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Alltagsmathematik

Mathematik 6-k
3 Minuten gelesen

Es gibt mathematische Aussagen, bei denen sich der Verstand spontan weigert, sie zu akzeptieren.

Diese gehört definitiv dazu:

0,999… = 1

Nicht ungefähr 1.

Nicht aufgerundet 1.

Sondern exakt 1.

Das klingt zunächst vollkommen falsch. Schließlich gilt:

0,9 < 1

0,99 < 1

0,999 < 1

Also müsste doch auch 0,999… irgendwie ein winziges Stück kleiner als 1 sein.

Genau hier stellt uns die Unendlichkeit ein Bein.

Was bedeuten die drei Punkte?

Der entscheidende Unterschied steckt in:

0,999…

Die drei Punkte bedeuten nicht: „Da kommen noch sehr viele Neunen.“

Sie bedeuten:

Es kommen unendlich viele Neunen.

Es gibt keine letzte 9.

Deshalb können wir auch nicht sagen, hinter der letzten 9 fehle noch ein winziger Betrag bis zur 1.

Denn eine letzte 9 existiert überhaupt nicht.

Ein erstaunlich einfacher Beweis

Nennen wir unsere Zahl einfach x:

x = 0,999…

Jetzt multiplizieren wir beide Seiten mit 10:

10x = 9,999…

Nun ziehen wir die ursprüngliche Gleichung davon ab:

10x = 9,999…
− x = 0,999…

Die unendlichen Nachkommastellen verschwinden:

9x = 9

Also:

x = 1

Aber am Anfang hatten wir festgelegt:

x = 0,999…

Damit folgt zwangsläufig:

0,999… = 1

Noch einfacher geht es mit einem Drittel

Fast jeder kennt:

1 ÷ 3 = 0,333…

Multiplizieren wir beide Seiten mit 3:

3 × 1/3 = 3 × 0,333…

Links erhalten wir:

1

Rechts:

0,999…

Also wieder:

1 = 0,999…

Aber da muss doch irgendetwas fehlen!

Das ist der Punkt, an dem sich unsere Intuition besonders hartnäckig wehrt.

Man könnte denken:

Zwischen 0,999… und 1 müsste doch ein unvorstellbar kleiner Abstand liegen.

Nennen wir ihn beispielsweise:

0,000…001

Das Problem ist nur:

Diese Zahl existiert in diesem Sinn nicht.

Denn wie viele Nullen sollen vor der 1 stehen?

Eine Million?

Dann ist die Zahl zwar winzig, aber größer als null.

Eine Billion?

Dasselbe Problem.

Egal wie viele Nullen wir einsetzen, es sind immer endlich viele.

Bei 0,999… reden wir aber von unendlich vielen Nachkommastellen.

Es gibt keine Stelle, an der wir nach „allen Neunen“ noch eine 1 einsetzen könnten.

Zwei Schreibweisen für dieselbe Zahl

Das eigentliche Geheimnis ist deshalb ziemlich unspektakulär:

0,999… und 1 sind keine zwei verschiedenen Zahlen, die extrem dicht nebeneinanderliegen.

Sie sind zwei verschiedene Schreibweisen derselben Zahl.

So wie:

1/2 = 0,5

oder

2/4 = 0,5

unterschiedliche Schreibweisen denselben Wert darstellen.

Auch andere Dezimalzahlen besitzen solche Darstellungen:

0,4999… = 0,5

1,24999… = 1,25

und eben:

0,999… = 1

Unser Gehirn stolpert über die Unendlichkeit

Warum erscheint uns das trotzdem falsch?

Weil wir uns automatisch eine lange, aber endliche Reihe von Neunen vorstellen.

Bei

0,999999999

fehlt tatsächlich noch etwas bis zur 1.

Aber egal, wie viele Neunen wir hinschreiben, haben wir damit niemals 0,999… vollständig geschrieben.

Die drei Punkte verändern alles.

Sie machen aus „sehr vielen“ plötzlich:

unendlich vielen.

Und Unendlichkeit verhält sich eben nicht immer so, wie unser alltägliches Denken es erwartet.

