BWM Endspurt: Die erste Runde endet bald

Zur Erinnerung: Am 1. März (Datum des Poststempels) ist Einsendeschluss der 1. Runde des Bundeswettbewerbs Mathematik 2010. Es wird also langsam Zeit, die gefundenen Lösungen was Formulierung und Layout betrifft in die endgültige Form zu bringen (anders als bei manchem Lehrer sind ein Drucker, der sich an der Tinte verschluckt hat oder Exkremente des Kanarienvogels auf der Tastatur hier vermutlich keine wirksame Entschuldigung für Verspätungen).

Vor der Abgabe lohnt es sich auch auf jeden Fall, noch einmal die komplette Rückseite des Aufgabenblatts [nicht mehr auf der Wettbewerbsseite verfügbar] durchzulesen. Dort gibt es nämlich noch diverse Hinweise zu Papierformaten, Seitenrändern und Formularen.

Ich wünsche allen Teilnehmern viel Erfolg im Wettbewerb!

PS: Die folgenden Runden werde ich nicht mehr kommentieren. Den Bundeswettbewerb Mathematik 2011 vielleicht definitiv wieder (falls Kap’s! Log dann noch lebt).

Mandelbrotmenge einfach selbst programmiert

Darstellungen der Mandelbrotmenge (auch „Apfelmännchen“ genannt) sind mit das Schönste was die Mathematik zu bieten hat. Nachdem ich vor kurzem schon die mathematischen Grundlagen (.pdf-Datei) erklärt habe, will ich mich hier der Programmierung eines einfachen Java-Applets zur Anzeige des „Apfelmännchens“ widmen. Sowohl den vollständigen Programmcode als auch das eingebettete Applet finden Sie unten.

Wer weniger an der Technik als vielmehr am Herumspielen mit der Mandelbrotmenge interessiert ist, dem kann ich mein aufwändigeres Applet u.a. mit Zoomfunktion empfehlen.

An Mathematik brauchen wir nur die beiden Formeln (1) und (2) aus der Erklärung, die wir wie in der .pdf Datei unter „Wie kann ich das programmieren“ beschrieben berechnen. Hier sind die hier wesentlichen Abschnitte noch einmal als Auszug:

Die Formeln:

xn+1 = xn2 – y n2 + a
yn+1 = 2xnyn + b

Dies lässt sich nun ohne Kenntnis von komplexen Zahlen berechnen, wenn a und b bekannt sind (x0 = y0 = 0).

Die Beschreibung:

Um die Mandelbrot-Menge darstellen zu können, berechnet man für jeden Punkt des Bildes die Folge mit seinen Koordinaten a (üblicherweise nach rechts) und b (nach oben) entsprechend den Gleichungen oben. Dazu setzt man eine maximale Anzahl an Iterationen (das heißt Anzahl an Folgengliedern die berechnet werden) und prüft nach jeder Iteration ob x2+y2>4 ist. Falls ja, ist der Punkt mit den Koordinaten a und b definitiv nicht Teil der Mandelbrot-Menge. Wenn diese Bedingung nach einer bestimmten Anzahl an Iterationen noch nicht erfüllt ist, kann man mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgehen, dass er Teil der Mandelbrot-Menge ist (je höher die Anzahl der Iterationen desto sicherer das Ergebnis). Die Punkte, die zur Mandelbrot-Menge gehören, werden dann (meist schwarz) eingefärbt.

Dabei muss man aufpassen, dass man bei der Berechnung des zweiten Terms nicht schon mit dem neuen Ergebnis aus der ersten Berechnung arbeitet. Umgesetzt in Java sieht die Funktion zur Berechnung, ob ein Punkt (wahrscheinlich) zur Mandelbrotmenge gehört dann folgendermaßen aus:
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Apfelmännchen für die Schule

Die als „Apfelmännchen“ bekannte Mandelbrot-Menge ist wahrscheinlich eines der schönsten Fraktale überhaupt. Die Berechnung, die zum Apfelmännchen führt, enthält jedoch komplexe Zahlen und ist deshalb normalerweise für Nichtmathematiker – insbesondere auch für Schüler – nicht nachvollziehbar.

