MatheMatisches KnobelMosaiK

Roland Mildner
MatheMatisches
KnobelMosaiK
Denksport für alle …
Roland Mildner:
Mathematisches
Knobelmosaik
Denksport für alle
Roland Mildner
Mathematisches
Knobelmosaik
Denksport für alle
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Roland Mildner:
Mathematisches Kobelmosaik: Denksport für alle …
RabenStück Verlag: Berlin, 2015
ISBN 978-3-935607-72-8
ISBN 978–3–935607–72–8
©2015 RabenStück Verlag®
Dr. Uwe Großer | Postfach 52 01 15 | 12591 Berlin
Fon: +49 30 56400807 | Fax: +49 3212 RabenSt (7223678)
eMail: [email protected] | Web: www.RabenStueck.de
Alle Rechte vorbehalten.
Produktion: RabenStück Verlag. Titel unter Verwendung der Fotos
von © GlobalStock | istockphoto.com und © Windorias | pixelio.de
sowie Motiven des Autors. Autorenporträt: privat.
Druck: SDV Direct World GmbH Dresden
Inhalt
Vorwort …………………………………………………………………………… 9
1 Zahlen und Rechnen ……………………………………… 11 | 127
2 Knifflige Zahlensuche ……………………………………… 17 | 131
3 Geheimnisvolle Arithmetik ………………………………… 20 | 135
4 Magische Figuren ……………………………………………… 24 | 137
5 Gleich ist gleich ………………………………………………… 33 | 143
6 Auf seltsamen Wegen ………………………………………… 37 | 146
7 Logisch gedacht ………………………………………………… 44 | 150
8 Geometrie in der Ebene ……………………………………… 51 | 154
9 Geometrie im Raum …………………………………………… 58 | 160
10 Geometrische Logeleien ……………………………………… 63 | 163
11 Puzzlespiele ……………………………………………………… 68 | 167
12 Domino-Knobeleien …………………………………………… 74 | 170
13 Schach-Spielereien ……………………………………………… 79 | 173
14 Rätsel kreuz und quer ………………………………………… 84 | 177
15 Geschüttelt und versteckt …………………………………… 92 | 179
16 Weitere Wort-Knobeleien …………………………………… 97 | 182
17 Eine Knobelreise durch Deutschland ………………… 107 | 184
18Finish: Die Trio-Würfel
(Dreifarben-Bauwürfel) …………………………………… 117 | 189
Biografisches ………………………………………………………………… 191
Einleitung
Vorwort
Das Buch wendet sich an alle Menschen, die gern knobeln und raten, die gern mathematische Probleme lösen, die gern Denksport aller
Art betreiben und Freude daran finden.
Man kann es auch so ausdrücken: Es wendet sich an alle mathematisch interessierten Nichtmathematiker, Tüftler, Knobler und Rätselfreaks, die einfach Spaß am Lösen kniffliger Probleme haben und
mathematische Denkarbeit nicht scheuen.
Insbesondere wendet sich das Buch an mathematisch interessierte
Schüler/innen, Leiter/innen mathematischer Arbeitsgemeinschaften
und an Mathematiklehrer/innen, denen es eine Vielzahl mathematischer und anderer Knobeleien unterschiedlicher Art bietet; sei es
für den Lehrenden zur interessanten Gestaltung und Auflockerung
des Unterrichts oder der außerunterrichtlichen Tätigkeit; sei es für
den Lernenden zum unterhaltsamen Erwerb oder zur Festigung von
mathematischem Wissen und Können.
Dabei denke ich auch an interessierte Naturwissenschaftler/innen,
Ingenieure und Studierende dieser Fachrichtungen. Und selbst für
Berufs-Mathematiker/innen kann das Buch interessant sein, denn an
einigen ‚harten Nüssen‘ dürften auch sie zu knacken haben.
Das Buch wendet sich somit an alle, ob groß, klein, alt oder jung.
