Periodische Dezimalzahlen verstehen und umwandeln
Eine kleine Zeitreise
Abschnitt betitelt „Eine kleine Zeitreise“Periodische Dezimalzahlen beschäftigen Mathematiker schon seit Jahrhunderten. Ihre Geschichte ist eng mit der Entwicklung unseres Zahlensystems verknüpft.
Die Anfänge im Orient
Die ersten systematischen Beschreibungen von Dezimalzahlen entstanden im arabischen Raum. Der persische Mathematiker al-Uqlidisi verwendete im 10. Jahrhundert als einer der Ersten ein Komma, um den ganzzahligen Teil vom gebrochenen Teil zu trennen. Er rechnete dabei mit Zehnteln, Hundertsteln und Tausendsteln. Ob er die Besonderheit von periodischen Zahlen kannte, ist nicht überliefert.
Europa entdeckt das Dezimalsystem
Im 16. Jahrhundert brachte der flämische Mathematiker Simon Stevin das Dezimalsystem nach Europa. Sein Werk „De Thiende” aus dem Jahr 1585 erklärte als erstes europäisches Buch systematisch das Rechnen mit Dezimalbrüchen. Stevin glaubte, dass sein System alle Rechenprobleme vereinfachen würde. Periodische Zahlen passten allerdings nicht in sein Weltbild. Er wünschte sich eine Mathematik ohne diese „unordentlichen” unendlichen Folgen.
Das Problem der unendlichen Wiederholung
Im 17. und 18. Jahrhundert begannen Mathematiker ernsthafter über unendliche Dezimaldarstellungen nachzudenken. John Wallis und später Leonhard Euler untersuchten, welche Brüche abbrechende und welche periodische Dezimalzahlen ergeben. Euler erkannte einen wichtigen Zusammenhang. Der Nenner eines Bruchs bestimmt, ob die Dezimalzahl abbricht oder sich wiederholt.
Die mathematische Erklärung
Johann Heinrich Lambert bewies im Jahr 1761, dass irrationale Zahlen wie weder abbrechen noch periodisch sind. Das klärte die Situation endgültig. Zahlen lassen sich in drei Gruppen einteilen: abbrechende Dezimalzahlen, periodische Dezimalzahlen und nicht-periodische, unendliche Dezimalzahlen. Periodische Dezimalzahlen sind dabei genau die rationalen Zahlen, also Zahlen, die man als Bruch schreiben kann.
Heute im Schulunterricht
Diese historische Erkenntnis ist heute Schulstoff. Du lernst nicht nur eine Rechentechnik. Du folgst einem Gedankengang, den kluge Köpfe über Jahrhunderte entwickelt haben.
Die Grundlagen
Abschnitt betitelt „Die Grundlagen“Wenn du einen Bruch in eine Dezimalzahl umwandelst, gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder die Division geht irgendwann auf. Dann erhältst du eine abbrechende Dezimalzahl wie oder . Oder die Division geht nie auf. Dann wiederholen sich eine oder mehrere Ziffern unendlich oft.
Bei rein-periodischen Dezimalzahlen beginnt die Wiederholung sofort nach dem Komma. Das ist der einfachere Fall. Bei gemischt-periodischen Dezimalzahlen gibt es zuerst einen nicht-periodischen Teil, die sogenannte Vorperiode. Dann erst folgt die sich wiederholende Periode.
Wie erkennst du die Periode bei einer Division?
Führe die Division schriftlich durch. Beobachte dabei die Reste. Sobald ein Rest zum zweiten Mal auftaucht, beginnt die Wiederholung. Ab diesem Punkt wiederholen sich alle folgenden Ziffern exakt. Der Rest bestimmt die Ziffer im Ergebnis. Gleicher Rest bedeutet gleiche Ziffer.
Bei einem Bruch mit Nenner kann der Rest nur die Werte annehmen. Es gibt also höchstens verschiedene Reste. Deshalb ist die Periode eines Bruchs mit Nenner höchstens Ziffern lang.
Die Kernmethode
Abschnitt betitelt „Die Kernmethode“Jede periodische Dezimalzahl lässt sich als Bruch schreiben. Dafür gibt es eine elegante Methode. Sie nutzt, dass sich die unendlichen Teile beim Subtrahieren gegenseitig aufheben.
Das Grundprinzip ist immer gleich. Du erzeugst zwei Gleichungen, die denselben unendlichen Teil haben. Beim Subtrahieren verschwindet der unendliche Teil. Übrig bleibt eine einfache Gleichung mit ganzen Zahlen.
