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Was ist Mathematik? Didaktik der Mathematik
Referenten: Luise Mielke und Martin Herold
Dozent: Professor Jahnke
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Gliederung
1. Überblick2. Diskussionsrunde
Was ist Mathe Anwendung Notwendigkeit Gebiete Gefühle
3. Was denkt wer über Mathematik? 4. Darf ich vorstellen: Mathematik 5. Geschichtlicher Abriss
3000 v. Chr. – 0 - die Kindheit der Mathematik Fibonacci, Euler, Gauß, Cantor – Damals und Heute
6. Aufbau einer jeden Mathematik7. Mathematische Teilgebiete8. Instrumente der Mathematik – Damals und Heute 9. Mathematik ist nützlich: Anwendungsbereiche der Mathematik10. Was ist ein Mathematiker?11. Reflexion der Diskussionsrunde
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2. Diskussionsrunde Was ist Mathematik
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2. Diskussionsrunde Anwendung
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2. Diskussionsrunde Notwendigkeit
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2. Diskussionsrunde Gebiete
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2. DiskussionsrundeEure Gefühle für Mathematik
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• „Die Mathematik muss man schon deswegen studieren, weil sie die Gedanken ordnet.“ (M.W. Lomonossow)
• „Die Mathematik ist eine Art Spielzeug, welches die Natur uns zuwarf zum Troste und zur Unterhaltung in der Finsternis.“ (Jean-Jacques Rousseau)
• „Das Wesen der Mathematik liegt in ihrer Freiheit.“ (Georg Cantor)
• „Jede Wissenschaft bedarf der Mathematik, die Mathematik bedarf keiner.“ (Jakob I. Bernoulli)
3. Was denkt wer über Mathematik?
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• „Du wolltest doch Algebra, da hast du den Salat.“ (Jules Verne)• „Wer die erhabene Weisheit der Mathematik tadelt, nährt sich von Verwirrung.“ (Leonardo da Vinchi)• „Alles was lediglich wahrscheinlich ist, ist wahrscheinlich falsch.“ (Rene Descartes) • „Wer die Geometrie begreift, vermag in dieser Welt alles zu verstehen.“ (Galileo Galilei)• „Die Natur ist in der Sprache der Mathematik geschrieben.“ (Galileo Galilei)• „Math is like Ophelia in Hamlet — charming and a bit mad.“ (Alfred North Whitehead)
3. Was denkt wer über Mathematik?
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4. Darf ich vorstellen: Mathematik
• Altgriechisches Verb: manthánō : „Ich lerne“• Griechisches Adjektiv: mathēmatikē : „zum Lernen gehörig“• „Wissenschaft welche aus der Untersuchung von Figuren und
dem Rechnen mit Zahlen entstand“ • Bis heute ist keine allgemeingültige Definition existent• Auch streitet man darüber ob Mathematik zu den
Naturwissenschaften gehört, oder vielleicht sogar zur Philosophie
• Auf jeden Fall gilt sie als die älteste „Wissenschaft“• Mathematisches Grundverständnis gilt als Vorraussetzung zum
Verständnis aller Geistes- und Naturwissenschaften (frei nach Platon)
• Deduktiver Charakter von der Hypothese zur Schlussfolgerung
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• Mathematik ist kumulativ Alles baut aufeinander auf• mittlerweile derart viele spezielle Teilgebiete
unmöglich die gesamte Mathematik zu kennen• Mathematiker spezialisieren sich deshalb nur auf wenige
Teilgebiete• Ziel: Finden einer interessanten ewigen Wahrheit• einmal streng logisch bewiesen: zeitlose Wahrheit
einmal Mathematik, immer Mathematik exakte Wissenschaft
