Lektion 1.1

Negative und rationale Zahlen

16 min Lesezeit

Das Thermometer vor dem Fenster zeigt −2,5 °C. Das ist keine ganze Zahl, denn sie liegt zwischen −3 und −2. Auf deinem Kontoauszug steht −12,50 Euro. Du schuldest der Bank 12 Euro und 50 Cent. In Klasse 5 und 6 kanntest du negative ganze Zahlen und Brüche ohne Minus. Jetzt kommt beides zusammen: Es gibt auch negative Brüche und negative Dezimalzahlen.

Noch etwas fehlt dir. Auf einer Schatzkarte liegt der Schatz 3 Schritte links vom Startpunkt und 2 Schritte darunter. Dein Koordinatensystem aus Klasse 5-6 kennt aber nur die Richtungen nach rechts und nach oben.

In dieser Lektion lernst du die rationalen Zahlen kennen. Du lernst, wie du sie vergleichst und ordnest, und wie das Koordinatensystem in alle vier Richtungen wächst.

Definition

Rationale Zahlen

Eine rationale Zahl ist jede Zahl, die du als Bruch schreiben kannst. Der Zähler ist eine ganze Zahl, der Nenner eine natürliche Zahl größer als 0. Dazu gehören negative Brüche wie −34-\frac{3}{4} und negative Dezimalzahlen wie −2,5, denn −2,5=−52-2{,}5 = -\frac{5}{2}. Auch jede ganze Zahl ist rational, zum Beispiel −7=−71-7 = \frac{-7}{1}. Alle rationalen Zahlen zusammen schreibt man Q\mathbb{Q}.

Bei einem Bruch darf das Minus vor dem Bruch oder im Zähler stehen. Beides ist dieselbe Zahl.

−34=−34−2,5=−524=41-\frac{3}{4} = \frac{-3}{4} \qquad -2{,}5 = -\frac{5}{2} \qquad 4 = \frac{4}{1}
Beispiel

Zahlen in Sachsituationen

Gib die rationale Zahl an: a) 2,5 Grad unter null, b) Schulden von 12,50 Euro, c) 8 Meter über dem Meeresspiegel, d) ein Taucher, 12 Meter unter der Wasseroberfläche, e) ein Fluss, der 0,3 Meter niedriger steht als sonst.

a)  −2,5b)  −12,50c)  8d)  −12e)  −0,3\text{a)}\; -2{,}5 \qquad \text{b)}\; -12{,}50 \qquad \text{c)}\; 8 \qquad \text{d)}\; -12 \qquad \text{e)}\; -0{,}3

Lege zuerst fest, was null ist: 0 °C, ein leeres Konto, der Meeresspiegel, die Wasseroberfläche oder der übliche Wasserstand. Wörter wie „unter“, „Schulden“ und „niedriger“ führen zu negativen Zahlen. Wörter wie „über“, „Guthaben“ und „höher“ führen zu positiven Zahlen.

Definition

Zahlengerade, Gegenzahl und Betrag

Auf der Zahlengerade liegt die 0 in der Mitte, die positiven Zahlen liegen rechts und die negativen links. Auch Brüche und Dezimalzahlen haben dort ihren Platz. Du teilst eine Einheit in gleich große Stücke. So liegt −34-\frac{3}{4} drei Viertel einer Einheit links von der 0, zwischen −1 und 0.

Zwei Zahlen, die gleich weit von der 0 entfernt sind, aber auf verschiedenen Seiten liegen, heißen Gegenzahlen. Die Gegenzahl von 3 ist −3, die von −2,5 ist 2,5, die von 0 ist 0. Die Gegenzahl von aa schreibst du −a-a. Das Minus bedeutet hier „die Gegenzahl von“. Nimmst du die Gegenzahl zweimal, kommst du zurück.

