasse Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenQuer durch die 1. Klasse, Mathe und Deutsch - Übungsblock Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMein Übungsheft Rechnen - 1. Klasse Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenÜbungen zur Kombinatorik Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenTextaufgaben 4. Klasse: Sachaufgaben - Übungsprogramm mit Lösungen für die 4. Klasse und Aufgaben für den Übertritt Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenEuro Millions - Das Buch der Lotto Geheimnisse: Entdecken Sie Strategien um ständig im Euro Millions zu gewinnen Bewertung: 4 von 5 Sternen4/5Mathe trainieren 1. Klasse Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMein Übungsheft Rechnen - 2. Klasse: Mathematik: Aufgaben mit Lösungen im Zahlenraum bis 100 - wiederholen, trainieren, lernen Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenQuer durch die 3. Klasse, Mathe und Deutsch - Übungsblock Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMathematik-Abitur Band 1: Analysis - Infinitesimalrechnung Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenFilmverrückter und Serienjunkie: Stars, Filme und Serien Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenDer Anfang der Unendlichkeit: Erklärungen, die die Welt verwandeln Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenFit zum Übertritt - Mathe 4. Klasse Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMathe-Toolbox: Mathematische Notationen, Grundbegriffe und Beweismethoden Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMein Übungsheft Rechnen - 3. Klasse Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenWahrscheinlichkeitsrechnung und Statistik Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenBegegnungen mit Euklid – Wie die »Elemente« die Welt veränderten Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenEinmaleins Mathematik 2./3. Klasse Bewertung: 5 von 5 Sternen5/5Qualitative Forschung einfach erklärt: Qualitative Interviews, Fragebogen erstellen und Gruppendiskussion Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenRechnen und Textaufgaben - Gymnasium 6. Klasse Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenAngewandteres zum Mathematischen der Zahlenmagie Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMathe trainieren 3. Klasse Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMathe trainieren 4. Klasse Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMathematik verstehen Band 2: Grundlagen für das Studium naturwissenschaftlicher und technischer Fächer Bewertung: 0 von 5 Sternen0 Bewertungen...Als die Noten laufen lernten...Band 2: Kabarett-Operette-Revue-Film-Exil. Unterhaltungsmusik bis 1945 Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenTextaufgaben 2. Klasse: Sachaufgaben - Übungsprogramm mit Lösungen für die 2. Klasse Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenZahlentheorie Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenVom 1x1 zum Glück: Warum wir Mathematik für das Leben brauchen Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenLeere und Form Bewertung: 0 von 5 Sternen0 BewertungenMathenglish - Das Übungsbuch für Mathe und Englisch: Lerne Mathe und Englisch gleichzeitig (5.-7.Klasse) Bewertung: 0 von 5 Sternen0 Bewertungen
Rezensionen für Mathematik ist wunderwunderschön
0 Bewertungen0 Rezensionen
Buchvorschau
Mathematik ist wunderwunderschön - Heinz Klaus Strick
© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019
Heinz Klaus StrickMathematik ist wunderwunderschön https://doi.org/10.1007/978-3-662-58101-8_1
1. Einfache Muster
Heinz Klaus Strick¹
(1)
Leverkusen, Deutschland
Heinz Klaus Strick
Email: strick.lev@netcologne.de
Die Phantasie arbeitet in einem schöpferischen Mathematiker nicht weniger als in einem erfinderischen Dichter.
(Jean-Baptiste le Rond d’Alembert, französischer Mathematiker, Physiker und Philosoph, 1717–1783)
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figa_HTML.pngBereits vor Zehntausenden von Jahren haben die Menschen begonnen, die von ihnen hergestellten Gegenstände für den täglichen Gebrauch mit einfachen Mustern zu verzieren.
Die in diesem Kapitel angesprochenen Beispiele mögen dazu anregen, sich eigene Muster und Formen auszudenken und diese spielerisch zu variieren.
