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Horst Hischer
Klassische Probleme der Antike — Beispiele zur „Historischen Verankerung“
Horst Hischer, Braunschweig
—
Klassische Probleme der Antike —
Beispiele zur ,,Historischen Verankerung“
Geschichte der Mathematik kann ein spannender didaktischer Aspekt zur methodischen
Gestaltung von Unterricht sein. Durch eine solche „historische Verankerung“ wird eine innermathematische Beziehungshaltigkeit (FREUDENTHAL, WITTMANN) erreicht, die eine Belegung der methodischen Variablen „Verbindung“ von VOLLRATH darstellt.
Das Konzept der historischen Verankerung wird an ausgewählten Beispielen aus dem propädeutischen Analysisunterricht exemplarisch dargestellt: „Die Entdeckung der Irrationalität am Pentagramm und Pentagon“ ist ein Unterrichtsbeispiel für den Sekundarbereich I,
während die „Winkeldreiteilung“ und die „Quadratur des Kreises“ als zwei der „drei berühmten klassischen Probleme“ und ihre Lösung mit Hilfe der Trisectrix bzw. der
Quadratrix ein Unterrichtsbeispiel ftir die gymnasiale Oberstufe bilden.
1
Das Pentagramm
1.1
Das Pentagramm in der Antike
Ich beginne mit einem Sprung um rund 2500 Jahre zurück
in die Antike. !
Abb. | zeigt das Erkennungszeichen der Pythagoreer, einem von Pythagoras im 6. Jht. v. Chr. gegriindeten Geheimbund, der bis in das 5. Jht. hinein in Unteritalien
wirkte, erst in Kroton, dann in Metapont.
Die Pythagoreer nannten dieses Zeichen Pentagramm, und
als eine Figur, die in einem Zuge gezeichnet werden kann,
Abb. 1: Pentagramm bzw. Pentalpha
hatte es fiir sie eine geheimnisvolle Bedeutung. Es wurde
auch Pentalpha genannt, weil das große A (alpha) fünfmal erkennbar ist.
Die magische Bedeutung des Pentagramms hat sich bis in die Neuzeit erhalten, und so gilt
es im deutschen Sprachraum unter der Bezeichnung Drudenfuß als Symbol zur Abwehr von
bösen Geistern.
Goethe verwendet es bekanntlich im Faust beim Dialog zwischen Mephistopheles und Faust
(„Faust I, Studierzimmer“; vgl. auch Abb. 2):
1
Dieses mathematikhistorische Beispiel hat bereits vor fast zwanzig Jahren Eingang in die Mathematikdidaktik
gefunden ([HISCHER 1981], [ARTMANN 1982], [HISCHER & SCHEID 1982]).
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Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Horst Hischer, Braunschweig
Klassische Probleme der Antike —
Beispiele zur „Historischen Verankerung“
Geschichte der Mathematik kann ein spannender didaktischer Aspekt zur methodischen
Gestaltung von Unterricht sein. Durch eine solche „historische Verankerung“ wird eine innermathematische Beziehungshaltigkeit (FREUDENTHAL, WITTMANN) erreicht, die eine Belegung der methodischen Variablen „Verbindung“ von VOLLRATH darstellt.
Das Konzept der historischen Verankerung wird an ausgewählten Beispielen aus dem propädeutischen Analysisunterricht exemplarisch dargestellt: „Die Entdeckung der Irrationalität am Pentagramm und Pentagon“ ist ein Unterrichtsbeispiel für den Sekundarbereich I,
während die „Winkeldreiteilung“ und die „Quadratur des Kreises“ als zwei der „drei berühmten klassischen Probleme“ und ihre Lösung mit Hilfe der Trisectrix bzw. der
Quadratrix ein Unterrichtsbeispiel für die gymnasiale Oberstufe bilden.
1
Das Pentagramm
1.1
Das Pentagramm in der Antike
Ich beginne mit einem Sprung um rund 2500 Jahre zurück
in die Antike. 1
Abb. 1 zeigt das Erkennungszeichen der Pythagoreer, einem von Pythagoras im 6. Jht. v. Chr. gegründeten Geheimbund, der bis in das 5. Jht. hinein in Unteritalien
wirkte, erst in Kroton, dann in Metapont.
Die Pythagoreer nannten dieses Zeichen Pentagramm, und
als eine Figur, die in einem Zuge gezeichnet werden kann, Abb. 1: Pentagramm bzw. Pentalpha
hatte es für sie eine geheimnisvolle Bedeutung. Es wurde
auch Pentalpha genannt, weil das große Α (alpha) fünfmal erkennbar ist.
Die magische Bedeutung des Pentagramms hat sich bis in die Neuzeit erhalten, und so gilt
es im deutschen Sprachraum unter der Bezeichnung Drudenfuß als Symbol zur Abwehr von
bösen Geistern.
Goethe verwendet es bekanntlich im Faust beim Dialog zwischen Mephistopheles und Faust
(„Faust I, Studierzimmer“; vgl. auch Abb. 2):
1
Dieses mathematikhistorische Beispiel hat bereits vor fast zwanzig Jahren Eingang in die Mathematikdidaktik
gefunden ([HISCHER 1981], [ARTMANN 1982], [HISCHER & SCHEID 1982]).
Seite 3
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Mephisto: Gesteh ichs nur! Daß ich hinausspaziere,
verbietet mir ein kleines Hindernis:
Der Drudenfuß auf Eurer Schwelle —
Faust:
Das Pentagramma macht dir Pein?
Ei, sage mir, du Sohn der Hölle,
Wenn das dich bannt, wie kamst du dann herein?
Wie ward ein solcher Geist betrogen?
Mephisto: Beschaut es recht! Es ist nicht gut gezogen;
Der eine Winkel, der nach außen zu,
Ist, wie du siehst, ein wenig offen.
