zahlbereiche und rechenoperationen

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Zahlbereiche und Rechenoperationen
ZAHLBEREICHE
UND RECHENOPERATIONEN
1. Einführung
Welche Bezeichnungen werden bei den Grundrechnungsarten verwendet?
Die folgende Tabelle ist anhand von Zahlenbeispielen zu erklären!
Grundrechnungsart:
Glieder der Rechnung:
Ergebnis:
Addition
Summand + Summand
Summe
Subtraktion
Minuend – Subtrahend
Differenz
Multiplikation
Faktor . Faktor
Produkt
Division
Dividend : Divisor
Quotient
Rechenoperation:
1. Stufe
2. Stufe
Beispiele für Potenzen:
4 ⋅ 4 = 42 (gesprochen: 4 hoch zwei bzw. 4 zum Quadrat)
2 ⋅ 2 ⋅ 2 = 23 (gesprochen: 2 hoch drei)
5 ⋅ 5 ⋅ 5 ⋅ 5 = 54 (gesprochen: 5 hoch vier)
.
.
.
a ⋅ a ⋅ a ⋅ ... ⋅ a = a n (n ∈N*) (gesprochen: a hoch n)
14
4244
3
n Faktoren
Bemerkung: Die Basis muss keineswegs eine natürliche Zahl sein!
Gegeben ist die Zahl 3. Das Quadrat von 3 ist 9: 32 = 9. Ist nun umgekehrt
die Zahl 9 gegeben und es ist jene nichtnegative Zahl zu ermitteln, deren
Quadrat 9 ist, so schreibt man: 9 = 3 (gesprochen: Quadratwurzel aus 9 ist
gleich 3).
Analog gilt: 23 = 8, wobei 2 die dritte Wurzel (Kubikwurzel) aus 8 ist:
3 8 = 2 (gesprochen: Dritte Wurzel aus 8 ist gleich 2).
Weitere Beispiele:
16 = 4, weil 4 2 = 16
4 256
= 4, weil 4 4 = 256
Definition:
Ausdrücke der Form an (n ∈N*)
heißen Potenzen (mit Exponenten
aus der Zahlenmenge N*).
Potenzen werden zunächst als
Abkürzung einer Multiplikation mit
lauter gleichen Faktoren eingeführt.
Dabei wird a als Basis oder
Grundzahl und n als Exponent
oder Hochzahl bezeichnet.
Diese Rechenoperation heißt
Potenzieren.
Definition:
Unter der n-ten Wurzel aus der
nichtnegativen Zahl a (n ∈N*)
versteht man jene nichtnegative
Zahl b, deren n-te Potenz a ist.
Man schreibt: n a = b
(gesprochen: n-te Wurzel aus a ist
gleich b).
3 27
= 3, weil 3 3 = 27
Bezeichnungen:
5 32
= 2, weil 2 5 = 32
a heißt Radikand.
n heißt Wurzelexponent.
b heißt Wurzel (Wurzelwert).
Die Rechenoperation wird
Wurzelziehen oder Radizieren
genannt.
˙˙ n ≠ 0.
Sonderfall: n 0 = 0 fur
Addition und Subtraktion werden als „Rechenoperationen erster Stufe“
bezeichnet. Multiplikation und Division nennt man „Rechenoperationen
zweiter Stufe“. Potenzieren und Wurzelziehen werden zu den „Rechenoperationen dritter Stufe“ gezählt.
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Zahlbereiche und Rechenoperationen
Rechenstufensymbol:
Übersichtlich dargestellt:
n
Höhere Rechenstufe geht vor
niedrigerer!
Wollen wir dieses Grundgesetz
bewusst umgehen, so müssen wir
Klammern setzen!
Definition:
Die Klammer ist ein mathematisches Symbol, das eine Reihenfolge beim Rechnen angibt, und
zwar, dass die in der Klammer
stehende Rechnung vor den
anderen ausgeführt werden soll.
Potenzieren
Wurzelziehen
3. Rechenstufe
Multiplizieren
Dividieren
2. Rechenstufe
Addieren
Subtrahieren
1. Rechenstufe
n
+
()
÷
+
–
Wenn in einer Rechnung Rechenoperationen verschiedener Stufen vorkommen, so ist die Reihenfolge, in der sie ausgeführt werden, von größter
Bedeutung: So erhält man als Resultat für die Berechnung von 2 ⋅ 5 + 3
einerseits 10 + 3 = 13, wenn man zuerst multipliziert und dann addiert,
andererseits 2 ⋅ 8 = 16, wenn man zuerst addiert und dann multipliziert. Um
Eindeutigkeit zu erzielen, verabreden wir: Die Rechenoperation höherer
Stufe wird zuerst ausgeführt.
Wenn die Rechenoperationen in anderer Reihenfolge ausgeführt werden
sollen, müssen wir Klammern verwenden.
Beispiel:
3 ⋅ (4 + 1) = 3 ⋅ 5 = 15
7 ⋅ 2 + 3 = 14 + 3 = 17
3 ⋅ 4 + 1 = 12 + 1 = 13
7 ⋅ (2 + 3) = 7 ⋅ 5 = 35
2. Rechnen mit natürlichen Zahlen
N = {0, 1, 2, 3, ...}
Für die Menge, die aus den
natürlichen Zahlen mit Ausnahme
der Zahl 0 besteht, schreiben wir
N*:
N * = {1, 2, 3, ...}
„Die natürlichen Zahlen hat der liebe Gott gemacht, alles andere ist
Menschenwerk“, sagte der Berliner Mathematiker Leopold KRONECKER
(1823–1891). Damit wollte er ausdrücken, dass die natürlichen Zahlen in
unserer Begriffswelt unmittelbar vorhanden sind und angeblich keiner
Begründung bedürfen.
