Wie "tief" sollte man die Mathematik vertehen können?

Hallo,
ich bin neu hier im Forum und habe mich soeben zwecks dieser Frage, die mir schon lange im Kopf herumgeistert registriert.

Die Überschrift ist zunächst einmal vielleicht ein wehnig verwirrend oder ungenau formuliert, aber mir ist leider keine bessere eingefallen xD

Also ich beschäftige mich gerade mit den Maxwell`schen Gleichungen aus der Elektrodynamik. Allerdings soll dieses Thema nur als Beispiel zur Frage dienen, da es für mich gerade das aktuellste ist, bei dem diese Frage auf kam und man kann sie auch auf andere Bereiche der Mathematik beziehen. Eigentlich könnte man sie schon beim Satz des Pytagoras stellen.

Nun gut, also zum Beispiel:

Wenn man für ein Vektorfeld die Divergenz berechnen will, so kann man das über das Skalarprodukt mit dem Nabla-Operator machen. Die Einzelheiten sind jetzt für die Frage irrelevant, aber an sich ist das Mathematisch gesehen für mich recht verständlich. Jetzt könnte ich natürlich, da ich nun den Rechenweg kenne und alle Mathematischen Voraussetzungen dafür habe, die Formel einfach lernen und anwenden.

Doch ich kann mich einfach nicht damit zufrieden geben. Ich versuche immer bei sowas zu verstehen WARUM ist das so? WARUM bekommt mann die Divergenz des Vektorfeldes bei seiner Skalarmultiplikation mit dem Nabla-Operator?

Derjenige/Diejenigen die diese Formel „gefunden“ haben, haben ja mit sicherheit nicht unendlich viele Formeln ausprobiert und dann die Lösung gefunden. Also muss es ja eine logische Erklärung dafür geben.

Wie gesagt dies diente nur als Beispiel und daher geht es mir auch nicht speziell um die Antwort auf dieses Problem.

Doch bei fast allen Dingen bei denen ich weiß, „warum das so ist“, musste ich mir das selbst herleiten oder stundenlang im Internet suchen. Fast alle Lehrbücher und Intrernetseiten, die ich zur verfügung habe und selbst  der Schuluntericht verschweigen diese Hintergründe, so als ob es keine tiefere Erklärung dafür gibt. Klar bei manchen Dingen ist das ja auch so, da es bloße Definitionen sind, aber bei weitem nicht bei allem.

Und da ich wahrscheinlich im Sommer Physik studieren werde, würde mich einfach mal Interesssieren, wie Mathe- oder Physikstudenten (oder andere Personen die sich damit intensiver ausseinandersetzen) sowas lernen und wie weit bei euch das Verständnis reicht?

Hallo Fragewurm,

Und da ich wahrscheinlich im Sommer Physik studieren werde,
würde mich einfach mal Interesssieren, wie Mathe- oder
Physikstudenten (oder andere Personen die sich damit
intensiver ausseinandersetzen) sowas lernen und wie weit bei
euch das Verständnis reicht?

Für Alle, Mathematiker mal ausgenommen, ist die Mathematik nur ein Werkzeug um Zusammenhänge zu beschreiben.

Beim Computer gibt es auch zwei grundlegende Ansätze für den Zugang, der ist auch nur ein Werkzeug:

  1. Man ist Anwender. Man kann damit arbeiten und bekommt, im Rahmen der Vorgegebenen Programmierung, seine Resultate. Wie und WAS das Ding macht, muss man dazu nicht wissen.

  2. Als Programmierer. Zuerst einmal ist man dabei auch Anwender, man verwendet meistens schon fertige Editoren und Compiler. Zusätzlich versteht man, zumindest auf der Programmebne, wie das Ding arbeitet und wie man Probleme in entsprechende Teilschritte zerlegen muss um eine Lösung zu erhalten. Da man grundätzlich einigermassen versteht, was ein Programm intern so macht, kann man diese oft auch gezielter einsetzen und im Fall von Problemen (Bugs) auch eher einen Workaround finden. Natürlich kann man auch ein Programm selber schreiben, oder anpassen, welches genau auf die eigenen Bedürfnisse ausgerichtet sind.

Bei der Mathematik ist es genau gleich. Man kann Formeln einfach auswendig lernen, die passenden Werte einsetzen und bekommt das gewünschte Resultat. Das entspricht dem einfachen Anwender.

