Ein dynamischer Zugang zu „einfachen“ algebraischen Kurven

math.did. 25 (2002), Bd.1 79Ein dynamischer Zugang zu„einfachen“ algebraischen KurvenvonHeinz Schumann, WeingartenZusammenfassung: Das Desiderat „Algebraische Kurven“ hat trotz seiner geringen Lehrplanrelevanzimmer schon eine methodisch-didaktische Pflege erfahren, die in diesem Beitragunter Berücksichtigung der Weiterentwicklung von Dynamischen Geometriesystemen(Cabri II+) und im Hinblick auf außerplanmäßigen und projektartigen Mathematikunterrichtfortgesetzt werden soll.Summary: Despite its low relevance for teaching the desideratum „Algebraic curves“ hasalways been an issue within mathematical didactics. This article aimes to continue this traditionby applying current dynamic geometry software (Cabri II+) and with respect to a projectoriented mathematics instruction.Didaktische Theorie und Praxis des computerunterstützten Mathematikunterrichtsist stets ein Reflex auf den jeweilig als Nonplusultra gepriesenen Software-Entwicklungsstand.H. Schumann, 19961 EinleitungAngesichts der zeitlichen und damit inhaltlichen Reduktion der mathematischenBildung im gymnasialen Bereich von 9 auf 8 Schuljahre und der Einführung so genanntermathematischer Bildungsstandards als auch Kerncurricula ist es problematisch,einen Unterrichtsgegenstand zu propagieren, der zwar immer schon eine gewissemethodisch-diadaktische Traditionspflege erfahren, aber in den Lehrpläneneigentlich keine Berücksichtigung gefunden hat.Das Thema „Algebraische Kurven“ kann für einen allgemein bildenden Unterrichtim Hinblick auf Projektarbeit, Facharbeiten, Arbeitsgemeinschaften und Begabtenförderungunter dem Eindruck weiterentwickelter adäquater Computerwerkzeugeneu bewertet werden. Dabei gelten nach wie vor die bei Schumann 1991, Weth1993, Schupp u. Dabrock 1995 u.a.m. im Zusammenhang mit dem Computereinsatzangeführten Argumente, die wir hier schlagwortartig wiederholen. Für eineBehandlung algebraischer Kurven sprechen:• ihre Brückenfunktion zwischen (synthetischer) Geometrie und Algebra• ihre Problemhaftigkeit, Bearbeitungsvielfalt und Beziehungshaltigkeit

80 H. Schumann• ihr verallgemeinender und weiterführender Charakter• ihre Anwendungs- und Modellierungsfunktion• ihre Verstärkungsfunktion für das funktionale und operative Denken• ihre mathematikgeschichtliche Bedeutung• ihr ästhetischer Reiz.Computerwerkzeuge sind ausgezeichnete Explorations- und Rekonstruktionsmedien,mit denen wir uns den Gegenstand „Algebraische Kurven“ zugänglichmachen können. Deshalb betrachten wir algebraische Kurven im Kontext ihrer Behandlungmittels entsprechender Computerwerkzeuge, die auch für den Unterrichtverfügbar sind. Dabei beschränken wir uns im Wesentlichen auf Werkzeuge die –wegen ihrer temporären Nutzung durch Novizen – menüsteuerbar sein müssen undschließen deswegen kommandogetriebene Werkzeuge aus. Natürlich sind entsprechendemathematische Vorkenntnisse Voraussetzung, um eine computerunterstützteBehandlung erfolgreich durchführen zu können.Algebraische Kurven haben folgende wesentliche Repräsentationsformen: Eine algebraischeKurve ist die Nullstellenmenge eines Polynoms in x und y:( k l)⎪⎧⎪⎫⎨( ) ∑∑k li jx ; y | aijxy = 0 ⎬ mit a ij ∈ R ;⎪⎩ i= 0 j= 0 ⎪ ⎭n = + mit a kl ≠ 0 ist der Grad der algebraischen Kurve. Diese algebraischeGleichung ist ein Objekt der Algebra; die zugehörige grafische Darstellung(Graph) ist ein Objekt der synthetischen Geometrie.Unsere methodisch-didaktischen Überlegungen rahmen wir durch das folgendeDiagramm (Schumann 2001), anhand dessen wir die derzeitigen Darstellungs- undInteraktionsmöglichkeiten mittels verfügbarer Computerwerkzeuge erläutern.R×R

