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Hemmes mathematische Rätsel: Wie groß ist der Abstand?

Polyeder

Der Mathematik-und-Physik-Lehrer Bernd Bultmann wurde 1955 in Diepholz in Niedersachsen geboren und unterrichtete bis zu seinem Renteneintritt 2022 an der Zinzendorfschule Tossens, einem kleinen Privatgymnasium an der Nordseeküste. Er ist ein sehr umtriebiger Mann: Musiker, Karnevalist, Bumerangexperte, Geocacher und Kochbuchautor. Bultmann ist auch ein begeisterter Denksportler und hat ungezählte mathematische Knobeleien erdacht. Die heutige Kopfnuss ist sein Entwurf und stammt aus dem Jahr 2024.

Jedes der vier Quadrate hat die Seitenlänge 2. Wie groß ist der Abstand zwischen dem Umfang des Kreises und dem des gleichseitigen Dreiecks?

Halbiert man ein gleichseitiges Dreieck mit der Seitenlänge a, wie beispielsweise das rote Dreieck, entlang einer Höhe h, entstehen zwei 30°-60°-90°-Dreiecke. Ihre Hypotenusen und ihre kurzen Katheten haben die Längen a und a/2, und ihre langen Katheten haben nach dem Satz des Pythagoras die Länge h = √(1/4a2 + a2) = 1/2a√3. Löst man diese Gleichung nach a auf, erhält man a = 2/3h√3. Die Abstandslinie vom Kreis zum roten Dreieck trifft im Punkt B senkrecht auf die rechte Seite des Dreiecks. Die Parallele zu BC, die durch den Kreismittelpunkt A läuft, schneidet im Punkt E die Verlängerung der drei untersten Quadratseiten. Da das Dreieck ADE ein 30°-60°-90°-Dreieck mit der langen Kathete AD = 3 ist, hat seine kurze Kathete DE die Länge √3. Somit gilt CE = CD + DE = 3 + √3. Die Strecke FC liegt parallel zu AB und ist genauso lang wie diese. Auch das Dreieck CEF ist ein 30°-60°-90°-Dreieck. Daher ist seine lange Kathete FC = 1/2 · CE · √3 = 1/2(3 + √3)√3 = 1/2 · 3(√3 + 1). Der gesuchte Abstand ist um einen Kreisradius von 1 kürzer als AB = FC und beträgt somit 1/2(3√3 + 1) ≈ 3,1.

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