Äquivalenzrelationen und Klasseneinteilungen WS 11/12: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 12. Januar 2012, 20:21 Uhr

Ziel der Ausführungen bzw. der Veranstaltung

Es gibt grundlegende Begriffe, die man im Mathematikunterricht und auch im alltäglichen Sprachgebrauch ständig verwendet, ohne sich bis ins letzte Detail Gedanken über den Begriff selbst zu machen. Mitunter braucht man es dann doch genauer und es stellen sich Fragen, die gar nicht so einfach zu beantworten sind:

1. Was ist eigentlich eine natürliche Zahl?
2. Was ist ein Bruch, was ist eine Bruchzahl, was ist eine gebrochene Zahl und ist das eigentlich alles dasselbe?
3. Was ist eine Richtung?
4. Was ist der Richtungssinn?
5. Meint 3. und 4. dasselbe?
6. Was ist ein Pfeil und was sind Pfeilklassen?

Man kann eine ganze Zeit lang Mathematik betreiben, ohne obige Fragen explizit zu beantworten:

1. Natürliche Zahlen kennt doch jedes Kind, es sind die Zahlen 1, 2, 3, 4, 5 usw., sie sind offenbar gottgegeben.
2. Was interessiert es mich, ob es Bruch, gebrochene Zahl oder Bruchzahl heißt, wenn ich etwa rechnen soll, dann rechne ich halt und erhalte.

3. bis 6.

Was interessiert es mich, ob es Pfeil oder Pfeilklasse heißt, wenn ich etwa bestimmen soll, dann rechne ich halt und erhalte

Irgendwie bleibt bei näherer Betrachtung der Dinge jedoch ein wenig Unsicherheit, die, je mehr man darüber nachdenkt, immer stärker wird: Wir haben nicht wirklich die Brüche und addiert, sondern die Brüche und . Irgendwie ist das sicherlich dasselbe, irgendwie aber auch nicht: einer Pizza sind wunderschöne Stücke (Schließlich hat m.g. 10 Jahre das Rezept für seinen Teig optimiert.). derselben Pizza ist Matsch und nicht wirklich genießbar (eventuell noch für zahnlose Hunde).

Irgendwie passt es schon, dass wir anstelle von zu addiert haben. Bei näherer Betrachtung ist der Pfeil aber auch ein von verschiedener Pfeil unserer Ebene.

Dieses Irgendwie und passt schon sollten wir präzieren. Zentraler Punkt dieser Präzisierung sind die Begriffe Äquivalenzrelation und Klasseneinteilung.

Klasseneinteilungen

Beispiele und Gegenbeispiele

Kleine Bemerkung aus didaktischer Sicht zur Erarbeitung des Begriffs Klasseneinteilung

Die Ausbildung von Lehrern an einer Hochschule oder Universität läuft häufig Gefahr, sich selbst ad absurdum zu führen. Auf der einen Seite fordert man vom zukünftigen Lehrer, dass dieser sich im Praktikum seines didaktischen Know-How's bedienen möge, während man in den eigenen Lehrveranstaltungen den didaktischen Aspekt stark vernachlässigt. Nun wird es rein aus Zeitgründen nicht immer möglich sein, sich in einer Hoschschullehrveranstaltung der Methoden eines Unterricht allgeinbildender Schulen zu bedienen, zumindest exemplarisch sollte es jedoch möglich sein, den stark dozierenden Stil der Hochschullehrveranstaltung zu durchbrechen. Hier und jetzt wollen wir dieses tun: Der Begriff der Klasseneinteilung soll induktiv erarbeitet werden. Hierzu werden wir verschiedene Beispiele und prägnante Gegenbeispiele bezüglich des Begriffes der Klasseneinteilung untersuchen um dann die Idee des Begriffs Klasseneinteilung herauszuarbeiten.

Ein Beispiel für eine Klasseneinteilung

Die übliche morgendliche Hektik an der „Maier-Vorwiesener“ Grund- und Hauptschule: Frau Schulze-Mackenroth zog es für heute vor, ihr Burnout-Syndrom mit Tannenzäpfle und Ouzo zu pflegen, weshalb sie sich kurz vor knapp bei Rektor Pollenwein telefonisch krank gemeldet hat. In ihrer Grundschulklasse geht es derweilen drunter und drüber. Xulio-Dävid hat seine überforderte, allein erziehende Mutter ausgetrickst und das Methylphenidat nicht genommen. Jetzt lässt er seine ADHS hemmungslos an seinen Klassenkameraden aus.