Abb. 2:
„offener“ Drudenfuß
des Mephistopheles
Doch zurück zu den Pythagoreern:
Verbindet man die Sternspitzen des Pentagramms in Abb. 1, so
entsteht ein regelmäßiges Fünfeck, das sie Pentagon nannten
(Abb. 3).
Dessen Diagonalen bilden die Ausgangsfigur, also das Pentagramm, und im Inneren entsteht – als Schnittfigur – ein neues,
kleineres Fünfeck.
1.2
Abb. 3: Pentagon
Die Entdeckung der Irrationalität durch Hippasos von Metapont
im Jahre 1945 publizierte KURT VON FRITZ 2 die Auffassung,
ein gewisser HIPPASOS VON METAPONT (ca. 450 v. Chr.) habe
entdeckt, daß Seite und Diagonale des regelmäßigen Fünfecks
inkommensurabel sind, d. h.
d m
≠
s
n
für alle m, n ∈ N* (Abb. 4).
Würde eine solche Gleichheit möglich sein, so gäbe es eine
Strecke e mit
s = me und d = ne ,
und e hieße gemeinsames Maß von s und d.
Hierzu muß man zweierlei über das Weltbild der Pythagoreer wissen:
2
98
[V. FRITZ 1945]; v. Fritz war Altphilologe (gemäß einem Hinweis von B. Artmann).
Abb. 4: Seite und
Diagonale des Pentagons
Seite 4
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)„Zahlen“ sind nur natürliche Zahlen, die größer als Eins sind, also die Menge
{2, 3, 4, ...}.
(2)
»Alles ist Zahl«, d. h. „alles“ ist als Verhältnis von „Zahlen“ im Sinne von (1) darstellbar.
Somit müssen wir aus heutiger Sicht sagen, daß für die Pythagoreer zwei beliebige gleichartige „Größen“ (im heutigen Verständnis) stets kommensurabel waren, also stets ein gemeinsames Maß besaßen.
Natürlich verwendeten sie den Begriff „kommensurabel“ nicht, weil für sie „Inkommensurabilität“ nicht denkbar war – denn ein Begriff ist nur dann sinnvoll, wenn er abgrenzend,
also im wörtlichen Sinne „definierend“ ist, andernfalls wäre er inhaltsleer.
Dadurch, daß HIPPASOS nun am Pentagramm die Existenz der Inkommensurabilität entdeckt hatte, brach eine der philosophischen Grundlagen der Pythagoreer zusammen (nämlich: »Alles ist Zahl«). Die Legende berichtet, daß HIPPASOS von den Göttern zur Strafe für
diese frevelhafte Entdeckung mit dem Tod durch Schiffuntergang bestraft worden sei.
In unserer heutigen Sichtweise müssen wir also festhalten, daß die Pythagoreer mit Hilfe ihrer „Größenverhältnisse“ das beschrieben haben, wozu wir heute den angeordneten Halbkörper der positiven rationalen Zahlen verwenden, während infolge der Entdeckung von
HIPPASOS ein Vorstoß zur Irrationalität und damit indirekt zum angeordneten Halbkörper
der positiven reellen Zahlen erreicht wurde. Die Überwindung des von HIPPASOS verursachten Grundlagenschocks gelang EUDOXOS im 4. Jht. v. Chr. mit seiner Proportionenlehre, wie sie im 5. Buch der „Elemente“ von EUKLID dargestellt ist.
Die spannende Frage für uns ist nun, wie es HIPPASOS gelang, festzustellen, daß Seite und
Diagonale im regelmäßigen Fünfeck kein gemeinsames Maß besitzen!
Er benutzte hierfür einen Algorithmus, und zwar die sog. Wechselwegnahme, die schon ca.
500 Jahre vor ihm den Handwerkern bekannt
war, welche damit Maßbestimmungen durchführten. Heute können wir diesen Algorithmus am besten mit einem Struktogramm veranschaulichen bzw. definieren (Abb. 5). Er
liefert nicht nur ein gemeinsames Maß, sondern sogar das größte gemeinsame Maß der
beiden gleichartigen Größen, das wir mit
ggM(a; b) bezeichnen können. Offensichtlich ist dann
ggM(a−b; b) = ggM(a; b), falls a > b .
Bei Anwendung auf natürliche Zahlen heißt
dieses Verfahren Euklidischer Algorithmus,
welcher dann bekanntlich der Berechnung
des größten gemeinsamen Teilers dient.
Abb. 5:
Wechselwegnahme zur Ermittlung des größten
gemeinsamen Maßes zweier Größen a und b
Seite 5
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Aus heutiger Sicht ist klar, daß die Wechselwegnahme genau dann nach endlich vielen Schritten abbricht, der Algorithmus also „anhält“, wenn das
Größenverhältnis rational ist.
HIPPASOS wendete nun die Wechselwegnahme auf
das Pentagon an und entdeckte, daß das Verfahren
hier nicht abbricht, was wir wie folgt erkennen:
Unter der Voraussetzung, daß Diagonale und Seite
eines Pentagons ein gemeinsames (also auch ein
größtes) Maß besitzen, gilt gemäß Abb. 6 wegen
d2 = d1 − s1 und s2 = s1 − d2
erkennbar:
ggM(d1; s1) = ggM(d2; s2)
Abb. 6:
Nichtabbrechen der Wechselwegnahme
beim Pentagon: ggM(d1; s1) = ggM(d2; s2)
Da dieses offensichtlich iterativ ad infinitum fortsetzbar ist, kann das Verfahren nicht abbrechen, und ein gemeinsames Maß ist nicht ermittelbar, was zu der Erkenntnis führt:
Diagonale und Seite eines regulären Fünfecks sind inkommensurabel.
Bemerkenswert an diesem Existenzbeweis ist, daß – im Gegensatz zu den sonst üblichen
Beweisen – nicht algebraisch argumentiert wird, sondern daß lediglich ein „nichtabbrechender Algorithmus“ 3 angegeben wird.
Doch welche irrationale Zahl ist denn hier eigentlich entdeckt worden?