1.1 Ein einfaches Muster auf einer quadratischen Fliese
Auf einer quadratischen Fliese sind zwei einander gegenüberliegende Viertelkreis-Bögen als Muster eingezeichnet. Wenn man diese Fliese um 90° dreht, sieht das zwar ein bisschen anders aus – aber man würde nicht von einem wirklich anderen Muster sprechen, sondern eher z. B. von Lage A und Lage B.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figb_HTML.pngDa das betrachtete Fliesenmuster punktsymmetrisch zum Mittelpunkt der Fliese ist, ist die Fliese in Lage A nach einer Drehung um 180° wieder in Lage A; Entsprechendes gilt für Lage B.
Hinweis
Wenn man in der Mathematik von einer Drehung um einen positiven Winkel spricht, meint man immer eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn.
Legt man nun eine quadratische Fläche mit vier von diesen Fliesen aus, dann hat man für jede Fliese jeweils zwei Möglichkeiten, sie zu legen, also insgesamt
$$ 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 = 2^{4} = 16 $$Möglichkeiten der Kombination, und zwar:
1 Möglichkeit mit 4 Fliesen in Lage A,
4 Möglichkeiten mit 3 Fliesen in Lage A und 1 Fliese in Lage B,
6 Möglichkeiten mit 2 Fliesen in Lage A und 2 Fliesen in Lage B,
4 Möglichkeiten mit 1 Fliese in Lage A und 3 Fliesen in Lage B,
1 Möglichkeit mit 4 Fliesen in Lage B.
Den Anzahlen 1, 4, 6, 4, 1 werden wir in Kap. 6 Das Pascal’sche Dreieck mehrfach begegnen.
Auf diese Weise entstehen verschiedene Muster, aber einige stimmen bis auf eine Drehung überein. Dreht man beispielsweise ein Quadrat von vier Fliesen in Lage A um 90°, also das Muster $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} A & A \\ A & A \\ \end{array} } \right] $$ , dann erhält man ein entsprechendes Quadrat von vier Fliesen, die alle in Lage B gelegt wurden, also $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} B & B \\ B & B \\ \end{array} } \right] $$ .
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figc_HTML.pngAnregungen zum Nachdenken und für eigene Untersuchungen
A 1.1: Welches Muster erhält man, wenn man das Muster $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} A & A \\ A & A \\ \end{array} } \right] $$ um 180° dreht? (Ein mögliches Argument für eine begründete Antwort kann die Symmetrieeigenschaft der Figur sein.)
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figd_HTML.pngIn der nächsten Abbildung ist das Muster $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} B & A \\ A & A \\ \end{array} } \right] $$ dargestellt.
Dreht man dieses Muster um 90°, dann erhält man $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} B & B \\ A & B \\ \end{array} } \right] $$ , denn durch eine Drehung um 90° wird jedes A in ein B verwandelt und jedes B in ein A.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Fige_HTML.pngDreht man dann weiter noch einmal um 90°, erhält man so das Muster $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} A & A \\ A & B \\ \end{array} } \right] $$ und nach einer weiteren Drehung um 90° das Muster $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} B & A \\ B & B \\ \end{array} } \right] $$ .
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figf_HTML.pngAnregungen zum Nachdenken und für eigene Untersuchungen
A 1.2: Mit welcher Eigenschaft hängt es zusammen, dass nicht nur zwei, sondern vier verschiedene Muster durch wiederholte Drehungen um 90° aus $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} B & A \\ A & A \\ \end{array} } \right] $$ entstehen?
A 1.3: Welche Muster entstehen durch fortgesetzte 90°-Drehungen aus den folgenden Mustern? In welchen Fällen gibt es wie viele verschiedene Muster? Welche Achsen- und/oder Punktsymmetrie liegt jeweils vor?