Ein dynamischer Zugang zu „einfachen“ algebraischen Kurven 81Die Pfeile im Diagramm besitzten folgende Bedeutung: Die „klassischen“ algebraischen Kurven sind mit Zirkel- und Linealkonstruktionengrafisch erzeugbar; dabei besitzen diese Konstruktionen höchstens zweiform- bzw. lagebestimmende Parameter. Mittels Dynamischer Geometriesysteme(DGS) kann die punktweise Erzeugung durch den „Spurmodus“ veranschaulichtwerden, der die Punktmengenauffassung von Kurven unterstützt(vgl. u.a. Schumann 1991). Für die dynamische Variation der Parameterwerte(etwa zur Untersuchung von Fallunterscheidungen und zur Erzeugung vonKurvenscharen) ist aber ihre Erzeugung als Objekt und nicht nur als Bildschirmzustanderforderlich. Die entsprechende Grafik wird aus Stützpunkten(natürlich nur mit in der Systemarithmetik gerundeten Koordinaten) dynamischinterpoliert. Oft existieren für solche Kurven verschiedene geometrische Konstruktionsvorschriftenbzw. -verfahren für ihre Erzeugung. Man kann unterscheidenzwischen der Erzeugung als Lotfußpunktkurve, Gleitpunktkurve, Kissoide,Konchoide, Rollkurve, Bildkurve bei besonderen Abbildungen usw. (dieHüllkurven-Erzeugung, etwa die durch Geraden, schließen wir hier aus). Umgekehrt kann aus so erzeugten grafischen Kurven mit Hilfe der Option„Konstruktionswiederholung“ die jeweilige Konstruktionsvorschrift nachträglichoffen gelegt werden. Beim jetzigen Stand der gängigen DGS (Cabri Géomètre II, Cinderella, Dyna-Geo, Geone x t, The Geometer’s Sketchpad, Zirkel und Lineal) gestattet nur CabriGéomètre II+ (www.cabri.com) 1 die betreffende Brücke zur Algebra zuschlagen, nämlich die Darstellung einer algebraischen Kurve als Nullstellenmengeeines Polynoms in x und y in einem relativ zu wählenden Koordinatensystemzu bestimmen. Dazu benutzt Cabri Géomètre II+ einen numerischeni jAlgorithmus, der für algebraische Kurven P( x; y) = ∑∑aij x y = 0kli= 0 j=0etwa biszum Grad 8 zufriedenstellende Ergebnisse liefert. (Der Algorithmus lässt sichgrob folgendermaßen beschreiben: Zufallsbestimmte Auswahl von ca. 100Stützpunkten der erzeugten Kurve, aus denen mittels eines entsprechendenGleichungssystems die ( n + 1 )( n + 2 ) Koeffizienten von P ( x; y) = 0 vom Grad2n, beginnend mit n = 1 , bestimmt werden, bis die Punktproben für die restlichender ausgewählten Punkte „näherungsweise“ Nullstellen ergeben.) Ein visueller Test für die Richtigkeit der ausgegebenen algebraischen Kurvekann mit einem mathematischen Assistenzprogramm oder Funktionenplotter,das implizite Funktionen plotten kann, erfolgen. Unter den menüsteuerbarenAssistenzprogrammen verfügt auch DERIVE über eine solche Option.1Cabri II+ mit einer deutschsprachigen Oberfläche wird 2003 erscheinen.