Wir verwenden die natürlichen Zahlen, um zu zählen oder um eine Reihenfolge festzulegen.1) Wenn wir mit natürlichen Zahlen rechnen, geschieht
dies mit einer Selbstverständlichkeit, die uns vergessen lässt, dass wir ja
bestimmte Rechengesetze anwenden.
Einige dieser Gesetze sind uns schon von der Volksschule her vertraut,
z. B.: 5 + 12 = 12 + 5 = 17
3⋅4=
4 ⋅ 3 = 12
In diesem Kapitel wollen wir uns mit den Grundrechnungsarten und den
für sie geltenden Rechengesetzen näher beschäftigen.
Die Addition ist die einfachste Rechenoperation mit natürlichen Zahlen.
Für die Addition natürlicher Zahlen gelten u. a. folgende Gesetze:
(1)
Die Reihenfolge der Summanden hat keinen Einfluss auf das Resultat;
so ist z. B.: 3 + 4 = 4 + 3 = 7.
Die Vertauschbarkeit der Summanden gilt für alle natürlichen Zahlen.
Dieser Sachverhalt lässt sich kurz, unter Verwendung der Variablen a
und b, ausdrücken:
a+b=b+a
(Kommutativgesetz2) der Addition)
1
) Z. B.: der Erste, der Zweite, der Dritte usw.
2
) commutare (lat.): vertauschen.
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Zahlbereiche und Rechenoperationen
(2)
Wenn mehr als zwei Zahlen addiert werden sollen, können beliebige
Teilsummen gebildet werden,
z. B.: 3 + 5 + 7 = (3 + 5) + 7 = 8 + 7 = 15
3 + 5 + 7 = 3 + (5 + 7) = 3 + 12 = 15
Es gilt:
(a + b) + c = a + (b + c)
(Assoziativgesetz1) der Addition)
(3)
Die Kleinerrelation zwischen zwei natürlichen Zahlen bleibt erhalten,
wenn zu beiden Zahlen die gleiche natürliche Zahl addiert wird,
z. B.: 3 < 5 ⇒ 3 + 6 < 5 + 6
Es gilt:
a<b⇒a+c<b+c
(Monotoniegesetz der Addition)
(4)
a + 0 = 0 + a = a Insbesondere gilt: 0 + 0 = 0
(In diesem Zusammenhang heißt 0 das neutrale Element der
Addition.)
Die Addition ist in N stets ausführbar, d. h. die Summe zweier natürlicher
Zahlen ist stets eine natürliche Zahl.
Die Subtraktion ist die Umkehrung der Addition. Sie ist in N — im Gegensatz zur Addition — nur ausführbar, wenn der Minuend nicht kleiner als
der Subtrahend ist, z. B.: 10 − 4 = 6, 10 − 10 = 0, 4 − 10 = ?
Welche der unter (1) bis (4) aufgezeigten Gesetze für die Addition besitzen auch für die Subtraktion Gültigkeit?
Die Multiplikation entsteht durch verkürzte Schreibweise der Addition von
gleichen Summanden, z. B.: 3 + 3 + 3 + 3 = 4 ⋅ 3 = 12.
Für die Multiplikation natürlicher Zahlen gelten u. a. folgende Gesetze:
(1) Die Faktoren eines Produktes dürfen — ohne Einfluss auf das
Resultat — vertauscht werden,
z. B.: 2 ⋅ 3 = 3 + 3 = 6, 3 ⋅ 2 = 2 + 2 + 2 = 6 ⇔ 2 ⋅ 3 = 3 ⋅ 2
Durch Variable ausgedrückt:
a⋅b=b⋅a
(Kommutativgesetz der Multiplikation2))
(2) Wenn mehr als zwei Zahlen multipliziert werden sollen, können
beliebige Teilprodukte gebildet werden,
z. B.: 2 ⋅ 4 ⋅ 5 = (2 ⋅ 4) ⋅ 5 = 8 ⋅ 5 = 40,
Es gilt:
2 ⋅ 4 ⋅ 5 = 2 ⋅ (4 ⋅ 5) = 2 ⋅ 20 = 40
(a ⋅ b) ⋅ c = a ⋅ (b ⋅ c)
(Assoziativgesetz der Multiplikation)
1)
2)
associare (lat.): sich verbinden.
Das Kommutativgesetz der Multiplikation gilt keinesfalls für alle mathematischen Objekte, für die man sinnvoller Weise eine Multiplikation definieren kann.
Leopold KRONECKER (1823–1891)
war einer der einflussreichsten
Mathematiker des 19. Jahrhunderts.
Nach intensiven mathematischen
Studien in Berlin verwaltete er (mit
großem finanziellen Erfolg) das Erbe
seines Onkels. Als wohlhabender
Privatmann war er somit nicht
gezwungen, einen Lehrstuhl in einer
kleinen Stadt anzunehmen. In
Berlin, dem deutschsprachigen
Zentrum der Wissenschaft des 19.
