Rechengesetze: Kommutativ- & Assoziativgesetz erklärt
Eine kleine Zeitreise
Abschnitt betitelt „Eine kleine Zeitreise“Rechengesetze fühlen sich manchmal an, als wären sie einfach immer schon da gewesen. Doch hinter dem Kommutativ- und Assoziativgesetz steckt eine lange Geschichte voller kluger Köpfe.
Die alten Ägypter und Babylonier kannten diese Gesetze bereits vor über 4000 Jahren – zumindest in der Praxis. Händler und Baumeister rechneten intuitiv mit ihnen, ohne sie jemals aufzuschreiben. Ein babylonischer Kaufmann wusste, dass es egal ist, ob er zuerst Getreide zu Öl addiert oder umgekehrt. Er hätte es nur nie so formuliert.
Die alten Griechen gingen einen Schritt weiter. Euklid, der um 300 v. Chr. lebte, bewies geometrisch, dass ein Rechteck mit 4 mal 3 Feldern dieselbe Fläche hat wie eines mit 3 mal 4 Feldern. Das ist im Kern das Kommutativgesetz der Multiplikation – nur bildlich gedacht.
Im Mittelalter übernahmen arabische Mathematiker das Erbe der Griechen. Al-Chwarizmi, nach dem übrigens das Wort “Algorithmus” benannt ist, beschrieb um 820 n. Chr. viele dieser Rechenregeln in seinem berühmten Buch über Algebra. Er formulierte sie allerdings noch in Worten, nicht in Formeln.
Die eigentlichen Namen entstanden erst im 19. Jahrhundert. Der französische Mathematiker François Servois führte 1814 den Begriff “commutatif” ein. Wenig später prägte der irische Mathematiker William Rowan Hamilton den Begriff “associatif”. Beide erkannten, dass man diese Eigenschaften klar benennen muss, wenn man sie wissenschaftlich nutzen will.
Heute gehören diese Gesetze zum Fundament der gesamten Mathematik. Sie gelten nicht nur für Zahlen, sondern auch für Mengen, Matrizen und viele andere mathematische Objekte. Was du in der 5. Klasse lernst, ist also der Einstieg in ein riesiges Thema.
Ein schöner Gedanke: Wenn du schreibst, denkst du genauso wie Mathematiker vor 200 Jahren. Du stehst auf den Schultern von Riesen.
Die Grundlagen – Das Kommutativgesetz
Abschnitt betitelt „Die Grundlagen – Das Kommutativgesetz“Das Wort “kommutativ” kommt vom lateinischen “commutare”. Das bedeutet “vertauschen”. Das Kommutativgesetz beschreibt genau das: Du darfst bei bestimmten Rechenarten die Zahlen vertauschen, ohne dass sich das Ergebnis ändert.
Denk nochmals an den Rucksack. Egal ob du 3 Bücher und dann 2 Hefte einpackst oder erst 2 Hefte und dann 3 Bücher – du hast immer 5 Sachen dabei. In Mathe: .
Genauso bei der Multiplikation: 4 Reihen mit je 3 Stühlen ergeben genauso viele Stühle wie 3 Reihen mit je 4 Stühlen. Zähl nach – es sind immer 12. Also: .
Eine hilfreiche Vorstellung für die Addition: Du schiebst zwei Haufen Murmeln zusammen. Ob der linke Haufen zum rechten geschoben wird oder umgekehrt – die Gesamtzahl bleibt gleich.
Bei der Multiplikation hilft das Bild eines Rechtecks aus Punkten. Ein Rechteck mit 4 Spalten und 3 Zeilen hat genauso viele Punkte wie eines mit 3 Spalten und 4 Zeilen. Du drehst es quasi um 90 Grad – und nichts verändert sich.
Die Kernmethode – Das Assoziativgesetz
Abschnitt betitelt „Die Kernmethode – Das Assoziativgesetz“Das Wort “assoziativ” kommt von “assoziieren”. Das bedeutet “verknüpfen” oder “zusammenfassen”. Das Assoziativgesetz sagt: Wenn du mehrere Zahlen addierst oder multiplizierst, ist es egal, welche du zuerst zusammenfasst.
Stell dir vor, du deckst den Tisch. Du hast 2 Gabeln, 3 Messer und 4 Löffel. Du könntest erst Gabeln und Messer zusammenzählen und dann die Löffel addieren: . Oder du zählst erst Messer und Löffel: . Beide Wege, dasselbe Ergebnis.