Es wendet sich an die ganze Familie, an Singles und auch an die
große Zahl der Ruheständler/innen, die durch das Lösen solcher Knobeleien ihr Gehirn bis ins hohe Alter trainieren können.
Das Buch liefert also viele knifflige Möglichkeiten zu einer sinnvollen und geistig vergnüglichen Freizeitgestaltung. Die Beschäftigung
mit den mathematischen Problemen und Knobeleien des Buches
lohnt sich für jedermann, denn es werden neben mathematischen
Fähigkeiten und Fertigkeiten vor allem logisches Denkvermögen,
Scharfsinn, Abstraktionsfähigkeit, Kombinationsgabe, Geduld und
Ausdauer geschult und auch entwickelt.
Das Buch enthält in 18 Kapiteln eine Auswahl der gelungensten
mathematischen Knobeleien und Problemstellungen, die der Autor
im Laufe der vergangenen 30 Jahre in Hobbytätigkeit selbst entwi-
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Mathematisches Knobelmosaik
ckelte und zwar als Autor bzw. Mitautor von einigen Knobelspalten
in Tageszeitungen und Zeitschriften. Dabei umfassen diese Kapitel
die Gebiete Arithmetik, Zahlentheorie, Algebra, Kombinatorik, Logik,
Geometrie, Spiele sowie Rätsel und verschiedene Wortknobeleien. Die
ersten 16 Kapitel enthalten jeweils Knobeleien von einem bestimmten
Aufgabentypus, der durch die Kapitel-Überschrift deutlich wird, z. B.
‚Knifflige Zahlensuche‘, ‚Geometrie in der Ebene‘ oder ‚Domino-Spielereien‘. Das 17. Kapitel enthält Knobeleien von unterschiedlichem
mathematischem Aufgabentypus, in denen der Leser eine Knobelreise
durch Deutschland (Städte und Gebäude, Flüsse, Seen, Gebirge u. a.)
unternehmen kann. Im abschließenden Kapitel werden die vom Autor
entwickelten ‚Trio-Würfel‘ vorgestellt. Der sich anschließende Teil des
Buches enthält ausführliche Lösungen aller im Buch enthaltenen 244
Aufgaben.
Das Lösen der Knobeleien, die von unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad sind, erfordert natürlich ein gewisses mathematisches
Grundwissen sowie einige mathematische Fähigkeiten und Fertigkeiten, teilweise aber auch nur gesunden Menschenverstand. Die
Schulkenntnisse der Mathematik sind fast immer ausreichend. Einige
Aufgaben sind mit einem * gekennzeichnet; das sind besonders ‚harte Nüsse‘ – gewissermaßen für die ‚Mathe-Genies‘ unter den Leserinnen und Lesern. Viele der Aufgaben und deren Lösungen sind aufs
engste mit Abbildungen verbunden, so dass die Probleme vielfach in
anschaulicher Weise zu Tage treten.
Übrigens: Ein solches Buch mit mathematischen Knobeleien sollte
nicht wie ein Roman von vorn nach hinten gelesen werden. Hier
darf man hin- und herspringen. Jeweils ein einzelnes Problem sollte
herausgegriffen, dieses gründlich durchdacht und versucht werden,
selbstständig eine Lösung zu finden, bevor man den ausführlichen
Lösungsteil als Rettungsring benutzt.
Und nun wünsche ich Ihnen und euch ‚mentale Fitness‘ beim
‚Denksport für alle‘ ...
Roland Mildner
10
Zahlen und Rechnen
1Zahlen und Rechnen
A 1.1 Von 1 bis 2020
Wenn man alle natürlichen Zahlen von 1 bis 2020 aufschreiben
würde, wie oft müsste man dann die Ziffer ‚1‘ schreiben?
A 1.2 Zahlenvielfalt
Bilden Sie mit den jeweils gegebenen vier Ziffern
a) 1, 2, 3, 4; b) 0, 1, 2, 3 und c) 1, 1, 2, 2
möglichst viele verschiedene vierstellige natürliche Zahlen!