• Mathematiker arbeiten heutzutage innerhalb inter-nationaler Netzwerke zusammen, denn bis jetzt und in nächster Zukunft gilt es noch viele mathematische Probleme zu lösen
4. Darf ich vorstellen: Mathematik
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• Die Sprache der Mathematik besteht aus Formeln und Fachbegriffen• Obwohl sie die grundlegendste aller Wissenschaften ist, gibt es für sie keinen Nobelpreis• Mathematik ist allgegenwärtig (vgl. Anwendungsgebiete) • Mathematik polarisiert seit Jahrhunderten die Menschheit entweder man hasst sie, oder man liebt sie
4. Darf ich vorstellen: Mathematik
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5. Geschichtlicher Abriss 3000 v. Chr. – 0 - die Kindheit der Mathematik
Kurzer Zeitablauf:• Babylonien 3000 - 700 v.Chr• Ägypten 3000 - 1600 v.Chr.• Griechenland 600 - 100 v.Chr.• Griechisch-Römisches Imperium 150 - 525 n.Chr.• Islamische Welt 750 - 1450 n.Chr.• Westliche Welt 1100 - 1600 n.Chr.• Moderne 1600 n.Chr. - Heute
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5. Geschichtlicher Abriss 3000 v. Chr. – 0 - die Kindheit der Mathematik
Babylonien 3000 - 700 v.Chr
• Zahlen basieren auf einem Hexadesinal System• Es können alle natürlichen Zahlen dargestellt werden• Und Rationale Zahlen mit Nenner mit Primfaktorzerlegung 2,3,5
enthalten.• Besaßen Geometrisch Aufgaben von Typ:
Man hat x Meter Zaun und muss eine Fläche Y umschließen, wie müssen a und b geschaffen sein.
• Erste Aufgaben ohne Zweck nur zum Rechnen üben• Rechneten überwiegend mit Multiplikationstabellen
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5. Geschichtlicher Abriss 3000 v. Chr. – 0 - die Kindheit der Mathematik
Ägypten 3000 - 1600 v.Chr.
• Zahlen basieren auf einem Dezimalsystem• Es können alle natürlichen Zahlen dargestellt werden• Und Rationale Zahlen mit Zähler 1 • Brüche von anderem Typ müssen in Stamm Bruchdarstellung
geschrieben werden • Konnten bereits Volumen der Pyramiden exakt bestimmen• Lineare und Quadratische Gleichungen konnten geometrisch
gelöst werden Begründung der Geometrischen Algebra• Erste Aufgabensammlung in den Papyrus-Rind und
Papyrus-Moskau
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5. Geschichtlicher Abriss 3000 v. Chr. – 0 - die Kindheit der Mathematik
Griechenland 600 - 200 v.Chr.
Vertreter:• Thales von Milet• Pythagoras und die Pythagoreer• Hippasos von Metapont• Eudoxos• Aristoteles• Hippokrates• Euklid• Archimedes
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5. Geschichtlicher Abriss 3000 v. Chr. – 0 - die Kindheit der Mathematik
Thales von Milet
Formulierter mehrere geometrische Sätze
Unter anderem: Satz des Thales
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5. Geschichtlicher Abriss 3000 v. Chr. – 0 - die Kindheit der Mathematik
Pythagoras und die Pythagoreer
• Die Zahl rückt in den Mittelpunkt.• Prägen den begriff der „Kommensurabilität“ • „Zwei gleichartige Größen besitzen steht eine „Einheit“, so dass
Die Größen ein Verhältnis haben.“
Seinen G1 und G2 gleichartig ex. Einheit e, so dass
m*e = G1 und n*e = G2 G1 : G2 = m : n
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5. Geschichtlicher Abriss 3000 v. Chr. – 0 - die Kindheit der Mathematik
Hippasos von Metapont
• Entdeckte als erster Inkommensurable Größen im Ordenszeichen der Pythagoreer
d/s ≠ Qs
d
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5. Geschichtlicher Abriss 3000 v. Chr. – 0 - die Kindheit der Mathematik
Eudoxos
