Lösungsmenge

Eine „Lösungsmenge“ ist die „Menge aller Lösungen“ eines gegebenen mathematischen Problems unter gegebenen Bedingungen (wie etwa Anfangs- und Randbedingungen). Solche Bedingungen lassen sich mit Hilfe von Aussageformen beschreiben, so etwa mit einem System von Gleichungen und Ungleichungen. Im Mathematikunterricht geht es i. d. R. um Lösungsmengen von Gleichungen oder Ungleichungen.

Mathematischer Sachverhalt

Es sei $A(x)$ eine Aussageform und $M$ eine Menge zulässiger bzw. sinnvoller Einsetzungen für $x$ in Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle A(x)} , sodass bei Einsetzung eines konkreten Wertes für Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle x} in Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle A(x)} entweder eine wahre oder eine falsche Aussage entsteht.

Ist nun Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \varnothing\ne G\subseteq M} und Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L:=\{x \in G|A(x)\}} (d. h.: Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L} ist die Menge aller derjenigen Elemente aus Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle G} , die Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle A(x)} in eine wahre Aussage überführen, die also Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle A(x)} „lösen“), so heißt Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L} „Lösungsmenge“ von Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle A(x)} bezüglich der gewählten Grundmenge Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle G} . Diese Lösungsmenge könnte man auch genauer mit Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L_{A(x),G}} oder – wenn keine Missverständnisse entstehen – kurz mit Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L_{G}} bezeichnen, um damit deutlich zu machen, dass sie nicht nur von der Aussageform Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle A(x)} abhängig ist, sondern insbesondere auch von der jeweiligen Grundmenge Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle G} . Diese Grundmenge kann z. B. eine Menge von Zahlen, von Zahlenpaaren, von Vektoren, von Funktionen oder von geometrischen Objekten wie Punkten, Strecken, Figuren usw. sein. So hat beispielsweise eine numerische Gleichung per se noch keine Lösungsmenge, vielmehr hängt diese wesentlich von der gewählten (bzw. noch zu wählenden) Grundmenge ab.
Sofern die Grundmenge Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle G} mehr als ein Element enthält (Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle |G| > 1} ), können prinzipiell folgende Fälle auftreten:

Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L=\varnothing} : Es gibt keine Lösung in Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle G} , die Aussageform ist in Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle G} unlösbar.
Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \varnothing\ne L\subset G} : Die Aussageform ist in Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle G} (teilweise) lösbar.
Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L=G} : Die Aussageform ist in Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle G} allgemeingültig. (Sie ist in diesem Fall natürlich erst recht auch „lösbar“!)

Didaktische Aspekte

Es ist nicht sinnvoll, im Mathematikunterricht bei der Betrachtung von numerischen Gleichungen bereits dann von „Lösungsmengen“ zu sprechen, wenn noch nicht die Erfahrung gemacht worden ist, dass Gleichungen keine oder viele Lösungen haben können. Dieser Fall tritt zwar bei quadratischen Gleichungen auf, jedoch ist an dieser Stelle die Bezeichnung „Lösungsmenge“ noch nicht zwingend erforderlich, weil es hier ja nur genau eine Lösung, zwei Lösungen oder keine Lösung gibt. Die Bedeutung von Lösungsmengen zeigt sich z. B., wenn man Ungleichungen betrachtet.

Beispiel: Gesucht seien (die) Lösungen von Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle -2 < x\leq 3} . Hier wird die Abhängigkeit von der Grundmenge deutlich (selbst wenn der Mengenbegriff nicht verfügbar sein sollte), was sich wie folgt notieren lässt:

Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L_{\mathbb{N}}=\{0,1,2,3\}} , Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L_{\mathbb{Z}}=\{-1,0,1,2,3\}} , Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L_{\mathbb{R}}= {]-2, 3]}} (halboffenes Intervall).

Vollrath empfiehlt zum Verständnis von „Lösungsmenge“ die Betrachtung von solchen Gleichungen, die Terme der sog. Ganzteilfunktion enthalten („Integer-Funktion“, früher auch „Gauß-Klammer“ genannt, heute „ceil“ als „Abrundungsfunktion“, ferner zusätzlich „floor“ als „Aufrundungsfunktion“).^[1]
Betrachtet man z. B. die Gleichung Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \lfloor x \rfloor = 2} , so ist Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L= {[2, 3[}} .

Literatur

Vollrath, Hans-Joachim: Didaktik der Algebra. Stuttgart 1974, Klett Studienbücher

Quellen

↑ [Vollrath 1974, S. 92.]

Der Beitrag kann wie folgt zitiert werden:
Madipedia (2018): Lösungsmenge. Version vom 17.04.2018. In: dev_madipedia. URL: http://dev.madipedia.de/index.php?title=L%C3%B6sungsmenge&oldid=29883.

[1] [Vollrath 1974, S. 92.]

[1]