Zu Hause bei Lehrer Steiner gab es ein weiteres mal Stress wegen der jungen blonden Referendarin, die Steiner betreut. Er flüchtet deshalb und kommt eine Stunde früher. Erleichtert sieht ihn Rektor Gendarm beim Anmarsch auf die Schule. Aus dem Rektoratsfenster ruft er Steiner zu: „Du musst ganz schnell in die Klasse von Xulio-Dävid. Es brennt mal wieder!“

Damit ist eindeutig geklärt, in welche Klasse Herr Steiner gehen muss. Rein formal hätte Rektor Gendarm natürlich auch die Namen von anderen Schülern nennen können, die mit Xulio-Dävid in dieselbe Klasse gehen. An der klassischen Grund- und Hauptschule geht jeder Schüler in genau eine Klasse. Ihre Klassen sind ein Beispiel dafür, was der Mathematiker unter einer Klasseneinteilung versteht.

Ein Gegenbeispiel für den Begriff der Klasseneinteilung

10 Jahre ist Sportsfreund Holzkugel nun Vorsitzender des örtlichen Kegelvereins. Es waren bewegte 10 Jahre. Vor 5 Jahren gelang ihm das, woran schon viele Vorsitzende des Vereins scheiterten: Die Öffnung des Vereins für den Bowlingsport. Die Gegner des Bowling verwiesen immer wieder auf den Namen des Vereins: "Alle Neune Wilhelmsfeld". Schließlich konnte man sich aber doch auf eine Umbennung in "Gut Holz Wilhelmsfeld" einigen, was die Gründung der Sektion Bowling ermöglichte. Heute gehört aller Mitglieder von "Gut Holz Wilhelmsfeld" sowohl der Sektion Kegeln als auch der Sektion Bowling an. Die beiden Sektionen bilden damit keine Klasseneinteilung des Vereins "Gut Holz Wilhelmsfeld".

Identifizieren von Klasseneinteilungen

Pluspunkt für eine richtige Antwort:
Minuspunkte für eine falsche Antwort:
Ignoriere den Fragen-Koeffizienten:

1. Setzen Sie ein Häckchen, wenn es sich nach Ihrer Meinung um eine Klasseneinteilung der angegebenen Grundmenge handelt.

	Einteilung der Menge aller Dreiecke in gleichseitige, gleichschenklige und in Dreiecke bei denen keine zwei Seiten gleichlang sind.
→	Ein gleichseitiges Dreieck ist gleichzeitig ein gleichschenklig.
	Einteilung der Menge aller Vierecke in konvexe und konkave Vierecke.
→	Ein beliebiges Viereck ist entweder konvex oder nicht konvex und damit konkav. Es gibt kein Viereck, das weder konvex noch konkav ist. Die Menge aller Vierecke wird damit in genau zwei Klassen eingeteilt. Die eine Menge ist die Menge aller konvexen Vierecke, die andere Menge ist die Menge aller nicht konvexen und damit konkaven Vierecke.
	Unter wollen wir die Menge aller Mengen ohne die leere Menge verstehen. Wir teilen nun in unendlich viele Teilmengen ein:, wobei wir unter die Menge aller Mengen mit genau einem Element, unter die Menge aller Mengen mit genau zwei Elementen, unter die Menge aller Mengen mit genau n Elementen etc. verstehen wollen.
→	Jede Menge (außer der leeren Menge) gehört zu genau einer der Teilmengen von . Alle Teilmengen vereinigt bilden die Menge .
	Herr Markwitz ist Rektor der Wiesengrund-Hauptschule. Früher war die Wiesengrund-Hauptschule zweizügig. Es gibt damit die Klassen 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b, 9a und 9b. Im Schuljahr 2009/2010 reichte es dann nicht mehr. Eigentlich dürfte es nur die Klasse 5a geben. In diese Klasse gehen auch alle Schüler des entsprechenden Jahrgangs. Um den Fortbestand seiner Schule zu sichern, greift Rektor Markwitz zu einem Trick. Er führt fiktiv die Klasse 5b, die allerdings keine Schüler hat.
→	Das konnten Sie noch nicht wissen: sollen die Teilmengen einer Menge eine Klasseneinteilung der Grundmenge bilden, do darf keine der Teilmengen leer sein. Läßt Herr Markwitz die fiktive Klasse weg, so hat er natürlich wieder eine saubere Einteilung der Menge aller Schüler seiner Schule in Klassen.