Zomm in Visualisierung der Mandelbrot-Menge

Zoom in eigener Berechnung

Ich hoffe jedoch, dass sich mit solchen, für jedermann schön anzusehenden Fraktalen, auch die Begeisterung für Mathematik wecken lässt. Deshalb habe ich versucht eine, für interessierte Schüler schon in der Mittelstufe verständliche, Einführung zu verfassen. Sie sollte zum Einen als kleine Ergänzung des Schulstoffs im Mathematikunterricht geeignet sein, zum Anderen beschreibt sie aber auch, mit welchen Mitteln die Mandelbrot-Menge berechnet und dargestellt werden kann, ganz ohne dass man sich komplexen Zahlen beschäftigen muss. Damit kann man sich beispielsweise im Informatikunterricht ganz auf den Programmaufbau und das Programmieren konzentrieren.

Der Text ist in mehrere Abschnitte unterteilt: Nach einer kurzen Erklärung der imaginären Einheit wird die Definition der Mandelbrot-Menge angegeben und so umgeformt, dass alles mit reellen Zahlen berechnet werden kann. Dann wird erklärt, wie sich das alles in einem Programm umsetzen lässt (hier gibt es noch eine ausführlichere Erklärung mit Quellcode und lauffähigem Java-Applet). Abschließend gibt es noch Anregungen, welche Verbesserungen am Programm noch vorgenommen werden könnten. Und für alle diejenigen, die die Tiefen der Mandelbrot-Menge einfach selbst erkunden wollen, gibt es von mir noch ein entsprechendes Programm, das im Browser läuft.

Die Erklärung des Apfelmännchens für Schüler kann hier als .pdf-Datei heruntergeladen werden.

Vom „Apfelmännchen“: Die Mandelbrot-Menge

Darstellung der Mandelbrotmenge

Die Mandelbrot-Menge ist ein Fraktal, das oft als das formenreichste geometrische Gebilde überhaupt bezeichnet wird. In die Randbereiche einer Darstellung dieser Menge (oft als „Apfelmännchen“ bezeichnet) kann man beliebig weit hinein zoomen und immer wieder neue, feinere Muster erkennen.

Da auf aktuellen Computern solche Bilder in Sekundenschnelle berechnet werden können, kann auch jeder selbst Fraktale erkunden oder sich mit den mathematischen Grundlagen dieser Gebilde auseinandersetzen.

Teil der Mandelbrot-Menge

Randbereich des Apfelmännchens

In der nächsten Zeit möchte ich zu diesem Thema verschiedene Beiträge verfassen, und hoffe, dass ich damit insbesondere Interessierte ohne besondere Fachkenntnisse auf diesem Gebiet für dieses und andere Fraktale begeistern kann.

Meine Beiträge zum Thema:

Bundeswettbewerb Mathematik 2010: Die Aufgaben

Mittlerweile habe ich auch den entsprechenden Beitrag zu den Aufgaben des Bundeswettbewerbs Mathematik 2011 veröffentlicht, zu den hier besprochenen Aufgaben gibt es mittlerweile schon die Lösungen.

Pünktlich „Anfang Dezember“ (genau genommen sogar überpünktlich Ende November) wurden die Aufgaben zur 1. Runde des Bundeswettbewerbs Mathematik 2010 veröffentlicht. An den Teilnahmebedingungen scheint sich nicht viel verändert zu haben – auch wenn die Beispiellösung von einer Achtklässlerin stammt wendet sich der Wettbewerb nach wie vor schwerpunktmäßig an OberstufenschülerInnen (einzeln oder in kleinen Gruppen).

Wem das Aufgabenblatt nicht schon von seinem Mathelehrer aufgedrängt wurde, der kann sich die Aufgaben auch von der Website des Bundeswettbewerbs Mathematik (BWM) direkt herunterladen. Wer es in die jeweils nächste Runde geschafft hat, wird dann vermutlich wieder direkt per Post mit den entsprechenden Aufgaben versorgt werden – nebst knappen Kommentaren zur eigenen und ausführlichen Hinweisen zu mindestens einer richtigen Lösung.

Zumindest auf den ersten Blick sehen auch die Aufgaben ähnlich aus wie immer. Ich habe zuerst sogar gedacht, ich hätte das Aufgabenblatt aus dem letzten Jahr erwischt. Hier nun meine ersten Eindrücke zu den Aufgaben – mehrere Aufgabenstellungen erinnern mich mehr oder weniger an andere aus den letzten Jahren (im Archiv der Aufgaben sind jeweils die erste und zweite Runde einsehbar).