• Löst Problem durch das „Prinzip des Eudoxos“
a : x = x : b a/x = x/b x = ab x = ab
• Diese Anschauung löst Problem der Quadrate ohne die Wurzel zu betrachten
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√wir
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5. Geschichtlicher Abriss 3000 v. Chr. – 0 - die Kindheit der Mathematik
Euklid
• Schrieb die „Elemente“, ist eine Zusammenfassung der bekannten Mathematik in 13 Büchern
• Aufbau: Axiome, Postulate, Beweise• Buch I Geometrie• Buch VII Mengentheorie• Buch XIII Platonische Körper
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Leonardo von Paris, Filius Bonacci (Sohn des Bonacci)geschätzte Lebensdaten 1180-1240
• Rechenmeister aus Paris Bedeutendster Mathematiker des Mittelalters• Bereiste Mittelmeerraum und arabische Länder• Schrieb 1202 die Erkenntnisse der Reisen über Algebra und Arithmetik in seinem Werk Liber Abaci (Buch des Rechnens) nieder• Darin beschrieb er auf Latein die schriftlichen Rechenverfahren, die wir heute in der Grundschule erlernen
5. Geschichtlicher Abriss Leonardo Fibonacci
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• Führte die arabische Schreibweise der Zahlen in Europa ein, und löste damit die Römische ab• Fibonacci Folge:
fn=fn-1+fn-2 f1=1, f2=1
Quotient zweier Folgeglieder konvergiert gegen goldenen Schnitt
5. Geschichtlicher Abriss Leonardo Fibonacci
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Die Fibonacci-Spirale
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1607-1665
• Französischer Jurist
• Freizeit-Mathematiker
• Studierte die Schriften von Euklid und Apollionus
• befasste sich mit der Zahlentheorie, Wahrscheinlichkeitsrechnung
und Differentialrechnung
• Untersuchte Minimum und Maximum sowie die Zusammensetzung
und Zerlegung von Zahlen
5. Geschichtlicher Abriss Pierre de Fermat
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• Und trug damit einen wesentlichen Teil zur Entwicklung der analytischen Geometrie bei• Nach ihm sind die Fermat`schen zahlen und der kleine und große Fermat`sche Satz benannt• Fermats großer Satz: a^n+b^n=c^n kann nur für n=2 gelten• Großer Satz konnte erst 300 Jahre später durch Andrew Whiles bewiesen werden (jedenfalls die Theorie dahinter)
5. Geschichtlicher Abriss Pierre de Fermat
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1707-1783 Basel / Schweiz
• Studierte bei Johann Bernoulli• Erblindete 1771 forschte trotzdem noch weiter• viele mathematische Symbole (Summenzeichen, e) gehen auf ihn zurück• gilt als Begründer der Analysis• Beschäftigte sich mit Differential- und Integralrechnung, Zahlentheorie, Algebra• Insgesamt gibt es 866 Publikationen von Euler, darunter:
5. Geschichtlicher Abriss Leonhard Euler
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• "Introductio in analysin infinitorum" 1748 Begriff der Funktion f(x)• Über 50x Euler: Eulersche Zahl: e; Eulerschen Relation: e^iπ+1=0 • "Lettres à une princesse d'Allemagne" (1768) Grundzüge der Physik, der Astronomie, der Mathematik, der Philosophie und der Theologie• „Euler fehlte nur eine Eigenschaft zu einem vollkommenen Genie: nämlich unverständlich zu sein.„ (Georg Ferdinand Frobenius 1917) • Euler erfand das Mathematik-Rätsel-Spiel Soduko
5. Geschichtlicher Abriss Leonhard Euler
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•1777-1855 Braunschweig/ Deutschland