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Definition des Begriffs Klasseneinteilung

Bemerkung
Definition: (Klasseneinteilung eine Menge)

Es sei eine Menge und eine Menge von Teilmengen von .

ist eine Klasseneinteilung von , wenn

(1) Jede belibige Teilmenge gschnitten mit einer belibigen anderen Teilmenge die leere Menge ergibt, d.h. Jedes Element kommt nur in einer Teilmenge vor.

(2) Alle Teilmengen vereinigt die Menge M ergeben.

(3) keine der Teilmengen die leere Menge ist.
--RicRic 21:09, 1. Nov. 2011 (CET)

Relationen

Beispiele

Halt dich senkrecht

Flag of Switzerland (Pantone)

Im Schulpraktikum war der Begriff der Senkrechten zu behandeln. Der Praktikant hatte ein Bild der Schweizer Nationalflagge auf eine Folie gedruckt und fragte die Schüler, welche Linien Senkrechte wären. Bei den Schülern stellte sich nach den ersten Antworten leichte Unsicherheit ein.
Der Grund für diese Unsicherheit: Die Frage des Praktikanten war völlig unsinnig. Eine Antwort wie Gerade steht senkrecht ist lediglich eine Aussageform, der kein Wahrheitswert zuzuordnen ist. Erst wenn man die Lage von bezüglich einer anderen Geraden (Ebene, Strahl, Strecke) betrachtet, ist es sinnvoll davon zu sprechen, dass eine Senkrechte ist.
Die Relation Gerade steht senkrecht auf Gerade ist zweistellig.

Eine klassische Dreiecksbeziehung

Tom ist der Liebhaber von Gabi. Zu der Ehre der Liebhabereigenschaft kommt er durch die Existenz von Frank, dem Ehemann von Gabi. Tom, Gabi und Frank stehen in einer dreistelligen Relation zueinander, der klassischen Dreiecksbeziehung.
Wir könnten diese Relation auch so formulieren: Gabi steht zwischen zwei Männern.

Beispiel 3

Trauen Sie sich: Präsentieren Sie hier ein eigenes Beispiel.

Beispiel Frühstücksei:
Hier stehen in Relation, die Größe des Ei mit der Kochzeit um eim ideales weichgekochtes Ei zu erhalten.
Ist es also mein Ziel ein ideals Frühstückei zu erhalten, muss ich die Ralation zwischend der Größe des Ei und der Kochzeit beachten.--RicRic 21:14, 1. Nov. 2011 (CET)

Ein Quiz zwischendurch

Pluspunkt für eine richtige Antwort:
Minuspunkte für eine falsche Antwort:
Ignoriere den Fragen-Koeffizienten:

1. Setzen Sie ein Häckchen, wenn es sich um eine zweistellige Relation handelt

	Eine Ebene steht senkrecht zu einer Ebene .
→	klar, wie bei Beispiel 1 für Geraden
	Der Punkt liegt zwischen den Punkten und .
→	dreistellig
	Von zwei Punkten ein und derselben Geraden liegt einer vor dem anderen.
→	Jetzt werden nur zwei Punkte verglichen.

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Die Idee der Relation aus abstrakter Sicht

Jeder mit Jeder?

Von Anfang an war Kommissar Schätzerle dieses Dorf, dass man weder dem Ländle noch dem Nachbarn Bayern so recht zuordnen kann, nicht ganz geheuer gewesen.
Ist nun der schöne Anton der Vater von der Lisa oder doch Stavros, der Grieche, der irgendwann im Dorf auftauchte und seitdem bei der feschen Wirtin wohnt. Wer ist eigentlich der Vater vom Klaus, den man hier immer noch politisch unkorrekt den Dorfdeppen nennt. Und was ist mit Dorothea, deren Zeugung mit Sicherheit nicht die unbefleckte Empfängnis war, alle im Dorf aber so tun, als wenn es so gewesen wäre.
Eins wurde Schätzerle immer klarer: Er konnte den aktuellen Fall nur lösen, indem er alle Vaterschaften des Ortes gnadenlos aufklärte. An die DNS aller in Frage kommender Männer heranzukommen war leicht. Ein abendlicher Besuch bei der feschen Wirtin reichte aus. Schwieriger war es bei den Kindern. Um das Gerichtsverfahren nicht zu gefährden, sei dem Chronisten diesbezügliches Stillschweigen gestattet. Wie auch immer, irgendwann hatte sich Schätzerle auch die noch fehlende DNS von Maria besorgt und schickte alles den Kollegen in Stuttgart zum Zwecke des DNA-Abgleichs.
Mit der Bitte um Kennzeichnung jeweiliger Vaterschaften durch ein Ausrufezeichen schickte er die folgende tabellarische Übersicht mit:

Das LKA Stuttgart schickte die Tabelle in folgender Form zurück:

Der einzige, der sich über das Ergebnis aus Stuttgart freute, war der schöne Anton. Es hielt sich nämlich hartnäckig das Gerücht, dass der Anton zwar recht nett anzusehen sei, andererseits aber struntzdumm und vom Gebrauch der Anabolika, naja sie wissen schon ... . Für Schätzerle wurde allerdings klar: Der Mörder war wieder der Gärtner.
Alle geordneten Paare: (potentieller Vater, potentielles Kind) aus den Veranstaltungen vom 6.5.11. --*m.g.* 11:52, 7. Mai 2011 (CEST)
Nach dem DNA-Abgleich: Alle geordneten Paare (Vater, leibliches Kind) wurden aus dem obigen Kreuzprodukt herausgenommen. Also: Die Relation : v ist Vater von k repräsentiert sich als eine Menge von geordneten Paaren aus dem Kreuzprodukt . Anders ausgedrückt:

Das Remake WS2011/12: Vaterschaften im schwäbischen Dorf

Du hast den Farbfilm vergessen ...

Wir wollen davon ausgehen, dass Sie diesen Text an einem Computermonitor lesen. Ferner möge es sich bei um einen Monitor handeln, der

verschiedene Farben darstellen kann. Weil Bilder, für deren Darstellung auf dem Bildschirm verschiedene Farben zur Verfügung stehen, recht natürlich auf das menschliche Auge wirken, bezeichnet man die Farbtiefe von Farben auch als True Color. Da das Display von selbst leuchtet, erfolgt die Farbdarstellung auf ihm entsprechend des Prinzips der additiven Farbmischung: Die Farbe eines jeden Pixels wird durch das Mischen der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau generiert (RGB). Für jede der drei Farben stehen jeweils 256 verschiedene Farbtiefen zur Verfügung, d.h. im Farbraum von gibt es 256 verschiedene Rottöne, 256 verschiedene Grüntöne und schließlich 256 verschiedene Blautöne. Jeder der Farbtöne wird durch eine natürliche Zahl mit codiert. Der Code einer beliebigen Farbe des Farbraumes von ist damit ein geordnetes Tripel , wobei und jeweils natürliche Zahlen zwischen und sind und die jeweilige Farbtiefe der Grundfarben Rot, Grün und Blau codieren.

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Aus der abstrakten Sicht des Mathematikers ist unser RGB-Farbraum das Kreuzprodukt , wobei unter die Menge der natürlichen Zahlen von 0 bis 255 zu verstehen ist.

Nun möge es sich zugetragen haben, dass wir des Auftrages zur Generierung eines computergestützten Videos anheischig wurden. Als Auftraggeber zeichnet niemand geringeres als Nina Hagen zuständig. Zum 56. Geburtstag der Punk-Diva soll Du hast den Farbfilm vergessen (mein Michael) als Video fröhliche Urständ feiern.

Was liegt bei dem Titel Du hast den Farbfilm vergessen näher, als ein Video in Schwarz/Weiß oder genauer ausgedrückt ein Video , das nur Grautöne verwendet. Der RGB-Farbraum enthält auch Grautöne. Diesbezüglich definieren wir uns eine dreistellige Relation mit dem Namen auf der Menge aller geordneten Tripel aus : Die Komponenten und eines Tripels mögen genau dann in der Relation zueinander stehen, wenn das Tripel der Code für einen Grauwert ist.

Es wäre interessant zu untersuchen, welche Tripel aus so beschaffen sind, dass ihre jeweiligen Komponenten in der Relation zueinander stehen. Bei dieser Formulierung bricht man sich fast die Zunge. Formulieren wir doch einfacher: Wir wollen untersuchen, welche geordneten Tripel aus zur Relation gehören.

Für diese Untersuchung stellen wir uns ausnahmsweise ganz dumm und gehen mittels einer Brutal Force- Methode vor: Beginnend mit dem Tripel danach die Tripel und testend probieren wir systematisch alle Tripel bis zum Tripel aus, ob sie der Code für einen Grauwert sind oder nicht, bzw. zu unserer Relation gehören oder nicht. Aus allen potentiell möglichen Tripeln haben wir die Tripel herausgesucht, die zu unserer Relation gehören. Anders ausgedrückt: Auf der Suche nach allen geordneten Tripeln, die einen Grauwert codieren, haben wir eine Teilmenge unserer Grundmenge gebildet. Diese Teilmenge ist letztlich unsere Relation.