Wir ordnen dem Ausgangsfünfeck mit der Seite s und der
Diagonalen d in anderer Weise gemäß Abb. 7 ein kleineres
Fünfeck zu, das offenbar die Seite d − s und die Diagonale
s hat. Aufgrund der Ähnlichkeit dieser regulären Fünfecke
gilt
d
s
=
,
s d −s
d
1
also mit x :=
dann x =
oder x 2 − x − 1 = 0 ,
s
x −1
was auf
führt.
3
d 1
= ( 5 + 1)
s 2
Abb. 7: Zuordnung eines kleineren
Pentagons zum Ausgangspentagon
Es hat also Vorteile, auch solche nichtabbrechenden bzw. „nicht anhaltenden“ Verfahren als „Algorithmen“ zu bezeichnen. Die Wechselwegnahme ist dann in diesem Sinne stets ein Algorithmus!
Seite 6
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Wegen der Inkommensurabilität von d und s ist diese Zahl schließlich irrational!
Üblicherweise weist man die Existenz irrationaler Zahlen am Beispiel von 2 nach, also
an der Inkommensurabilität von Seite und Diagonale eines Quadrats. Hierfür gibt es folgende bekannte Beweistypen:
p
• Indirekter Beweis, der von Darstellbarkeit 2 = q mit ganzzahligen, teilerfremden p,
q ∈ N* gausgeht und zu einem Widerspruch führt.
• Der konstruktive Beweis mittels Wechselwegnahme
an einem Quadrat, der dem am Fünfeck entspricht,
jedoch nicht so ins Auge fällt wie dieser (Abb. 8).
Vergleicht man jedoch das hohe Abstraktionsniveau
dieser Irrationalitätsbeweise mit der Wechselwegnahme
am Pentagon, so wird mit V. FRITZ plausibel, daß die
Irrationalität wohl am regulären Fünfeck und nicht am
Quadrat entdeckt worden ist, daß also HIPPASOS als
Entdecker der Irrationalität gelten kann. 4
Die Zahl
1
2
Abb. 8: Irrationalität von 2 —
Wechselwegnahme am Quadrat
( 5 + 1) hat weitere interessante Eigenschaften, z. B.:
1.
Mit x :=
d 1
= ( 5 + 1)
s 2
x = 1+
Damit ergibt sich:
1
2
4
war ja
x 2 − x − 1 = 0 , also
x 2 = x + 1 oder:
1
1
1
=1+
=1+
=K
1
1
x
1+
1+
1
x
1+
x
( 5 + 1) = 1 +
1
1+
1
1+
1
1+
1
1+
1
1+
1
1+
Einwandfrei bewiesen ist das jedoch bisher nicht (gemäß einer Mitteilung von B. Artmann).
Seite 7
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Diese am Pentagramm als Längenverhältnis „einfach“ begründete Zahl
1
2
( 5 + 1)
hat also zugleich eine Darstellung, die sich als „einfachster“ regulärer, unendlicher
Kettenbruch erweist!
2.
Aus x = 1 +
1
x
ergibt sich ein Approximationsalgorithmus für
1
2
( 5 + 1) , der in
Abb. 9 in schülergerechter TaschenrechnerNotation dargestellt ist.
Abb. 9: Taschenrechner-Algorithmus
zur Approximation von
1
2
3.
Goldener Schnitt: Die aus dem Pentagramm abgelesene Gleichung
d
s
=
läßt sich als
s d −s
Streckenteilung interpretieren, die in der perikleischen Baukunst bedeutsam war (Abb. 10).
4.
1.3
( 5 + 1)
Für die Fibonacci-Folge
Abb. 10: Goldener Schnitt
an
mit a 0 := a 1 := 1 und a n + 2 := a n +1 + a n gilt:
lim
a n +1
1
= ( 5 + 1)
an
2
Ein Weg zur Entdeckung der Irrationalität über das Pentagramm im Mathematikunterricht der Klasse 9
Diese historisch geprägten Vorbetrachtungen haben nun Konsequenzen für die Planung und
Durchführung von Unterricht. Wenn es z. B. um die Erarbeitung des Begriffs der „reellen
Zahlen“ geht, so kommt es offenbar auf die Abgrenzung der rationalen gegenüber den irrationalen Zahlen an, was man schon immer gern in Klasse 9 durch Unterscheidung von
Kommensurabilität und Inkommensurabilität getan hat.
Folgt man hierbei der mutmaßlichen historischen Entwicklung, so bietet sich folgender, von
mir mehrfach erprobter, Unterrichtsgang an:
•
Kennenlernen der Wechselwegnahme und handelnde Anwendung: ggM, ggT.
•
Festigung der pythagoreischen Evidenz: Das ggM zu zwei gegebenen gleichartigen
Größen existiert immer und ist mit der Wechselwegnahme bestimmbar.
Seite 8
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Begegnung mit dem Pentagon und dem
Pentagramm:
−
Entdeckung des Pentagons durch Verknoten eines Papierstreifens (Abb. 11).
−
Konstruktion eines Pentagons mit Geodreieck (Berechnung des Innenwinkels)
und Zirkel.
Abb. 11: „Konstruktion“ eines Pentagons durch
Verknoten eines Papierstreifens 5
−
Einzeichnen der Diagonalen
und Erkennen des Pentagramms.
−
Hinweis auf die magische
Bedeutung
(Pythagoreer, Drudenfuß, Faust, ...).
−
Entdeckung des inneren Pentagons
(vgl. Abb. 3).
−
Entdeckung der Iteration und
der un
endlichen Figurenfolge
(„Folge der
Fünfecke“, Abb. 12)
Abb. 12: „Folge der Fünfecke“ – 1. Version
–
•
−
−
−
−
5
Experimentieren mit der Wechselwegnahme
am Pentagon, evtl. schon Formulierung einer
Vermutung.