A 1.3 Charakteristische Wege
In der abgebildeten Figur sind Wege von A nach B entlang der
Linien zu finden, die nur über Zahlen mit bestimmten Eigenschaften
führen. Auf solch einem Weg darf aber jedes Kästchen nur höchstens
einmal überquert werden. Finden Sie alle derartigen Wege, die
a)nur über gerade Zahlen,
b)nur über ungerade Zahlen,
c)nur über Primzahlen führen!
A 1.4 Lauter Primzahlen
Ein hochbetagtes und mathematisch interessiertes Ehepaar wird
am Tage seiner steinernen Hochzeit nach dem Alter befragt. Scherzhaft spricht der Mann: „Mein Alter erhalten Sie, wenn Sie die kleinste
dreistellige und die kleinste vierstellige Primzahl addieren und hiervon die größte dreistellige Primzahl subtrahieren.“ Seine Frau steht
11
Mathematisches Knobelmosaik
ihm nicht nach und spricht: „Mein Alter erhalten Sie, wenn Sie die
kleinste zweistellige, die größte zweistellige und die größte dreistellige Primzahl addieren und hiervon die kleinste vierstellige Primzahl
subtrahieren.“ Wie alt ist jeder der beiden Jubilare?
A 1.5 Vollkommene Zahlen
Schreiben Sie von jeder der drei Zahlen 6, 28 und 496 die echten
natürlichen Teiler (einschließlich der 1) auf, und bilden Sie in jedem
Falle deren Summe! Was stellt man fest?
(Beispielsweise sind die echten natürlichen Teiler der Zahl 18 die
Zahlen 1, 2, 3, 6 und 9, deren Summe 21 beträgt.)
A 1.6 Zahlenfreundschaft
a) Ermitteln Sie alle echten natürlichen Teiler der Zahl 220 und bilden Sie deren Summe! Ermitteln Sie danach alle echten natürlichen
Teiler dieser Summe und bilden Sie wieder deren Summe!
b) Führen Sie das unter a) genannte Verfahren jetzt mit der Ausgangszahl 1184 durch!
Was stellen Sie in jedem der beiden Fälle fest?
A 1.7 Zahlen-Anzahl
Wie viele dreistellige natürliche Zahlen gibt es, bei denen die erste
und die dritte Grundziffer gleich sind, und deren mittlere Grundziffer
jeweils kleiner als diese (erste bzw. dritte) Grundziffer ist?
A 1.8 Glückszahl ‚7‘
Wie viele dreistellige natürliche Zahlen gibt es, deren Quersumme
7 beträgt?
A 1.9 Kreuz und quer 1
Tragen Sie in die Leerfelder der abgebildeten Quadratfigur natürliche Zahlen so ein, dass sich in den drei durchgängigen Zeilen und
Spalten wahre Gleichungen ergeben. Zur Eintragung dürfen aber nur
a) die Zahlen 1, 2, 3, 4 und 5 sowie
b) die Zahlen 1, 2, 3 und 4 sowie
c) die Zahlen 1, 2 und 3
12
Zahlen und Rechnen
verwendet werden, wobei jede dieser fünf bzw. vier bzw. drei Zahlen
mindestens einmal auftreten soll.
_
_
+
=
+
_
=
=
=
=
+
=
A 1.10 Kreuz und quer 2*
Tragen Sie in die abgebildete Quadratfigur die natürlichen Zahlen
von 1 bis 16 so ein, dass sich in den vier durchgängigen Zeilen und
Spalten wahre Gleichungen ergeben. Finden Sie mindestens zwei verschiedene derartige Eintragungen!
A 1.11 Kreuz und quer 3*
In die abgebildete Quadratfigur sollen die natürlichen Zahlen von
1 bis 16 so eingetragen werden, dass sich in den vier durchgängigen
Zeilen und den zwei Spalten wahre Gleichungen ergeben. Finden Sie
mindestens zwei verschiedene derartige Eintragungen!