Deshalb ist

0,999… = 1

kein mathematischer Trick und kein Rundungsfehler.

Es ist eine exakte Gleichheit.

Und wer trotzdem überzeugt ist, zwischen beiden Zahlen müsse noch etwas liegen, steht vor einem kleinen Problem:

Er müsste eine Zahl finden, die größer als 0,999… und gleichzeitig kleiner als 1 ist.

Viel Erfolg dabei.

Die Mathematik wartet geduldig.

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Mathematik5-k
3 Minuten gelesen

Stellen wir uns einen Raum mit 23 zufällig ausgewählten Menschen vor.

Wie wahrscheinlich ist es, dass mindestens zwei von ihnen am selben Kalendertag Geburtstag haben?

10 Prozent?
20 Prozent?
Vielleicht 30 Prozent?

Die überraschende Antwort lautet:

Mehr als 50 Prozent.

Genauer sind es rund 50,7 Prozent.

Das klingt zunächst völlig absurd. Schließlich hat ein Jahr 365 Tage. Warum sollten bereits 23 Personen genügen?

Willkommen beim Geburtstagsparadoxon.

Unser Bauchgefühl stellt die falsche Frage

Intuitiv denken viele:

„Wie wahrscheinlich ist es, dass jemand denselben Geburtstag hat wie ich?“

Das ist tatsächlich relativ unwahrscheinlich.

Aber darum geht es gar nicht.

Gesucht wird die Wahrscheinlichkeit, dass irgendwelche zwei Personen innerhalb der gesamten Gruppe denselben Geburtstag haben.

Und plötzlich gibt es sehr viele mögliche Paare.

Bei 23 Menschen sind es bereits:

23 × 22 ÷ 2 = 253 mögliche Paare.

253 Chancen auf eine Übereinstimmung.

Das verändert die Sache erheblich.

Wie berechnet man das?

Direkt auszurechnen, wie wahrscheinlich mindestens eine Übereinstimmung ist, wäre ziemlich umständlich.

Also benutzt die Mathematik einen eleganten Umweg.

Wir berechnen zunächst die Wahrscheinlichkeit, dass alle 23 Personen unterschiedliche Geburtstage haben.

Für die erste Person ist jeder Geburtstag möglich:

365/365

Die zweite darf nicht denselben Geburtstag haben:

364/365

Für die dritte bleiben:

363/365

und so weiter.

Damit ergibt sich:

365/365 × 364/365 × 363/365 × … × 343/365

Das Ergebnis liegt bei ungefähr:

49,3 Prozent.

Also beträgt die Wahrscheinlichkeit für das Gegenteil, nämlich mindestens einen gemeinsamen Geburtstag:

100 % − 49,3 % = 50,7 %

Bereits bei 23 Menschen ist eine Übereinstimmung damit wahrscheinlicher als keine.

Und es wird sehr schnell ziemlich extrem

Bei 30 Personen liegt die Wahrscheinlichkeit bereits bei rund:

70,6 Prozent

Bei 40 Personen:

89,1 Prozent

Und bei nur 50 Personen:

97,0 Prozent

Bei 70 Menschen sind es sogar ungefähr:

99,9 Prozent.

Man braucht also keineswegs 365 Menschen, damit gleiche Geburtstage wahrscheinlich werden.

Warum täuscht uns unsere Intuition?

Weil unser Gehirn offenbar lieber einzelne Personen betrachtet als sämtliche Beziehungen zwischen ihnen.

23 Menschen wirken nach wenig.

Aber 23 Menschen bilden 253 verschiedene Zweierpaare.

50 Menschen ergeben sogar:

1.225 Paare.

Und genau deshalb steigt die Wahrscheinlichkeit einer Übereinstimmung so schnell.

Das Geburtstagsparadoxon ist übrigens kein echtes mathematisches Paradoxon. Es enthält keinen logischen Widerspruch.

Es widerspricht lediglich sehr kräftig unserer Intuition.

Ein Experiment für die nächste größere Runde

Bei der nächsten Familienfeier, Vereinsversammlung oder größeren Sitzung kann man es ausprobieren.