Darstellungswechsel:
Einmalige Wechselwegnahme liefert bereits
s' = d – s und d ' = s (vgl. Abb. 7, aus der
Abb. 13 entwickelt wird).
Erkennen, daß bei unendlicher Figurenfolge
die Wechselwegnahme (auch hier!) nicht abbricht (neue unendliche „Figurenfolge“, vgl.
Abb. 13).
Interpretation: d und s können kein gemeinsames Maß besitzen.
Umdeutung: Es gibt keine natürlichen Zahlen
d m
m und n mit
= .
s
n
Vgl. den Vorschlag in [Artmann 1992].
Abb. 13: „Folge der Fünfecke“ – 2. Version
Seite 9
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)− Folgerung: Es muß ein „Faktor“ k existieren mit d = k ⋅ s , jedoch ist k ∉Q,
− also: Die rationalen Zahlen reichen zur Beschreibung der Welt nicht aus!
In diesem Sinne ergibt sich in Folge der Entdeckung der Inkommensuraibilität die Existenz
irrationaler Zahlen. Dabei ist es eine philosophische Frage, ob diese irrationalen Zahlen bereits a priori vorhanden sind und (ebenfalls) von uns nur noch „entdeckt“ werden, oder ob
sie gemäß einer Auffassung von Mathematik nach Wittenberg als einer „Wirklichkeit sui
generis“ in Folge einer wie auch immer gearteten Entdeckung der Inkommensurabilität von
uns erfunden werden, um auf diese Weise – wie üblich – eine konstatierte Unvollständigkeit des mathematischen Gebäudes hinwegzudefinieren.
Dadurch, daß nun historisch gesehen die Irrationalität über die Inkommensurabilität „entdeckt“ worden ist, spricht im Sinne Freudenthals vieles für die didaktische Grundhaltung,
daß es im Rahmen von Begriffsbildung im Mathematikunterricht keine „Einführung“ von
reellen bzw. irrationalen Zahlen gibt, vielmehr sind diese schon vorhanden (sie sind ja
„reell“). Sie werden also – bei historisch-genetischem Unterrichtsaufbau – nur entdeckt! 6
•
Dieser historisch orientierte Aufbau „entdeckenden Lernens“ kann im Sinne eines Spiralcurriculums genutzt werden:
− Wechselwegnahme mit Cuisenaire-Stäben (im Prinzip schon in der Grundschule,
sonst auch als Einstieg spätestens in Klasse 9).
− Wechselwegnahme als Algorithmus zur ggM- und ggT-Bestimmung (Kl. 6, spätestens Kl. 9).
− Experimentieren mit dem Pentagon und Pentagramm, Entdeckung unendlicher Figurenfolgen, Entdeckung der Irrationalität (Kl. 9).
− Propädeutische Einführung von Folge und Grenzwert (Kl. 9).
− Vertiefende Behandlung von Irrationalität, Folge und Konvergenz anhand des
Pentagramms (Oberstufe).
2
Didaktische Einordnung
2.1
Die „methodischen Variablen“ nach VOLLRATH
Nach der Vorstellung dieses ersten Beispiels möchte ich nun eine Einordnung in didaktische Kategorien vornehmen. Ich beziehe mich hierbei auf die von VOLLRATH eingeführten
„methodischen Variablen“ 7, die der Beschreibung und Planung von Unterricht dienen sollen (Abb. 14). Und zwar unterscheidet er zwei Klassen methodischer Variablen, nämlich
•
•
Unterrichtsphasen und
methodische Entscheidungen.
6
vgl. [FREUDENTHAL 1973, Bd. 1, S. 195]
[VOLLRATH 1976]
Seite 10
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Abb. 14: Methodische Variablen nach VOLLRATH und „Historische Verankerung“ 8
Beide Klassen sind miteinander verknüpft, denn methodische Entscheidungen beziehen
sich auf die Gestaltung der Unterrichtsphasen. Als Unterrichtsphasen nennt VOLLRATH u. a.
Algorithmen, Anwenden, Argumentieren, Begriffsentwicklung, Formulieren und Suchen von
Zusammenhängen. Als methodische Entscheidungen führt er Probleme der Auswahl, der
Dosierung, der Komposition und der Steuerung auf.
Für das Thema dieser Abhandlung wird sich die Variable „Komposition“ als bedeutsam erweisen, und zwar im Zusammenhang mit „Begriffsbildung“. VOLLRATH gliedert diese Variable in die Teilvariablen Zuordnung, Reihenfolge, Verbindung und Akzentuierung auf. Mit
Verbindung meint er insbesondere Verbindungen des jeweiligen mathematischen
Inhalts mit anderen, auch außermathematischen Themenkreisen, also etwa das, was Erich
WITTMANN mit Bezug auf Hans FREUDENTHAL „Beziehungshaltigkeit“ genannt hat. 9 Auch
der sog. „Anwendungsorientierte Unterricht“ würde eine Belegung dieser Variablen sein.
Nun ist Beziehungshaltigkeit im wörtlichen Sinn das Gegenteil von Beziehungslosigkeit.
Verbindung im Sinne von Beziehungshaltigkeit hat damit zur Folge, daß der behandelte
8
[HISCHER 1981]
[WITTMANN 1974, S. 143]
Seite 11
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Themenkreis für den Lernenden vielseitig und ganzheitlich erscheint, er wird damit leichter
behalten „als ein Aggregat von beziehungslosen Teilen“ (wie es der Lernpsychologe
STRUNZ 1968 nannte).
Deshalb plädiert WITTMANN auch für die
Einbettung der Überlegungen in größere ganzheitliche Problemkontexte außerhalb
oder innerhalb der Mathematik. 10
Dieses ist für ihn eines der Kennzeichen der sog. genetischen Methode. 11
2.2 „Historische Verankerung“ als innermathematische Beziehungshaltigkeit
Der Begriff genetische Methode geht ja ursprünglich auf Felix KLEIN zurück, der sich –
immerhin als bedeutender Mathematiker! – zugleich in ganz besonderer Weise mit der
Entwicklung des Mathematikunterrichts und der Lehrerbildung befaßt hat.