Dann kann man auch ein grundsätzliches Verständnis für Zusammenhäng haben und daraus die Formel selbst ableiten. Ich kann bis heute die Ohmsche Formel für den Widerstand (URI) nicht wirklich auswendig, obwohl ich sie Beruflich seit Jahrzehnten täglich benutze. Ich weiss aber, dass wenn der Widerstand kleiner wird, der Strom zunimmt und wenn die Spannung steigt, der Strom auch zunimmt. Damit kann ich jederzeit die Formel aufstellen.

Bei der Physik gibt es zwei grundlegende Extreme, die theoretischen und die experimental Physiker.

Etwas vereinfacht verstehen die theoretischen Physiker unsere Umwelt rein über die Mathematik. Durch das mathematische Verständnis der Formeln können sie aber auch Vorhersagen treffen, welche sich durch das Verändern von Parametern ergeben.
Die Experimentalphysiker schmeissen z.B. mit Atomkernen um sich und beobachten (messen) was sich dann so tut. Mit den Messresultaten gehen sie dann zu den theoretischen Physikern, welche diese dann in eine Formel packen.
Umgekehrt werden dann die Vorhersagen der theoretischen Physikern wieder von den Experimentalphysikern überprüft.

Leider ist es heute bei den meisten Ausbildungen so, das an Prüfungen nur abgefragt wird, ob man eine Formel kennt, nicht aber ob man sie verstanden hat.
Man kommt also durch reines Auswendiglernen zu guten Noten.

MfG Peter(TOO)

Vielen Dank erst einmal für deine Antwort, Peter(TOO)!

Also da ich vor habe eher in den Bereich der theoretischen Physik zu gehen oder ihn zumindest genau so zu erfassen wie es ein theoretischer Physiker tut, auch wenn ich mich dann doch noch umentscheide nach dem Studium, muss ich die Mathematik natürlich auch oder sogar vor allem mit ihren Hintergründen verstehen, das ist mir durchaus bewusst. Aber es ist halt extrem schwer wenn es kaum irgendwo so erklärt wird. Und die Grundlagen, die man im Abitur lernt, werden im Studium ja kaum wieder aufgegriffen, wodurch ich ja darauf angewiesen bin, mit diese Hintergründe müselig selbst zu erarbeiten oder heraus zu suchen.

Mir ist im Nachhinein aufgefallen, dass ich die Frage doch noch ein wehnig zu oberflächlich gestellt habe, deshalb will ich sie noch mal erweitern um den eigentlichen Kern zu treffen.

Wenn man sich jetzt ransetzt und versucht diese Formeln zu erklären, dann gibt es ja meist zwei Möglichkeiten, dies zu tun. Zum einen kann man die rein Mathematische herleitung betrachten. Um bei dem bereits genannten Beispiel von „URI“ zu bleiben, kann man ja „beweisen“, dass U/R=I ist, da U=R*I ist, und man durch Umformung auf die Formel für I kommt. OK, das ist jetzt ein recht sinnloses Beispiel, da man hier ja über Formeln herleitet, die sich gegenseitig bedingen und somit ist das kein mathematischer Beweis, aber ich hoffe das damit klar ist, was ich meine. Also man kann die meisten Formeln ja über die mathematischen Rechenregeln ableiten, die einfach nur definitionssache sind. Das wird auch noch oft erklärt und ist einfach verständlich. Aber nur weil ich weiß, wie ich Gleichungen umforme, weiß ich ja noch lange nicht, was ich dann im jeweiligen Schritt wirklich mache, also welche bedeutung dies für das entsprechende Objekt hat. Oder selbst auf mathematischer Ebene, weiß ich ja noch nicht gleich, was das bedeutet.

Ich habe zum Beispiel vor ein paar Jahren ca. 2 Stunden investiert, um Beschleunigungen Mathematisch WIRKLICH zu verstehen, da der Zusammenhang zwischen Formel und Realität nirgendwo erklärt wurde.