(a) $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} A & B \\ A & A \\ \end{array} } \right] $$ , (b) $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} B & B \\ A & A \\ \end{array} } \right] $$ , (c) $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} B & A \\ A & B \\ \end{array} } \right] $$ , (d) $$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} A & B \\ B & A \\ \end{array} } \right] $$ ,
vgl. die folgenden Abbildungen. Legen Sie die einzelnen Muster aus.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figg_HTML.pngZusammengefasst können wir festhalten, dass es zwar 16 mögliche Kombinationen, aber eigentlich nur sechs verschiedene 4er-Muster gibt. Die übrigen Kombinationen stimmen – evtl. bis auf Drehungen um 90°, um 180° oder um 270° – mit einem dieser sechs Typen überein:
Typ 1: Alle vier Fliesen haben die gleiche Lage (2 der 16 Kombinationen liefern ein Muster).
Typ 2 und Typ 3: Eine Fliese hat die eine Lage, die anderen drei die andere Lage (4 + 4 der 16 Kombinationen liefern zwei verschiedene Muster).
Typ 4, Typ 5 und Typ 6: Zwei Fliesen haben die eine Lage, zwei die andere Lage (4 + 1 + 1 der 16 Kombinationen liefern drei verschiedene Muster).
Kombinationen von Fliesen in einem $$ {\bf{3 \times 3}} $$ -Muster
Insgesamt gibt es $$ 2^{9} = 512 $$ Möglichkeiten, neun Fliesen in quadratischer Anordnung auszulegen.
Mithilfe der Informationen aus Kap. 6 kann man ausrechnen, dass es dabei so viele Möglichkeiten gibt:
1 mit 9 Fliesen in Lage A,
9 mit 8 Fliesen in Lage A und 1 Fliese in Lage B,
36 mit 7 Fliesen in Lage A und 2 Fliesen in Lage B,
84 mit 6 Fliesen in Lage A und 3 Fliesen in Lage B,
126 mit 5 Fliesen in Lage A und 4 Fliesen in Lage B,
126 mit 4 Fliesen in Lage A und 5 Fliesen in Lage B,
84 mit 3 Fliesen in Lage A und 6 Fliesen in Lage B,
36 mit 2 Fliesen in Lage A und 7 Fliesen in Lage B,
9 mit 1 Fliese in Lage A und 8 Fliesen in Lage B sowie
1 mit 9 Fliesen in Lage B.
Von den 512 möglichen Auslegungen eines $$ 3 \times 3 $$ -Quadrats stimmen wieder etliche bis auf eine Drehung überein. Wir werden uns in diesem Abschnitt insbesondere mit den symmetrischen Figuren beschäftigen.
Das folgende links abgebildete 9er-Muster ist
$$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} B & A & A \\ B & B & A \\ A & A & A \\ \end{array} } \right] $$. Dreht man das Muster um 90°, vgl. Abbildung rechts, dann ergibt sich
$$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} B & B & B \\ B & A & B \\ A & A & B \\ \end{array} } \right] $$.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figh_HTML.pngAnregungen zum Nachdenken und für eigene Untersuchungen
A 1.4: Welche Muster ergeben sich, wenn man
$$ \left[ {\begin{array}{*{20}c} B & B & B \\ B & A & B \\ A & A & B \\ \end{array} } \right] $$noch einmal um 90° bzw. um 180° dreht?
A 1.5: Untersuchen Sie die folgenden achsensymmetrischen Muster. Welche Muster erhält man, wenn die gesamte Figur jeweils um 90°, 180°, 270° gedreht wird?
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figi_HTML.pngA 1.6: Das folgende Muster ist punktsymmetrisch zum Mittelpunkt des $$ 3 \times 3 $$ -Quadrats. Welche Muster erhält man, wenn die gesamte Figur um 90°, um 180°, um 270° gedreht wird? Bestimmen Sie zwei weitere punktsymmetrische 9er-Muster.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figj_HTML.pngA 1.7: Welche Symmetrieeigenschaften haben die folgenden beiden Muster? Welche Muster erhält man, wenn die gesamte Figur um 90°, um 180°, um 270° gedreht wird?
