Invarianten - was ist das? Und wozu braucht

Invarianten - was ist das?
Und wozu braucht man sie?
Peter Lesky (Universität Stuttgart)
Vortrag am Mathematik-Tag
26. September 2009
1
Schachbrettaufgabe
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Schachbrettaufgabe
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3
Schachbrettaufgabe
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4
Schachbrettaufgabe
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5
Schachbrettaufgabe
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6
Chamäleons
Im Terrarium eines Tierparks tummeln sich 13 rote, 15 grüne und
17 blaue Chamäleons. Treffen zwei verschiedenfarbige Chamäleons aufeinander, ändern sie ihre Farbe in die dritte. Kann es passieren, dass alle
dieselbe Farbe annehmen?
r
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b
13
15
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7
Chamäleons
Im Terrarium eines Tierparks tummeln sich 13 rote, 15 grüne und
17 blaue Chamäleons. Treffen zwei verschiedenfarbige Chamäleons aufeinander, ändern sie ihre Farbe in die dritte. Kann es passieren, dass alle
dieselbe Farbe annehmen?
r
g
b
g−r
b−r
b−g
13
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17
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12
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8
14-15-Zahlenpuzzle
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13 14 15
Samuel Loyd (1841 - 1911)
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14-15-Zahlenpuzzle
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13 14 15
9
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13 15 14
10
14-15-Zahlenpuzzle
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13 14 15
1000 $
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13 15 14
11
14-15-Zahlenpuzzle
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14-15-Zahlenpuzzle
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14-15-Zahlenpuzzle
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10 11 12
13 14 15
Unordnungszahl:
U = 0
Keine Paare in falscher Reihenfolge
14
14-15-Zahlenpuzzle
1
2
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7
8
9
10 11 12
13 14 15
Unordnungszahl:
U = 0 0
Keine Paare in falscher Reihenfolge
15
14-15-Zahlenpuzzle
1
2
3
4
5
6
7
8
10 11 12
9
13 14 15
Unordnungszahl:
U = 3 0 0
Paare in falscher Reihenfolge:
(10, 9), (11, 9), (12, 9)
16
14-15-Zahlenpuzzle
1
2
3
4
Unordnungszahl:
5
6
7
8
U = 3 3 0 0
10 11 12
9
13 14 15
Paare in falscher Reihenfolge:
(10, 9), (11, 9), (12, 9)
17
14-15-Zahlenpuzzle
1
2
3
4
5
6
7
8
10 11 12 15
9
13 14
Unordnungszahl:
U = 6 3 3 0 0
Paare in falscher Reihenfolge:
(10, 9), (11, 9), (12, 9),
(15, 9), (15, 13), (15, 14)
18
14-15-Zahlenpuzzle
1
2
3
4
5
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8
10 11 12 15
9
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14
Unordnungszahl:
U = 6 6 3 3 0 0
Paare in falscher Reihenfolge:
(10, 9), (11, 9), (12, 9),
(15, 9), (15, 13), (15, 14)
19
14-15-Zahlenpuzzle
1
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3
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5
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7
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10 11
9
15
13 12 14
Unordnungszahl:
U = 7 6 6 3 3 0 0
Paare in falscher Reihenfolge:
(10, 9), (11, 9), (15, 9), (15, 13)
(15, 12), (15, 14), (13, 12)
20
14-15-Zahlenpuzzle
1
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4
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10 11 15
9
13 12 14
Unordnungszahl:
U = 7 7 6 6 3 3 0 0
Paare in falscher Reihenfolge:
(10, 9), (11, 9), (15, 9), (15, 13)
(15, 12), (15, 14), (13, 12)
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14-15-Zahlenpuzzle
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10 11 15
13 12 14
Unordnungszahl:
U = 4 7 7 6 6 3 3 0 0
Paare in falscher Reihenfolge:
(15, 13), (15, 12), (15, 14), (13, 12)
22
14-15-Zahlenpuzzle
1
2
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5
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10 11 15
13 12 14
Unordnungszahl:
U = 4 4 7 7 6 6 3 3 0 0
Paare in falscher Reihenfolge:
(15, 13), (15, 12), (15, 14), (13, 12)
23
14-15-Zahlenpuzzle
1
2
3
4
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7
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9
10 11
13 12 14 15
Unordnungszahl:
U = 1 4 4 7 7 6 6 3 3 0 0
Paare in falscher Reihenfolge:
(13, 12)
24
14-15-Zahlenpuzzle