•Gilt als Fürst der Mathematiker • Motto: 'Pauca sed matura' (Weniges, aber Reifes) • Konnte eher rechnen als sprechen (er über sich)• Soll bereits mit 3 Jahre die Lohnabrechnung seines Vaters korrigiert haben, galt als wahres Wunderkind, deswegen gefördert und unterstützt
• Grundschule: benutzte Summenformel:
s=n(n+1)/2 (der kleine Gauß)
5. Geschichtlicher Abriss Carl-Friedrich Gauß
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• Entwickelte die Methode der kleinsten Quadrate (Flächeninhaltsberechnungen), bewies Fundamentalsatz der Algebra (1799), konstruierte mit Zirkel und Lineal regel- mäßiges 17-Eck, entwickelte Anwendung unendlicher Reihen (Wesen der Analysis)• 1801: Disquisitiones Arithmeticae - Zahlentheorie• Mit 19 vermass er im Auftrag des Königs Georg IV dessen Reich Hannover • Nach im benannt: Gaußsche Glockenkurve, Eliminationsverfahren
5. Geschichtlicher Abriss Carl-Friedrich Gauß
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• 1845-1918 deutscher Mathematiker
• Schüler von Weierstrass und Kronecker• Litt seit dem 41 Lebensjahr an manischer Depression • Gilt als Begründer der Mengenlehre • Beschäftigte sich mit Äquivalenz, Mächtigkeit und Abzählbarkeit von Mengen und entwickelte das noch heute verwendete Diagonalverfahren
5. Geschichtlicher Abriss Georg Cantor
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• Entwickelte Theorie der Kardinalzahlen, bewies Überabzählbarkeit der • reellen Zahlen• Zeigte auch Interesse an Philosophie und Literaturwissenschaft suchte nach wahrem Autor der Shakespeare Stücke• War Mitbegründer und Vorsitzender der deutschen Mathematiker-Vereinigung (1890)• "Aus dem Paradies, das Cantor uns geschaffen, soll uns niemand vertreiben können." (David Hilbert)
5. Geschichtlicher Abriss Georg Cantor
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Das Diagonalverfahren
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6. Aufbau einer jeden Mathematik
• Alles beginnt bei den Axiomen Grundsatz, als gültig anerkannt muss (kann oft) nicht bewiesen werden
• Aus den Axiomen werden Aussagen hergeleitet, die sich, einmal streng logisch bewiesen, Satz nennen dürfen
• Die wichtigsten Sätze sind Fundamentalsätze• Zum Beweis des Satzes werden häufig Lemmata (Hilfssätze
zu gezogen)• Lemmata beweisen „einfache“ aber nicht triviale Tatsachen
der Mathematik, welche Vorraussetzungen für ein Satz darstellen
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• Definitionen, auf Eigenschaften eines Sachverhaltes basierende Benennung/ Bezeichnung• Einfache Schlussfolgerungen aus den Sätzen und Definitionen nennt man Korollar (lat. Die Zugabe) Beweise folgen auf Grundlage des Satzes und sind oft mit wenig Zeitaufwand durchführbar
6. Aufbau einer jeden Mathematik
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Geometrie
Arithmetik
Algebra
Mengenlehre
Analysis
Differenzial-/Integralrechnung
Diff. Gleichungusw.
Topologie
usw.
Funktionen-theorie
Numerik
7. Mathematische Teilgebiete
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7. Mathematische Teilgebiete
Bis 1868 gab es folgende Forschungsgebiete
● Geschichte und Philosophie ● Analytische Geometrie ● Algebra ● Synthetische Geometrie● Zahlentheorie ● Mechanik● Wahrscheinlichkeitsrechnung ● Mathematische Physik● Reihen ● Geodäsie und Astro.● Diff.- / Integralrechnung● Funktionentheorie
und 38 Unterabteilungen
1979 bereits ca. 4000
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8. Instrumente der Mathematik – Damals und Heute
• Kopf? Finger? Sand?.... Tafel? Kreide?... Zettel? Stift?