Jahrhunderts, beschäftigte er sich
mit vielen Teilgebieten der Mathematik. KRONECKER war ein
Anhänger der sogenannten
„konstruktiven“ Mathematik. Er hat
seine Ansichten stets sehr fest
vertreten. Dies führte zu Konflikten
wie zum Beispiel mit CANTOR, den
er als „Verderber der Jugend “ bezeichnete.
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Zahlbereiche und Rechenoperationen
(3) Die Kleinerrelation zwischen zwei natürlichen Zahlen bleibt erhalten,
wenn beide Zahlen mit der gleichen natürlichen Zahl ungleich 0
multipliziert werden, z. B.: 2 < 3 ⇒ 2 ⋅ 5 < 2 ⋅ 5
Es gilt:
a < b ⇒ a ⋅ c < b ⋅ c (c ≠ 0)
(Monotoniegesetz der Multiplikation)
(4) a ⋅ 0 = 0 ⋅ a = 0 und a ⋅ 1 = 1 ⋅ a = a
z. B.: 4 ⋅ 0 = 0 ⋅ 4 = 0; 5 ⋅ 1 = 1 ⋅ 5 = 5
(In diesem Zusammenhang heißt 1 das neutrale Element der Multiplikation.)
Die Multiplikation ist in N stets ausführbar, d. h. das Produkt zweier
natürlicher Zahlen ist stets eine natürliche Zahl.
Die Division ist die Umkehrung der Multiplikation. Sie ist in N nicht immer
ausführbar, z. B.: 6 : 2 = 3, 6 : 7 = ?
Die Division durch 0 ist nicht
definiert!
Wir wollen nun untersuchen, welche
Rechenoperationen ohne
Einschränkung mit zwei natürlichen
Zahlen so durchgeführt werden
können, dass das Ergebnis wieder
eine natürliche Zahl ist.
Man sagt dann in der Mathematik,
die natürlichen Zahlen sind gegenüber dieser Rechenoperation
abgeschlossen.
In unserem Rechenstufensymbol
werden die entsprechenden
Felder schraffiert:
n
()
×
+
Die Division durch 0 ist grundsätzlich unmöglich. Ist b ≠ 0 und wäre b0 = c,
so müsste 0 ⋅ c = b sein, also 0 ⋅ c ≠ 0. Das ist aber nicht möglich. Die
Division b0 hat daher keinen Sinn.
Anhand selbstgewählter Beispiele ist zu zeigen: Das Kommutativgesetz
und das Assoziativgesetz sind für die Division in N nicht gültig!
Einen Zusammenhang zwischen Rechenoperationen verschiedener
Stufen drückt das Distributivgesetz aus,
z. B.: 3 ⋅ (4 + 2) = 3 ⋅ 6 = 18, aber auch 3 ⋅ 4 + 3 ⋅ 2 = 12 + 6 = 18,
d. h. 3 ⋅ (4 + 2) = 3 ⋅ 4 + 3 ⋅ 2.
Dieser Zusammenhang gilt für alle natürlichen Zahlen. Mit Variablen
dargestellt:
a ⋅ (b + c) = a ⋅ b + a ⋅ c
(Distributivgesetz1))
n
÷
Beispiel:
a) 2 ⋅ 9 2 − 4 ⋅ 5 + 7 = 2 ⋅ 81 − 20 + 7 = 162 − 20 + 7 = 149
−
b) 2 ⋅ 9 2 − 4 ⋅ (5 + 7) = 2 ⋅ 81 − 4 ⋅ (12) = 162 − 48 = 114
c) 2 ⋅ (9 2 − 4 ⋅ 5 + 7) = 2 ⋅ (81 − 20 + 7) = 2 ⋅ (68) = 136
Welche Zahlen müssen wir
„hinzu nehmen“, um auch ohne
Einschränkung subtrahieren zu
können?
d) 2 ⋅ (9 2 − 4) ⋅ 5 + 7 = 2 ⋅ 5 ⋅ (81 − 4) + 7 = 10 ⋅ (77) + 7 = 770 + 7 = 777
e) (2 ⋅ 9 2 − 4) ⋅ 5 + 7 = (2 ⋅ 81 − 4) ⋅ 5 + 7 = (162 − 4) ⋅ 5 + 7 =
= (158) ⋅ 5 + 7 = 790 + 7 = 797
1
) distribuere (lat.): verteilen, auseinanderlegen.
27
Zahlbereiche und Rechenoperationen
3. Rechnen mit ganzen Zahlen
Wir benötigen die positiven und die negativen Zahlen, um „gerichtete
Unterschiede“ angeben zu können.
Im täglichen Leben gibt es dafür viele Beispiele:
Temperaturmessung:
Wenn am Tag das Thermometer 4° C anzeigt und die Temperatur in der
Nacht um 6° C fällt, so hat man 2° C „Kälte“. Man bezeichnet auch oft die
„Wärmegrade“ mit einem positiven, die „Kältegrade“ mit einem negativen
Vorzeichen. Dann hat man + 4° C − 6° C = − 2° C
Durch Vereinigung der Menge der
positiven ganzen Zahlen, der Null
und der negativen ganzen Zahlen
erhält man die Menge der ganzen
Zahlen, die mit Z bezeichnet wird:
Z = {…, − 3, − 2, − 1, 0, 1, 2, ...}
Wirtschaft:
Gewinne und Guthaben werden mit positiven Zahlen, Verluste und
Schulden mit negativen Zahlen angegeben.