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figk_HTML.pngA 1.8: Wie viele von den 512 möglichen 9er-Mustern
(1)
sind achsensymmetrisch zu der eingezeichneten Diagonale (vgl. die folgende Abb. links),
(2)
sind achsensymmetrisch zu beiden Diagonalen (vgl. die folgende Abb. rechts),
(3)
sind punktsymmetrisch zum Mittelpunkt des $$ 3 \times 3 $$ -Quadrats,
(4)
enthalten ein oder zwei geschlossene blaue Bänder (vgl. Abb. in A 1.7)?
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figl_HTML.pngA 1.9: Durch wie viele der neun quadratischen Felder kann maximal ein durchgehendes blaues Band verlaufen?
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figm_HTML.pngA 1.10: Für die Auslegung von $$ 4 \times 4 $$ -Quadraten mit den betrachteten quadratischen Fliesen gibt es
$$ 2^{16} = 65536 $$Möglichkeiten.
(1)
Welche Symmetrieeigenschaften kann man bei diesen 16er-Mustern unterscheiden (vgl. Beispiele in den folgenden Abbildungen)? Geben Sie jeweils ein (weiteres) Beispiel an.
(2)
Bestimmen Sie ein Muster mit einem möglichst langen durchgehenden blauen Band (vgl. letzte Abbildung; es gibt noch längere durchgehende Bänder).
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Fign_HTML.png1.2 Einfache Fliesenmuster mit gleichseitigen Dreiecken
Ein Muster mit Fliesen mit blauem Band kann man auch mit gleichseitigen Dreiecken erzeugen. Dreht man eine solche Fliese um 120° oder um 240°, dann entstehen entsprechend drei verschiedene Lagen.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figo_HTML.pngMithilfe solcher Dreiecksfliesen kann ein regelmäßiges Sechseck ausgelegt werden. Hierfür gibt es dann
$$ 3 \cdot 3 \cdot 3 \cdot 3 \cdot 3 \cdot 3 = 3^{6} = 729 $$Möglichkeiten. Von diesen stimmen aber etliche Muster überein. Man kann zeigen, dass es insgesamt 130 verschiedene Muster gibt.
Darunter sind auch wieder punkt- oder achsensymmetrische Figuren, z. B. die folgenden:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figp_HTML.pngAnregungen zum Nachdenken und für eigene Untersuchungen
A 1.11: Finden Sie weitere Sechsecke, die mit den dreieckigen Fliesen ausgelegt sind und ein symmetrisches Muster haben. Welche Symmetrie-Arten sind möglich?
Die betrachteten Dreieck- und Viereckfliesen kann man auch dazu verwenden, um ein regelmäßiges Zwölfeck auszulegen, vgl. dazu auch Mathematik ist wunderschön, Abschn. 3.3.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figq_HTML.pngDabei kann man achsen- oder punktsymmetrische Muster finden, aber auch Muster mit dreizähliger Drehsymmetrie (= bei Drehungen um 120° und um 240° erhält man wieder die gleiche geometrische Figur), vgl. die folgenden Beispiele. Im Folgenden sollen nur solche Beispiele betrachtet werden, bei denen die „blauen" Bänder von Rand zu Rand laufen, also nicht im Innern enden.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figr_HTML.pngAnregungen zum Nachdenken und für eigene Untersuchungen
A 1.12: Finden Sie alle weiteren symmetrischen Muster für die Auslegung der regelmäßigen Zwölfecke mit den quadratischen und den dreieckigen Fliesen. (Beachten Sie: Die blauen Bänder dürfen nicht im Innern enden.)
Es gibt auch noch andere Möglichkeiten, gleichseitige Dreiecke und Quadrate zu achsen- und/oder punktsymmetrischen Formen zu kombinieren, z. B. das folgende symmetrische Zehneck mit zehn gleich langen Seiten, das zwei zueinander senkrechte Symmetrieachsen und ein Symmetriezentrum besitzt.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figs_HTML.pngAnregungen zum Nachdenken und für eigene Untersuchungen
A 1.13: Finden Sie alle weiteren symmetrischen Muster für die Auslegung des zuletzt betrachteten Zehnecks mit den quadratischen und den dreieckigen Fliesen. (Beachten Sie: Die blauen Bänder dürfen nicht im Innern enden.)
