Hans Walser, [20111220a]
Rechtecksunterteilung
Anregung: F. E., V.
Ein Rechteck wird in dazu Šhnliche Rechtecke unterteilt. Neben dem Quadrat gibt das DIN-Rechteck einige schšne Beispiele her. Auch die pythagoreischen Zahlentripel spiele eine exemplarische Rolle.
Wir halbieren die Seiten eines Quadrates und verbinden gemЧ Abbildung 1.
Abb. 1: Unterteilung eines Quadrates
Dann entsteht in der Mitte ein Quadrat, dessen FlŠche ein FŸnftel der FlŠche des Ausgangsquadrates ist. Dies kann mit einem Puzzle-Beweis eingesehen werden.
Bei einem Rechteck im DIN-Format unterteilen wir die Seiten je in drei Teile. Dann verbinden wir gemЧ Abbildung 2.
Abb. 2: Unterteilung eines DIN-Rechteckes
Es entstehen Rechtecke, welche zum Ausgangsrechteck Šhnlich sind (Beweis?). Der FlŠcheninhalt eines Teilrechteckes ist ein Elftel des FlŠcheninhaltes des Ausgangsrechteckes. Dies kann mit einem Puzzle-Beweis eingesehen werden.
Bei einem Rechteck im DIN-Format unterteilen wir die LŠngsseite in vier und die Schmalseite in zwei Teile. Dann verbinden wir gemЧ Abbildung 3.
Abb. 3: Unterteilung eines DIN-Rechteckes
Es entstehen Rechtecke, welche zum Ausgangsrechteck Šhnlich sind (Beweis?). Der FlŠcheninhalt eines Teilrechteckes ist ein Neuntel des FlŠcheninhaltes des Ausgangsrechteckes. Auch dies kann mit einem Puzzle-Beweis eingesehen werden. Im Unterschied zum Beispiel der Abbildung 2 stehen die Teilrechtecke annŠhernd im Hochformat.
Wir
arbeiten in einem Rechteck im Querformat mit den Seiten a und b, . Die Seite a
unterteilen wir in m gleiche Teile,
die Seite b in n gleiche Teile. Weiter wŠhlen wir zwei Zahlen
und
gemЧ Abbildung
4. Die Abbildung 4 entspricht dem Fall
,
,
und
.
Abb. 4: Unterteilungen
Die beiden schrŠgen blauen Linien nehmen wir als Basis fŸr eine Parallelogrammrasterung (Abb. 5).
Abb. 5: Parallelogrammraster
Wir verlangen nun, dass die Parallelogramme Rechtecke sein sollen. Dazu mŸssen die beiden Parallelenscharen orthogonal sein. Diese OrthogonalitŠtsbedingung ergibt:
Also ist (OrthogonalitŠtsbedingung):
Zu
gegebenem a ist also b bestimmt. FŸr das Beispiel Fall ,
,
und
erhalten wir
. Die Abbildung 6 zeigt das korrigierte Rechteck. (Als Folge
der erforderlichen affinen Streckung in vertikaler Richtung erscheinen die
ursprŸnglich kreisfšrmigen Punktsignaturen nun als stehende Ellipsen.)
Abb. 6: Orthogonalisierte Version
Es ist
dann und weiter:
Ferner ist:
FŸr den FlŠcheninhalt eines Rasterrechteckes erhalten wir daraus:
Wir haben
also flŠchenmЧig Rasterrechtecke
im Ausgangsrechteck.
Weiter sollen die Rasterrechtecke Šhnlich zum Ausgangsrechteck sein. Dazu sind zwei FŠlle zu unterscheiden:
Erster
Fall (ãQuerformatÒ):
Zweiter
Fall (ãHochformatÒ):
Wir erhalten die Bedingung:
Daraus ergibt sich die Querformatsbedingung:
Es ist
dann , und wir haben flŠchenmЧig
Rasterrechtecke
im Ausgangsrechteck.
Wir erhalten die Bedingung:
Also: . Wegen der OrthogonalitŠtsbedingung
ergibt sich:
Wir erhalten die Hochformatsbedingung:
Es ist , und wir haben flŠchenmЧig
Rasterrechtecke
im Ausgangsrechteck.
|
Bedingung |
Format Ausgangsrechteck |
Anzahl Rasterrechtecke |
Teilrechtecke
|
|
|
|
Teilrechtecke
|
|
|
|
Die
Rasterlinien sollen parallel zu den Seiten des Ausgangsrechteckes sein. In
diesem Fall ist und
.