TOEPLITZ entwickelte 1927 die Vorstellungen von KLEIN weiter, indem er schrieb: 12
(...) alle diese Gegenstände der Infinitesimalrechnung, die heute als kanonisierte
Requisiten gelehrt werden, der Mittelwertsatz, die Taylorsche Reihe, der Konvergenzbegriff, das bestimmte Integral, vor allem der Differentialquotient selbst, und
bei denen nirgends die Frage berührt wird: warum so? wie kommt man zu ihnen?,
alle diese
Requisiten also müssen doch einmal Objekte eines spannenden Suchens, einer
aufregenden Handlung gewesen sein, nämlich damals, als sie geschaffen wurden.
Wenn man an diese Wurzeln der Begriffe zurückginge, würden der Staub der Zeiten,
die Schrammen langer Abnutzung von ihnen abfallen, und sie würden wieder als
lebensvolle Wesen vor uns erstehen.
Da in der Pädagogischen Psychologie heute der Begriff „genetische Methode“ anders als
damals gebraucht wird, möchte ich statt dessen in Würdigung der Ideen von KLEIN und
TOEPLITZ die Bezeichnung
historische Verankerung
wählen, die ich im selben Zusammenhang bereits 1981 vorgeschlagen habe. 13
10 [WITTMANN 1974, S. 125]
12 [TOEPLITZ 1927, S. 92], zitiert auch bei [WITTMANN 1974, 19785, S. 127]
Seite 12
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Damit wird zugleich an den lernpsychologischen Begriff „Verankerung“ im Sinne von Ausubel angeknüpft. Und zwar plädiere ich für die Verwendung historischer Beispiele im Unterricht, die sich als tragfähige Bausteine einer Unterrichtseinheit erweisen. Dabei sollten
sie gemäß Toeplitz vom „Staub der Zeit“ befreit und in heutiger Formulierung dargestellt
werden.
Durch diese Belegung der methodischen Variablen „Verbindung“ läßt sich eine innermathematische Beziehungshaltigkeit erreichen (vgl. Abb. 14), und „Geschichte der Mathematik“ erscheint in diesem Sinne als didaktischer Aspekt – zugleich wird ein Beitrag zur
Kulturgeschichte geliefert.
Als ein erstes Beispiel für diese historische Verankerung können die Wechselwegnahme und
das Pentagramm dienen, die gemeinsam den Aufbau einer entsprechenden Unterrichtseinheit von ca. 3 Wochen Dauer in Kl. 9 gestatten. Darüber hinaus können sowohl
die Wechselwegnahme als auch das Pentagramm Anlaß propädeutischer, handlungsorientierter Aktivitäten in früheren Klassenstufen sein. Das von ARTMANN herausgegebene MU-Themenheft liefert hierzu bekanntlich ein Fülle von Anregungen. 14
Mit dem nächsten Beispiel zeige ich eine Möglichkeit zur Berücksichtigung der „historischen Verankerung“ im Analysisunterricht der gymnasialen Oberstufe auf.
3
Die Quadratrix – die Trisectrix
3.1
Zusammenhang zwischen Quadratrix und Trisectrix
Eine besondere Bedeutung haben in der Mathematik seit der Antike „Kurven“, heute insbesondere in Analysis und Topologie, aber auch in der Darstellenden Geometrie. In der Antike waren zwei grundsätzlich unterschiedliche Methoden zur Beschreibung konkreter Kurven bekannt:
!
Kurven als Schnitt zweier Flächen (wie wir es etwa von Zylinder- oder Kegelschnitten
her kennen); damals hatte man z. B. auf diese Weise die sog. Hippopede („Pferdefessel“) beschrieben, die entsteht, wenn man einen Zylinder mit einer Kugel schneidet, so
daß der Zylinder die Kugel in einem Pol tangiert.
!
Kurven als Spur zweier kombinierter Bewegungen („kinematische Definition“).
Die erste Kurve jenseits von Kreis und Gerade verdanken wir gemäß einem Bericht von
PROKLOS (410 – 485) dem Sophisten HIPPIAS aus Elis (geb. 460 v. Chr.). Seitdem ist diese
Kurve sowohl unter dem Namen „Trisectrix des Hippias“ als auch als „Quadratrix des
Hippias“ bekannt. HIPPIAS verwendet zur Beschreibung dieser Kurve eine kinematische
14 [ARTMANN 1982]
Seite 13
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Seite 14
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Seite 15
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Wegen b =
π
r folgt dann daraus die Behauptung.
2
(Die Gleichung (*) erinnert an den Goldenen Schnitt, den wir schon beim Pentagramm mit
d
s
=
s d −s
kennengelernt haben.)
Zum Beweis von (*) verwendet DINOSTRATOS einen für die damalige Zeit typischen apagogischen Beweis, indem er unter der Benutzung der Trichotomie zeigt, daß
)
)
b
r
b
r
<
>
noch
weder
r r0
r r0
möglich ist. (Der Viertelkreis mit dem Radius r0 hat also die Länge r.)
Der Beweis kann unter Verwendung elementargeometrischer Eigenschaften und der kinematischen Definition der Trisectrix geführt werden, und er kann auf Schulniveau entwickelt
werden. 17
•
Quadratur des Kreises mit der Quadratrix durch DINOSTRATOS
DINOSTRATOS argumentiert nun anhand der Verhältnisgleichung (*) wie folgt weiter:
)
b stellt eine Länge dar, und zwar die Länge des Viertelkreisbogens.