Aufgabe 1

Die Aufgabe 1 ist, zumindest was die Aufgabenstellung angeht, einfach und von vielen Schülern wie die Aufgabe 1 aus dem letzten Jahr sicherlich in einer durchschnittlich interessanten Unterrichtsstunde ohne schulische Einbußen auf dem Heftrand lösbar. Man sollte sie eben nur nicht mit der ersten Aufgabe aus dem letzten Jahr verwechseln …

PS: Wer gut mit dem GTR umgehen kann, sollte in der Schulstunde zusätzlich noch ein Programm für Primfaktorzerlegungen auf demselben schreiben können.

Aufgabe 2

Hier spielen, wie in der zweiten Runde des letzten Durchgangs, Anja und Bernd miteinander – die beiden scheinen irgendwie unterbeschäftigt zu sein (Wirtschaftskrise/Kurzarbeit?). Wie dem auch sei, es ist natürlich wieder zu ermitteln wer gewinnt, wenn beide das Spiel wirklich beherrschen (dann brauchen sie es eigentlich auch gar nicht mehr zu spielen – Sie verstehen schon). Interessant ist dieses Mal, dass der Gewinner unabhängig davon ist, wer den letzten Zug ausführen kann (oder muss). Das heißt wenn die beiden in umgekehrter Reihenfolge starten, muss nicht zwangsläufig der/die Andere gewinnen können (wie sich das in diesem Fall verhält, kann man sich dann überlegen, wenn der Rest erledigt ist).

Besonders praktisch ist dieses Spiel allerdings nicht, oder hat jemand Lust Unmengen an extrem unterschiedlich langen Stäben mit sich herum zu schleppen, nur um ein Spiel zu spielen, das im Wesentlichen daraus besteht, ein paar Tage mit dem Messen von Stäbchen zu verbringen?

Aufgabe 3

Die obligatorische Geometrie-Aufgabe: Wie es sich für eine solche gehört besteht sie im Wesentlichen aus Dreiecken und vorgegeben Punkten darin. Wem statische Skizzen zu unflexibel sind, dem kann ich zur Lösungsfindung ein Programm wie GEONExT oder Z.u.L. empfehlen (diese Zeichnung kann dann auch gut für die Darstellung der Lösung verwendet werden).

Aufgabe 4

Die einzige Aufgabe bei der sich mir selbst die Größenordnung der Lösung (keine oder vielleicht unendlich viele Zahlen?) beim ersten Durchlesen der Aufgabe nicht erschließt. Ich vermute, dass diese Aufgabe auch dieses Mal die schwierigste ist. Hoffentlich eine interessante Mischung aus Kombinatorik und ein bisschen Zahlenzerlegen.

Kleiner Trost: drei richtige Lösungen reichen für alles Wesentliche …

PS: In gewissen Grenzen macht der BWM selbst dann süchtig, wenn man nicht besonders erfolgreich abschneidet, aber das merkt man normalerweise erst, wenn man nicht mehr mitmachen darf und stattdessen unnötig lange Beiträge für sein Blog schreibt.

PPS: Auch für diejenigen, die nicht alle Aufgaben selbst heraus bekommen, werden vermutlich, wenn die Runde zu Ende ist, wieder offizielle Lösungen zum Bundeswettbewerb Mathematik 2010 veröffentlicht.

Bundeswettbewerb Mathematik 2010: Bald ist wieder Bescherung

Achtung: Mittlerweile sind die Aufgaben da!

Wenn man dieser Tage durch die Läden geht und die vielen Nikoläuse sieht, denkt man natürlich unwillkürlich an den kommenden „Anfang Dezember“, und alle Mathematikfans damit auch – nein, nicht nur an den Mathematik-Adventskalender sondern auch und vor allem an den nächsten Durchgang des Bundeswettbewerbs Mathematik (BWM). Die Aufgaben der ersten Runde des Bundeswettbewerbs Mathematik 2010 werden bald veröffentlicht, das heißt die Unterlagen des Bundeswettbewerbs Informatik (jedenfalls die aus der ersten Runde diesen Jahres) können jetzt guten Gewissens für immer verbannt werden (Abgabeschluss dazu war neulich).