82 H. Schumann Natürlich ist es möglich, mittels geeigneter Funktionsplotter, die für sich alleinstehen oder die Bestandteil von Assistenzprogrammen sind, aus einer Parameterdarstellungoder einer Polarkoordinaten-Darstellung auf statische Weise eine(algebraische) Kurve grafisch ad hoc darzustellen. Einsichtsvoll gegenüber einersolchen Black-Box-Generierung ist aber die dynamische Erzeugung derKurvengrafik mittels DGS aus solchen Darstellungen durch benutzergesteuerteVariation der Werte der Laufparameter. Dabei kann man im Spurmodus dasEntstehen der Grafik bei Verwendung der „Schiebertechnik“ beobachten. Es existiert wohl kein (veröffentlichtes) Computerwerkzeug, dass zu einer adäquatencomputergrafischen Kurvendarstellung die Parameter- bzw. Polarkoordinaten-Darstellungausgibt.Vom mathematischen Gesichtspunkt aus ist die Herleitung der algebraischen GleichungP ( x; y) = 0 in x und y aus den jeweiligen Konstruktionsvorschriften für diesynthetisch-geometrische Kurvenerzeugung interessant und fruchtbar. Denn dieseHerleitung liefert – unabhängig von den experimentell-induktiven Erkenntnismöglichkeiten– die Einsicht und die Begründung für die betreffende von Cabri II+angegebene algebraische Gleichung. Bei algebraischen Kurven 2. Ordnung, den sogenannten Kegelschnitten, gelingt es, bei entsprechender Konstruktion, die algebraischeGleichung direkt analytisch-geometrisch herzuleiten. Falls eine solcheHerleitung bei algebraischen Kurven höherer Ordnung nicht möglich ist, läuft sieüber die Herleitung einer Parameterdarstellung bzw. Polarkoordinaten-Darstellung;dabei kann sich die anschließende Elimination bzw. Substitution der Laufparameterallerdings schwierig gestalten.2 Eine Behandlungsmethode für einfache algebraische KurvenDie folgende Methode verbindet sowohl Geometrie und Algebra als auch induktiveund deduktive Methoden der Erkenntnisfindung und -sicherung. Sie beanspruchtnur elementarmathematische Kenntnisse.Wir nennen im Hinblick auf diese Methode eine algebraische Kurve „einfach“,wenn bei ganzzahlig gewählten Konstruktionsparametern die Koeffizienten ihreralgebraischen Gleichung bezüglich eines geeigneten Koordinatensystems ganzzahligsind. 2 Damit erfassen wir weitgehend den Bereich der klassischen algebraischenKurven.1) Konstruktion der algebraischen Kurve nach einer Konstruktionsvorschrift miteinem DGS (hier mit Cabri II+) und phänomenologische Beschreibung.2Man könnte solche algebraischen Kurven auch „diophantisch“ nennen.

Ein dynamischer Zugang zu „einfachen“ algebraischen Kurven 832) Variation der konstruktiven Parameterwerte, um Lage und Formänderung deralgebraischen Kurve zu beobachten und zu beschreiben. Gegebenenfalls Erstellungeiner entsprechenden Animationsgrafik.3) Einbettung der konstruktiv erzeugten algebraischen Kurve in ein geeignet gewählteskartesisches Koordinatensystem.4) Automatische Bestimmung der algebraischen Gleichung ( x; y) 0P = der algebraischenKurve bezüglich des gewählten Koordinatensystems und Punktprobedieser Gleichung.5) Bindung der konstruktiven Parameterobjekte an das ganzzahlige Gitter des Koordinatensystems(mit Gitterpunktfang für Beschränkung auf ganzzahlige Konstruktionsparameter).6) Experimentell-induktives Herausfinden der Koeffizienten in ( x; y) 0P = undKontrolle derselben in Abhängigkeit von den konstruktiven Parametern. (Evtl.auch induktive grafische Verifikation von P ( x; y) = 0 für nicht ganzzahlige Parametermit einem mathematischen Assistenzprogramm z.B. mit DERIVE.)7) Mathematische Verifikation von ( x; y) 0Herleitung von ( x; y) 0P = : Direkte analytisch-geometrischeP = aus der Konstruktionsvorschrift. Oder, wenn dasnicht möglich ist: Herleitung der Parameterdarstellung bzw. Polarkoordinatendarstellungaus der Konstruktionsvorschrift; dynamische Erzeugung der algebraischenKurve gemäß dieser Darstellungen zur Kontrolle; anschließende Eliminationbzw. Substitution der Laufvariablen bzw. Parameter, auch mit Unterstützungeines CAS (z.B. DERIVE).3 Anwendung der BehandlungsmethodeIm folgenden wenden wir diese Behandlungsmethode auf vor allem klassische algebraischeKurven 3., 4. und 6. Grades an. Die Kegelschnitte, die auch mit dieserMethode behandelt werden können, sparen wir hier aus. Die Ausführung der einzelnenHandlungsanweisungen der Methode werden dabei nicht immer vollständigbeschrieben bzw. eingehalten; auch gehen wir nicht auf die Details des Einsatzesder Computerwerkzeuge ein.3.1 KissoideDie Kissoide („Efeu-Kurve“) gibt einer ganzen Klasse nach dem gleichartigenPrinzip erzeugbaren algebraischen Kurve den Namen. Sie dient u.a. der geometrischenLösung des Delischen Problems (Problem der Würfelverdoppelung).Konstruktionsvorschrift:• Konstruiere einen Kreis mit dem Durchmesser OA (konstruktiver Parameter).

