Hemmes mathematische Rätsel: Wie groß ist die gesuchte Fläche?
Im Internet findet man unter der Adresse www.mental-aktiv.de/knobelforum eine Denksportseite mit dem Namen Knobelforum. Sie wurde 2004 von dem Informatiker Marc-Oliver Scheele gegründet und enthält knapp 20 000 Knobeleien, die von vielen Rätselfreundinnen und Rätselfreunden beigetragen worden sind. Das Knobelforum wächst noch immer, auch wenn seine großen Zeiten längst vorbei sind. Im Mai 2004 stellte der 1971 in Boppard am Rhein geborene und in München lebende Elektroingenieur Michael Machwirth dort die folgende Aufgabe.
Zwei aufeinanderliegende gleiche Schachbretter sind um 45° gegeneinander verdreht, wobei ihre Mittelpunkte genau übereinandersitzen. Jedes Feld beider Bretter ist 4 Zentimeter lang und breit. Nehmen wir nun einmal an, die weißen Felder wären durchsichtig, die schwarzen hingegen nicht. Wie groß wäre dann die Fläche, bei der man durch beide Schachbretter blicken könnte? Die acht dreieckigen Stücke, bei denen nicht beide Bretter übereinanderliegen, zählen also nicht mit.
Das rot umrandete regelmäßige Achteck mit der Seitenlänge b ist die Fläche, auf der beide Schachbretter übereinanderliegen. Wegen der Symmetrie ist es sowohl im oberen als auch im unteren Schachbrett genau zur Hälfte weiß. Das Achteck schneidet außerdem von den Brettern rechtwinklige, gleichschenklige Dreiecke ab, deren Hypotenusen die Länge b haben. Die Längen der Katheten der Dreiecke lassen sich mit dem Satz des Pythagoras zu b/√2 berechnen. Haben die einzelnen Felder die Seitenlänge a, so sind die Seiten der Schachbretter 8a = 2 · b/√2 + b lang, was man zu b = 8a(√2 – 1) umformen kann. Jedes der Dreiecke hat einen Flächeninhalt von 1/2 · b/√2 · b/√2 = b2/4. Folglich hat das Achteck den Inhalt 64a2 – 4 · b2/4 = 64a2 – 64a2(√2 – 1)2 = 128(√2 – 1)a2. Die symmetrisch zur grünen Linie im Achteck liegenden weißen Felder und Feldteile des oberen Schachbretts sind jeweils auf gleiche Weise in weiße und graue Bereiche des unteren Schachbretts geteilt. Der Unterschied ist allerdings, dass jeweils die Farben in den beiden Feldern vertauscht sind. In jedem Paar symmetrisch liegender Felder sind folglich zusammen die weiße und die graue Fläche gleich groß. Darum ist genau ein Viertel der Achteckfläche durchsichtig, also 1/4 · 128(√2 – 1)a2 = 32(√2 – 1)a2 = 32(√2 – 1) · 16 cm2 ≈ 212 cm2.
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