Hemmes mathematische Rätsel: Wie lang sind die Seiten?

Eines der besten deutschsprachigen Werke des 19. Jahrhunderts über mathematische Denksportaufgaben ist das 1880 erschienene Buch »Mathematische Kurzweil« von Louis Mittenzwey. Bis 1918 wurden sieben Auflagen davon gedruckt, 1955 erschien eine von Bruno Rüger überarbeitete achte Auflage, und in diesem Jahr wird es noch eine neunte Auflage geben. Wann und wo Mittenzwey geboren wurde und starb, ist in Vergessenheit geraten. Spätestens 1874 aber war er Lehrer in Leipzig und ab etwa 1890 Direktor der 12. Bürgerschule in Leipzig-Lindenau. Er starb nach 1911. Die heutige Kopfnuss stammt aus seiner »Mathematischen Kurzweil«.
Ein Feld hat die Form eines rechtwinkligen Dreiecks. Zwei Jungen starten gleichzeitig an der 90-Grad-Ecke und laufen mehrere Runden um das Feld, der eine Junge im und der andere gegen den Uhrzeigersinn. Ihre Geschwindigkeiten sind konstant und stehen im Verhältnis 13 : 11. Sie begegnen sich das erste Mal auf der Mitte der gegenüberliegenden Seite und das zweite Mal 60 Meter vom Ausgangspunkt entfernt. Wie lang sind die Seiten des Feldes?

Das Feld mit den Seitenlängen a, b und c hat die Form eines rechtwinkligen Dreiecks, und es soll a < b < c sein. Nach dem Satz des Pythagoras gilt a2 + b2 = c2. Beim ersten Treffen auf der Hypotenusenmitte hat der schnelle Junge den Weg b + c/2 zurückgelegt und der langsame den Weg a + c/2. Weil ihre Geschwindigkeiten im Verhältnis 13 : 11 stehen, gilt 13/11 = (b + c/2)/(a + c/2), was sich zu c = 11b – 13a vereinfachen lässt. Setzt man dies in die Pythagorasgleichung ein, erhält man a2 + b2 = (11b – 13a)2. Dies kann man zu 84a2 + 60b2 = 143ab zusammenfassen. Beim zweiten Treffen hat der schnelle Junge das Feld ganz umrundet und noch d = 60 Meter von der zweiten Runde zurückgelegt. Dem langsamen Jungen hingegen fehlen noch d = 60 Meter von der ersten Runde. Somit gilt 13/11 = (a + b + c + d)/(a + b + c – d), was man zu a + b + c = 12d umformen kann. Fügt man in diese Gleichung c = 11b – 13a ein, erhält man a + b + 11b – 13a = 12d oder b = a + d. Dies wird nun in die Gleichung 84a2 + 60b2 = 143ab eingesetzt und ergibt 84a2 + 60(a + d)2 = 143ab. Nach einigen Umformungen bekommt man die quadratische Gleichung a2 – 23da + 60d2 = 0, die die Lösungen 3d und 20d hat. Die zweite Lösung ist sinnlos, da sie größer als der Umfang des Feldes ist. Somit ist a = 3d. Daraus ergeben sich auch sofort b = 4d und c = 5d. Die drei Seiten des Feldes sind somit 180 Meter, 240 Meter und 300 Meter lang.
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