_
+
=
_
.
. _ =
_
_
=
:
+
+
=
_
=
=
13
Mathematisches Knobelmosaik
A 1.12 Zahlen-Zweierlei
Stellen Sie jede der ganzen Zahlen n von 0 bis 9 durch fünf Zweien
dar, indem Sie zwischen diese jeweils vier der mathematischen Operationszeichen ‚+‘ (plus), ‚-‘ (minus), ‚x‘ (mal) oder ‚:‘ (geteilt durch)
setzen. Man beachte: Da keine Klammern benutzt werden sollen, so
geht Punkt- vor Strichrechnung.
Zusatz: Versuchen Sie, für jede solche Zahl mindestens zwei verschiedene Darstellungsmöglichkeiten zu finden!
n=2¨2¨2¨2¨2
A 1.13 Zahlen-Dreierlei
Stellen Sie jede der natürlichen Zahlen n von 0 bis 9 durch fünf
Dreien dar, indem Sie wie in Aufgabe 1.12 (ohne Zusatz) verfahren!
n=3¨3¨3¨3¨3
A 1.14 Zahlen-Viererlei
Stellen Sie jede der ganzen Zahlen n von 0 bis 9 durch vier Vieren
dar, indem Sie wie in Aufgabe 1.12 (ohne Zusatz) verfahren! Hierbei
dürfen aber zusätzlich auch Klammern und das Fakultätszeichen ‚!‘
benutzt werden (n! ist das Produkt aller natürlichen Zahlen von 1 bis
n, d. h. n! = 1 · 2 · 3 · ... · n).
n=4¨4¨4¨4
A 1.15 Ergebnis Elf
In der abgebildeten Figur setze man in die freien Felder zwischen
die spiralförmig und entgegen dem Uhrzeigersinn angeordneten natürlichen Zahlen von 1 bis 10 mathematische Operationszeichen so
ein, dass das Endergebnis 11 beträgt! Man benutze dazu
a)nur die Zeichen Plus (+) und Minus (-) und
b)die Zeichen Plus, Minus, Mal (·) und Geteilt durch (:). Man beachte
hierbei: Da keine Klammern verwendet werden sollen, so geht Punktvor Strichrechnung.
1
8
9
2
14
7
10
3
=
4
6
11
5
Zahlen und Rechnen
A 1.16 Hölzchen-Arithmetik
Die abgebildeten und aus gleich langen Hölzchen aufgelegten
Gleichungen sind offenbar alle falsch. Man braucht aber in jeder
Gleichung nur jeweils 1 Hölzchen umzulegen, um wahre Gleichungen zu erhalten. Wie sehen die berichtigten Gleichungen aus?
A 1.17 Mit römischen Zahlen
Mit gleich langen Hölzchen wurden 9 Gleichungen in römischen
Ziffern aufgelegt, die offenbar alle falsch sind. Legen Sie nun in jeder
Gleichung genau ein Hölzchen so um, dass sich wahre Gleichungen
ergeben!
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Mathematisches Knobelmosaik
A 1.18 Alternatives Wohnen*
Im abgebildeten Zahlenhaus mit seinen 3 · 3 Wohnungen dürfen
nur natürliche Zahlen wohnen, die alle voneinander verschieden sind.
Außerdem muss das Produkt der Zahlen jeder Zeile und jeder Spalte
stets 2 010 ergeben (Beispiel siehe Abbildung). Wie viele verschiedene
Möglichkeiten gibt es, das Haus zu beziehen?
1 10 201
134 3
5
15 67 2
16
Biografisches
Der Autor Dr. rer. nat. Roland Mildner, Jahrgang 1943, absolvierte
nach dem Abitur (1962) an der Universität Leipzig ein Lehrerstudium
für Mathematik und Physik (1962-67).
