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M5 E - Stellenwertsysteme vergleichen

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M5 E - Stellenwertsysteme vergleichen




M5 E - Stellenwertsysteme vergleichen


Einleitung

Zahlen können auf sehr unterschiedliche Weise geschrieben werden. Die Zahl zweiundzwanzig kann zum Beispiel als 22, als XXII oder im Dualsystem als (10110)2 notiert werden. Die Zeichen sehen verschieden aus – der Zahlenwert bleibt gleich.

In diesem aiMOOC vergleichst Du drei Darstellungsweisen:

  1. Dezimalsystem: unser Stellenwertsystem mit der Basis 10.
  2. Römische Zahlschrift: eine nichtstellige Zahlschrift mit festen Zeichenwerten und Additions- beziehungsweise Subtraktionsregeln.
  3. Dualsystem: ein weiteres Stellenwertsystem mit der Basis 2.

Dabei untersuchst Du besonders die Begriffe Basis, Position, Stellenwert und Null. Du sollst nicht nur umwandeln, sondern auch begründen, warum ein Zahlensystem funktioniert und welche Vor- und Nachteile unterschiedliche Darstellungen haben.

Das Bild zeigt Zehnerblöcke als Modell für das Bündeln im Dezimalsystem. Ein Einerwürfel, eine Zehnerstange, eine Hunderterplatte und ein Tausenderwürfel machen sichtbar, dass jeweils 10 Einheiten zu einer Einheit der nächsthöheren Stelle gebündelt werden.


Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du:

  1. Stellenwertsysteme anhand von Basis, Ziffernvorrat und Position beschreiben.
  2. den Wert einer Ziffer mit ZiffernwertStellenwert erklären.
  3. natürliche Zahlen in einer Stellenwerttafel zerlegen und zusammensetzen.
  4. erklären, warum die Null im Dezimalsystem als Platzhalter wichtig ist.
  5. das Dezimalsystem mit der römischen Zahlschrift vergleichen.
  6. einfache Zahlen zwischen Dezimal-, römischer und binärer Schreibweise übersetzen.
  7. mathematisch begründen, warum verschiedene Schreibweisen denselben Zahlenwert darstellen können.


Grundidee: Ziffer, Stelle und Zahlenwert

Eine Ziffer ist ein einzelnes Zeichen. Im Dezimalsystem stehen dafür

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9.

Eine Zahl kann aus mehreren Ziffern bestehen. Bei 4207 hat jede Ziffer eine Position. Diese Position entscheidet über ihren Stellenwert.

Tausender Hunderter Zehner Einer
4 2 0 7
41000 2100 010 71

Damit gilt:

4207=4103+2102+0101+7100.

Merke: Im Stellenwertsystem bestimmt nicht nur die Ziffer selbst ihren Beitrag zur Zahl, sondern auch ihre Position.


Interaktives Stellenwertmodell

Probiere eine dynamische Stellenwerttafel aus. Verschiebe beziehungsweise verändere die Ziffern und beobachte, wie sich der Zahlenwert ändert.

Eine zweite Darstellung zeigt das Bündeln in Zehnerschritten:


Visueller Rechenweg: Eine Zahl zerlegen

Betrachte 5834 Schritt für Schritt:

Schritt Darstellung Bedeutung
1 5834 Ausgangszahl
2 51000+8100+310+4 Ziffer mal Stellenwert
3 5000+800+30+4 Teilwerte
4 5834 Summe der Teilwerte

Du kannst jeden Schritt rückwärts lesen. So lässt sich aus einer Zerlegung wieder die ursprüngliche Zahl zusammensetzen.


Die Basis eines Stellenwertsystems

Die Basis gibt an, wie viele verschiedene Ziffern zur Verfügung stehen und mit welchem Faktor die Stellenwerte von rechts nach links wachsen.

Für ein Stellenwertsystem zur Basis b gilt:

b0,b1,b2,b3,

Für eine Zahl mit den Ziffern an,,a1,a0 kann man schreiben:

(anan1a1a0)b=i=0naibi.