A 1.14: Kann das folgende symmetrische Neuneck mit den quadratischen und den dreieckigen Fliesen so ausgelegt werden, dass ein symmetrisches Muster entsteht? (Beachten Sie: Die blauen Bänder dürfen nicht im Innern enden.)
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figt_HTML.png1.3 Parkettierung der Ebene mit den quadratischen und dreieckigen Fliesen
Dass man die Ebene vollständig mit gleichseitigen Dreiecken und Quadraten auslegen kann, wird in Kap. 3 von Mathematik ist wunderschön dargestellt.
Dies kann u. a. mithilfe von abwechselnd senkrecht und waagerecht liegenden „Diamanten" aus zwei aneinanderliegenden gleichseitigen Dreiecken geschehen, zwischen denen Quadrate liegen (vgl. die folgende Abb. links).
Sechs nebeneinanderliegende Flächenstücke kann man so zu einem achsensymmetrischen Puzzlestück zusammenfassen, dass die gesamte Ebene mit solchen Puzzlestücken bedeckt werden kann (vgl. die folgende Abb. rechts).
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figu_HTML.pngWählt man für die Auslegung des Puzzlestücks die in der folgenden Abbildung links dargestellte Möglichkeit, dann zeigt die Abbildung rechts die Parkettierung der Ebene mit lauter solchen Puzzlestücken.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figv_HTML.pngAnregungen zum Nachdenken und für eigene Untersuchungen
A 1.15: Die Parkettierung der Ebene kann auch mithilfe von sich teilweise überschneidenden regelmäßigen Zwölfecken erfolgen (vgl. die folgende Abbildung aus Mathematik ist wunderschön, Kap. 3).
Begründen Sie: Wenn man verlangt, dass ein Muster durchgehende oder geschlossene blaue Bänder enthält, dann ist es nicht möglich, diese Parkettierung mit den bisher betrachteten Fliesen vorzunehmen.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figw_HTML.pngA 1.16: Man kann aber auch die regelmäßigen Zwölfecke so aneinanderlegen, wie in der folgenden Abbildung zu sehen ist. Die Lücken zwischen den Zwölfecken (grün) lassen sich dabei mit gleichseitigen Dreiecken füllen (gelb). Wenn man für diese Fülldreiecke Fliesen ohne blaue Bänder verwendet, entstehen wieder schöne Muster. Probieren Sie es selbst aus!
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figx_HTML.png../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figy_HTML.png1.4 Fries-Ornamente
An alten Häusern und auf vielen Keramiken findet man Streifen mit Mustern, die man in der Architektur und in der Kunst als Fries bezeichnet.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figz_HTML.pngDas hier abgebildete Muster bezeichnet man als Mäander (nach dem griechischen Wort Μαίανδρος [Maiandros], einem Fluss in der heutigen Westtürkei, der viele Flussschleifen hat).
Alle Friese haben eine gemeinsame Eigenschaft: Ein bestimmtes Motiv wiederholt sich nach links und nach rechts beliebig oft (oder umläuft das Objekt wie ein geschlossenes Band, z. B. bei einer Vase).
In der Mathematik bezeichnet man eine solche Wiederholung als Translation (Parallelverschiebung) einer Ausgangsfigur in eine bestimmte Richtung (sog. Fries-Richtung ).
Es gibt unendlich viele Möglichkeiten, einen Fries zu gestalten. Bezüglich ihrer geometrischen Eigenschaften kann man bei diesen Bandornamenten sieben verschiedene Typen unterscheiden.
Hinweis
Berücksichtigt man außer der Translation, der Achsenspiegelung und der Gleitspiegelung auch die Möglichkeit der Rotation (Drehung), dann kann man 17 verschiedene Typen von Ornamenten unterscheiden, mit denen eine Ebene parkettiert werden kann (vgl. Literaturhinweise zu den sog. Ornamentgruppen, engl. Wallpaper [wörtlich: Tapetenmuster]).