Eine hilfreiche Vorstellung: Du hast drei Gruppen von Freunden. Bei der Addition ist es egal, ob sich zuerst Gruppe A mit Gruppe B trifft und dann C dazukommt, oder ob erst B und C sich treffen und dann A dazustösst. Am Ende sind alle zusammen.
Bei der Multiplikation hilft das Bild eines Quaders. Ob du erst Länge mal Breite rechnest und dann mal Höhe, oder erst Breite mal Höhe und dann mal Länge – das Volumen bleibt gleich.
Beispiel 1: Geschicktes Addieren mit dem Kommutativgesetz
Abschnitt betitelt „Beispiel 1: Geschicktes Addieren mit dem Kommutativgesetz“Berechne möglichst einfach.
Lösung:
Schau dir zuerst alle Zahlen an. Gibt es welche, die zusammen eine runde Summe ergeben?
– das ist praktisch!
Mit dem Kommutativgesetz darfst du die Reihenfolge ändern:
Du hast die 15 und die 2 vertauscht. Das ist erlaubt, weil nur Additionen vorkommen. Das Ergebnis bleibt gleich, egal welchen Weg du nimmst. Durch das Vertauschen konntest du die Aufgabe ganz einfach im Kopf lösen.
Beispiel 2: Kombination beider Gesetze bei der Multiplikation
Abschnitt betitelt „Beispiel 2: Kombination beider Gesetze bei der Multiplikation“Berechne .
Lösung:
Direkt zu rechnen ist mühsam. Schau dir aber an, was ergibt: Das ist – eine sehr schöne Zahl!
Zuerst verwendest du das Kommutativgesetz, um die 17 und die 4 zu vertauschen:
Dann verwendest du das Assoziativgesetz, um die Klammern günstig zu setzen:
Das Ergebnis lautet . Durch die clevere Kombination beider Gesetze wurde aus einer schwierigen Aufgabe eine einfache Kopfrechenaufgabe.
Die häufigsten Stolpersteine
Abschnitt betitelt „Die häufigsten Stolpersteine“Beispiel 3: Textaufgabe – Welches Gesetz steckt dahinter?
Abschnitt betitelt „Beispiel 3: Textaufgabe – Welches Gesetz steckt dahinter?“Lisa sammelt Muscheln am Strand. Am Montag findet sie 12 Muscheln, am Dienstag 8 und am Mittwoch 18. Lisa rechnet: “12 plus 18 ist 30, plus 8 macht 38.” Ihre Freundin Mia rechnet: “12 plus 8 ist 20, plus 18 ist auch 38.” Haben beide recht? Welche Gesetze haben sie benutzt?
Lösung:
Ja, beide haben recht! Das Ergebnis ist in beiden Fällen 38.
Lisa hat die Zahlen so umgeordnet, dass sie zuerst 12 und 18 addiert. Dafür hat sie das Kommutativgesetz benutzt (Vertauschen von 8 und 18). Dann hat sie mit Klammern gerechnet – das ist das Assoziativgesetz.
Mia hat einfach der Reihe nach gerechnet: . Auch das ist das Assoziativgesetz, nur mit anderen Klammern.
Beide Wege sind vollkommen korrekt, weil bei der reinen Addition beide Gesetze gelten.
Beispiel 4: Transfer – Zahlen klug gruppieren
Abschnitt betitelt „Beispiel 4: Transfer – Zahlen klug gruppieren“Berechne so einfach wie möglich.
Lösung:
Schau dir die vier Zahlen an. Gibt es Paare, die zusammen runde Summen ergeben?
- ✓
- ✓
Mit dem Kommutativgesetz stellst du um:
Mit dem Assoziativgesetz klammerst du geschickt:
Das Ergebnis ist . Durch das Erkennen von Ergänzungspaaren und die clevere Nutzung beider Gesetze wird aus einer vierstelligen Addition eine triviale Kopfrechnung.
Vertiefung
Abschnitt betitelt „Vertiefung“Du kennst jetzt das Kommutativ- und das Assoziativgesetz gut. Es lohnt sich, noch einen Schritt weiter zu denken.
Beide Gesetze zusammen ermöglichen etwas Wichtiges: Du kannst bei einer reinen Addition oder reinen Multiplikation mit beliebig vielen Zahlen die Summanden oder Faktoren in jeder beliebigen Reihenfolge und Gruppierung berechnen. Das Ergebnis ändert sich nie. Mathematiker sagen dazu: Die Addition und die Multiplikation sind unabhängig von Reihenfolge und Gruppierung.