Die Untersuchungen ergaben (Der Leser überzeuge sich mittels [1].), dass immer dann ein Grauwert codiert wird, wenn die Komponenten des geordneten Tripels identisch sind: , , ..., . Unsere Relation ist damit eine Teilmenge aus , die 256 geordnete Tripel enthält.

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Als Quintessenz unserer Überlegungen können wir unser Relation wie folgt präzisieren:

1. Definition: ()
   
   oder
2. Definition: ()
   

Alles verstanden?

Hier ein kleines Quiz zur Überprüfung Ihres Verständnisses für den Abschnitt mit dem Farbfilm.

Wir legen den folgenden Überlegungen ein kartesisches Koordinatensystem zugrunde. Jedem Farbwert wird genau ein Punkt des zugeordnet, wobei die Koordinate von dem Rotwert , die Koordinate von dem Grünwert und die Koordinate von dem Blauwert entsprechen.[2] Wir wollen die Menge dieser Punkte als RGB-Farbraum bezeichnen. Alle die Punkte, die einem Grauwert entsprechen, sollen im folgenden die Grauwerte genannt werden.

Pluspunkt für eine richtige Antwort:
Minuspunkte für eine falsche Antwort:
Ignoriere den Fragen-Koeffizienten:

1. Welche der folgenden Aussagen ist richtig?

	Bezüglich unseres Koordinatensystems ist der RGB-Farbraum ein Würfel mit der Kantenlänge .
→	Unter einem Würfel würden wir nur die Vereinigungsmenge der Seitenflächen verstehen.
	Bezüglich unseres Koordinatensystems ist der RGB-Farbraum das Innere von .
→	Schon der Würfel und natürlich auch sein Inneres beinhalten unendlich (überabzählbar) viele Punkte. Die Punkte dieser menge, deren Koordinaten natürliche Zahlen zwischen 0 und 255 sind dagegen nur eine endliche Teilmenge der menge der Punkte des Würfelinneren.
	Bezüglich unseres Koordinatensystems liegt der RGB-Farbraum im Inneren von .
→	Nach den Bemerkungen zu den vorangegangenen Fragen dürfte das klar sein.
	Die Grauwerte sind eine Raumdiagonale von .
→	Können 256 Punkte eine Diagonale sein?
	Die Grauwerte liegen auf der Raumdiagonalen von , wobei und gilt.
→	korrekt
	Die Grauwerte liegen auf der Raumdiagonalen von , wobei und gilt.
→	Da die Endpunkte dieser diagonalen keine Grauwerte repräsentieren ... .
	Die Relation aus dem vorangegangenen Abschnitt läßt sich grafisch als eine Menge von Punkten darstellen, die auf der Raumdiagonalen von liegen.
→	Für diese Erkenntnis wurde dieses Quiz organisiert.

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Definition des Begriffs der Relation

Definition: (n-stellige Relation)

Es seien Mengen, wobei keine dieser Mengen die leere Menge ist. Jede Teilmenge aus ist eine stellige Relation.

Äquivalenzrelationen

Beispiele

Beispiel 1: „Maier-Vorwiesener“ Grund- und Hauptschule

Unter 2.1.2 wurde bereits die Einteilung einer traditionellen GHS in Klassen angesprochen. Auf der Grundlage einer solchen Einteilung der Menge aller Schüler einer Schule in Klassen können wir eine Relation A geht mit B in dieselbe Klasse definieren:

Definition: Es seien und zwei Schüler ein und derselben Schule . und gehen in dieselbe Klasse.

Diese Definition erfüllt alle Anforderungen, die an eine sogenannte Äquivalenzrelation gestellt werden:

1. ist reflexiv:
2. ist symmetrisch:
3. ist transitiv:

Müsste bei der Relation "symmetrisch" nicht ein A anstelle eines C stehen in der Implikation?--Miriam 23:03, 10. Nov. 2011 (CET) Wurde geändert.--Tutorin Anne 20:21, 12. Jan. 2012 (CET)

Übungsaufgabe: Formulieren Sie 1. bis 3. umgangsprachlicher.

Beispiel 2: Parallelität auf der Menge der Geraden der Ebene

Die Parallelität auf der Menge der Geraden der Ebene ist eine Äquivalenzrelation:

1. Jede Gerade der Ebene ist trvialerweise zu sich selbet parallel.
2. Wenn eine Gerade zu einer Geraden parallel ist, dann ist auch die Gerade zur Geraden parallel.
3. Wenn eine Gerade zur Geraden parallel ist und die Gerade parallel zur Geraden ist, dann ist auch die Gerade zur Geraden parallel.

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