Für Klasse 5 genügt die Idee: Jede Stelle links ist das b-Fache der Stelle rechts.


Basis 10: das Dezimalsystem

Im Dezimalsystem ist b=10. Deshalb sind die Stellenwerte

1,10,100,1000,

oder als Potenzen:

100,101,102,103,

Beispiel:

372=3102+7101+2100.

Das bedeutet:

372=300+70+2.


Warum ist die Null so wichtig?

Untersuche die Zahl 507:

507=5100+010+71.

Die Null zeigt: Es gibt hier keine Zehner, aber die Zehnerstelle ist vorhanden.

Ohne die Null würde aus 507 die Zahl 57 werden:

57=510+7.

Die Null ist deshalb in einem Stellenwertsystem ein wichtiger Platzhalter.

Zahl Hunderter Zehner Einer Wert
507 5 0 7 500+0+7
57 0 5 7 0+50+7

Argumentationsfrage: Warum kann man die Null in 507 nicht einfach weglassen, obwohl sie selbst den Wert 0 hat?


Römische Zahlen: ein nichtstelliges Zahlensystem

Bei der römischen Zahlschrift haben die Zeichen feste Werte:

Zeichen I V X L C D M
Wert 1 5 10 50 100 500 1000

Die Ziffer X bedeutet also grundsätzlich 10. Sie wird nicht allein dadurch zu 100, dass man sie weiter links schreibt. Damit unterscheidet sich die römische Zahlschrift grundlegend von einem Stellenwertsystem.


Addieren und subtrahieren

Häufig werden römische Zahlzeichen von groß nach klein geschrieben und addiert:

XXII=10+10+1+1=22.

Steht ein kleineres Zeichen unmittelbar vor einem größeren, wird es in bestimmten erlaubten Fällen subtrahiert:

IV=51=4

IX=101=9

XL=5010=40

XC=10010=90.

Die Position eines Zeichens kann also für die Leseregel wichtig sein. Trotzdem besitzt die Stelle keinen eigenen Wert wie 1,10,100, im Dezimalsystem.


Wo ist die Null bei römischen Zahlen?

Die klassische römische Zahlschrift benötigt für gewöhnliche Zahlendarstellungen kein Nullzeichen als Stellenhalter.

Beispiel:

507=DVII=500+5+1+1.

Es muss kein Zeichen für „null Zehner“ geschrieben werden, weil die Zeichen feste Werte besitzen und nicht in Zehner-, Hunderter- oder Tausenderstellen eingetragen werden.

Vergleiche:

507=5100+010+7

aber

DVII=500+5+1+1.


Vergleich: Dezimalsystem und römische Zahlschrift

Merkmal Dezimalsystem Römische Zahlschrift
Art Stellenwertsystem nichtstellige Zeichenwert-Zahlschrift
Ziffern beziehungsweise Zeichen 0 bis 9 I, V, X, L, C, D, M
Basis im Stellenwert-Sinn 10 keine Stellenwertbasis
Bedeutung der Position bestimmt den Stellenwert bestimmt teilweise Additions- oder Subtraktionsregel
Null als Platzhalter wesentlich nicht nötig
Beispiel für 49 49 XLIX
Rechnen mit schriftlichen Verfahren gut geeignet deutlich unpraktischer

Mathematische Begründung: Im Dezimalsystem kann dieselbe Ziffer je nach Position verschiedene Werte annehmen:

5,50,500,5000.

In der römischen Zahlschrift bleibt der Grundwert von V dagegen 5. Genau das ist der Kernunterschied zwischen Stellenwert und Zeichenwert.


Noch ein Stellenwertsystem: das Dualsystem

Das Dualsystem heißt auch Binärsystem oder Zweiersystem. Es besitzt nur zwei Ziffern:

0und1.

Die Basis ist

b=2.

Darum lauten die Stellenwerte von rechts nach links:

20,21,22,23,24,

also

1,2,4,8,16,


Beispiel: Binärzahl in Dezimalzahl übersetzen

Nimm die Binärzahl

(10110)2.