84 H. Schumann• Konstruiere in A eine Senkrechte (Tangente) auf den Durchmesser OA.• Lege einen auf dem Kreis beweglichen Punkt K.• Konstruiere einen Strahl mit dem Anfangspunkt O durch K, der die Tangente inG schneidet.• Trage die Strecke KG auf dem Strahl von O aus ab.Welche Ortskurve beschreibt P, wenn K auf dem Kreis umläuft? Wir erhalten alsOrtskurve die Kissoide (Abb. 1), die symmetrisch zu OA liegt, in O eine Spitzeund die Tangente als Asymptote hat. 3Die Einbettung in das kartesische Koordinatensystem mit Ursprung O und demDurchmesser OA auf der positiven x-Achse liefert in Cabri II+ eine algebraischeKurve dritten Grades (Abb. 2), die wegen der Symmetrie zur x-Achse nur y-Gliedermit geraden Exponenten hat und für die wir die Punktprobe machen (Abb. 3).Erst wenn A an das ganzzahlige Gitter gebunden wird und die ganzzahligen Wertedes Formparameters a variiert werden (Abb. 4/5), erkennt man den Zusammenhang2zwischen a und den Gleichungskoeffizienten. Nur das y -Glied hat einen vom Parametera abhängigen Koeffizienten; er ist gleich a und die Kurvengleichung lautet:3 2 2x + xy − ay = 0(1)was durch weitere Variation ganzzahliger Werte für a bestätigt werden kann.Abb. 1 Abb. 23Die den Abbildungen zugrunde liegenden Dateien sind verfügbar unter:http://www.mathe-schumann.de

Ein dynamischer Zugang zu „einfachen“ algebraischen Kurven 85Abb. 3Abb. 4 Abb. 5Wir extrapolieren das Ergebnis für nicht ganzzahlige Parameterwerte, indem wirz.B. mit DERIVE zur Gleichung (1) gehörende Kurven plotten lassen (Beispiel inAbb. 6 für einen Näherungswert von a = 10 ).

86 H. SchumannAbb. 6Abb.7 Abb. 8Anhand von Abbildung 7 kann die analytisch-geometrische Herleitung der algebraischenGleichung vorgenommen werden: Der Strahl OG hat die Steigung xyund dementsprechend hat G die Koordinatendie Koordinatenalso giltyx = a − x k und y = a − y k ,xx ky= a − x und y k = a − y .x⎛ y ⎞⎜a; a ⎟ . Nach Konstruktion hat P⎝ x ⎠

88 H. SchumannAbb. 103.2 Pascalsche SchneckeDie Pascalsche Schnecke (benannt nach Stephan Pascal, dem Vater des berühmtenBlaise Pascal) kann auf verschiedene Weise konstruiert werden. Wir beginnen mitder Lotfußpunkt-Konstruktion (Abb. 11):• Konstruiere einen Kreis um M durch R und dann einen Punkt P (Pol), zuerst imKreisäußeren, also mit PM > MR = r .• Lege einen beweglichen Punkt B auf den Kreis und konstruiere in B die Kreistangente.• Fälle von P das Lot auf die Kreistangente: Lotfußpunkt F.Welche Ortskurve beschreibt F, wenn B auf dem Kreis umläuft? Wir erhalten alsOrtskurve die Pascalsche Schnecke (Abb. 11), deren Form- und Lageänderung wirdurch eine Variation der Parameterwerte für PM und für MR = r untersuchen(Abb. 12; eine Animationsgrafik bei Variation von PM ) .Die Konstruktion betten wir nun so in ein Koordinatensystem ein, dass M mit demKoordinatenursprung zusammenfällt und P auf der x-Achse zu liegen kommt (Abb.13). Für diese Kurve lassen wir uns bezüglich dieses Koordinatensystems die GleichungP ( x; y) = 0 angeben, die den Grad 4 hat und gemäß ihrer Symmetrieeigenschaftnur gerade Exponenten bei y aufweist. Außerdem machen wir einePunktprobe, um uns von der Richtigkeit der Black-Box-Ausgabe zu überzeugen.

