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Hemmes mathematische Rätsel: Wie viele Quadrate können gebaut werden?

legobausteine

Im April 2026 stellte der 1955 geborene Mathematiker Aloys Krieg aus Aachen den Leserinnen und Lesern der Aachener Zeitung folgende Aufgabe.

Setzen Sie drei rote, drei gelbe und drei grüne Legosteine mit quadratischem Querschnitt zu einem 3×3-Quadrat zusammen. Dabei dürfen zwei gleichfarbige Steine niemals mit Seiten aneinanderstoßen, sondern höchstens mit Ecken. Wie viele unterschiedlich gefärbte 3×3-Quadrate lassen sich unter diesen Bedingungen bauen?

Der Legostein auf dem Mittelfeld des Quadrates kann drei verschiedene Farben haben. Die beiden anderen Steine, die die Farbe des Mittelsteins haben, können nur auf zwei der vier Eckfelder liegen, da sie sonst mit einer Seite an den Mittelstein stoßen würden. Zunächst einmal betrachten wir den Fall, dass sich diese beiden Steine diagonal gegenüberliegen. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten. Für den Stein in der Mitte der oberen Reihe stehen nun noch zwei Farben zur Wahl. Hat man sich für eine Farbe entschieden, liegen dadurch die Farben der restlichen Steine fest. Folglich gibt es für den ersten Fall 3 · 2 · 2 = 12 Möglichkeiten. Beim zweiten Fall liegen die beiden Steine, die die Farbe des Mittelsteins haben, auf benachbarten Ecken. Dafür gibt es vier Möglichkeiten. Die drei Steine umrahmen einen Randstein, der die gleiche Farbe haben muss wie die beiden anderen Ecksteine. Dafür stehen zwei Farben zur Wahl. Der Rest ist eindeutig. Folglich gibt es für den zweiten Fall 3 · 4 · 2 = 24 Möglichkeiten. Insgesamt ergeben sich daraus 36 Möglichkeiten, aus den Legosteinen ein passendes Quadrat zu bilden.

Das Bild zeigt die beiden Basislösungen. Durch Vertauschen der Farben versechsfacht sich die Zahl der Lösungen. Im ersten Bild verdoppelt sich die Zahl der Lösungen durch eine Drehung um 90° noch einmal und im zweiten Bild vervierfacht sie sich sogar durch Drehungen um 90°, 180° und 270°.

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