Bei einer Beschleunigung erhöht sich die Geschwindigkeit um einen bestimmten Faktor pro Zeiteinheit, was bedeutet, dass sich der Wert, um den sich der Weg in einer bestimmten Zeiteinheit erhöht (also die Geschwindikeit) wiederum um einen Faktor erhöht. Und diese Steigung der Steigung ist ja der Grund, weswegen man eine Quadratische Weg-Zeit-Funktion hat, und warum die Zeit in der Beschleunigung eine Quadratische Einheit besitzt. Zumindest grob gesagt, ich will jetzt nicht zu lang werden. Mathematisch aber habe die Formeln und auch deren Berechnungen sowie Herleitunegn verstanden und was Beschleunigung in der Realität ist, war natürlich auch klar. Aber um herauszufinden wie genau jetzt der Bezug zwischen Formel und Realität ist, habe ich wie gesagt recht lannge überlegen müssen. Aber auch der Mathematische hintergrund, warum man das jeetzt zum Beispiel ableiten muss, ist ja nicht klar, nur weil man weiß, was eine Ableitung ist, selbst wenn man die ganz genaue Herleitung für den Vorgang des differenzierens kennnt.

Und Beschleunigungen, sowie Ableitungen bzw Quadratische Funktionen sind ja jetzt das einfachste vom einfachsten. Wenn man sich jetzt die wehsentlich komplexeren Themen der Physik oder Mathematik anschaut, wird es oftmals sehr schwierig sich alles herzuleiten.

Jetzt, da ich mich nochmal ein wehnig präzisiert habe, stelle ich die Frage mal ein wehnig anders: Musss mann (vorausgesetzt natürlich mann will alles Vollständig begreifen können, was man so in einnem Physik/Mathe-Studium lernt) den Stoff so tief verstehen, wie am Beispiel der Beschleunigung, speziell bei den ganz komplexen Themen? Oder kann man auch mit „recht“ behaupten das Thema verstanden zu haben, wenn mann zwar denn Weg kennt, wie man Mathematisch auf die Formeln kommt, aber nicht unbedingt weiß, was die einzelnen rechnungen für die Realität oder die Objekte mit denen man rechnnet bedeuten?

Natürlich muss jeder für sich wissen, wie weit er ein Thema erfassen möchte, aber mich interesiert einfach wie weit diejenigen gehen, die sowas bereits Studieren oder noch besser, bereits damit durch sind?

Und mir ist natürlich ebenfalls bewusst, dass man die grundlegenden Dinge trotzdem vollständig erfasst haben muss, wie jetzt zum Beispiel die Beschleunigungen oder die physikalischen Hintergründe zum Ohm`schen Gesetz. Aber wenn man sich jetzt zum Beispiel fragt, was einn Impuls ist, muss ich leider gesetehen, dass ich keine Ahnung habe. Ich weiß zwar wie ich ihn berechne und was er in der Realität bewirkt bzw wozu man ihn berechnnet, aber was das nun genau ist, weiß ich nicht.

Hallo Fragewurm,

Jetzt, da ich mich nochmal ein wehnig präzisiert habe, stelle
ich die Frage mal ein wehnig anders: Musss mann (vorausgesetzt
natürlich mann will alles Vollständig begreifen können, was
man so in einnem Physik/Mathe-Studium lernt) den Stoff so tief
verstehen, wie am Beispiel der Beschleunigung, speziell bei
den ganz komplexen Themen? Oder kann man auch mit „recht“
behaupten das Thema verstanden zu haben, wenn mann zwar denn
Weg kennt, wie man Mathematisch auf die Formeln kommt, aber
nicht unbedingt weiß, was die einzelnen rechnungen für die
Realität oder die Objekte mit denen man rechnnet bedeuten?

Nun, nehmen wir mal mit einem Kuchenrezept.

  1. Um das nachzubacken, muss man nicht viel wissen, das bekommt eigentlich jeder hin.

  2. Wer mehr übers Backen weiss, weiss dass der Trick beim Kuchen, damit er keine Ähnlichkeit mit Gips bekommt, darin besteht das Ganze mit einem Gas aufzulockern. Dazu kann man Mikroorganismen verwenden (z.B. Hefe), Bachpulver oder Eischnee.

  3. Wer dann ganz gut ist, kann sich auf Grund des Rezeptes schon einigermassen vorstellen wie diese Kuchen schmeckt.

Ein guter Kuchenbäcker sollte bis 2, gehen, aber manche kommen nicht wirklich über 1. hinaus.
Bei 3. weiss ich nicht in wie weit man das lernen kann und wie viel davon eine Gabe ist?