Stelle 24 23 22 21 20
Stellenwert 16 8 4 2 1
Ziffer 1 0 1 1 0
Beitrag 16 0 4 2 0

Also:

(10110)2=116+08+14+12+01=22.

Damit gilt:

(10110)2=2210=XXII.

Drei Schreibweisen – ein Zahlenwert.


Interaktiv: Dezimalsystem und Dualsystem

Untersuche mit dem dynamischen Modell, wie dieselbe Zahl in zwei verschiedenen Stellenwertsystemen dargestellt wird:

Achte auf die Bündelung:

  1. Im Dezimalsystem entsteht die nächste Stelle nach jeweils 10 Einheiten.
  2. Im Dualsystem entsteht die nächste Stelle bereits nach jeweils 2 Einheiten.


Drei Systeme direkt vergleichen

Eigenschaft Dezimalsystem Römische Zahlschrift Dualsystem
Systemtyp Stellenwertsystem nichtstelliges Zahlensystem Stellenwertsystem
Basis 10 keine Stellenwertbasis 2
Ziffern/Zeichen 0–9 I, V, X, L, C, D, M 0 und 1
Position bestimmt Stellenwert ja nein ja
Null als Platzhalter ja nein ja
Zahlwert 10 10 X (1010)2
Zahlwert 22 22 XXII (10110)2


Übersetzen zwischen Zahlensystemen

Beim Übersetzen bleibt der Zahlenwert gleich. Nur die Schreibweise ändert sich.

Dezimal Römisch Dual
5 V (101)2
10 X (1010)2
12 XII (1100)2
17 XVII (10001)2
22 XXII (10110)2


Übersetzungsstrategie

Von einem Stellenwertsystem ins Dezimalsystem:

ZifferStellenwert für jede Stelle berechnen und anschließend addieren.

Beispiel:

(1101)2=18+14+02+11=13.

Von römisch nach dezimal:

Feste Zeichenwerte lesen und die Additions- beziehungsweise erlaubten Subtraktionsregeln beachten.

Beispiel:

XIII=10+1+1+1=13.

Damit:

(1101)2=13=XIII.


Interaktive Übersetzungswerkstatt

Übertrage jede Zahl zuerst in eine Wertzerlegung und anschließend in die beiden anderen Schreibweisen.

Ausgangsdarstellung Zwischenidee Gesuchte Übersetzung
18 Zerlege in 16+2 (10010)2 und XVIII
XXIV Zerlege in 10+10+4 24 und (11000)2
(1111)2 Zerlege in 8+4+2+1 15 und XV
XXXI Zerlege in 30+1 31 und (11111)2




Zahlengerade: Gleicher Wert, andere Schreibweise

Eine Zahl ist ein mathematischer Wert. Eine Zahlschrift ist nur eine Darstellung dieses Wertes. Deshalb liegen

22,XXII,(10110)2

auf einer Zahlengeraden am gleichen Punkt.

Auftrag: Markiere nacheinander die Werte 5, 10, 15 und 22. Notiere zu jedem Punkt zusätzlich die römische und die binäre Schreibweise.


Historischer Blick: Babylonische Zahlzeichen

Lange vor unseren heutigen Ziffern wurden andere Zahlzeichen verwendet. Die babylonische Zahlschrift arbeitete mit einem Stellenwertprinzip zur Basis 60. Dadurch entstanden Stellenwerte wie

600=1,601=60,602=3600.

Die babylonische Schreibweise entwickelte sich über einen langen Zeitraum. Ein modernes Nullzeichen wie in unserem Dezimalsystem gab es anfangs nicht. Später wurden Platzhalterzeichen verwendet, um leere Stellen deutlicher zu markieren.

Spuren der Basis 60 findest Du noch heute bei Zeit- und Winkelangaben:

1 Stunde=60 Minuten

und

1 Minute=60 Sekunden.


Historisches Vergleichsmedium

Dieses historische Zifferblatt aus der Zeit der Französischen Revolution stellt unterschiedliche Zeiteinteilungen gegenüber und zeigt, dass Zahl- und Maßsysteme kulturell verändert werden können.