Das Distributivgesetz ergänzt die beiden Gesetze. Es beschreibt, wie Addition und Multiplikation miteinander zusammenspielen:
Das ist das dritte grosse Rechengesetz, das du in der Schule kennenlernst. Es erlaubt dir zum Beispiel, als zu berechnen. Damit kannst du im Kopf multiplizieren, ohne ausrechnen zu müssen.
In der Algebra sind diese drei Gesetze die Grundlage jeder Gleichungsumformung. Wenn du später in der 7. Klasse Gleichungen löst oder Terme vereinfachst, wirst du genau diese Gesetze immer wieder brauchen.
Interessanter Fakt: Es gibt mathematische Strukturen, in denen das Kommutativgesetz nicht gilt. Die sogenannte Matrizenmultiplikation ist ein Beispiel. Dort ist meistens verschieden von . Das Kommutativgesetz ist also keine selbstverständliche Eigenschaft – es ist ein besonderes Merkmal der Zahlenarithmetik.
Beispiel 5: Distributivgesetz und Assoziativgesetz kombiniert
Abschnitt betitelt „Beispiel 5: Distributivgesetz und Assoziativgesetz kombiniert“Berechne mit dem Distributivgesetz.
Lösung:
Du kennst als . Das Distributivgesetz erlaubt dir:
Jetzt wendest du das Assoziativgesetz an, um die Klammern aufzulösen:
Das Ergebnis ist . Du hast die schwierige Multiplikation in zwei einfache Teile zerlegt. Diese Technik funktioniert für jede Multiplikation mit zweistelligen Zahlen. Sie ist die Grundlage des schriftlichen Multiplizierens, das du bald lernst.
Übungen
Abschnitt betitelt „Übungen“Löse die folgenden Aufgaben. Nutze die Rechengesetze, wo es sinnvoll ist. Die Lösungswege findest du weiter unten.
Stufe 1 – Grundlagen kennenlernen:
- Berechne geschickt. Welches Gesetz benutzt du?
- Gilt das Kommutativgesetz hier? Begründe:
- Berechne . Nutze das Kommutativgesetz.
Stufe 2 – Gesetze anwenden:
- Berechne so einfach wie möglich.
- Berechne geschickt.
- Gilt das Assoziativgesetz hier? Überprüfe: und
Stufe 3 – Kombinieren und erklären:
- Zeige, dass gilt. Welches Gesetz steckt dahinter?
- Lisa sagt: “Bei gilt das Kommutativgesetz, wenn .” Hat sie recht? Begründe.
- Berechne und erkläre jeden Schritt.
Stufe 4 – Transferaufgabe:
- In einer Klasse sitzen 5 Reihen mit je 6 Schülern. Im Parallelkurs sitzen 6 Reihen mit je 5 Schülern. Sind in beiden Klassen gleich viele Schüler? Welches Gesetz erklärt das?
Das Wichtigste in Kürze
Abschnitt betitelt „Das Wichtigste in Kürze“Das Kommutativgesetz sagt: Bei Addition und Multiplikation darfst du die Zahlen vertauschen. Das Ergebnis bleibt gleich. Es gilt: und .
Das Assoziativgesetz sagt: Bei Addition und Multiplikation darfst du die Klammern verschieben. Das Ergebnis bleibt gleich. Es gilt: und .
Beide Gesetze gelten nicht für Subtraktion und Division. Dort verändern Reihenfolge und Klammern das Ergebnis.
Der praktische Nutzen: Du erkennst günstige Zahlenpaare (zum Beispiel Paare mit Summe 10, 100 oder Produkt 100) und kannst so viele Aufgaben im Kopf lösen.
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Erkenne das günstige Paar: . Wende das Kommutativgesetz an (vertausche 13 und 2): Das Ergebnis lautet 130.
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Nein. Das Kommutativgesetz gilt nicht bei der Subtraktion. , aber . Die Ergebnisse sind verschieden. Daher darfst du hier nicht vertauschen.
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Erkenne die günstigen Paare:
- Wende Kommutativ- und Assoziativgesetz an: Das Ergebnis lautet 40.
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Nein. Das Assoziativgesetz gilt nicht bei der Division. Die Ergebnisse sind verschieden. Die Klammerposition verändert das Ergebnis.