Ein dynamischer Zugang zu „einfachen“ algebraischen Kurven 89Abb. 11 Abb. 12Abb. 134 2 2 4 2 2Man erkennt sofort, dass der Teilausdruck x 2x y + y = ( x + y ) 2+ nicht vonden Parametern p und r abhängt. Die Variation der ganzzahligen Parameterwertefür p (beispielsweise wie in Abb. 13; Abb. 14 zeigt für p = r die Kardiode oder„Herzkurve“) − und für r lässt erkennen,32• dass jeder der Koeffizienten von x und von xy gleich 2p,22• dass der Koeffizient von y gleich − r ,2• mit etwas arithmetischem Spürsinn, dass der Koeffizient von x gleich 2 pr

Ein dynamischer Zugang zu „einfachen“ algebraischen Kurven 912 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2( x y ) + 2px + 2pxy + ( p − r ) x − r y + 2pr x − ( pr) = 0+ (2)Jetzt kann man die Gleichung auch für nicht ganzzahlige Koeffizienten überprüfen,indem man wie in Beispiel 1 in DERIVE entsprechende Kurvengleichungen eingibtund die zugehörige Kurve plotten lässt. Wie ist nun die obige Gleichung (2)auf mathematische Art zu verifizieren? Dazu leiten wir die Parameterdarstellunggemäß der Lotfußpunktkonstruktion her, um durch Elimination des Laufparametersdie entsprechende Gleichung zu gewinnen. Aus Abbildung 15 entnehmen wirx B = r cosβund yB= r sin β , (3)die Tangentengleichungy − yB cosβ= −(4)x − x B sin βund die Lotgleichungy sin β= . (5)x − p cosβNach Auflösen von (4) bzw. (5) nach y und Gleichsetzen erhalten wir für die x-Koordinate des Lotfußpunktes F:2x = psin β + r cosβ(6a)und durch Ersetzung von x in (5) mit (6a) die y-Koordinate von F:y = sin β ( r − p cosβ)(6b)Ist die Parameterdarstellung (6) wirklich die der Pascalschen Schnecke? Dazu erzeugenwir die zugehörige Kurve auf dynamische Weise mittels „Schiebertechnik“(Abb. 16). Wir verfügen über Schieber für die Form- bzw. Lageparameter p, r undüber einen Schieber für den Laufparameter β. Jetzt kann man das Entstehen derKurve benutzergesteuert oder per Animation beobachten, während mit den entsprechendenPlotfunktionen von mathematischen Assistenzprogrammen bzw.Funktionsplottern die Kurve als Black-Box-Ergebnis erscheint.Die Elimination des Laufparameters β gestaltet sich schwieriger. Sie führt über einequadratische Gleichung für cos β und nach mühsamer Rechnung, am besten mitCAS-Unterstützung, z.B. mit DERIVE, auf eine Gleichung, die zu der in (2) äquivalentist. Mit dem mächtigen Werkzeug MATHEMATICA erhalten wir mittelsdes Eliminationskommandos sofort das gewünschte Ergebnis, wenn wir vorher denSinus noch durch den Cosinus ausdrücken (Abb. 17).