Nach zweijähriger Tätigkeit an der Erweiterten Leibniz-Oberschule
in Leipzig ging er an das Mathematische Institut der Leipziger
Universität zurück, an dem er dann über 25 Jahre lang in der
Forschung und vor allem in der Lehre tätig war.
1975 promovierte er hier auf dem Gebiet der Mathematischen Physik mit der Dissertation: ‚Einige Beiträge zur Theorie der absorbierend-konvexen topologischen Algebren‘. Mit zahlreichen Biographien
war er Mitautor am ‚Lexikon bedeutender Mathematiker‘ (Bibliographisches Institut: Leipzig, 1990). Auch leistete er (zusammen mit H.
Schumann) mit seinem Artikel ‚Mathematische Lehre und Forschung
an der Universität Leipzig seit ihrer demokratischen Neueröffnung
im Jahre 1946‘, der im Rahmen des Festbandes ‚100 Jahre Mathematisches Seminar der Karl-Marx-Universität Leipzig‘ (VEB Dt. Verl.
d. Wiss.: Berlin, 1981) erschien, einen Beitrag zur Darstellung der
neueren Geschichte der Mathematik in Leipzig.
In der Lehre hielt er mathematische Vorlesungen und Seminare
für Lehrerstudenten sowie für Studierende der Mathematik, Physik,
Chemie, Wirtschaftswissenschaften und für Ingenieure im Fernstudium (Elektro-, Bau-, Maschinenbau-, Verfahrens- und Ingenieure für
Informationsverarbeitung).
In dieser Zeit und danach in freiberuflicher Tätigkeit veröffentlichte
er eine Vielzahl von Beiträgen zur Unterhaltungsmathematik, so u. a.
mathematische Knobelaufgaben in Tageszeitungen (Leipziger Volkszeitung, Ostseezeitung, Neues Deutschland) und Zeitschriften (Wissenschaft und Fortschritt, Alpha, Wurzel, Spektrum der Wissenschaft,
Känguru der Mathematik). Daraus entstanden auch die Bücher ‚Der
verzwickte Tag: Knobelspäße für die ganze Familie‘ (Reinhardt Becker Verlag: Velten, 1995) und dessen Neuauflage ‚Knifflige Zeiten:
Rätselhaftes für aufgeweckte Geister‘ (RabenStück Verlag: Berlin,
2008).
Das vorliegende Buch ist ein weiteres Ergebnis der nunmehr über
30-jährigen Hobbytätigkeit von Dr. Roland Mildner auf dem Gebiet
der Unterhaltungsmathematik.
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Der Autor Dr. rer. nat. Roland Mildner, Jahrgang 1943,
absolvierte ein Lehrerstudium in Leipzig. Nach zweijähriger
Schultätigkeit ging er an das Mathematische Institut der
Leipziger Universität zurück, an dem er dann über 25 Jahre
lang in der Forschung und vor allem in der Lehre tätig
war. Das vorliegende Buch ist ein weiteres Ergebnis seiner
nunmehr über 30-jährigen Hobbytätigkeit auf dem Gebiet
der Unterhaltungsmathematik.
Das Buch wendet sich an alle Menschen, die gern knobeln und
raten, die gern mathematische Probleme lösen, die gern Denksport aller Art betreiben und Freude daran finden …
Man kann es auch so ausdrücken: Es wendet sich an alle mathematisch interessierten Nichtmathematiker, Tüftler, Knobler und
Rätselfreaks, die einfach Spaß am Lösen kniffliger Probleme haben
und mathematische Denkarbeit nicht scheuen.
Die Beschäftigung mit den mathematischen Problemen und
Knobeleien des Buches lohnt sich für alle, denn es werden neben
mathematischen Fähigkeiten und Fertigkeiten vor allem logisches
Denkvermögen, Scharfsinn, Abstraktionsfähigkeit, Kombinationsgabe, Geduld und Ausdauer geschult und auch entwickelt.