Höhenangaben:
Geländepunkte, die über dem Meeresspiegel liegen, werden durch
positive Höhenangaben, Geländepunkte die unter dem Meeresspiegel
liegen, durch negative Höhenangaben gekennzeichnet.
Bei Ausführung von Rechenoperationen erster Stufe mit ganzen Zahlen ist
es notwendig, Vorzeichen und Rechenzeichen1) zu unterscheiden. Es ist
üblich — um der Unterscheidung gerecht zu werden — die ganzen Zahlen
in Klammern einzuschließen. (Vgl. Außenspalte!)
Ganze Zahlen können durch regelmäßig angeordnete Punkte auf der
Zahlengeraden veranschaulicht werden. Man schreitet von links nach
rechts zu immer größeren Zahlen fort:
–5
–4
–3
–2
–1
0
1
2
3
4
Die ganzen Zahlen bilden einen
Zahlbereich, in dem jede Subtraktionsaufgabe eine Lösung hat.
Rechenzeichen
↑ ↑
Die Einführung der ganzen Zahlen ist notwendig, um einen Zahlbereich zu
gewinnen, in dem außer der Addition und der Multiplikation auch die
Subtraktion stets ausführbar ist. So hat z. B. die Subtraktion 4 − 10 = ? in N
keine Lösung, während wir in Z diese Aufgabe lösen können. a
Z.B.: (+ 5) − (− 2) + (− 4)
↑
↑
↑
Vorzeichen
5
Ganze Zahlen können aber auch durch Pfeile dargestellt werden, wie die
nebenstehende Figur zeigt.
Zu den Zahlen (− 2) und (+ 2) gehören zwei Pfeile, die die gleiche Länge
haben (nämlich 2), aber entgegengesetzte Orientierung. Die Länge des
Pfeiles bezeichnet man als den Betrag der Zahl und schreibt a .
(− 2) und (+ 2) haben also den gleichen Betrag.
Man schreibt: − 2 = + 2 = 2
Allgemein gilt für a ≥ 0 :
2)
bzw. für a < 0:
Z. B.: + 5 = 5; − 23 = 23,
Definition:
a = a, also z.B. 4 = 4
a = − a, also z.B. − 4 = − (− 4) = 4
0 = 0,
− 1124 = 1124 usw.
Zahlen mit gleichem Betrag, aber verschiedenen Vorzeichen bezeichnet
man als entgegengesetzte Zahlen.
+ 2 und − 2, − 99 und + 99, ... sind Beispiele für entgegengesetzte Zahlen.
1
) Das Vorzeichen wirkt nur auf die eine Zahl danach. Das Rechenzeichen
hingegen verknüpft zwei Zahlen. Auf Taschenrechnern belegt das Minus als
Vorzeichen und als Rechenzeichen verschiedene Tasten.
2
) Das Zeichen „ ≥“ bedeutet „größer oder gleich“. Für „kleiner oder gleich“
schreibt man „ ≤“.
Die „Größe“ einer Zahl unabhängig
von ihrem Vorzeichen heißt
Betrag oder Absolutwert der
Zahl.
Genauer:
a =
a, wenn a ≥ 0
a = − a, wenn a < 0
⇔ a ist stets größer oder gleich 0.
28
Zahlbereiche und Rechenoperationen
Wir wollen nun anhand von Beispielen die schon in der Hauptschule
bzw. AHS-Unterstufe erklärten Grundrechnungsarten mit ganzen Zahlen
wiederholen.
Vorzeichenregeln:
+ (+ a) = + a
+ (− a) = − a
− (+ a) = − a
− (− a) = + a
Beispiel:
a) (− 2) + (+ 4) = − 2 + 4 = 2
b) (− 5) + (− 3) = − 5 − 3 = − 8
c) (+ 4) − (+ 3) = 4 − 3 = 1
d) (+ 17) − (− 8) = 17 + 8 = 25
e) (− 3) − (− 5) = − 3 + 5 = 2
f) (− 4) − (+ 1) = − 4 − 1 = − 5
Beispiel:
(+ a) ⋅ (+ b) = + (a ⋅ b)
(+ a) ⋅ (− b) = − (a ⋅ b)
a) (+ 8) (+ 2) = 16
b) (+ 8) (− 4) = − 32
c) (− 9) (+ 3) = − 27
d) (− 10) (− 2) = 20
(− a) ⋅ (+ b) = − (a ⋅ b)
e) (− 3) (+ 5) (− 1) = (− 15) (− 1) = 15
(− a) ⋅ (− b) = + (a ⋅ b)
f) (− 3) (− 4) (− 1) = (+ 12) (− 1) = −12
Wenn bei einer Multiplikation die Anzahl der negativen Faktoren
ungerade ist, dann ist das Produkt negativ, sonst ist es positiv!
Für b ≠ 0 gilt:
Beispiel:
(+ a) : (+ b) = + (a : b)
a) (+ 8) : (+ 2) = 4
b) (+ 8) : (− 4) = − 2
(− a) : (+ b) = − (a : b)
c) (− 9) : (+ 3) = − 3
d) (− 10) : (− 2) = 5
(− a) : (− b) = + (a : b)
e) 0 : (− 7) = 0
f) (− 3) : (+ 1) = − 3
(+ a) : (− b) = − (a : b)
Bemerkung: Für alle a ≠ 0 gilt: 0 : a = 0, a : 1 = a
Eine Potenz mit negativer Basis
hat einen positiven Wert bei
geradem Exponenten und einen
negativen Wert bei ungeradem
Exponenten.