92 H. SchumannAbb. 16Abb. 17Im Folgenden skizzieren wir noch die entsprechende Behandlung der PascalschenSchnecke als Konchoide („Muschellinie“) des Kreises (vgl. Abb. 18). Die Konchoideeiner Kurve k bezüglich eines Pols O besteht aus allen Punkten P für diegilt: Ist K ein beweglicher Punkt auf k und l eine fest gewählte Länge, so liegenOKP auf einer Geraden und es ist OP = OK + 1 bzw. OP = OK −1. Die konstruktivenParameter sind der Kreisdurchmesser a und die Länge l. Man erkenntbzw. findet heraus, ähnlich wie bei der Lotfußpunktkurve durch Variation ganzzahligerParameterwerte (Abb. 19; Variation der Werte von l), folgende Abhängigkeitder Koeffizienten bezüglich des gewählten Koordinatensystems:2 2 2 3 2 2 2 2 2 2( x y ) − 2ax − 2axy + ( a − l ) x − l y = 0+ (7)Der konchoidalen Konstruktion lesen wir sofort die Polarkoordinaten-Darstellungρ = a cos ϕ ± 1(8)

Ein dynamischer Zugang zu „einfachen“ algebraischen Kurven 93ab (Abb. 20), nach der wir wiederum auf dynamische Weise die Kurve der PascalschenSchnecke erzeugen können (Abb. 21). Aus (8) folgt nun − im Gegensatz zurElimination des Laufparameters bei der Parameterdarstellung − mühelos mitϕ =x2 2cos und ρ = x + y die Gleichungρdie zu (7) äquivalent ist.2 2 2 2 2 2 2( x y − ax ) = l ( x + y )+ ,Abb. 18 Abb. 19Abb. 20

94 H. SchumannAbb. 213.3 AstroideAls Beispiel für die Erzeugung einer algebraischen Kurve als Rollkurve wählenwir die Astroide, die durch Abrollen eines Kreises auf einem Kreis entsteht (Kreis-Zykloide) und deren Punkte folgendermaßen konstruiert werden können (Abb. 22):• Kreis um M durch R ( r = MR )• auf dem Kreis beweglichen Punkt P mit M verbinden• von P aus ( MP 4 auf MP in Richtung M abtragen: M′• Kreis um M′ mit dem Radius MP 4• Parallele zu MR durch M′• Spiegelung von P an dieser Parallelen, Spiegelung dieses Spiegelpunkts an MPund Spiegeln dieses Radius an der Parallelen liefert A, dessen Winkel gegen dieParallele dreimal so groß ist wie der gegenläufige Winkel RMP (Begründung?).Welche Ortskurve erzeugt A, wenn P auf dem Kreis mit dem Mittelpunkt M umläuft,d.h. der Kreis um M′ mit dem Punkt A abrollt?Nach Einbettung der Konstruktion in das Gitter des Koordinatensystems mit M alsKoordinatenursprung lassen wir uns die betreffende algebraische Gleichung anzeigen,die von der Ordnung 6 ist und in der der Symmetrie der Ortskurve entsprechendalle Exponenten von x und y gerade sein müssen (Abb. 23).

Ein dynamischer Zugang zu „einfachen“ algebraischen Kurven 95Abb. 22Abb. 23Bei Variation der Größe des konstruktiven Parameters r durch Verziehen von R(wie in Abb. 23) entdecken wir, dass2 2• die Glieder der Ordnung 6 von r unabhängig sind und in ( y ) 3x + zusammengefasstwerden können,•4 42x und y den Koeffizienten − 3r besitzen,• x 2 y 2 den Koeffizienten 3r2 ⋅ 7 besitzen,•2 24x und y den Koeffizienten 3 r besitzen und6• das konstante Glied gleich − r ist.Die algebraische Gleichung in x und y kann also folgendermaßen geschriebenwerden:

96 H. Schumann322 2 2 4 2 2 4 4 22( x y ) − 3r ( x − 7x y + y ) + r⎛3x 3y r⎞⎜ + − ⎟ = 0+ (9)⎝⎠Wir verifizieren nun diese Gleichung mathematisch, indem wir die Parameterdarstellungder Astroide aufstellen und aus dieser den Laufparameter eliminieren.Nach Abbildung 24 gilt mit r′ 1= r und ϕ′ = 3 ϕ :alsound mitfolgt daraus:x =y =4( r − r′) cos ϕ + r′cos( r − r′) sin ϕ − r′sin ϕ′x =r4y =r4cos 3ϕ = 4 cosϕ′( 3cos ϕ + cos 3ϕ)( 3sin ϕ − sin 3ϕ)ϕ − 3cos ϕsin 3ϕ = 3sin ϕ − 4 sin3x = r cosy = r sinDiese Parameterdarstellung führen wir dynamisch aus und kontrollieren so unserErgebnis (Abb. 25). Wir eliminieren ϕ durch Ziehen der 3. Wurzel und Quadrierender Gleichungen (10) und deren anschließendes Addieren:2 2x3 333ϕϕ2+ y = r .Die Umformung zu einer algebraischen Gleichung in x und y erleichtern wir unsbeispielsweise mit Hilfe von DERIVE.3ϕ(10)Abb. 24