1
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7
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U
0
Z
4
U +Z 4
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U
0
Z
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U +Z 4
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14-15-Zahlenpuzzle
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U
3
Z
3
U +Z 6
0
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14-15-Zahlenpuzzle
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3
Z
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U +Z 6
0
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28
14-15-Zahlenpuzzle
1
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U
6 3
Z
4 3
U + Z 10 6
0
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4
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14-15-Zahlenpuzzle
1
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U
6 3
Z
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U + Z 10 6
0
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14-15-Zahlenpuzzle
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7 6 3
Z
3 4 3
U + Z 10 10 6
0
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31
14-15-Zahlenpuzzle
1
5
2
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8
U
7 6 3
Z
3 4 3
U + Z 10 10 6
0
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10 11 15
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14-15-Zahlenpuzzle
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U
4
Z
4
U +Z 8
7 6 3
3 4 3
10 10 6
0
4
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10 11 15
13 12 14
33
14-15-Zahlenpuzzle
1
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U
4
Z
4
U +Z 8
7 6 3
3 4 3
10 10 6
0
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4
10 11 15
13 12 14
34
14-15-Zahlenpuzzle
1
5
9
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8
U
1
Z
3
U +Z 6
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3 4 3
10 10 6
0
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10 11
13 12 14 15
35
14-15-Zahlenpuzzle
1
2
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5
6
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5
6
7
8
9
10 11 12
13 14 15
U + Z = 4, I = 0
9
10 11 12
13 15 14
U + Z = 5, I = 1
36
Teilen mit Rest
Satz: Sind m, n natürliche Zahlen mit n ≤ m, so gibt es eindeutig bestimmte natürliche Zahlen q, r, so dass gilt:
m = q·n+r
mit 0 ≤ r < n
Satz: Seien m, n, q, r wie oben. Dann gilt:
ggT(m, n) = ggT(n, r)
37
Teilen mit Rest
Satz: Sind m, n natürliche Zahlen mit n ≤ m, so gibt es eindeutig bestimmte natürliche Zahlen q, r, so dass gilt:
m = q·n+r
mit 0 ≤ r < n
Satz: Seien m, n, q, r wie oben. Dann gilt:
ggT(m, n) = ggT(n, r)
38
Teilen mit Rest
Satz: Sind m, n natürliche Zahlen mit n ≤ m, so gibt es eindeutig bestimmte natürliche Zahlen q, r, so dass gilt:
m = q·n+r
mit 0 ≤ r < n
Satz: Seien m, n, q, r wie oben. Dann gilt:
ggT(m, n) = ggT(n, r)
39
Euklidischer Algorithmus
Gesucht: ggT(a, b)
Lösungsverfahren:
=
=
=
..
rn−3 =
rn−2 =
a
b
r1
q1 · b
q2 · r1
q3 · r2
+ r1
+ r2
+ r3
qn−1 · rn−2 + rn−1
qn · rn−1
+0
⇒
ggT(a, b) = rn−1
Euklid von Alexandria: 325 – 265 v.C.
40
Polyeder
Definitionen:
Eine Menge M heißt konvex, wenn für je zwei beiliebige Punkt aus M
deren Verbindungsstrecke ganz in M liegt.
Eine Menge heißt beschränkt, wenn eine Kugel (mit endlichem Radius)
existiert, in der M ganz enthalten ist.
41
Polyeder
Definitionen:
Eine Menge M heißt konvex, wenn für je zwei beiliebige Punkt aus M
deren Verbindungsstrecke ganz in M liegt.
Eine Menge heißt beschränkt, wenn eine Kugel (mit endlichem Radius)
existiert, in der M ganz enthalten ist.
42
Polyeder
Definitionen:
Eine Menge M heißt konvex, wenn für je zwei beiliebige Punkt aus M
deren Verbindungsstrecke ganz in M liegt.
Eine Menge heißt beschränkt, wenn eine Kugel (mit endlichem Radius)
existiert, in der M ganz enthalten ist.
43
Polyeder
44
Polyeder
Anzahl Kanten:
Anzahl Ecken:
Anzahl Flächen:
Vermutung:
K −→ K + 4
E −→ E + 1
F −→ F + 3
E + F − K = invariant
45
Polyeder
Anzahl Kanten:
Anzahl Ecken:
Anzahl Flächen:
Vermutung:
K −→ K + n
E −→ E + 1
F −→ F + n − 1
E + F − K = invariant
46
Polyeder
Eulersche Polyederformel:
Für ein beschränktes konvexes Polyeder gilt E + F − K = 2.
gefunden 1640 von René Descartes,
47
Polyeder
Eulersche Polyederformel:
Für ein beschränktes konvexes Polyeder gilt E + F − K = 2.
gefunden 1640 von René Descartes,
wiederentdeckt 1752 von Leonhard Euler
48