)
Also müßte man für b die Länge s einer gleichlangen Strecke einsetzen können, die aber
noch zu konstruieren wäre:
s
r
=
r r0
mit s
)
=b
Das läßt sich mit
Hilfe des Strahlensatzes 18
lösen
(Abb. 20):
Abb. 20: Konstruktion der Viertelkreislänge s
mit Hilfe des Strahlensatzes zur Quadratur des Kreises
17 Ich werde an späterer Stelle darauf zurückkommen; vgl. auch [HISCHER & SCHEID 1982, 1995].
18 Ich erkenne keinen Bildungswert darin, wenn Wert auf die Feststellung gelegt wird, daß es sich hierbei um den ersten Strahlensatz handelt, zumal „beide Strahlensätze“ gleichwertig sind! Noch problematischer wird es dann, wenn
man Schülerinnen und Schülern als bewertbare Lernleistung abverlangt entscheiden zu können, welches der erste
und welches der zweite Strahlensatz ist!
Seite 16
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Folgerung:
Ist ein Kreis mit dem Radius r gegeben, so liefert die Trisectrix die Länge r0, und mit Hilfe
des Strahlensatzes ist s konstruierbar, so daß gilt (vgl. Abb. 21):
)
A = πr 2 = (πr )r = (2b )r = (2s )r
Die Trisectrix erlaubt also die
Umwandlung eines Kreises in
ein Rechteck mit demselben
Flächeninhalt, das dann – z. B.
mit dem Höhensatz des Euklid
– in ein gleich großes Quadrat
verwandelt werden kann. Dieses
ist die Quadratur des Kreises,
wodurch die Namensgebung
„Quadratrix“ für die Trisectrix
begründet wird.
Abb. 21: Quadratur des Kreises nach DINOSTRATOS
Mit Hilfe der Trisectrix bzw. der Quadratrix konnten also sogar zwei der „drei berühmten
klassischen Probleme“ gelöst werden (wie bereits erwähnt: Winkeldreiteilung, Quadratur
des Kreises und die Würfelverdoppelung).
Wir wissen heute, daß alle drei Probleme geometrisch nicht lösbar sind, wenn als Hilfsmittel nur Zirkel und Lineal zugelassen sind. Die zusätzliche Verwendung der Trisectrix des
HIPPIAS ermöglicht jedoch eine geometrische Lösung der ersten beiden klassischen Probleme – ebenso kann die Archimedische Spirale zur Lösung dieser Probleme verwendet
werden 19, wobei diese Kurven damit die Rolle von „Werkzeugen“ zur Lösung von Problemen erhalten.
3.2
Ein Vorschlag zur Behandlung von Trisectrix und Quadratrix in der Oberstufe
Ich skizziere nun eine mögliche problemorientierte Unterrichtseinheit in der Oberstufe, die
unter Berücksichtigung der „historischen Verankerung“ am Beispiel von Trisectrix und
Quadratrix konzipiert ist.
1. Streckenteilung
Als wiederholender, vertiefender Einstieg wird erarbeitet, daß der Strahlensatz hier stets
weiterhilft.
2. Winkelteilung
Die Aufteilung in 2, 4, 8, ... gleich große Teilwinkel klappt, ansonsten entsteht große
Ratlosigkeit. Tröstlicher Hinweis für die Schüler: Dieses war bereits im Altertum eines
der drei berühmten ungelösten Probleme!
19 vgl. [BOYER 1968, S. 140-141]
Seite 17
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Eine noch schönere Problemorientierung ergibt sich bei Vertauschung der Reihenfolge
der ersten beiden Schritte: Bei der Konstruktion des Pentagramms ergab sich ja die Notwendigkeit der Ermittlung von 6π , also von π +
5
π
. Somit könnte man mit dem Problem
5
der Winkelteilung einsteigen, hier „auflaufen“ und dann zur Streckenteilung als leicht
lösbarem Problem abschwenken.
Oder man beginnt mit der Frage nach der Skalierbarkeit von Lineal und Winkelmesser,
die im Falle des Lineals mittels Strahlensatz schnell zu beantworten ist.
3. Kinematische Kurven
Erzeugung verschiedener kinematischer Kurven (Spiralen, Trisectrix, weitere Erfindungen) – Zeichnung von Hand und auch durch Computersimulation.
4. Trisectrix und Winkeldreiteilung
Feststellung, daß mit der Trisectrix das Problem lösbar wird. Aufgabe: Anfertigung einer Trisectrix-Schablone durch die Schüler (in Analogie zur ihnen bereits bekannten
Parabel-Schablone).
5. Probleme der Trisectix
Sowohl bei Zeichnung von Hand
als auch bei der Computersimulation (Abb. 22) gibt es Probleme
kurz vor und bei der Endstellung:
Der Schnittpunkt ist nicht präzise
bzw. gar nicht definiert (fast parallele Geraden!). Ein „TrisectrixZirkel“ (Abb. 17) offenbart eine
große
Schwankungs-Ungenauigkeit!
6. Analyse der „Schwankungsungenauigkeit“ der Trisectrix
Der Polarwinkel der Punkte auf
der Trisectrix sei mit ϕ bezeichnet.
Abb. 22: Computer-Simulation der Trisectrix 20 –
Schwankungsungenauigkeit!
Für ϕ ≠ 0° und ϕ ≈ 0° ist der
Schnittpunkt mit der Horizontalen zwar idealgeometisch präzise bestimmt, realgeometrisch jedoch nicht. Für ϕ = 0° existiert kein Schnittpunkt. Dreht man die Zeichnung um 90° und führt die Bewegung weiter, so entsteht folgende zweiseitige Trisectrix,
die in der Mitte eine Lücke aufweist (Abb. 23).
20 Dynamisch erstellt mit dem Funktionenplotter HL-PLOT8 von Eberhard LEHMANN, Berlin.
Seite 18
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)7. „Lücke stopfen“ 21
Da die Trisectrix in
unmittelbarer
Nähe
der Lücke eindeutig
definiert ist, liegt es
nahe, die Lücke durch
„Durchzeichnen“ zu
stopfen, was einer stetigen
Fortsetzung entAbb. 23: „Lücke“ bei der zweiseitig kinematisch dargestellten Trisectrix
spricht („schnelle Bewegung“ des Trisectrix-Zirkels über die „Lücke“ hinaus!?). Funktionsgrenzwert und
Stetigkeit müssen hier jedoch noch nicht bekannt sein, vielmehr können diese Begriffe
problemorientiert hierdurch vorbereitet werden.