Der Engländer John Horton Conway (geb. 1937), emeritierter Professor der Princeton University, ist einer der kreativsten Mathematiker unserer Zeit (u. a. erfand er 1970 das Spiel „Game of Life"). Er hatte die Idee, die sieben möglichen Fries-Ornamente mithilfe von Fußabdrücken zu charakterisieren.
In den folgenden Abschnitten sind die verschiedenen Kombinationen von Fußabdrücken abgebildet (Bildquelle: Wikipedia Frieze group, CC-BY-SA-4.0, Autor: Tomruen).
Fries-Typ F1
Das einfachste Fries-Ornament erhält man durch Wiederholung einer Figur, die nicht notwendig symmetrisch ist.
In der folgenden Abbildung besteht die Ausgangsfigur aus einem einzelnen Fußabdruck.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figaa_HTML.pngDas entsprechende Conway-Ornament entsteht dadurch, dass eine Person auf einem Bein vorwärtshüpft – deshalb bezeichnete Conway es als „hop" (engl. hüpfen).
Unter den Buchstaben des Alphabets gibt es viele, die für ein entsprechendes einfaches Fries-Ornament infrage kommen, beispielsweise der nichtsymmetrische Buchstabe F.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figab_HTML.pngDie folgende Abbildung zeigt eine vereinfachte Form des Mäander-Ornaments.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figac_HTML.pngMan kann einen Fries aber auch mithilfe von quadratischen Fliesen mit einfachem Bandmuster gestalten.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figad_HTML.pngFries-Typ F2
Eine weitere Möglichkeit ergibt sich, indem man eine zu einer horizontalen Achse (der Fries-Richtung) symmetrische Figur wiederholt längs dieser horizontalen Achse zeichnet.
In der folgenden Abbildung wird zunächst der nach rechts gerichtete Abdruck des linken Fußes an einer horizontalen Achse gespiegelt (dies ergibt dann den passenden rechten Fuß); so entsteht eine zu einer horizontalen Achse symmetrische Figur.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figae_HTML.pngDas entsprechende Conway-Ornament entsteht, wenn die Person mit beiden Füßen vorwärtshüpft – deshalb bezeichnete Conway es als „jump" (engl. springen).
Auch hier gibt es unter den Buchstaben des Alphabets mehrere, die für ein entsprechendes Fries-Ornament infrage kommen, beispielsweise:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figaf_HTML.pngWenn man noch zusätzlich das Entstehen der Ausgangsfigur durch Spiegelung an einer horizontalen Achse herausstellen möchte, muss man Kleinbuchstaben des Alphabets betrachten, beispielsweise:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figag_HTML.pngEin Fries dieses Typs mit dem o. a. vereinfachten Mäandermuster sieht dann wie folgt aus:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figah_HTML.pngUnd entsprechend lässt sich ein Fries mithilfe der o. a. quadratischen Fliesen gestalten:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figai_HTML.pngFries-Typ F3
Beim dritten Fries-Typ wird eine zu einer vertikalen Achse symmetrische Figur wiederholt längs einer horizontalen Achse gezeichnet.
In der folgenden Abbildung wird zunächst der nach oben gerichtete Abdruck des linken Fußes an einer vertikalen Achse gespiegelt (sodass dann auch der rechte Fuß abgebildet ist); so entsteht eine zu vertikalen Achsen symmetrische Figur.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figaj_HTML.pngDas entsprechende Conway-Ornament entsteht, wenn die Person seitwärts hüpft – deshalb bezeichnete Conway es als „sidle" (englische Bezeichnung für die Tänzelbewegung eines Pferdes).