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Während Archimedes in die Mathematik vertieft Formeln in den Sand schreibt , bemerkt er nicht, dass hinter im der Krieg beginnt
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8. Instrumente der Mathematik – Damals und Heute
• Kopf? Finger? Sand?.... Tafel? Kreide?... Zettel? Stift?• „Mathematik wird mit einem Minimum an Instrumenten und
einem Maximum an Hirntätigkeit betrieben“ klassische Sicht
• Minimum der Instrumente:• Schreibutensil wichtig zur Verbreitung und Überlieferung• Lineal und Zirkel Konstruktionen in der euklidischen
Geometrie (zur Konstruktion regelmäßiger n-Ecke)• Abakus (Rechentafel, 1100 v. Chr. Erfunden) Arithmetik)
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8. Instrumente der Mathematik – Damals und Heute
• Kopf? Finger? Sand?.... Tafel? Kreide?... Zettel? Stift?• „Mathematik wird mit einem Minimum an Instrumenten und
einem Maximum an Hirntätigkeit betrieben“ klassische Sicht
• Minimum der Instrumente:• Schreibutensil wichtig zur Verbreitung und Überlieferung• Lineal und Zirkel Konstruktionen in der euklidischen
Geometrie• Abakus (Rechentafel, 1100 v. Chr. erfunden) Arithmetik• Rechenschieber Multiplikation/ Division
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Der Rechenschieber(Anfang 20. Jahrhundert)
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8. Instrumente der Mathematik – Damals und Heute
• Kopf? Finger? Sand?.... Tafel? Kreide?... Zettel? Stift?• „Mathematik wird mit einem Minimum an Instrumenten und
einem Maximum an Hirntätigkeit betrieben“ klassische Sicht
• Minimum der Instrumente:• Schreibutensil wichtig zur Verbreitung und Überlieferung• Lineal und Zirkel Konstruktionen in der euklidischen
Geometrie• Abakus (Rechentafel, 1100 v. Chr. erfunden) Arithmetik• Rechenschieber Multiplikation/ Division)• Taschenrechner (Berechnung von Wurzeln, Logarithmen
etc.) • Computer kann dem Mathematik-Betreibenden viel Arbeit
abnehmen (Maple), ist deswegen aber auch manchmal verpönt. Dient weiterhin zur Veranschaulichung
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9. Mathematik ist nützlich: Anwendungsbereiche der Mathematik
Intergal- und Differenzialrechung Physik (Mechanik)
Vektorgeometrie Physik, Architektur
Variationsrechnung Physik (Beschreibung (Lagrange) komplexer Bewegungsprozesse
Reihenentwicklung Approximation von Funktionen (Taylor, Fourier) Geologie, Physik
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Taylorreihe
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Fourierreihe
Grad n=10 Grad n=30
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Grad n=50 Grad n=70
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9. Mathematik ist nützlich: Anwendungsbereiche der Mathematik
Intergal- und Differenzialrechung Physik (Mechanik)
Vektorgeometrie Physik, Architektur
Variationsrechnung Physik (Beschreibung (Lagrange) komplexer Bewegungsprozesse
Reihenentwicklung Approximation von Funktionen (Taylor, Fourier) Geologie, Physik
Stochastik Wirtschaft, Physik (Quantenphysik)
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Numerik
Binärzahlen Computerkodes
9. Mathematik ist nützlich: Anwendungsbereiche der Mathematik
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Binärzahlen
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Numerik
Binärzahlen Computerkodes
Permutation Kryptographie
9. Mathematik ist nützlich: Anwendungsbereiche der Mathematik
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Kryptographie
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Numerik
Binärzahlen Computerkodes
Permutation Kryptographie
Sphärische Geometrie Landvermessung
9. Mathematik ist nützlich: Anwendungsbereiche der Mathematik
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10. Was ist ein Mathematiker?
