MathematikKlasse 7–9

Quadratwurzeln und das Heron-Verfahren

Aus einem Rechteck wird Schritt für Schritt ein Quadrat mit derselben Fläche. Das Verfahren ist fast 2000 Jahre alt und landet erstaunlich schnell bei √2.

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Worum geht es?

Die Quadratwurzel a\sqrt{a} (für a≥0a \geq 0) ist die nichtnegative Zahl, deren Quadrat aa ergibt: (a)2=a\left(\sqrt{a}\right)^2 = a und a≥0\sqrt{a} \geq 0. Die Zahl aa unter der Wurzel heißt Radikand. Geometrisch ist a\sqrt{a} die Seitenlänge eines Quadrats mit dem Flächeninhalt aa.

Legt man aa Einheitsquadrate auf Kästchenpapier zu immer größeren Quadraten zusammen (1+3+5+…1 + 3 + 5 + \ldots), so gehen nur bei Quadratzahlen alle Kästchen genau auf: 49=7\sqrt{49} = 7, 144=12\sqrt{144} = 12. Sonst bleibt ein Rest, und a\sqrt{a} liegt zwischen zwei natürlichen Zahlen:

72=49<50<64=82⇒7<50<87^2 = 49 < 50 < 64 = 8^2 \quad\Rightarrow\quad 7 < \sqrt{50} < 8

Steckt im Radikanden ein Quadratfaktor, kann man teilweise die Wurzel ziehen: 50=25⋅2=25⋅2=52≈7,071\sqrt{50} = \sqrt{25 \cdot 2} = \sqrt{25} \cdot \sqrt{2} = 5\sqrt{2} \approx 7{,}071.

Heron-Verfahren: Man startet mit einem Rechteck mit dem Flächeninhalt aa, also mit den Seiten x0x_0 und ax0\frac{a}{x_0}. Als neue Seite nimmt man den Mittelwert der beiden Seiten; die andere Seite ergibt sich wieder aus aa geteilt durch die neue Seite:

xn+1=xn+axn2x_{n+1} = \frac{x_n + \frac{a}{x_n}}{2}

Die Fläche bleibt immer aa, das Rechteck wird immer quadratischer. Warum? Schneidet man vom Rechteck einen Streifen der Breite x−a/x2\frac{x - a/x}{2} ab und legt ihn an die kurze Seite, entsteht fast ein Quadrat mit der Seite xn+1x_{n+1} – es fehlt nur eine kleine Ecke. Darum liegt xn+1x_{n+1} ab dem ersten Schritt immer etwas über a\sqrt{a} und axn+1\frac{a}{x_{n+1}} etwas darunter. Das geht sehr schnell: Die Zahl der richtigen Stellen verdoppelt sich ungefähr. Für 2\sqrt{2} mit x0=2x_0 = 2:

x1=1,5x2=1712≈1,416667x3=577408≈1,41421572≈1,4142136x_1 = 1{,}5 \qquad x_2 = \tfrac{17}{12} \approx 1{,}416667 \qquad x_3 = \tfrac{577}{408} \approx 1{,}4142157 \qquad \sqrt{2} \approx 1{,}4142136

Intervallschachtelung: Man schließt a\sqrt{a} zwischen Zahlen ein, deren Quadrate aa einschließen, und prüft durch Quadrieren:

1<2<2,1,4<2<1,5    (1,96<2<2,25),1,41<2<1,42    (1,9881<2<2,0164)1 < \sqrt{2} < 2, \qquad 1{,}4 < \sqrt{2} < 1{,}5 \;\;(1{,}96 < 2 < 2{,}25), \qquad 1{,}41 < \sqrt{2} < 1{,}42 \;\;(1{,}9881 < 2 < 2{,}0164)

Mit jeder Stelle wird das Intervall zehnmal kürzer.

2\sqrt{2} ist irrational: Die Diagonale des Einheitsquadrats hat die Länge 2\sqrt{2}, denn das Quadrat über ihr besteht aus vier halben Einheitsquadraten und hat den Flächeninhalt 22. Diese Länge ist kein Bruch. Wäre 2=pq\sqrt{2} = \frac{p}{q} vollständig gekürzt, so wäre p2=2q2p^2 = 2q^2, also pp gerade, p=2rp = 2r; dann 4r2=2q24r^2 = 2q^2, also q2=2r2q^2 = 2r^2 und auch qq gerade – Widerspruch zum gekürzten Bruch. Die Dezimaldarstellung von 2\sqrt{2} bricht deshalb nie ab und wird nie periodisch. Genauso ist a\sqrt{a} für jede natürliche Zahl aa, die keine Quadratzahl ist, irrational.