Warum Stellenwertsysteme praktisch sind

Stellenwertsysteme ermöglichen es, mit wenigen Ziffern sehr viele Zahlen eindeutig darzustellen.

Im Dezimalsystem braucht man für

7,70,700,7000

immer dieselbe Ziffer 7. Die Position verändert ihren Wert:

7100,7101,7102,7103.

Diese Struktur hilft auch beim Rechnen. Bei der schriftlichen Addition werden Stellen gleichen Wertes untereinander geschrieben:

372+458830

Einer werden mit Einern, Zehner mit Zehnern und Hunderter mit Hundertern verarbeitet. Genau diese feste Stellenstruktur fehlt der römischen Zahlschrift.


Denkfehler untersuchen

Fehler 1: „Die 5 ist immer fünf wert.“

Gegenbeispiel:

5=5,50=510,500=5100.

Die Aussage stimmt im Dezimalsystem also nicht. Der Ziffernwert ist 5, aber ihr Beitrag zum Zahlenwert hängt vom Stellenwert ab.

Fehler 2: „Eine Null kann man immer weglassen.“

Gegenbeispiel:

20424.

Denn

204=2100+010+4

und

24=210+4.

Fehler 3: „Römische Zahlen sind auch ein Stellenwertsystem, weil die Reihenfolge wichtig ist.“

Die Reihenfolge kann bei römischen Zahlen tatsächlich eine Rechenregel beeinflussen. Trotzdem haben die Positionen keine festen Stellenwerte wie 1,10,100,. Deshalb ist die römische Zahlschrift kein Stellenwertsystem.


Mathematisch argumentieren

Beim Begründen kannst Du dieses Schema benutzen:

  1. Behauptung: Formuliere, was Du zeigen willst.
  2. Beispiel oder Gegenbeispiel: Nutze eine passende Zahl.
  3. Mathematische Zerlegung: Schreibe mit , + und Potenzen.
  4. Schluss: Erkläre, warum das Beispiel Deine Behauptung stützt.

Beispiel:

Behauptung: „Die Null ist im Dezimalsystem als Platzhalter wichtig.“

306=3100+010+6.

Ohne die Null entstünde

36=310+6.

Also verändert das Weglassen der Null die Position der anderen Ziffern und damit den Zahlenwert. Die Null hält die Zehnerstelle frei.


Interaktive Aufgaben


Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Basis hat das Dezimalsystem? (10) (!2) (!5) (!60)




Welchen Wert hat die Ziffer 7 in der Zahl 5732? (700) (!7) (!70) (!7000)




Warum steht in 507 eine Null? (Sie hält die Zehnerstelle frei) (!Sie macht die Zahl automatisch gerade) (!Sie verdoppelt den Wert der 5) (!Sie ersetzt die Einerstelle)




Was unterscheidet die römische Zahlschrift vom Dezimalsystem? (Die römischen Zeichen haben feste Grundwerte statt Stellenwerte) (!Römische Zahlen benutzen die Basis 2) (!Römische Zahlen besitzen zehn Ziffern) (!Römische Zahlen brauchen immer eine Null)




Welchen Wert hat XL? (40) (!60) (!15) (!110)




Welche Ziffern werden im Dualsystem verwendet? (0 und 1) (!0 bis 9) (!I und V) (!1 bis 60)




Welchen Dezimalwert hat die Binärzahl 10110? (22) (!18) (!24) (!30)




Wie wird die Dezimalzahl 12 im Dualsystem geschrieben? (1100) (!1010) (!1110) (!1001)




Was bleibt beim Übersetzen zwischen Zahlensystemen gleich? (Der Zahlenwert) (!Die Anzahl der Zeichen) (!Die Basis) (!Die verwendeten Ziffern)




Welche Basis verwendete das babylonische Stellenwertsystem? (60) (!10) (!2) (!12)





Memory

Basis 10 Dezimalsystem
Basis 2 Dualsystem
I V X L C D M Römische Zahlzeichen
Null als Platzhalter freie Stelle sichtbar machen
Ziffernposition legt den Stellenwert fest
Basis 60 Babylonisches Stellenwertsystem





Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu. Thema
Dezimalsystem Zehnerbündelung
Dualsystem Zweierbündelung
Römische Zahlschrift feste Zeichenwerte
Null als Platzhalter markiert eine unbesetzte Stelle
Ziffernposition bestimmt den Stellenwert






Kreuzworträtsel

Dezimalsystem Wie heißt unser Stellenwertsystem mit der Basis zehn?
Stellenwert Wie heißt der Wert, der zu einer bestimmten Position gehört?
Platzhalter Welche Funktion hat die Null zum Beispiel in 507?
Dualsystem Wie heißt das Stellenwertsystem mit den Ziffern Null und Eins?
Zahlzeichen Wie nennt man ein geschriebenes Symbol zur Darstellung einer Zahl?
Sexagesimalsystem Wie heißt ein Stellenwertsystem zur Basis sechzig?





LearningApps


Lückentext

Vervollständige den Text.
Im Dezimalsystem ist die Basis

.
Der Wert einer Ziffer hängt in einem Stellenwertsystem von ihrer

ab.
Die Zahl 507 benötigt die Null als

.
Römische Zahlzeichen besitzen feste

.
Im Dualsystem gibt es nur die Ziffern 0 und

.
Die Stellenwerte des Dualsystems sind Potenzen der Zahl

.
Die Binärzahl 10110 hat im Dezimalsystem den Wert

.
Beim Übersetzen in ein anderes Zahlensystem bleibt der

gleich.
Das historische babylonische Stellenwertsystem verwendete die Basis

.




Offene Aufgaben


Leicht

  1. Stellenwert-Poster: Gestalte eine Stellenwerttafel für Einer, Zehner, Hunderter und Tausender. Trage drei selbst gewählte Zahlen ein und zerlege sie jeweils mit und +.
  2. Null-Detektiv: Finde fünf Zahlen, bei denen eine Null zwischen zwei anderen Ziffern steht. Erkläre jeweils, was sich ändert, wenn die Null entfernt wird.
  3. Römische Zahlen im Alltag: Suche in Deiner Umgebung nach römischen Zahlen, zum Beispiel an Uhren, Gebäuden oder in Büchern. Zeichne oder fotografiere ein Beispiel und übersetze es.
  4. Binärkarten: Bastle Karten mit den Werten 1,2,4,8,16. Lege damit die Zahlen von 1 bis 20 und notiere die passenden Binärzahlen.


Standard

  1. Übersetzungs-Triathlon: Wähle fünf Zahlen zwischen 1 und 50 und stelle jede dezimal, römisch und binär dar. Prüfe jede Übersetzung durch eine Wertzerlegung.
  2. Fehler finden: Erfinde drei falsche Aussagen zu Stellenwerten, Null oder römischen Zahlen. Tausche sie mit einer anderen Person und widerlege die Fehler mit Gegenbeispielen.
  3. Erklärkarte: Erstelle eine Karte mit der Behauptung „Die Position einer Ziffer ist im Dezimalsystem entscheidend“. Begründe sie mit mindestens zwei Zahlen und passenden Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle -Zerlegungen. # [[Babylonische Mathematik|Historische Zahlzeichen]]: Recherchiere, wie babylonische Zahlzeichen aufgebaut waren. Erstelle eine kurze Gegenüberstellung zu Dezimal- und römischer Schreibweise und kennzeichne Gemeinsamkeiten und Unterschiede. {{BR}} === Schwer === # [[Null|Warum braucht ein Stellenwertsystem die Null?]]: Begründe ausführlich mit mindestens drei Beispielen, warum eine leere Stelle eindeutig gekennzeichnet werden muss. Vergleiche dabei Dezimal- und Dualsystem. # [[Fünfersystem|Erfinde ein Basis-5-System]]: Verwende nur die Ziffern <math>0,1,2,3,4} . Entwickle eine Stellenwerttafel, stelle mindestens sechs Dezimalzahlen darin dar und erkläre die Bündelungsregel.
  4. Welches System rechnet besser?: Vergleiche die Addition einer selbst gewählten Zahlenpaarung im Dezimalsystem und mit römischen Zahlen. Begründe, welche Darstellung sich für ein schriftliches Verfahren besser eignet.
  5. Erkläranimation: Produziere ein kurzes Video oder eine Folienanimation, in der die Zahl 22 nacheinander als 22, XXII und (10110)2 erscheint. Erkläre bei jedem Wechsel, was sich verändert und was gleich bleibt.