Drei Richtungen des Mathematischen Denkens
Platonismus:
• Mathematische Objekte sind real. (Unendliche Mengen, raumfüllende Kurven) • Objekte sind unveränderlich • Jede sinnvolle Frage über Objekte hat präzise Antwort• Für Platonisten ist Mathematik eine empirische
Wissenschaft, sie kann nichts erfinden was nicht da ist. Es bleibt nur vorhandenes zu entdecken.
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10. Was ist ein Mathematiker?
Drei Richtungen des Mathematischen Denkens
Formalismus:
• Mathematiker geht davon aus, dass es solche Objekte nicht gibt • Mathematik besteht aus Axiome, Definitionen und Sätzen Also aus „Formeln“• Formeln geben keine Auskunft über ihren Inhalt, weis zwar
das seine Umformungen in anderen Gebieten Anwendbar sind interessiert sich aber nicht dafür.
• Formel hat unabhängig vom Wahrheitswert der Aussage keine Bedeutung
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10. Was ist ein Mathematiker?
Drei Richtungen des Mathematischen Denkens
Konstruktivismus:
• Für Konstruktivist ist echte Mathematik, was sind durch endliche Konstruktion erzeugen lässt
• Menge der reelen Zahlen ist nicht Existent
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10. Was ist ein Mathematiker?
Der „Ideale“ Mathematiker
• Versteckt sich in seiner dunklen Kammer• Zurückgezogen• Beschäftigt sich mit einem Thema, das nur 100 Leute
kennen und 12 verstehen• Flüchtet sich bei Diskussionen in Formalismen• Spricht auch im normalen Leben in mathematischer Sprache• Seine Hilfsmittel sind Stift und Kopf• Hält sein Gebiet für das wichtigste überhaupt• Fühlt sich nur wohl, wenn 80% des Tages mit nachdenken
verbringen kann, selbst im Schlaf
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10. Was ist ein Mathematiker?
Was der reale Mathematiker sein sollte
• Weltoffen• Beschäftigt sich nebenbei noch mit anderen Teilgebieten• Ist auch einwenig philosophisch• Hält den Kopf für wichtig, weis aber auch andere Medien zu
nutzen (wie Computer)• Kann sein Forschungsgebiet anschaulich erklären, da es ihm
auch um die Weitergabe seines Wissens geht • Kann Diskussionen folgen ohne sich in Formalismen zurück
zu ziehen• Ist bereit auch andere Meinungen und Beweisideen
annehmen und daraus lernen• Hält seinen Tag für zu kurz und von Nacht wollen wir hier gar
nicht erst reden
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11. Reflexion der Diskussionsrunde
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“Mathematics may be defined as the subjectin which we never know what we are talking about, nor whether what we are saying is true.”
"So kann also die Mathematik definiert werden als diejenige Wissenschaft, in der wir niemals das kennen, worüber wir sprechen, und niemals wissen, ob das, was wir sagen, wahr ist."
Bertrand Russell
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Quellen
• www.turing.org.uk/turing/scrapbook/ww2.html• www.cs.swan.ac.uk• homepages.tesco.net• www.uuxp.com/cx/img/ascii.gif• www.pohlig.de/Mathematik/Taylor/taylor31.gif• homepage.ruhr-uni-bochum.de/.../bw5.JPG• www.wikipedia.de• http://de.wikipedia.org/wiki/Mathematik• http://de.wikipedia.org/wiki/Carl_Friedrich_Gau%C3%9F• http://de.wikipedia.org/wiki/Leonhard_Euler• http://de.wikipedia.org/wiki/Georg_Cantor• http://de.wikipedia.org/wiki/Fibonacci• http://de.wikipedia.org/wiki/Fermat• www.mathematik.de• http://www.kk.s.bw.schule.de/mathge/euler.htm• http://www.mcs.surrey.ac.uk/Personal/R.Knott/Fibonacci/fibBio.html• www.genie-gauss.de• http://www.mathematik.ch/mathematiker/fermat.php• www.mathematik.ch/mathematiker/cantor.php• www.fonline.de/rs-ebs/geschichte/ges4.htm