Sind mindestens 23 Menschen anwesend, fragt man nach den Geburtstagen.

Die Chance, dass mindestens zwei Personen denselben Kalendertag nennen, liegt bereits über 50 Prozent.

Bei 40 Personen nähert sie sich 90 Prozent.

Und plötzlich wird aus einer ziemlich belanglosen Frage über Geburtstage ein bemerkenswertes Beispiel dafür, warum wir Menschen bei Wahrscheinlichkeiten regelmäßig danebenliegen.

Mathematik muss nicht kompliziert sein, um uns zu überraschen.

Manchmal reichen dafür 23 Menschen in einem Raum.

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Mathematik 4-k
3 Minuten gelesen

Wie misst man die Höhe eines Kirchturms, Baumes oder Hauses, ohne hinaufzuklettern, ohne Drohne und ohne Laser?

Erstaunlich einfach:

Man misst seinen Schatten.

Dazu braucht man lediglich einen Zollstock, etwas Sonne und einen Gegenstand, dessen Höhe bekannt ist.

Das Experiment

Stellen wir einen 1 Meter langen Stab senkrecht auf den Boden.

Sein Schatten ist beispielsweise 1,50 Meter lang.

Zur gleichen Zeit messen wir den Schatten eines Kirchturms. Dieser ist 45 Meter lang.

Jetzt kennen wir bereits alles, was wir brauchen.

Denn die Sonnenstrahlen treffen Stab und Kirchturm im gleichen Winkel.

Es entstehen zwei Dreiecke mit denselben Winkeln.

Und deshalb besitzen sie auch dieselben Seitenverhältnisse.

Jetzt kommt die Rechnung

Für unseren Stab gilt:

1 m Höhe ÷ 1,5 m Schatten

Für den Turm muss dasselbe Verhältnis gelten:

Turmhöhe ÷ 45 m Schatten

Also:

Turmhöhe = 45 × 1 ÷ 1,5

Das ergibt:

30 Meter.

Ohne den Turm auch nur betreten zu haben, kennen wir seine ungefähre Höhe.

Noch einfacher: Benutze dich selbst

Nicht einmal der Stab ist unbedingt notwendig.

Wer beispielsweise 1,80 Meter groß ist, kann seine eigene Schattenlänge messen.

Angenommen, der eigene Schatten beträgt 2,40 Meter und der Schatten eines Baumes misst 20 Meter.

Dann gilt:

1,80 ÷ 2,40 = Baumhöhe ÷ 20

Daraus folgt:

Baumhöhe = 15 Meter.

Der eigene Körper wird damit zum Messinstrument.

Dahinter steckt ein alter Bekannter

Das mathematische Prinzip nennt man Ähnlichkeit von Dreiecken.

Die Sonne ist so weit von der Erde entfernt, dass ihre Strahlen für diese Betrachtung praktisch parallel verlaufen.

Der kleine Stab und sein Schatten bilden deshalb geometrisch dasselbe Grundmuster wie der große Turm und dessen Schatten.

Nur der Maßstab verändert sich.

Was auf dem Papier nach trockener Schulgeometrie aussieht, wird draußen plötzlich zu einem ziemlich brauchbaren Werkzeug.

Probieren kann es jeder

Das Experiment lässt sich praktisch überall durchführen.

Man benötigt:

einen senkrechten Gegenstand bekannter Höhe, ein Maßband und Sonnenschein.

Wichtig ist lediglich, beide Schatten zur selben Zeit zu messen, weil sich der Sonnenstand und damit die Schattenlänge ständig verändern.

Bei ebenem Gelände funktioniert die Methode erstaunlich gut. Unebener oder stark geneigter Boden kann das Ergebnis dagegen verfälschen.

Mathematik macht Unerreichbares messbar

Genau darin steckt die eigentliche Faszination.

Wir müssen einen Gegenstand nicht mit einem Maßband von unten bis oben vermessen.

Wir messen etwas völlig anderes: seinen Schatten.

Aus einer horizontalen Strecke auf dem Boden berechnen wir eine vertikale Strecke, die wir möglicherweise überhaupt nicht erreichen können.