8. Ermittlung des „Quadratrix-Halbmessers“ r0
Aus der Zeichnung ergibt sich
π
r
≈ 1,57 ≈
gilt?
r0
2
r0
≈ 0,64 . Ist es nun Zufall, daß für den Kehrwert
r
Genauere Zeichnungen bestätigen die Vermutung:
2
π
r
=
bzw. r0 = r
π
2
r0
9. Satz des DINOSTRATOS (s. o.)
Für den „apagogischen Beweis“ der Vermutung erweitern wir Abb. 19 wie in Abb.
24 dargestellt und betrachten dann gemäß
Dinostratos folgende zwei Fälle, die jeweils einen Widerspruch ergeben werden:
Fall 1:
)
b
r
<
r r0
Es gibt dann einen Punkt E auf der Strecke AB mit AE > AG = r0 und
)
b
r
=
.
r
AE
Bezeichnen wir die Länge des Kreisbogens mit den Endpunkten E und F
21 Der Begriff geht auf Heinz GRIESEL zurück.
Abb. 24: Zum Satz von Dinostratos
Seite 19
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)EF
b
EF , so ist zunächst
=
AE
r
= π und damit dann EF = r .
2
EF
r
= , und wegen
Aufgrund der kinematischen Definition der Quadratrix gilt
EP
h
EF = r folgt daraus EP = h . Dies ist aber wegen P ≠ G offensichtlich
falsch!
Fall 2:
)
b
r
>
r r0
Dann gibt es einen Punkt H auf der Strecke AB mit AH < AG = r0 und
)
b
r
=
.
r
AH
Wir deuten nunmehr Abb. 24 so, daß der Punkt H auf der Quadratseite vorgegeben ist
und senkrecht darüber dann der Punkt P auf der Quadratrix gewählt wird, so daß
)
HK
b
h = HP ist. Wir lesen wiederum eine Proportionalität ab, nämlich =
, und
r
AH
HK
r
=
HQ
h
(also ebenfalls wegen der kinematischen Definiton der Quadratrix), und mit HK = r
π
folgt hieraus HQ = h . Dieses ist aber für 0 < ϕ < 2 wegen 0 < ϕ < tan(ϕ) ,
h = AH ⋅ tan(ϕ) und HQ = AP ⋅ ϕ falsch (in der üblichen Argumentation
daraus folgt zunächst
HK = r . Analog zum ersten Fall gilt weiterhin
mit Flächeninhaltsvergleich), so daß auch der zweite Fall nicht möglich ist.
Es bleibt somit aufgrund der Trichotomie nur der
Fall 3:
)
b
r
=
r r0
übrig, was zu beweisen war.
10. Trisectrix als Quadratrix
Entdeckung der Möglichkeit zur Quadratur des Kreises mit Hilfe der Trisectrix: Die
zugehörige Vorgehensweise wurde bereits ausführlich beschrieben.
11. Analytische Behandlung der Trisectrix
Stellt man die Trisectrix aus Abb. 16 wie in Abb. 24 mit Hilfe von Polarkoordinaten
(ρ, ϕ) dar, so gilt mit einem kinematischen Parameter t (0 ≤ t ≤ 1), wenn wieder
h die Höhe des jeweiligen Trisectrix-Punktes über der Quadratseite AB bezeichnet:
Seite 20
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)h = r (1 − t ) , ϕ =
Elimination von (1 − t) liefert h =
π
(1 − t )
2
2r
ϕ . 22
π
ϕ
h
2r
ρ=
⋅
folgt schließlich:
π sin(ϕ)
ρ
2r
Für „ ϕ → 0 “ muß sich ρ = r0 =
ergeben, also folgt:
π
Mit sin(ϕ) =
ϕ
sin(ϕ)
→
ϕ→ 0
1
Dieses ergibt sich also vor der Einführung des Grenzwertbegriffs, die üblicherweise
bei den langweiligen rationalen Funktionen erfolgt.
Bemerkenswert ist, daß
lim
ϕ→0
sin(ϕ)
=1
ϕ
„nebenbei“ erzielt und nicht künstlich in
den Vordergrund gestellt wurde. Dabei konnte man teilweise zugleich auf historischen
Pfaden wandeln.
12. Die Trisectrix in kartesischen Koordinaten
Wir drehen die Trisectrix wie in Abb. 23 um 90° in ein x-y-Koordinatensystem und
erhalten:
x = ρ ⋅ sin(ϕ) =
2r
ϕ, y = ρ ⋅ cos(ϕ) = x ⋅ cot(ϕ)
π
Daraus ergibt sich schließlich:
y = x ⋅ cot(
π
x
x ) = x ⋅ cot( )
r0
2r
Auch hier kann der Grenzwert für x → 0 betrachtet werden. Ferner kann man die
Trisectrix noch weiter verallgemeinern, indem man x > r zuläßt und untersucht, ob
auch die kinematische Definition entsprechend verallgemeinerbar ist (dies geht bis
x < 2r bzw. ϕ < π ).
13. Johann Bernoulli
Dieser stellte 1691/92 die Aufgabe, Tangenten an die Quadratrix zu finden. 23
22 Eleganter und einfacher folgt dies aus der Proportionalität
h ~ ϕ , die wiederum direkt aus der
Definition der Trisectrix folgt, indem man die Randwerte einsetzt.
23 [BERNOULLI 1691/92]
Seite 21
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)‚Duadratrix
Seite 22
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Schluß
Da in Lehrplänen, Richtlinien etc. insbesondere Unterrichtsinhalte und -ziele definiert werden, sind Freiräume wohl vor allem in der methodischen Gestaltung des Mathematikunterrichts zu suchen. Hier ist das Verdienst VOLLRATHs zu sehen, der mit seiner Arbeit über
die „methodischen Variablen“ unter anderem den Blick öffnen möchte für Gestaltungsmöglichkeiten des Unterrichts.