Ausprobieren

  1. 49 Kästchen: Drücke „Quadrat legen“. Wie wachsen die Quadrate 1,4,9,…1, 4, 9, \ldots? Wie viele Kästchen kommen jeweils dazu? Vergleiche mit 50 Kästchen.
  2. Ziehe die grüne Ecke des Quadrats. Bei welchen Werten von aa geht alles genau auf?
  3. √2 mit Heron: Klicke auf „Nächster Schritt“ und beobachte den Streifen und die fehlende Ecke. In der Tabelle sind die richtigen Stellen fett. Wie viele kommen pro Schritt dazu?
  4. Ein langes Rechteck: Starte mit 10×110 \times 1. Ziehe bei Schritt 0 die blaue Ecke und probiere andere Startlängen. Spielt der Start eine große Rolle?
  5. √2 einschachteln: Tippe auf das Teilintervall, in dem 2\sqrt{2} liegt. Was zeigt die Probe, wenn du daneben tippst? Warum endet die Schachtelung bei √49 sofort?
  6. √2 ist kein Bruch: Gehe den Beweis Schritt für Schritt durch und betrachte die Fast-Treffer pq\frac{p}{q}.

Aufgaben

Aufgabe 1: Zwischen zwei Quadratzahlen

Zwischen welchen natürlichen Zahlen liegt 50\sqrt{50}? Vereinfache 50\sqrt{50} durch teilweises Wurzelziehen. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

72=49<50<64=827^2 = 49 < 50 < 64 = 8^2, also 7<50<87 < \sqrt{50} < 8. Weiter 50=25⋅2=52≈5⋅1,4142≈7,071\sqrt{50} = \sqrt{25 \cdot 2} = 5\sqrt{2} \approx 5 \cdot 1{,}4142 \approx 7{,}071. In der Simulation zeigen

Aufgabe 2: Heron von Hand

Berechne mit dem Heron-Verfahren zwei Näherungen für 10\sqrt{10}, Start x0=3x_0 = 3. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

x1=3+1032=196≈3,16667x_1 = \frac{3 + \frac{10}{3}}{2} = \frac{19}{6} \approx 3{,}16667 und 10x1=6019≈3,15789\frac{10}{x_1} = \frac{60}{19} \approx 3{,}15789.

x2=196+60192=721228≈3,162281x_2 = \frac{\frac{19}{6} + \frac{60}{19}}{2} = \frac{721}{228} \approx 3{,}162281. Zum Vergleich: 10≈3,162278\sqrt{10} \approx 3{,}162278 – schon vier Nachkommastellen stimmen. In der Simulation zeigen

Aufgabe 3: Intervalle bestimmen

Zwischen welchen Zahlen mit einer bzw. zwei Nachkommastellen liegt 3\sqrt{3}? Begründe durch Quadrieren. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

1,72=2,89<3<3,24=1,821{,}7^2 = 2{,}89 < 3 < 3{,}24 = 1{,}8^2, also 1,7<3<1,81{,}7 < \sqrt{3} < 1{,}8.

1,732=2,9929<3<3,0276=1,7421{,}73^2 = 2{,}9929 < 3 < 3{,}0276 = 1{,}74^2, also 1,73<3<1,741{,}73 < \sqrt{3} < 1{,}74. In der Simulation zeigen

Aufgabe 4: Warum liegt √a immer dazwischen?