Beispiel 1: Rein-periodische Dezimalzahl mit einer Ziffer
Abschnitt betitelt „Beispiel 1: Rein-periodische Dezimalzahl mit einer Ziffer“Wandle in einen Bruch um.
Lösung:
Schritt 1: Setze
Schritt 2: Die Periode hat eine Ziffer. Multipliziere mit :
Schritt 3: Subtrahiere die erste Gleichung von der zweiten:
Schritt 4: Löse nach auf:
Ergebnis:
Probe: ✓
Beispiel 2: Rein-periodische Dezimalzahl mit zwei Ziffern
Abschnitt betitelt „Beispiel 2: Rein-periodische Dezimalzahl mit zwei Ziffern“Wandle in einen Bruch um.
Lösung:
Schritt 1: Setze
Schritt 2: Die Periode hat zwei Ziffern. Multipliziere mit :
Schritt 3: Subtrahiere die erste Gleichung:
Schritt 4: Löse nach auf. Kürze mit :
Ergebnis:
Probe: ✓
Merke: Bei einer zweistelligen Periode dividierst du durch . Bei einer einstelligen durch . Bei einer dreistelligen durch .
Die häufigsten Stolpersteine
Abschnitt betitelt „Die häufigsten Stolpersteine“Beispiel 3: Gemischt-periodische Dezimalzahl
Abschnitt betitelt „Beispiel 3: Gemischt-periodische Dezimalzahl“Wandle in einen Bruch um.
Lösung:
Diese Zahl hat die Vorperiode und die Periode .
Schritt 1: Setze
Schritt 2: Verschiebe so, dass die Periode direkt nach dem Komma steht. Die Vorperiode hat eine Ziffer. Multipliziere mit :
Schritt 3: Jetzt ist die Periode direkt nach dem Komma. Multipliziere nochmals mit :
Schritt 4: Subtrahiere Schritt 2 von Schritt 3:
Schritt 5: Löse nach auf. Kürze mit :
Ergebnis:
Beispiel 4: Gemischt-periodische Dezimalzahl mit zweistelliger Periode
Abschnitt betitelt „Beispiel 4: Gemischt-periodische Dezimalzahl mit zweistelliger Periode“Wandle in einen Bruch um.
Lösung:
Die Vorperiode ist (zwei Ziffern). Die Periode ist (eine Ziffer).
Schritt 1: Setze
Schritt 2: Die Vorperiode hat zwei Ziffern. Multipliziere mit :
Schritt 3: Die Periode hat eine Ziffer. Multipliziere nochmals mit :
Schritt 4: Subtrahiere:
Schritt 5: Kürze mit :
Ergebnis:
Probe: ✓
Vertiefung
Abschnitt betitelt „Vertiefung“Du hast gelernt, wie du periodische Dezimalzahlen in Brüche umwandelst. Nun lohnt es sich, tiefer zu schauen. Warum werden überhaupt manche Brüche periodisch?
Der Nenner entscheidet
Ob ein Bruch eine abbrechende oder periodische Dezimalzahl ergibt, hängt allein vom Nenner ab. Genauer gesagt: vom Nenner des vollständig gekürzten Bruchs. Ein Bruch ergibt genau dann eine abbrechende Dezimalzahl, wenn der Nenner nach dem Kürzen nur die Primfaktoren und enthält. Das sind die einzigen Primfaktoren der Zahl . Unser Dezimalsystem basiert auf der Basis .
Enthält der Nenner andere Primfaktoren wie , , oder , entsteht eine periodische Dezimalzahl.
Die Länge der Periode
Die Länge der Periode hängt vom Nenner ab. Beim Nenner wiederholen sich immer sechs Ziffern: . Das ist kein Zufall. Es ist eine Folge der Rechenregeln für Reste.
Die maximale Periodenlänge bei Nenner beträgt .
Beispiel 5: Bruch direkt durch Division
Abschnitt betitelt „Beispiel 5: Bruch direkt durch Division“Bestimme die Dezimaldarstellung von durch schriftliche Division.
Lösung:
passt null Mal in . Schreibe
Rest . Schreibe .
Rest . Schreibe .
Rest . Schreibe .
Rest . Der Rest taucht wieder auf!
Ab jetzt wiederholt sich die unendlich.
Die Vorperiode ist . Die Periode ist .
Warum? Der Nenner enthält den Primfaktor . Deshalb ist die Dezimalzahl periodisch.
Übungen
Abschnitt betitelt „Übungen“Die folgenden Aufgaben sind nach Schwierigkeit geordnet. Beginne mit Aufgabe 1 und arbeite dich vor. Lösungen findest du am Ende des Artikels.