Auch hier gibt es unter den Buchstaben des Alphabets mehrere, die für ein entsprechendes Fries-Ornament infrage kommen, beispielsweise:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figak_HTML.pngWenn man noch zusätzlich das Entstehen der Ausgangsfigur durch Spiegelung an einer vertikalen Achse herausstellen möchte, muss man Kleinbuchstaben des Alphabets betrachten, beispielsweise:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figal_HTML.pngDas einfache Mäandermuster wird dann wie folgt erweitert:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figam_HTML.pngUnd der Fries kann auch mithilfe der quadratischen Fliesen gestalten werden:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figan_HTML.pngFries-Typ F4
Der vierte Fries-Typ ergibt sich, indem eine punktsymmetrische Figur wiederholt gezeichnet wird.
In der folgenden Abbildung besteht die Ausgangsfigur aus dem Abdruck des linken Fußes und dessen Bild nach einer 180°-Drehung; diese beiden Abdrücke des linken Fußes sind punktsymmetrisch zu Punkten, die auf derjenigen horizontalen Achse liegen, längs der die gesamte Figur wiederholt gezeichnet wird.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figao_HTML.pngDas entsprechende Conway-Ornament entsteht, wenn die Person auf einem Bein hüpft und sich dabei jeweils um 180° dreht – deshalb bezeichnete Conway es als „spinning hop" (engl. drehend hüpfen).
Auch hier gibt es unter den Buchstaben des Alphabets einige, die für ein solches Fries-Ornament infrage kommen, beispielsweise:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figap_HTML.pngWenn man noch zusätzlich das Entstehen der Ausgangsfigur durch Punktspiegelung herausstellen möchte, muss man Kleinbuchstaben des Alphabets betrachten, beispielsweise:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figaq_HTML.pngDas Mäandermuster verändert sich durch die Punktspiegelung wie folgt:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figar_HTML.pngDurch eine Punktspiegelung am Mittelpunkt der unteren Quadratseite der Fliese erhält man dann den folgenden Fries:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figas_HTML.pngFries-Typ F5
Den fünften Fries-Typ erhält man, wenn man eine nichtsymmetrische Figur zeichnet und das an einer horizontalen Achse gespiegelte Bild der Figur verschiebt. In der Mathematik spricht man hier von einer Gleitspiegelung (Schubspiegelung).
In der folgenden Abbildung besteht die Ausgangsfigur aus dem nach rechts gerichteten Abdruck des rechten Fußes, der an einer horizontalen Achse gespiegelt wird (das ergibt den Abdruck des linken Fußes), dieser wird dann aber parallel zu dieser Achse verschoben.
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figat_HTML.pngDas entsprechende Conway-Ornament entsteht dadurch, dass die Person vorwärtsschreitet – deshalb bezeichnete Conway es als „step" (engl. einen Schritt machen).
Mit den Kleinbuchstaben des Alphabets kann man diesen Fall beispielsweise wie folgt darstellen:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figau_HTML.pngDie Variation des einfachen Mäandermusters führt zu folgendem Fries:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figav_HTML.pngFries-Typ F6
Beim sechsten Fries-Typ wird eine zu einer vertikalen Achse symmetrische Figur gezeichnet und im nächsten Schritt das um 180° gedrehte Bild dieser Figur.
In der folgenden Abbildung besteht die Ausgangsfigur also aus diesen Abdrücken der beiden Füße:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figaw_HTML.pngDas entsprechende Conway-Ornament entsteht, wenn die Person mit beiden Füßen seitwärts hüpft und sich dabei jeweils um 180° dreht – deshalb bezeichnete Conway es als „spinning sidle".
Mit den Kleinbuchstaben des Alphabets kann man diesen Fall beispielsweise wie folgt darstellen:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figax_HTML.pngAus dem einfachen Mäandermuster entsteht so der folgende Fries:
../images/467820_1_De_1_Chapter/467820_1_De_1_Figay_HTML.pngFries-Typ F7
Beim siebten Fries-Typ wird eine zu einer horizontalen Achse symmetrische Figur gezeichnet und im nächsten Schritt das um 180° gedrehte Bild dieser Figur.
In der folgenden Abbildung besteht die Ausgangsfigur also aus den Abdrücken der