Ich sehe mit der von mir hier exemplarisch vorgestellten „historischen Verankerung“ eine
Möglichkeit zur Ausgestaltung solch methodischer Variablen, und zwar durch Herstellung
von „Beziehungshaltigkeit“ unter kulturhistorischem Aspekt.
Viele weitere Beispiele zur historischen Verankerung sind denkbar, etwa:
•
Historisch orientierte Einführung von Grundbegriffen der Analysis wie „Stetigkeit“,
„Grenzwert“, „Differenzierbarkeit“ und „Integrierbarkeit“
•
„Kurve“
•
LEIBNIZsches Differential bei Integrationen (Rotationsvolumen, Bogenlänge)
•
Summe einer geometrischen Reihe nach TORRICELLI
•
Figurierte Zahlen, Folgen und Reihen
•
Zahlendreiecke
•
Approximationsalgorithmen (zurückgehend bis auf den Babylonischen Algorithmus)
•
...
Hier ist eine Aufgabe der Mathematikdidaktik zu sehen, entsprechendes Material methodisch aufzubereiten. 25
Dabei geht es dann nicht primär um neue Inhalte, sondern um eine andere Sichtweise geeigneter Themenbereiche und somit eine besondere „Unterrichtskultur“.
25 Für den Bereich der Begrifflichkeit in der Analysis wird ein derartiges Konzept bei [HISCHER & SCHEID 1982,
1995] gewählt, für die Entwicklung von konkreten Unterrichtskonzepten wird in dieser Abhandlung und in den Bezugsarbeiten [Hischer 1994 a, b] ein erster Versuch vorgenommen. Auch unterscheidet sich die hier propagierte
Vorgehensweise grundsätzlich von dem von N. Jahnke vorgeschlagenen Konzept, bei welchem es um die Einbringung und Durchdringung historischen Quellenmaterials in den Mathematikunterricht geht. Insofern ergänzen sich
beide Konzepte in dem Ziel stärkerer Einbeziehung historischer Aspekte in den Mathematikunterricht.
Interessanterweise findet das Konzept der „historischen Verankerung“ bereits außerhalb des Mathematikunterrichts
Beachtung, so z. B. im Physikunterricht (vgl. [SÜDBECK 1992]).
Seite 23
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Begünstigt werden solche methodischen Ansätze möglicherweise dadurch, daß aufgrund
der Verfügbarkeit informatischer Methoden klassische, kalkülorientierte Unterrichtsphasen
an Bedeutung verlieren und wir dadurch in die Lage versetzt werden können, alte Ziele des
Mathematikunterrichts im Sinne philosophischer Betrachtungweise stärker wirksam werden
zu lassen, als das bisher vielleicht möglich war bzw. praktiziert worden ist.
5
Literatur
ARTMANN, Benno (Hrsg.) [1982]: Aktivitäten mit dem regelmäßigen Fünfeck. Der Mathematikunterricht (Themenheft) 28(1982)4.
BERNOULLI, Johann [1924]: Die Differentialrechnung (1691/92). Nach einer Handschrift übersetzt von P.
SCHAFHEITLIN. In: Ostwald's Klassiker der exakten Wissenschaften, Nr. 211, Leipzig 1924.
BOYER, Carl B. [1968]: A History of Mathematics. New York: Wiley.
FREUDENTHAL, Hans [1973]: Mathematik als pädagogische Aufgabe. Bd. 1. Stuttgart: Klett.
VON FRITZ, Kurt [1945]: Die Entdeckung der Inkommensurabilität durch Hippasos von Metapont. In: Zur Geschichte
der griechischen Mathematik. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt, 1965. (Nachdruck aus Annals
of Mathematics 46(1945), 242-264)
HISCHER, Horst [1981]: „Historische Verankerung“ als methodische Variante im Mathematikunterricht. In: Beiträge
zum Mathematikunterricht, 1981, S. 43.
HISCHER, Horst & SCHEID, Harald [1982]: Materialien zum Analysisunterricht. Freiburg: Herder. (vergriffen)
HISCHER, Horst [1994 a]: Geschichte der Mathematik als didaktischer Aspekt (1): Entdeckung der Irrationalität am Pentagon – ein Beispiel für den Sekundarbereich I. In: Mathematik in der Schule, 32(1994)4, s. 238-248.
HISCHER, Horst [1994 b]: Geschichte der Mathematik als didaktischer Aspekt (2): Lösung klassischer Probleme mit
Hilfe von Trisectrix und Quadratrix – ein Beispiel für die gymnasiale Oberstufe. In: Mathematik in der Schule, 32(1994)5, s. 279-291.
HISCHER, Horst & SCHEID, Harald [1995]: Grundbegriffe der Analysis – Genese und Beispiele aus didaktischer Sicht.
Heidelberg/Berlin/Oxford: Spektrum Akademischer Verlag. (völlige Neubearbeitung von [HISCHER & SCHEID
1982])
SÜDBECK Walter (Hrsg.) [1992]: „Geschichte der Physik“. Themenheft in Praxis der Naturwissenschaften – Physik,
41(1992)8.
TOEPLITZ, O. [1927]: Das Problem der Universitätsvorlesungen über Infinitesimalrechnung und ihrer Abgrenzung gegenüber der Infinitesimalrechnung an den höheren Schulen. Jahresbericht der DMV 36(1927), S. 90-100.
VOLLRATH, Hans-Joachim [1976]: Die Bedeutung methodischer Variablen für den Analysisunterricht. In: Der Mathematikunterricht 22(1976)5, S. 7-24. 1976.
WITTMANN, Erich [1974]: Grundfragen des Mathematikunterrichts. Braunschweig: Vieweg (1. Auflage).