Begründe mit dem Bild vom umgelegten Streifen: xn+12=a+d2x_{n+1}^2 = a + d^2 mit d=xn−a/xn2d = \frac{x_n - a/x_n}{2}. Was folgt daraus für xn+1x_{n+1} und axn+1\frac{a}{x_{n+1}}? Umlegen ansehen

Lösung anzeigen

Das Fast-Quadrat mit der Seite xn+1x_{n+1} besteht aus dem ganzen Rechteck (Fläche aa) und der fehlenden Ecke (Fläche d2d^2). Also xn+12=a+d2≥ax_{n+1}^2 = a + d^2 \geq a, d. h. xn+1≥ax_{n+1} \geq \sqrt{a}. Wegen xn+1⋅axn+1=a=a⋅ax_{n+1} \cdot \frac{a}{x_{n+1}} = a = \sqrt{a} \cdot \sqrt{a} ist dann axn+1≤a\frac{a}{x_{n+1}} \leq \sqrt{a}: a\sqrt{a} liegt immer zwischen den beiden Seiten.

Aufgabe 5: Wie genau ist 577/408?

Beim Heron-Verfahren für 2\sqrt{2} (Start 22) ist x3=577408x_3 = \frac{577}{408}. Wie viele Nachkommastellen stimmen? Berechne (577408)2\left(\frac{577}{408}\right)^2 ohne Taschenrechner möglichst genau. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

577408=1,4142156…\frac{577}{408} = 1{,}4142156\ldots und 2=1,4142135…\sqrt{2} = 1{,}4142135\ldots: Fünf Nachkommastellen stimmen. Es ist 5772=332 929577^2 = 332\,929 und 2⋅4082=2⋅166 464=332 9282 \cdot 408^2 = 2 \cdot 166\,464 = 332\,928. Also (577408)2=2+1166 464≈2,000006\left(\frac{577}{408}\right)^2 = 2 + \frac{1}{166\,464} \approx 2{,}000006 – fast 22, aber eben nicht genau. Zeigen

Aufgabe 6: Kein Bruch trifft genau

Prüfe ohne Taschenrechner, ob 1712\frac{17}{12} oder 9970\frac{99}{70} gleich 2\sqrt{2} sein kann. Beweis ansehen

Lösung anzeigen

172=28917^2 = 289, aber 2⋅122=2882 \cdot 12^2 = 288; 992=980199^2 = 9801, aber 2⋅702=98002 \cdot 70^2 = 9800. Beide Male fehlt genau 11 – sehr nah, aber nie gleich: p2=2q2p^2 = 2q^2 ist nach dem Beweis unmöglich. Alle Schritte zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Etwa Klasse 9, Quadratwurzeln (Wurzelbegriff, Näherungsverfahren, irrationale und reelle Zahlen, Rechnen mit Wurzeln). Die vier Ansichten passen gut als Einstieg (Kästchen), Erarbeitung (Heron, Intervalle) und Vertiefung (Beweis).
  • Ohne Formel beginnen: Das umgelegte Rechteck macht das Heron-Verfahren anschaulich, bevor die Formel steht. Vielleicht lohnt es sich, die Lernenden zuerst selbst vorschlagen zu lassen, wie man ein Rechteck „quadratischer“ machen könnte.
  • Wettrechnen: Wer schafft zuerst sechs richtige Stellen – mit Heron oder mit der Intervallschachtelung?
  • Für Aufgaben: Mit „Werte zeigen“ aus (show=0) erscheinen a\sqrt{a} und die Näherungen im Bild als „?“.
  • Modell: Fett sind in der Tabelle die Stellen, die schon mit a\sqrt{a} übereinstimmen; die Intervallschachtelung rechnet ganzzahlig, also ohne Rundungsfehler.
  • Häufige Stolpersteine:
    • „2=1,41\sqrt{2} = 1{,}41“ – das ist nur eine Näherung; 1,412=1,98811{,}41^2 = 1{,}9881.
    • Die Grenzen eines Intervalls werden geschätzt, aber nicht durch Quadrieren geprüft.
    • Beim Heron-Verfahren wird die zweite Seite ebenfalls gemittelt statt als a:xa : x neu berechnet – dann stimmt die Fläche nicht mehr.
    • a+b=a+b\sqrt{a + b} = \sqrt{a} + \sqrt{b} – gilt nicht (z. B. 9+16=5≠7\sqrt{9 + 16} = 5 \neq 7); nur für Produkte gilt a⋅b=a⋅b\sqrt{a \cdot b} = \sqrt{a} \cdot \sqrt{b}.
    • Aus „viele Stellen sehen zufällig aus“ wird auf irrational geschlossen – erst der Beweis zeigt, dass sich nichts wiederholt.