Ein Kirchturm kann 30, 50 oder 100 Meter hoch sein.

Sein Schatten liegt trotzdem einfach vor unseren Füßen.

Und plötzlich wird aus ein bisschen Sonnenlicht ein riesiger Zollstock.

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Schlagworte: Mathematik, Geometrie, Schattenmessung, Gebäudehöhe, Baumhöhe, Kirchturm, ähnliche Dreiecke, Strahlensatz, Sonne, Höhenmessung, Alltagsmathematik, Experiment

Mathematik 2-k
3 Minuten gelesen

Früher gab es weder Laser-Entfernungsmesser noch Smartphone-Apps. Trotzdem mussten Holzfäller abschätzen können, wie hoch ein Baum war und wie weit seine Spitze beim Fällen reichen würde.

Eine überlieferte Faustmethode wirkt zunächst ziemlich kurios: Der Holzfäller entfernte sich vom Baum, drehte ihm den Rücken zu und beugte sich nach vorne. Durch die Beine blickte er zurück zum Baum und veränderte seinen Abstand so lange, bis er die Baumspitze gerade erkennen konnte.

Der Abstand zum Stamm gab ihm dann eine ungefähre Vorstellung davon, wie weit der Baum beim Fällen reichen würde.

Dahinter steckt Geometrie

Das Verfahren beruht vereinfacht auf einem verblüffend einfachen Zusammenhang.

Beträgt der Blickwinkel zur Baumspitze ungefähr 45 Grad, entsteht gedanklich ein rechtwinkliges Dreieck, bei dem Höhe und horizontale Entfernung ungefähr gleich groß sind.

Mathematisch:

tan(45°) = 1

Damit gilt näherungsweise:

Baumhöhe ≈ Entfernung zum Baum

Steht man also beispielsweise rund 20 Meter vom Stamm entfernt, wenn die entsprechende Sichtposition erreicht ist, kann der Baum ungefähr 20 Meter hoch sein.

Und damit weiß der Holzfäller zugleich etwas Entscheidendes: Wird ein 20 Meter hoher Baum in seine Richtung gefällt, kann seine Spitze ungefähr 20 Meter vom Stamm entfernt aufschlagen.

Der eigene Körper wird zum Messinstrument

Das eigentlich Faszinierende daran ist weniger die Genauigkeit als das Prinzip.

Der Mensch benutzt seinen eigenen Körper als Winkelmesser.

Durch die Körperhaltung entsteht ein einigermaßen reproduzierbarer Blickwinkel. Anschließend muss nur noch die Entfernung zum Baum abgeschritten werden.

Keine Batterie.
Kein Laser.
Kein GPS.

Nur ein Mensch, ein Baum und Geometrie.

Natürlich handelt es sich um eine Faustregel und nicht um eine präzise Vermessungsmethode. Körperproportionen unterscheiden sich, der Boden kann geneigt sein, Bäume stehen nicht immer senkrecht und Kronen sind unregelmäßig. Für eine professionelle Fällung müssen außerdem Fallrichtung, Wind, Kronengewicht und weitere Faktoren berücksichtigt werden.

Aber für eine schnelle Abschätzung konnte das Prinzip erstaunlich nützlich sein.

Mathematik, ohne sie Mathematik zu nennen

Genau darin steckt eine interessante historische Wahrheit.

Menschen verwendeten mathematische Prinzipien lange, ohne Formeln aufzuschreiben oder überhaupt darüber nachzudenken, dass sie gerade Trigonometrie oder Geometrie betrieben.

Ein Holzfäller musste tan(45°) nicht kennen.

Er musste nur wissen:

Wenn ich von hier die Baumspitze auf die richtige Weise sehe, reicht der Baum beim Fallen ungefähr bis hierher.

Erfahrungswissen und Mathematik führten damit zum gleichen Ergebnis.

Und plötzlich ist Geometrie nicht mehr die Zeichnung eines Dreiecks auf einer Schultafel.

Sie entscheidet darüber, ob der Baum auf die freie Fläche fällt – oder auf die Hütte daneben.

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