Wer das Gefühl hat, seit dem letzten Mal eingerostet zu sein oder überhaupt noch nie richtig rund gelaufen zu sein, dem kann ich nur die rostlösenden Aufgaben aus dem letzten Jahr oder auch die Aufgaben der Mathe-Olympiade empfehlen. Da ich davon ausgehe, dass Sie sich nicht gerade eines Mangels an Intelligenz bezichtigen, kann es doch nur an mangelnder Übung liegen, falls Sie noch nie erfolgreich mitgemacht haben – obwohl, gegen eine abgeschlossene Schullaufbahn ist kein Kraut gewachsen (gute Ausrede dafür, dass wir uns nicht auf der Preisverleihung sehen werden, btw.) …

Tipps zu Google-Rechner – Wie Google (nicht) rechnen kann

Nicht jeder Google-Benutzer weiß, dass sich im normalen Sucheingabefeld rechnen lässt. Im Wesentlichen identisch funktioniert das auch bei bing und Yahoo. Wolfram Alpha bringt sogar einige zusätzliche Möglichkeiten mit (hier ein Vergleich von Google und Wolfram Alpha).

Die offizielle Google-Dokumentation dazu ist äußerst knapp. Wer wissen will, welche Rechenoperatoren Google zur Verfügung stellt kann beispielsweise hier nachschauen: Es stehen auch Winkelfunktionen, die Fakultät, Wurzeln und diverse andere Funktionen sowie einige mathematische Konstanten zur Verfügung. Darüber hinaus lassen sich auch physikalische Einheiten ineinander umrechen.

Vor Kurzem gab es Meldungen darüber, dass sich Google bei großen Zahlen in bestimmten Fällen verrechnet. Das funktioniert, wie man schnell nachprüfen kann, immer noch. Allerdings ist das ein grundsätzliches Problem fast aller Taschenrechner. Sie rechnen nur mit beschränkter Genauigkeit, sodass praktisch immer nur eine bestimmte Anzahl Stellen tatsächlich genau ist. Ein ähnlicher Fehler tritt auch auf, wenn man sehr unterschiedlich große Zahlen miteinander verrechnet. Wenn man zum Beispiel von der Zahl Eins die Zahl 10 hoch -10 abzieht (das korrekte Ergebnis wäre 0,9999999999) erhält man bei Google ebenfalls ein falsches Ergebnis (1 in diesem Fall). Wolfram Alpha zeigt hier ein genaues Ergebnis an, selbst wenn man das Ganze noch etwas weiter spinnt (hier auf tausend Nachkommastellen genau!). Wer also beispielsweise für wissenschaftliche Zwecke genaue Berechnungen anstellen möchte, sollte sich vorher genau anschauen, wie genau der verwendete Rechner – ob offline oder online – tatsächlich ist. Die meisten handelsüblichen Taschenrechner rechnen nach meiner Erfahrung mit ungefähr acht bis zwölf gültigen Dezimalstellen.

Aufgaben der Mathe Olympiade

Während manche sich noch an den Aufgaben der zweiten Runde des Bundeswettbewerbs Mathematik das Hirn zermartern können, gibt es für alle anderen mathematisch Begabten, die nicht teilnehmen dürfen oder die Aufgaben schon lange gelöst haben eine zusätzliche Herausforderung:

Wer genügend mathematische Genialität (oder ersatzweise entsprechende Hybris) hat, kann sich jetzt an den Aufgaben der Internationalen Mathematik-Olympiaden (IMO) versuchen; wer lieber liest wie sich andere ihre Köpfe zerbrochen haben, dem ist hiermit sicherlich gedient. Entgegen den Gewohnheiten des Bundeswettbewerbs werden hier wohl auch nach der Korrektur keine offiziellen Lösungen zur Verfügung gestellt. Notfalls kann man sich also zumindestens bei den beiden Aufgaben die nicht auf “Man zeige dass …” enden guten Gewissens einreden, seine etwas verquere Lösung sei schon irgendwie auf geniale Art richtig.

PS: Wieso gibt es eigentlich so wenige, “Man zeige ob …”-Aufgaben? Der Weg zur Lösung ist ja schön, aber man muss man das Ziel immer schon vorher verraten?