Es ist
zunŠchst und
. Die zweite Formel macht aber fŸr
und
keinen Sinn. Aus
der ursprŸnglichen Form fŸr die OrthogonalitŠtsbedingung, also
,
erhalten
wir in unserem Fall . Die Seiten des Ausgangsrechteckes sind unabhŠngig
voneinander, wir kšnnen ein beliebiges Ausgangsrechteck unterteilen. Die Abbildung
7 zeigt die Situation fŸr
. Wir erhalten
Rasterrechtecke.
Abb. 7: Parallele Unterteilung im Querformat
Die
Bedingung ist ohnehin
erfŸllt. FŸr das Ausgangsrechteck haben wir die Formatbedingung
. Wir erhalten
Teilrechtecke.
Das
bekannteste Beispiel ist der Fall und
, also das DIN-Format mit
. Aus einem DIN A4 Papier ergeben sich durch Halbieren zwei
DIN A5 Papiere (Abb. 8).
Abb. 8: Halbieren im DIN-Format
Als
weiteres Beispiel den Fall und
, also
(Abb. 9). Das Ausgangsrechteck
lŠsst sich in ein gleichseitiges Dreieck einpassen. Es ergeben sich 12
Teilrechtecke.
Abb. 9: Unterteilung im doppelten halben Dreieck
Die Abbildung 10 zeigt eine davon abgeleitete Unterteilung des gleichseitigen Dreieckes in zwšlf flŠchengleiche Teile.
Abb. 10: Unterteilung des Dreiecks
Das
Quadrat ist sowohl Querformat wie auch Hochformat. Wir haben daher die beiden
Bedingungen und
. Viel Spielraum gibt es da nicht. Die Abbildung 11 zeigt die
Situation fŸr den Fall
und
. Wir erhalten
Teilquadrate.
Diese 25 Teilquadrate lassen sich natŸrlich quadratisch anordnen, das Gesamtquadrat
ist aber flŠchengleich und damit kongruent zum Ausgangsquadrat. Es geht aus
diesem durch eine Drehung um den Winkel
hervor.
FŸr den Puzzle-Beweis mŸssen wir Teile umlegen (spiegeln).
Abb. 11: Unterteilung des Quadrates
Das
Beispiel ist allerdings etwas speziell, weil die Zahlen und
zum
pythagoreischen Zahlentripel 3, 4, 5 gehšren.
Die
Abbildung 12 zeigt das analoge Beispiel fŸr Zahlen und
, welche zum pythagoreischen Zahlentripel 5, 12, 13 gehšren.
Es gibt
Teilquadrate, die
wir eine einem
anordnen kšnnen.
Abb. 12: Pythagoreisches Zahlentripel 5, 12, 13
Wir werden hier Opfer einer optischen TŠuschung, indem wir meinen, dass das Ausgangsquadrat (das ist dasjenige mit den Unterteilungspunkten) schief im Satzspiegel hŠngt. Dies ist aber nicht der Fall, wie man durch Nachmessen sich Ÿberzeugen kann.
Die
Zahlen und
gehšren nicht zu
einem pythagoreischen Zahlentripel. Es gibt
Teilquadrate
(Abb. 13), und die kšnnen wir nicht quadratisch anordnen. Es bleibt eins Ÿbrig.
Abb. 13: Es bleibt eins Ÿbrig
Im
DIN-Rechteck ist . Im Vergleich mit den Formatbedingungen fŸr Querformat, also
, beziehungsweise Hochformat, also
, sehen wir die Bedingungen
beziehungsweise
.
Im
Querformat-Fall ergeben sich Teilrechtecke, im
Hochformatfall
Teilrechtecke.
Als
Beispiel (Abb. 14) den Querformat-Fall mit ,
und
. Man beachte, dass
. Es geht trotzdem.
Abb. 14: Querformat?
Die Teilrechtecke scheinen eher im Hochformat zu stehen.
Wir mŸssen den Begriff ãQuerformatÒ prŠzisieren: Die Teilrechtecke stehen im Querformat, wenn ihre LŠngsseite die Richtung der von der linken unteren Ecke des Ausgangsrechteckes ausgehenden Rasterlinie hat.