Ein dynamischer Zugang zu „einfachen“ algebraischen Kurven 97Abb. 253.4 Eine „einfache“ KoppelkurveAus der Vielzahl der Koppelkurven-Konstruktionen wählen wir die folgende aus:• Kreis um F 1 durch K• Punkt P auf diesem Kreis beweglich wählen mit Kurbel F 1 P• Punkt F 1 an O spiegeln: F 2• Gelenk-Parallelogramm F 2 F 1 PQ mit Koppel PQ• Q an F 2 P spiegeln: Q′• Mittelpunkt von PQ′: M.Welche Ortskurve beschreibt M, wenn P auf dem Kreis umläuft?Die Abbildungen 26 und 27 zeigen besondere Fälle der Kurve auf. Wie hängen dieKoeffizienten der algebraischen Gleichung für diese Kurve von den konstruktivenParametern a = F 1 F 2 und k = OK ab? Wie kann die betreffende Gleichung mitden von a und k abhängigen Koeffizienten hergeleitet werden? (Aufgaben für denLeser)

98 H. SchumannAbb. 26Abb. 274 Schlussbemerkungen4.1 Beschränktheit der MethodeDie vorstehende Methode versagt, wenn• die betreffende algebraische Kurve einen höheren Grad als 8 hat, also wenn derbetreffende numerische Algorithmus nur ungenau arbeitet bzw. der Rechenaufwandzu hoch wird;

Ein dynamischer Zugang zu „einfachen“ algebraischen Kurven 99Abb. 28• die Abhängigkeit der Koeffizienten von den ganzzahligen konstruktiven Parameternnicht rational ist;• keine ganzzahlige Parametrisierung der geometrischen Konstruktion der algebraischenKurve zu erwarten ist, was z.B. bei den von besonderen Dreieckspunktenerzeugten Ortskurven der Fall ist, wenn Eckpunkte auf entsprechendenBahnen laufen. So zeigt die Abbildung 28 eine solche (punktsymmetrische)Ortskurve, die durch den Schnittpunkt der Parallelen zu den Winkelhalbierendendes (rechtwinkligen) Dreiecks ABC erzeugt wird, wenn C auf dem Umkreisläuft.4.2 Ungelöste Probleme?Im Zusammenhang mit der in den Abschnitten 2 und 3 entwickelten und konkretisiertenBearbeitungsmethode tritt folgendes Problem auf: Wie lassen sich unter denmit Zirkel und Lineal, oder weiter gehend, unter den mittels Kegelschnitten erzeugbarenalgebraischen Kurven jene kennzeichnen, deren Gleichungskoeffizientenganzrationale Funktionen ihrer ganzzahligen Konstruktionsparameter sind?Unter den klassischen algebraischen Kurven kommen keine vom Grad 5 oder 7vor. Ist das der Fall, weil die algebraischen Kurven von größerem Primzahlgrad als3, die Nullstellenmengen irreduzibler Polynome sind, nicht mit Zirkel und Linealoder mittels Kegelschnitten generiert werden können?Für mit Zirkel und Lineal oder mit Kegelschnitten erzeugte algebraische Kurvenlassen sich wohl mittels Gröbnerbasen bezüglich eines Koordinatensystems ihrealgebraische Gleichungen exakt berechnen. Welche (algebraische) Charakterisierunghaben solche algebraische Kurven?