Die Frage ist jetzt, welche Ansprüche du erfüllen willst?
Das einfachste ist natürlich einfach nur die Prüfungen zu bestehen.
Für einen späteren guten Fachmann braucht es aber mehr.

MfG Peter(TOO)

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Wie Peter(TOO schon sagt. Wie weit willst du gehen? Mathematik basiert auch ein Paar grundlegenden Definitionen. Z.B. kann man geometisch sin x an y=x unendlich spiegeln.
Berechnen läßt sich daß über eine Funktion nicht. Für sinh X gilt eine Einscränkung für x da die es sondt keine Funktion nach Definition mehr ist (eindeutig). Es gäbe dann für y mehrere x Werte.
In der Physik (klassisch) ist es ähnlich. Die klassische Physik basiert auf ein paar grundlegenden Definitionen wie dem Energieerhaltungssatz und auf 7 Einheiten. Wenn man die Konstanten für die physikalische Betrachtung kennt (PI, e, etc.) kann man die Formel aus der Einheit herleiten. Man kann dann sogar ein paar theoretische Betrachtungen machen. Wenn ich mit 100 km/h im Auto fahre und mein Puls 60 Hz hat bewegt sich meine Brille mit 2,16 Hz / dpt (Dioptrien).
Bei der theoretischen Physik kommt allerdings hinzu, daß man bestimmte Sachen in Frage stellt und ausrechnet, was dann passiert. Wenn ich davon ausgehe, daß c unter bestimmten Umständen nicht konstant ist, ist E=mc² nicht mehr allgemeingültig und ein perpetuum mobile möglich. In der Quantenphysik kommt mann schon mal auf sowas.

2 Like

OT u made my day :smile:
Hallo!

Wenn ich mit 100 km/h im Auto fahre und mein Puls 60 Hz hat bewegt sich meine Brille mit :2,16 Hz / dpt (Dioptrien).

Da sieht man wieder, wie wichtig die Mathematik ist.

-)

Gollum

Hallo,
ja da hast Du einen Schwachpunkt der aktuellen mathematischen Ausbildung in Schule und Studium gefunden. Es werden Formeln und Theorien gelehrt, ohne umfassend auf die praktische Anwendung einzugehen.
Das war auch ein Problem in meinem Mathe-Studium. Ich musste mir bestimmte Dinge erstmal praktisch vorstellen können, um dann das mathematische Modell zu verstehen.
Die „richtigen“ Mathematiker brauchen das irgendwie nicht mehr und handeln alles nur noch abstrakt ab.
Dabei ist es eigentlich sehr spannend, wie überall in unserem Leben, in unserer Umwelt, Mathematik steckt.

Beatrix

Naja in der reinen Mathematik ist mir der praktische Bezug ja garnicht mal so wichtig (in der Physik natürlich schon), aber ich brauche einnfach den Bezug zu der Matheematischen „Realität“, also zu den Grundlagen. Wenn ich Beispielsweise weiß, wie ich ein Integral berechne brauche ich ja garnicht unbedingt wissen, wo es in der Realität näherungsweise Funktionen gibt, unter denen man die Fläche damit berechnen kann.

Aber ich muss einfach wissen, WARUM man damit die Fläche bekomt. Also die Begründung, dass man bei einem Integral den f(x) wert, also die Höhe an einem bestimmten Punkt mit einem unendlich kleinen dazugehörigen x-Wert-Bereich, also der Breite multipliziert, wodurch man die Fläche für ein unendlich schmales Rechteck hat, und diese Rechtecke werden dann alle summiert. Wenn man dann noch weiß, WARUM bei einem Rechteck a*b = A ist, nämlich weil a und b immer in Längeneinheiten angegeben sind, welche Definitionsache sind, und wenn ich diese miteinander multipliziere, dann weiß ich, weil man sich vorstellen kann, dass man alle Quadrate mit der Seitenlänge von 1 LE, was dann ebenfalls nur Definition ist, logischerweise dann durch die multiplikation aller Längeneinheiten bekommt.

Erst dann kann ich sagen, dass ich Integrale verstanden habe. Wenn ich es sozusagen auf die darauf basierenden mathematischen Grundlagen zurückführen kann.