Beispiel:
a) (+ 2)4 = 16
b) (+ 3)3 = 27
c) (− 2)4 = 16
d) (− 3)3 = − 27
e) (− 1)99 = − 1
f) (− 1)100 = 1
4. Teilbarkeit, Primfaktorenzerlegung, kgV, ggT
Beispiel:
Es sind alle „Teiler“ der Zahl 24 zu bestimmen.
Definition:
Eine natürliche Zahl a (a ≠ 0) wird
Teiler einer natürlichen Zahl b
genannt, wenn es eine natürliche
Zahl q gibt, sodass a ⋅ q = b gilt.
b nennen wir ein Vielfaches von a.
Lösung:
Die Zahl 24 kann durch jede der folgenden Zahlen ohne Rest dividiert
werden: 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24.
1 und 24 sind die trivialen Teiler von 24. Die echten Teiler sind 2, 3, 4,
6, 8, 12.
Gleichzeitig ist 24 ein Vielfaches von 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24.
29
Zahlbereiche und Rechenoperationen
Zunächst einige Teilbarkeitsregeln:
Eine natürliche Zahl ist genau dann
— durch 2 bzw. 5 teilbar, wenn ihre Einerstelle durch 2 bzw. 5 teilbar ist.
— durch 4 bzw. 25 teilbar, wenn die aus ihren zwei letzten Ziffern gebildete
Zahl durch 4 bzw. 25 teilbar ist.
— durch 8 bzw. 125 teilbar, wenn die aus ihren drei letzten Ziffern gebildete Zahl durch 8 bzw. 125 teilbar ist.
— durch 3 bzw. 9 teilbar, wenn ihre Ziffernsumme durch 3 bzw. 9 teilbar
ist.
Es ist auch Aufgabe der Mathematik, Ordnung in die vielfach falsch
verwendeten Begriffe „Zahl“ und
„Ziffer“ zu bringen.
Zahlen sind z. B. die Elemente von
N und Z.
Ziffern sind die Bausteine, aus
denen Zahlen zusammengesetzt
sind.
Richtig:
Beispiel:
Sind die Zahlen a) 2 b) 3 c) 5 d) 25 Teiler der Zahl 4512?
Diese Tabelle ist unleserlich, da die
Ziffern zu klein sind. In dieser Zahl
kommt die Ziffer 1 nicht vor.
Lösung:
a) 4512 ist durch 2 teilbar, weil ihre Einerziffer 2 durch 2 teilbar ist.
Falsch:
b) 4512 ist durch 3 teilbar, weil ihre Ziffernsumme 12 durch 3 teilbar
ist: 4 + 5 + 1 + 2 = 12.
Bei der Budgetdebatte ist von
Ziffern die Rede, die sich niemand
vorstellen kann.
c) 4512 ist nicht durch 5 teilbar, weil ihre Einerziffer 2 nicht durch 5
teilbar ist.
d) 4512 ist nicht durch 25 teilbar, weil das zweistellige Ende 12 nicht
durch 25 teilbar ist.
24 = 8 ⋅ 3
(Wenn eine Zahl nicht durch 5 teilbar ist, ist sie selbstverständlich
auch nicht durch ein Vielfaches von 5 — also etwa 25 — teilbar!) a
Die Zahl 24 lässt sich wie in der Außenspalte dargestellt zerlegen. Somit
kann man die Zahl 24 als Produkt von Primzahlen darstellen: 24 = 2 ⋅ 2 ⋅ 2 ⋅ 3
Auch andere natürliche Zahlen kann man — wie man sagt — in „Primfaktoren zerlegen“. Es gilt sogar der nebenstehende Satz, dass für alle
natürlichen Zahlen größer 1 die Primfaktorenzerlegung möglich ist.
Wie man die Primfaktorenzerlegung ausführen kann, zeigt das nächste
Beispiel.
4 ⋅2
2 ⋅2
Hauptsatz der Teilbarkeit1): Jede
natürliche Zahl n, die größer als 1
ist, lässt sich — abgesehen von
der Reihenfolge der Faktoren —
eindeutig als Produkt von Primzahlen darstellen.
Beispiel:
Für die Zahl 624 ist die Primfaktorenzerlegung zu bestimmen.
Lösung:
Man schreibt zunächst:
624
und bestimmt sodann mit Hilfe der Teilbarkeitsregeln eine der Primzahlen, die in 624
enthalten ist.
624 ist sicher durch 2 teilbar. Es wird dividiert und der Quotient unter 624 geschrieben:
624 2
312 2
156 2
78 2
39 3
13 13
1
1
312 ist wieder durch 2 teilbar,
desgleichen 156
und 78.
39 ist durch 3 teilbar.
13 ist eine Primzahl.
) Auf den Beweis wird verzichtet.
Die Primfaktorenzerlegung von 624 lautet:
624 = 2 ⋅ 2 ⋅ 2 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ 13 = 24 ⋅ 3 ⋅ 13
30
Zahlbereiche und Rechenoperationen
Beispiel:
Für die nachstehenden Zahlen sind die Primfaktorenzerlegungen
zu bestimmen: a) 6930 b) 54684
Soll eine Zahl n ∈N* in Primfaktoren zerlegt werden genügt
es, bei allen Primzahlen
p ≤ n zu probieren, ob sie
Teiler von n sind.