Aufgaben zum Erkennen und Schreiben
Aufgabe 1: Schreibe die folgenden Zahlen mit Periodenstrich.
a) b) c)
Aufgabe 2: Welche dieser Dezimalzahlen sind periodisch, welche abbrechend?
a) b) c) d)
Aufgaben zum Umwandeln: Bruch → Dezimalzahl
Aufgabe 3: Wandle die folgenden Brüche in Dezimalzahlen um. Verwende den Periodenstrich.
a) b) c)
Aufgabe 4: Wandle um:
a) b) c)
Aufgaben zum Umwandeln: Dezimalzahl → Bruch
Aufgabe 5: Wandle die folgenden rein-periodischen Dezimalzahlen in Brüche um.
a) b) c)
Aufgabe 6: Wandle um und kürze vollständig:
a) b) c)
Aufgaben zu gemischt-periodischen Dezimalzahlen
Aufgabe 7: Wandle in Brüche um:
a) b) c)
Aufgabe 8: Zeige rechnerisch, dass gilt.
Aufgaben zum Nachdenken
Aufgabe 9: Bestimme, ob eine abbrechende oder periodische Dezimalzahl ergibt. Begründe deine Antwort mit der Primfaktorzerlegung des Nenners.
Aufgabe 10: Wandle in einen Bruch um.
Das Wichtigste in Kürze
Abschnitt betitelt „Das Wichtigste in Kürze“Periodische Dezimalzahlen entstehen, wenn ein Bruch bei der Division nie aufgeht. Die sich wiederholende Ziffernfolge heisst Periode und wird mit einem Strich darüber gekennzeichnet.
Es gibt rein-periodische Zahlen, bei denen die Periode direkt nach dem Komma beginnt. Und gemischt-periodische Zahlen, bei denen zuerst eine Vorperiode steht.
Zum Umwandeln in einen Bruch verwendest du die Verschiebe-Methode. Du multiplizierst so, dass sich der periodische Teil beim Subtrahieren aufhebt. Das Ergebnis ist immer ein rationaler Bruch.
Ob ein Bruch periodisch wird, hängt vom Nenner ab. Enthält der Nenner andere Primfaktoren als und , entsteht eine periodische Dezimalzahl. Dieses Prinzip gilt für alle Brüche.
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Ausblick
Abschnitt betitelt „Ausblick“Periodische Dezimalzahlen sind dein Einstieg in ein grösseres Thema. In der 7. und 8. Klasse lernst du die rationalen Zahlen kennen. Du wirst sehen: Genau diese Zahlen lassen sich als Bruch schreiben, und genau diese Zahlen haben abbrechende oder periodische Dezimaldarstellungen.
Zahlen wie oder dagegen sind irrational. Ihre Dezimaldarstellung bricht nie ab und wird niemals periodisch. Das macht sie zu einem eigenen, faszinierenden Kapitel der Mathematik.
Lösungen
Abschnitt betitelt „Lösungen“Aufgabe 1:
a) b) c)
Die Vorperiode ist , die Periode ist .
Aufgabe 2:
a) → abbrechend. Die Zahl endet nach zwei Stellen. b) → periodisch. Die wiederholt sich endlos. c) → abbrechend. Die Zahl endet nach vier Stellen. d) → periodisch. Sechs Ziffern wiederholen sich. Das ist .
Aufgabe 3:
a) :
b) :
c) :
Aufgabe 4:
a) (Vorperiode , Periode )
b) (Vorperiode , Periode )
c) (Vorperiode , Periode )
Aufgabe 5:
a) , dann . Subtraktion: , also .
b) , dann . Subtraktion: , also .
c) , dann . Subtraktion: , also .
Aufgabe 6:
a) : , also .
b) : , also .
c) : , also .
Aufgabe 7:
a) . Multipliziere mit : . Multipliziere mit : . Subtraktion: , also .
b) . . . Subtraktion: , also .
c) . . . Subtraktion: , also .
Aufgabe 8:
Setze
Multipliziere mit :
Subtrahiere:
Ergebnis: . Das ist mathematisch korrekt und kein Widerspruch.
Aufgabe 9:
Primfaktorzerlegung: .
Der Nenner enthält nur die Primfaktoren und . Deshalb ergibt eine abbrechende Dezimalzahl.
Probe: ✓
Aufgabe 10:
Multipliziere mit :
Multipliziere mit :
Subtraktion:
Ergebnis:
Probe: ✓
Quellen
- Lehrplan 21 — Mathematik — Deutschschweizer Erziehungsdirektoren-Konferenz (D-EDK)
- Lehrplan Volksschule Aargau — Mathematik — Kanton Aargau, Departement Bildung, Kultur und Sport