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Hemmes mathematische Rätsel: Welche Werte sind gesucht?

Unter welchen Voraussetzungen ist diese Zerlegung des Schachbretts möglich?
Schachbrett-Muster

Der Mathematiker Albrecht Beutelspacher wurde 1950 in Tübingen geboren und war 30 Jahre lang bis 2018 Professor für Geometrie und diskrete Mathematik an der Universität Gießen. Er ist der Gründer und der Direktor des Mathematikums in Gießen, des weltweit ersten Mitmachmuseums für Mathematik. Beutelspacher hat sich sehr um die Popularisierung der Mathematik verdient gemacht und ist dafür mit zahlreichen Preisen geehrt worden. Er hat auch eine ganze Reihe von unterhaltsamen Büchern über die Mathematik geschrieben. Darunter sind auch einige Denksportaufgabensammlungen. Im November 2023 schickte mir Albrecht Beutelspacher ein hübsches Zerlegungsproblem, das er selbst entworfen hatte.

Das 12×12-feldige Schachbrett aus dem Bild ist in lauter 2×2- und 3×3-Quadrate unterteilt worden. Nun soll ganz allgemein ein n×n-feldiges Schachbrett entlang der Feldgrenzen vollständig in lauter 2×2- und 3×3-Quadrate zerlegt werden, wobei nicht unbedingt beide Quadratgrößen vorkommen müssen. Für welche Werte von n ist dies möglich?

Der Wiener Mathematiker Helmut Postl bewies im November 2023, dass eine solche Zerlegung nur möglich ist, wenn n ein Vielfaches von 2 oder von 3 ist. Ist n gerade, kann man das Schachbrett immer in lauter 2×2-Quadrate zerlegen. Ist n hingegen ungerade, lässt sich das Brett nicht ausschließlich in 2×2-Quadrate zerlegen. In diesem Fall färben wir die Felder des Schachbretts, anders als üblich, zeilenweise abwechselnd schwarz und weiß, wobei wir mit einer schwarzen Zeile beginnen. Jedes 2×2-Quadrat besteht somit immer aus zwei schwarzen und zwei weißen Feldern und jedes 3×3-Quadrat aus sechs schwarzen und drei weißen Feldern oder umgekehrt aus drei schwarzen und sechs weißen Feldern. Die Differenz zwischen den Zahlen der schwarzen und weißen Felder ist somit bei jedem 2×2-Quadrat 0 und bei jedem 3×3-Quadrat entweder 3 oder –3. In jedem Fall ist die Differenz durch 3 teilbar. Addiert man nun die Schwarz-Weiß-Differenzen von allen 2×2- und 3×3-Quadraten des Schachbretts, ist diese Summe auch durch 3 teilbar. Da n ungerade ist, gibt es eine schwarze Zeile mehr als weiße Zeilen. Folglich ist die Differenz zwischen den Zahlen der schwarzen und weißen Felder des gesamten Bretts n. Eine Zerlegung in lauter 2×2- und 3×3-Quadrate ist somit nur möglich, wenn n durch 3 teilbar ist.

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