Lösung:
a) 6930
3465
693
231
77
11
1
2
5
3
3
7
11
b) 54684
2
27342 2
13671 3
4557 3
1519 7
217 7
31 31
1
6930 = 2 ⋅ 3 ⋅ 3 ⋅ 5 ⋅ 7 ⋅ 11 =
54684 = 2 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ 3 ⋅ 7 ⋅ 7 ⋅ 31 =
2
= 2 2 ⋅ 3 2 ⋅ 7 2 ⋅ 31
= 2 ⋅ 3 ⋅ 5 ⋅ 7 ⋅ 11
Ist es möglich, dass zwei verschiedene natürliche Zahlen gemeinsame
Vielfache1) haben? Überlegen wir uns diese Frage anhand der Zahlen 4 und 6.
Definition:
Vielfache von 4: 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 36, ...
Das kleinste gemeinsame
Vielfache (kgV) mehrerer natürlicher Zahlen ist jene kleinste Zahl,
die alle gegebenen Zahlen als
Teiler enthält.
Vielfache von 6: 6, 12, 18, 24, 30, 36, ...
Die Zahlen 12, 24, 36, ... sind gemeinsame Vielfache der Zahlen 4 und 6.
Der größte gemeinsame Teiler
(ggT) mehrerer natürlicher Zahlen
ist jene größte Zahl, die Teiler aller
gegebenen Zahlen ist.
Teiler von 24: 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24.
Ist von zwei Zahlen a und b der
größte gemeinsame Teiler
ggT (a, b) = 1, heißen a und b
relativ prim.
12 ist das kleinste gemeinsame Vielfache der beiden Zahlen!
Umgekehrt ist es auch möglich, dass zwei verschiedene natürliche Zahlen
gemeinsame Teiler haben. Wir zeigen dies anhand der Zahlen 24 und 30.
Teiler von 30: 1, 2, 3, 5, 6, 10, 15, 30.
Die Zahlen 2, 3, 6 sind gemeinsame Teiler von 24 und 30.
6 ist der größte gemeinsame Teiler der beiden Zahlen!
Beispiel:
Man ermittle a) das kleinste gemeinsame Vielfache b) den größten
gemeinsamen Teiler der Zahlen 28, 34 und 238.
Kurzschreibweise: a) kgV (28, 34, 238) = ?
b) ggT (28, 34, 238) = ?
Lösung:
Primfaktorenzerlegung:
Das kgV erhält man als das Produkt der höchsten auftretenden
Potenz aller vorkommenden
Primfaktoren.
28 = 2 2 ⋅ 7
34 = 2 ⋅ 17
238 = 2 ⋅ 7 ⋅ 17
Den ggT erhält man als das Produkt der niedrigsten Potenz der
in jeder Zahl vorkommenden
Primfaktoren.
28 2
14 2
7 7
1
a) kgV (28, 34, 238) = 2 2 ⋅ 7 ⋅ 17 = 476
34 2
17 17
1
238 2
119 7
17 17
1
b) ggT(28, 34, 238) = 2
) Da die Zahl 0 durch jede natürliche Zahl a ≠ 0 teilbar ist, ist die Zahl 0 auch ein
Vielfaches von jeder natürlichen Zahl a ≠ 0, wird aber bei der Bestimmung von
gemeinsamen Vielfachen nicht berücksichtigt.
1
31
Zahlbereiche und Rechenoperationen
5. Rechnen mit rationalen Zahlen
5
, 145
Beispiele für Bruchzahlen bzw. Brüche: 78 , − 122
2 , ...
Brüche lassen sich auf verschiedene Weise darstellen. Zwei wichtige
Deutungen sollen am Beispiel 23 gegeben werden:
Einheit
Einheit
7448
6144
74486144
Einheit
6144
7448
Zwei Drittel der Einheit:
2⋅
1
3
=
Ein Drittel von zwei Einheiten:
2
3
(2 ⋅ 1) : 3 = 2 : 3
So gesehen kann man also sagen: Der Bruchstrich ist eine andere
Schreibweise für das Divisionszeichen bzw. ein Bruch ist eine nicht
ausgeführte Division. Führt man die Division aus, erhält man eine Dezimalzahl: den Wert des Bruches.
3
4
= 0,75
5
18
= 0,27˙ 1)
− 94
11
˙ ˙ 2)
= − 8,54
a
Jeder Bruch hat die Form b für
a, b ∈Z, b ≠ 0 (Die Division durch 0
hat ja keinen Sinn!):
Zähler
Bruchstrich
Nenner
↑ ↑ ↑
Bruchzahlen werden eingeführt, um auch Teile von „ganzen Einheiten“ in
Zahlen erfassen zu können, z. B. „ein halbes kg Äpfel“, „zwei Drittel der
Klasse sind Mädchen“, ...
a
b
Die Bruchzahlen (also diejenigen
Zahlen, welche sich als Quotient
ganzer Zahlen ergeben) heißen
auch rationale Zahlen.
Q=
{ ab a ∈ Z ∧ b ∈ Z \ {0}}
Die Menge Q aller rationalen
Zahlen enthält die Menge Z als
echte Teilmenge: Z ⊂ Q
Wert des Bruches
Die so entstehenden Zahlen heißen rationale Zahlen.
In der Menge der rationalen Zahlen kann man unbeschränkt addieren,
subtrahieren, multiplizieren und dividieren (wenn der Divisor ungleich Null
ist).
Wie man mit Brüchen rechnet, bestimmen die Regeln der Bruchrechnung.