Text bearbeiten Bild einfügen Video einbetten Interaktive Aufgaben erstellen



Lernkontrolle

  1. Unbekannte Basis: In einem erfundenen Stellenwertsystem gilt von rechts nach links 1,4,16,64. Bestimme die Basis und erkläre Deine Entscheidung.
  2. Null begründen: Zwei Lernende behaupten, 403 und 43 unterschieden sich nur „durch eine wertlose Null“. Widerlege die Aussage mithilfe einer Stellenwertzerlegung.
  3. Darstellungen vergleichen: Erkläre, warum 30, XXX und (11110)2 denselben Zahlenwert bezeichnen, obwohl die Schreibweisen unterschiedlich lang sind.
  4. Falsche Binärzahl: Jemand schreibt (1021)2. Erkläre, warum diese Schreibweise im üblichen Dualsystem nicht möglich ist, und formuliere die allgemeine Regel für erlaubte Ziffern.
  5. Eigenes System: Entwickle ein Stellenwertsystem zur Basis 3. Gib die erlaubten Ziffern und die ersten vier Stellenwerte an und stelle anschließend die Dezimalzahl 10 darin dar.
  6. Geeignetes Zahlensystem: Beurteile, ob Du für schriftliche Addition lieber das Dezimalsystem oder die römische Zahlschrift verwenden würdest. Begründe mit Strukturmerkmalen und einem selbst gewählten Beispiel.




Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

  1. den Unterschied zwischen Ziffer, Stelle, Stellenwert und Zahlenwert sicher erklären kannst.
  2. die Basis eines Stellenwertsystems als Bündelungsfaktor verstehst.
  3. Zahlen im Dezimalsystem mit Potenzen von 10 zerlegen kannst.
  4. die Funktion der Null als Platzhalter an Beispielen begründen kannst.
  5. die römische Zahlschrift als nichtstelliges System von Stellenwertsystemen unterscheiden kannst.
  6. einfache römische Zahlen sicher lesen und schreiben kannst.
  7. einfache Binärzahlen mit Potenzen von 2 auswerten kannst.
  8. denselben Zahlenwert in mehreren Zahlschriften darstellen kannst.
  9. Fehler in Begründungen zu Zahlensystemen erkennen und mathematisch korrigieren kannst.
  10. eine eigene Schlussfolgerung mit Beispiel, Rechnung und Begründung darstellen kannst.




OERs zum Thema


Weitere interaktive OER

  1. GeoGebra: Stellenwerttabelle für natürliche Zahlen
  2. GeoGebra: Stellenwert-System mit Bündeln
  3. GeoGebra: Dezimalsystem und Dualsystem
  4. GeoGebra/Serlo: Zahlengerade
  5. GeoGebra: Natürliche Zahlen und römische Zahlen für Schulstufe 5–6


Medien- und Quellenhinweise

Die eingebundenen Bilder stammen aus Wikimedia Commons. Die jeweilige freie Lizenz beziehungsweise Gemeinfreiheit ist auf der Dateibeschreibungsseite dokumentiert.

  1. Wikimedia Commons: Base ten blocks – CC0
  2. Wikimedia Commons: Decimal Place Value Chart – CC0
  3. Wikimedia Commons: Roman numerals on alarm clock – CC0
  4. Wikimedia Commons: Babylonian numerals – freie CC-BY-SA-Lizenz
  5. Wikimedia Commons: Babylonian digit 0
  6. Wikimedia Commons: historische Dezimal-/Duodezimal-Uhr
  7. Wikipedia: Stellenwertsystem
  8. Wikipedia: Römische Zahlschrift
  9. Wikipedia: Dualsystem


Verknüpfte Lernbereiche


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