100 H. Schumann4.3 Weiterentwicklung der WerkzeugeOliver Labs (2002) hat ein neues menüsteuerbares Computerwerkzeug des Namens„SPICY“ für die Behandlung von algebraischen Kurven und Flächen programmiert,das unter Linux läuft und auf das wir hier nicht eingehen, weil es noch nichtin einer entsprechend brauchbaren Windows-Version zur Verfügung steht.Reinhard Oldenburg (2003) hat ein im experimentellen Entwicklungsstadium befindlichesWerkzeug des Namens „Feli-X“ entwickelt, das auf MATHEMATICAaufsetzt und aus einer dynamischen Geometrie-Komponente besteht, die kompatibelmit der Computeralgebra-Komponente von MATHEMATICA arbeitet. Mit Feli-Xkann die exakte Gleichung der konstruierten algebraischen Kurve bezüglichdes absoluten Koordinatensystems exakt berechnet werden. Die Umkehrung, zueiner algebraischen Gleichung in x und y nicht nur die zugehörige Kurve zu plotten,sondern ein im Sinne der dynamischen Geometrie referenzierbares Objekt zuerzeugen, ist mit prinzipiellen Problemen der „Bidirektionalität“ zwischen CASund DGS verbunden.4.4 Theoretische VertiefungGawlick (2001) zeigt vertiefende theoretische Aspekte geometrischer Konstruktionenim Kontext Dynamischer Geometriesysteme auf, die über unseren naivenschulpraxisorientierten methodisch-didaktischen Ansatz hinausgehen.4.5 Komplexitätsreduktion der Thematik für die Schüler/-innenUm die Komplexität der Thematik aufzulösen, können z.B. Facharbeiten oder Referatearbeitsteilig vergeben werden:• Geometrische Konstruktionen für algebraische Kurven (differenziert nach bestimmtenKonstruktionsverfahren)• Algebraische Gleichung algebraischer Kurven• Parameterdarstellung algebraischer Kurven• Polarkoordinaten-Darstellung algebraischer Kurven• …Dann muss aber die Zusammenschau vom Lehrer/von der Lehrerin oder in einerweiteren Arbeit bzw. einem Schlussreferat durchgeführt werden.LiteraturGawlick, Th. (2001): Exploration reell algebraischer Kurven mit DGS und CAS. In: Elschenbroich,H.-J. et al.: Zeichnung – Figur – Zugfigur. Mathematische und didaktischeAspekte dynamischer Geometrie. Hildesheim: Franzbecker, S. 69–76

Ein dynamischer Zugang zu „einfachen“ algebraischen Kurven 101Labs, O. (2002): SPICY – Mehr als dynamische Geometrie mit Hilfe von Computeralgebra.Vortrag auf der Fachtagung „Computeralgebra in Lehre, Ausbildung und WeiterbildungIII“, 2.-5. April 2002, Kloster Schöntal (www.oliverlabs.net/spicy)Oldenburg, R. (2003): Feli-X: Ein Prototyp zur Integration von CAS und DGS. Erscheint in:Bender, P. et al.: Lehr- und Lernprogramme für den Mathematikunterricht. Berichte ü-ber die 20. Arbeitstagung des Arbeitskreises „Mathematikunterricht und Informatik“ inder GDM vom 27. bis zum 29. September 2002 in SoestSchumann, H. (1991): Schulgeometrisches Konstruieren mit dem Computer. Stuttgart:Metzler und Teubner (auch im Archiv von www.mathe-schumann.de)Schumann, H. (1996): Zum Entwicklungsstand geometrischer Unterrichtssoftware. In: Beiträgezum Mathematikunterricht 1996. Hildesheim: Franzbecker, S. 403–406Schumann, H (2001): Die Behandlung von Funktionen einer reellen Variablen mit Methodender dynamischen Geometrie. In: Elschenbroich, H.-J. et al.: Zeichnung – Figur –Zugfigur. Mathematische und didaktische Aspekte Dynamischer Geometrie. Hildesheim:Franzbecker, S. 173–182Schupp, H./Dabrock, H. (1995): Höhere Kurven – Situative, mathematische, historische unddidaktische Aspekte. Mannheim: BI WissenschaftsverlagWeth, Th. (1993): Zum Verständnis des Kurvenbegriffs im Mathematikunterricht. Hildesheim:FranzbeckerAnschrift des VerfassersProf. Dr. habil. Heinz SchumannPH Weingarten, Fakultät III, Mathematik/InformatikInstitut für Mediendidaktik und BildungsinformatikKirchplatz 2, D-88250 WeingartenEmail: schumann@ph-weingarten.de, Homepage: http://www.mathe-schumann.de