Diese wurden im Mathematikunterricht vergangener Jahre ausführlich
behandelt. Wir beschränken uns auf eine kurze Wiederholung von
Begriffen und Regeln3).
— Ein Bruch, dessen Betrag kleiner als 1 ist, heißt echter Bruch,
7
z.B.: 21 , 35 , 10
, ...
— Ein echter Bruch, dessen Zähler 1 ist, heißt Stammbruch,
1
z.B.: 21 , 31 , 51 , − 20
, ...
Auch ganze Zahlen lassen sich als
Bruchzahlen schreiben,
5
— Brüche mit ungleichen Nennern heißen ungleichnamig, z.B.: 45 , 75 ,
19
, ...
3
1)
2)
3)
0,27˙ = 0,277777...
˙ ˙ = − 8,54545454...
− 8,54
Bei den meisten Beispielen werden positive Brüche verwendet, trotzdem gilt
alles sinngemäß auch für negative Brüche!
10
15
12
Das nachstehende „Struktogramm“, in dem a und b stellvertretend für ganze Zahlen stehen,
gibt Auskunft über die Vorzeichenregeln bei Brüchen:
Vorzeichen von a =
Vorzeichen von b
— Ein Bruch, dessen Nenner eine Zehnerpotenz ist, heißt Dezimal3
5
1701
bruch, z. B.: − 10
= − 0,3, 100
= 0,05, 1000
= 1,701, ...
— Brüche mit gleichen Nennern heißen gleichnamig, z.B.: 45 , 75 , 95 , ...
8
5 = 1 = 2 = 3 usw. Die Menge
aller Bruchzahlen bildet somit eine
Erweiterung der ganzen Zahlen.
— Ein Bruch, dessen Betrag größer als 1 ist, heißt unechter Bruch,
z.B.: 52 , 17
, 128 , ...
9 127
— lst der Zähler eines Bruches gleich dem Nenner eines anderen und
umgekehrt, so heißen die Brüche zueinander reziprok, z. B.: 37 und 73 ,
15
und 19
, ...
19
15
4
z. B. 4 = 1 = 2 = 3 ,
Ja
Vorzeichen
a
von b
:+
Nein
Vorzeichen
a:–
von b
32
Zahlbereiche und Rechenoperationen
Was ist eine „gemischte Zahl“?
Neben den in der Hauptspalte
angeführten Formänderungen von
Zahlen, die den Zahlenwert
unverändert lassen, gibt es noch
weitere:
Da man jeden unechten Bruch in eine ganze Zahl und einen echten
Bruch aufspalten kann, lässt sich jeder unechte Bruch als gemischte
Zahl anschreiben, z. B.: 43 = 33 + 31 = 1 + 31 = 1 31
Zwischen der ganzen Zahl und dem echten Bruch hat man sich ein
Additionszeichen zu denken! Umgekehrt kann natürlich jede gemischte
+ 75 = 17
Zahl als unechter Bruch geschrieben werden, z. B.: 2 75 = 10
5
5
Beispiel:
Erweitern und Kürzen
a) 54 ist mit 6 zu erweitern. b) 12
ist so weit wie möglich zu kürzen.
18
Erweitern heißt: Zähler und
Nenner eines Bruches mit der
gleichen Zahl a ≠ 0 (a ∈Z)
multiplizieren.
Kürzen heißt: Zähler und Nenner
eines Bruches durch die gleiche
Zahl a ≠ 0 (a ∈Z) dividieren1).
Lösung:
5
5⋅6
30
:6
a) 4 = 4 ⋅ 6 = 24 b) 12
= 12
= 23 Der Bruch wurde „durch 6 gekürzt“.
18
18 : 6
Man beachte: Wenn man erweitert oder kürzt, ändert sich der Wert des
Bruches nicht.
Wann ist es sinnvoll, einen Bruch zu kürzen? Die Antwort lautet: Meistens,
wenn es möglich ist. Denn durch das Kürzen rechnet man mit kleineren
Zahlen und erspart sich viel Rechenarbeit. „Erst kürzen, dann rechnen“ ist
ein Rat, den man wirklich befolgen sollte.
Und was nützt es einen Bruch zu erweitern? Nun: Wenn Brüche mit verschiedenen Nennern, sogenannte ungleichnamige Brüche, auf einen
gemeinsamen Nenner — den Hauptnenner — gebracht werden sollen,
muss man die Brüche entsprechend erweitern.
Beispiel:
3 5
9
, 34 , 238
Die Brüche 28
sind auf gemeinsamen Nenner zu bringen! Anders formuliert: Die gegebenen
Brüche sind gleichnamig zu machen.
Lösung:
Jedes gemeinsame Vielfache der Nenner 28, 34 und 238 kann als gemeinsamer Nenner gewählt werden.
Um die Zahlen aber möglichst klein zu halten, wählt man als Hauptnenner HN das kleinste gemeinsame
Vielfache aller Einzelnenner. Es wird also zunächst das kgV (28, 34, 238) bestimmt:
kgV (28, 34, 238) = ..... = 2 2 ⋅ 7 ⋅ 17 = 476 (vgl. Seite 30)
Nun wird jeder Bruch mit genau den Faktoren erweitert, die seinem Nenner zum Hauptnenner „fehlen“.