Ich möchte zumindest so weit gehen, dass ich die grundlegendsten Zutaten für JEDEN Kuchen kenne, sodass ich mir dann theoretisch selbst eigene Kuchen ausdenken könnte, weil ich dann jeden mit beliebigen Zusatz selbst zu den Zutaten zumischen kann oder aber, bei einnem schon vorhandenen Rezept weglassen kann, weil ich weiß, dass diese nicht essentiell ist. Und wirklich zufrieden bin ich dann erst, wenn ich nicht nur weiß, was die Zutaten bewirken, sondern auch warum.

Denn man erst einmal weiß, WARUM die Hefe den Teig aufgehen lässt, kann man sich ransetzen und sich vielleicht einen Ersatz ausdenken oder sogar einen „Erfinden“ und der Erfinder des Backpulvers werden :smiley:

Also kurzum für die Mathematik: Ich möchte alles soweit verstanden haben, dass ich mir auch ohne die Formel zu wissen, den oder einen Lösungsweg für ein Problem ausdenken/herleiten kann oder sogar die vorhandenen Formeln für bestimmte Zwecke anpassen/modifizieren kann, ohne bei einer leicht veränderten Situation erst einmal wieder nachgucken zu müsssen wie denn dafür der offizielle Lösungsweg bzw die offizielle Formel lautet.

Aber muss man bei den komplexeren Themen schon ein „Mathegenie“ sein, um das zu können, oder lernt sowas im laufe eines Studiums jeder (Also Ingenieure denke ich nicht unbedingt, aber ewl eben bei einem Physikstudium)? Denn wenn dass nicht der Fall ist, muss ich mir um die Themen zu verstehen ja wie jetzt in der Schule selbst alles herleiten und ich weiß nicht, ob ich dass bei den teilweise ja sehr komplizierten Sachen noch hinbekomme. Klar als Physiker in der Anwendung braucht man das auch nicht unbedingt, aber wenn man sich jetzt selbst mal an die Themen der Vereinheitlichung setzen will, bei denen es ja noch keine vollständig abgeschlossenen mathematischen Beschreibungen gibt (oder sie sind sogar ewl falsch), dann funktioniert das ja schlecht, wenn man die Formeln nur anwenden aber nicht bearbeiten kann.


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MOD: Zuviel-Zeilenumbrüche entfernt zwecks besserer Lesbarkeit.

Hallo Fragewurm,

Aber muss man bei den komplexeren Themen schon ein
„Mathegenie“ sein, um das zu können, oder lernt sowas im laufe
eines Studiums jeder (Also Ingenieure denke ich nicht
unbedingt, aber ewl eben bei einem Physikstudium)? Denn wenn
dass nicht der Fall ist, muss ich mir um die Themen zu
verstehen ja wie jetzt in der Schule selbst alles herleiten
und ich weiß nicht, ob ich dass bei den teilweise ja sehr
komplizierten Sachen noch hinbekomme. Klar als Physiker in der
Anwendung braucht man das auch nicht unbedingt, aber wenn man
sich jetzt selbst mal an die Themen der Vereinheitlichung
setzen will, bei denen es ja noch keine vollständig
abgeschlossenen mathematischen Beschreibungen gibt (oder sie
sind sogar ewl falsch), dann funktioniert das ja schlecht,
wenn man die Formeln nur anwenden aber nicht bearbeiten kann.

Du zielst da voll in den Bereich der theoretischen Physik.

Allerdings gehört da auch Begabung dazu, welche man nicht lernen kann!

Manche Leute können sich 3D-Gebilde vorstellen, diese können dann lernen ein Objekt auch nur anhand von Koordinatenpunkten zuerkennen, anderen fehlt die Möglichkeit zur 3D-Vorstellung vollkommen und sie können das auch nicht erlernen.

MfG Peter(TOO)

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Wenn du, wie Peter(TOO) meint, auf theoretische Physik aus bist, wirst du schon ein relativ großes mathematisches Wissen brauchen. Diese Physiker können sich auf Grund der Gleichungen ein Bild von der Physik machen. Ein Genie musst du nicht sein. Auch diese Physiker rechenen mit bekannten Gleichungen. Wenn du eine Theorie mit einer neuen mathematischen Gleichung beschreibst, musst du die Gültigkeit dieser Gleichung erst mal mathematisch beweisen um damit zu rechnen. Da wirst du besser Mathematiker. Für die meisten von denen ist Quantenphysik Wahrscheinlichkeitsrechnung, da dort vieles möglich ist, da die Wahrscheinlichkeit größer 0 ist.

B