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Beide backen gleich viele Brötchen! Bäckerin: Brötchen Gehilfe: Brötchen Das Kommutativgesetz erklärt es: . Die Reihenfolge der Faktoren spielt keine Rolle. Das Ergebnis ist immer 48 Brötchen.
Ausblick
Abschnitt betitelt „Ausblick“Das Kommutativ- und Assoziativgesetz sind zwei von drei grundlegenden Rechengesetzen. Das dritte ist das Distributivgesetz: . Es verbindet Addition und Multiplikation miteinander.
In der 7. und 8. Klasse wirst du diese Gesetze für das Vereinfachen von Termen und das Lösen von Gleichungen brauchen. Später in der Algebra sind sie die Grundlage fast jeder Umformung.
Wenn du die Gesetze jetzt wirklich verstehst – nicht nur auswendig kennst –, hast du eine starke Basis für die gesamte Mittelstufe. Geschicktes Rechnen beginnt hier.
Lösungen
Abschnitt betitelt „Lösungen“Aufgabe 1: Berechne geschickt.
Erkenne: . Wende das Kommutativgesetz an: . Dann das Assoziativgesetz: . Das verwendete Gesetz ist das Kommutativgesetz (Vertauschen von 14 und 4) sowie das Assoziativgesetz (Setzen der Klammer). Ergebnis: 24.
Aufgabe 2: Gilt ?
Überprüfe durch Rechnen: und . Die Ergebnisse sind verschieden. Das Kommutativgesetz gilt nicht bei der Subtraktion. Die Reihenfolge bei Minus spielt eine entscheidende Rolle.
Aufgabe 3: Berechne mit dem Kommutativgesetz.
Erkenne das günstige Paar: . Vertausche mit dem Kommutativgesetz: . Klammere mit dem Assoziativgesetz: . Ergebnis: 90.
Aufgabe 4: Berechne .
Erkenne: – eine sehr schöne Zahl! Kommutativgesetz: . Assoziativgesetz: . Ergebnis: 7000.
Aufgabe 5: Berechne .
Suche Ergänzungspaare: und . Kommutativgesetz: . Assoziativgesetz: . Ergebnis: 140.
Aufgabe 6: Gilt das Assoziativgesetz bei und ?
Berechne links: . Berechne rechts: , also . Die Ergebnisse und sind verschieden. Das Assoziativgesetz gilt nicht bei der Division.
Aufgabe 7: Zeige, dass .
Linke Seite: , also . Rechte Seite: , also . Beide Seiten ergeben . Das dahintersteckende Gesetz ist das Assoziativgesetz der Multiplikation: Die Klammerposition ändert das Ergebnis nicht.
Aufgabe 8: Lisa sagt, das Kommutativgesetz gelte bei , wenn .
Lisa hat in einem sehr engen Sinn recht. Wenn , dann gilt und . Die Ergebnisse sind gleich. Aber das ist kein Beweis für das Kommutativgesetz. Das Kommutativgesetz müsste für alle Zahlen gelten – und es gibt unzählige Fälle (z. B. , ), bei denen . Also gilt das Kommutativgesetz für die Subtraktion nicht, auch wenn es in dem Spezialfall zufällig dasselbe Ergebnis gibt.
Aufgabe 9: Berechne .
Erkenne: . Schritt 1 (Kommutativgesetz): Vertausche 47 und 50: . Schritt 2 (Assoziativgesetz): Setze die Klammer günstig: . Schritt 3: Berechne: . Ergebnis: 4700.
Aufgabe 10: 5 Reihen mit 6 Schülern vs. 6 Reihen mit 5 Schülern.
Klasse 1: Schüler. Klasse 2: Schüler. Ja, in beiden Klassen sitzen gleich viele Schüler. Das Kommutativgesetz der Multiplikation erklärt das: . Die Reihenfolge der Faktoren spielt keine Rolle. Das geometrische Bild: Ein Rechteck aus 5 Zeilen mal 6 Spalten hat dieselbe Punktanzahl wie eines aus 6 Zeilen mal 5 Spalten. Man dreht es einfach um 90 Grad.
Quellen
- Lehrplan 21 — Mathematik — Deutschschweizer Erziehungsdirektoren-Konferenz (D-EDK)
- Lehrplan Volksschule Aargau — Mathematik — Kanton Aargau, Departement Bildung, Kultur und Sport