3 ⋅ 17
51
= 476
17 ⋅ 2 2 ⋅ 7
5
70
= 2 ⋅52⋅ ⋅27⋅ ⋅717 = 476
34
9
18
= 17 ⋅92⋅⋅22 ⋅ 7 = 476
238
3
28
=
(Erweiterungsfaktor: 17)
(Erweiterungsfaktor: 2 ⋅ 7 = 14)
(Erweiterungsfaktor: 2)
Addition und Subtraktion von
Brüchen
Gleichnamige Brüche werden
addiert bzw. subtrahiert, indem
man die Zähler addiert bzw.
subtrahiert, der Nenner bleibt
unverändert.
Ungleichnamige Brüche werden
vor dem Addieren bzw. Subtrahieren gleichnamig gemacht, indem
man sie auf den Hauptnenner
(= das kleinste gemeinsame
Vielfache) erweitert.
Beispiel:
a) 45 + 35 − 25 = 4 + 35 − 2 = 55 = 1
11
3
4
11 − 3 − 17 + 4
5
− 10
− 17
= − 10
= − 21
b) 10
10 + 10 =
10
Beispiel:
a) 38 + 41 = 38 + 28 = 85
1)
3
21
16
5
− 71 = 112
− 112
= 112
b) 16
Genau genommen müssen Zähler und Nenner einen gemeinsamen Teiler
haben, damit man durch diesen kürzen kann.
33
Zahlbereiche und Rechenoperationen
Beispiel:
a) 73 ⋅ 45 = 73 ⋅⋅ 54 = 12
35
8 5 2
b) 15
⋅ 3 ⋅ 11 =
1
8 ⋅ 5/ ⋅ 2
15
/ ⋅ 3 ⋅ 11
3
Multiplikation und Division von
Brüchen
=
16
99
Hinweis: Vor der Ausführung der Multiplikation wird — wenn es
möglich ist — gekürzt!
Beispiel:
a) 73 : 45 = 73 ⋅ 54 = 15
28
(
4
)
1
8 5
2
8/ 3/ 11 44
⋅ ⋅
b) 15 : 3 : 11 = 15
/ 5 2/ = 25
5
1
Da wir die Division in Q auf die Multiplikation zurückgeführt haben, gilt: In der
Menge der rationalen Zahlen ist jede Division — mit Ausnahme der durch 0 —
durchführbar.
Bruchzahlen lassen sich — wie die ganzen Zahlen — auch als Punkte
oder Pfeile auf der Zahlengeraden darstellen.
Es gilt: Je kleiner (größer) die Zahl ist, desto weiter links (rechts) liegt sie
auf der Zahlengeraden.
Wir wissen, dass sich jede Bruchzahl als Dezimalzahl schreiben lässt:
5
= 5 : 4 = 1,25; 1 = 1: 3 = 0,333... = 0,3˙ usw.
4
3
Außer den endlichen Dezimalzahlen können also dabei auch unendliche
periodische Dezimalzahlen auftreten.
Umgekehrt kann man jede endliche und jede periodische Dezimalzahl als
Bruch schreiben:
3
7
1,37 = 1 + 10
+ 100
= 137
100
˙ ˙ = 32,3232 ... ⎫⎪
˙ ˙ = 32
Erklärung: 100x = 32,32
x = 0,32
−
99
˙ ˙ = 0,3232 ...⎬⎪
x = 0,32
⎭
99x = 32
x=
32
99
Die Menge Q der rationalen Zahlen ist also die Vereinigung der Menge
der endlichen und der periodischen Dezimalzahlen.
Gibt es jetzt überhaupt noch Zahlen, die wir bisher nicht berücksichtigt
haben? Auf unserer Zahlengeraden bleibt doch — zumindest optisch —
kein „Loch“ mehr frei!
Das händische Quadratwurzelziehen wurde bis vor ca. 20 Jahren
gelehrt. Ein einziges Mal wollen wir uns dieses Verfahren vor Augen
führen:
2 = 1,414
1 00 24 ⋅ 4
4 00 281⋅ 1
119 00 2824 ⋅ 4
Wir erkennen: Der Divisor wird immer größer. Wir können deshalb, wenn
die Wurzel „nicht aufgeht“ niemals auf eine Periode kommen, wie es bei
nicht aufgehenden Brüchen immer der Fall war. 2 = 1,414 ... lässt sich
nicht als Quotient zweier ganzer Zahlen darstellen.1)
Es gibt also Dezimalzahlen, die nicht rational sind. Man nennt sie
irrationale Zahlen, z. B. 0,20220222022220...
Diese Zahl kann nicht rational sein, da sich beim Dividieren einer ganzen
Zahl durch eine andere ganze Zahl (≠ 0) stets entweder eine endliche
oder eine periodische Dezimalzahl ergibt!
1)
Diese anschauliche Überlegung ist natürlich kein Beweis.
Brüche werden multipliziert,
indem man das Produkt der
Zähler in den Zähler und das
Produkt der Nenner in den
Nenner setzt.
Man dividiert durch einen Bruch,
indem man den Dividenden mit
dem reziproken Bruch des Divisors
multipliziert.
35
15
–3
7
3
–2
2 13
.
–1
9
15
0
.
15
9
2,3
1
1,6
2
36
10
0,6
3
4
3,6
In unserem Rechenstufensymbol
schraffieren wir jene Rechenoperationen, die ohne Einschränkung mit rationalen Zahlen
durchgeführt werden können,
sodass das Ergebnis wieder eine
rationale Zahl ist:
( )n
n
×
÷
+
−