Den Betrag ∣a∣|a| einer Zahl kennst du schon: Er ist ihr Abstand von der 0 und nie negativ. Gegenzahlen haben denselben Betrag.

−(−2,5)=2,5∣−3∣=∣3∣=3∣−34∣=34-(-2{,}5) = 2{,}5 \qquad |-3| = |3| = 3 \qquad \left|-\frac{3}{4}\right| = \frac{3}{4}
Definition

Vergleichen und Ordnen

Je weiter rechts eine Zahl auf der Zahlengerade liegt, desto größer ist sie. Daraus folgen drei Regeln:

  • Jede negative Zahl ist kleiner als 0 und kleiner als jede positive Zahl.
  • Von zwei positiven Zahlen ist die mit dem größeren Betrag größer.
  • Von zwei negativen Zahlen ist die mit dem größeren Betrag kleiner, denn sie liegt weiter links.

Willst du einen Bruch mit einer Dezimalzahl vergleichen, schreibe beide als Dezimalzahlen. Es ist −34=−0,75-\frac{3}{4} = -0{,}75. Der Betrag von −0,8 ist größer als der von −0,75. Darum gilt −0,8<−34-0{,}8 < -\frac{3}{4}.

Beispiel

Zahlen ordnen

Ordne von der kleinsten zur größten Zahl: −0,8-0{,}8, −34-\frac{3}{4}, 12\frac{1}{2}, −1-1, 00, 0,30{,}3.

−1<−0,8<−34<0<0,3<12-1 < -0{,}8 < -\frac{3}{4} < 0 < 0{,}3 < \frac{1}{2}

Sortiere zuerst nach dem Vorzeichen. Negativ sind −1, −0,8 und −34-\frac{3}{4}, positiv sind 0,3 und 12\frac{1}{2}. Die 0 liegt dazwischen. Bei den negativen Zahlen vergleichst du die Beträge 1, 0,8 und 0,75. Der größte Betrag gehört zur kleinsten Zahl, also steht −1 ganz links. Bei den positiven Zahlen ist 12=0,5\frac{1}{2} = 0{,}5 größer als 0,3.

Definition

Koordinatensystem mit vier Quadranten

Verlängerst du die x-Achse nach links und die y-Achse nach unten, sind beide Achsen Zahlengeraden mit negativen Zahlen. Sie teilen die Zeichenfläche in vier Quadranten. Du zählst sie gegen den Uhrzeigersinn, mit dem ersten Quadranten rechts oben, den du schon kennst. Die Quadranten heißen I bis IV.

Der Punkt P(−3∣2)P(-3|2) liegt 3 Einheiten links vom Ursprung und 2 Einheiten darüber. Die Vorzeichen der beiden Koordinaten sagen dir, in welchem Quadranten ein Punkt liegt:

QuadrantLagex-Koordinatey-Koordinate
Irechts obenpositivpositiv
IIlinks obennegativpositiv
IIIlinks untennegativnegativ
IVrechts untenpositivnegativ

Punkte auf den Achsen gehören zu keinem Quadranten. Auf der x-Achse ist die y-Koordinate 0, auf der y-Achse ist die x-Koordinate 0.

Beispiel

Punkte und Quadranten

a) In welchem Quadranten liegen A(3∣2)A(3|2), B(−4∣1)B(-4|1), C(−2∣−3)C(-2|-3), D(5∣−1)D(5|-1)? Was gilt für E(0∣−2)E(0|-2)? b) Ein Rechteck hat die Ecken A(−2∣−1)A(-2|-1), B(4∣−1)B(4|-1) und C(4∣3)C(4|3). Bestimme die vierte Ecke D und die Seitenlängen.

a) Bei A sind beide Koordinaten positiv: Quadrant I. Bei B ist x negativ und y positiv: Quadrant II. Bei C sind beide negativ: Quadrant III. Bei D ist x positiv und y negativ: Quadrant IV. E hat x = 0, liegt also auf der y-Achse, 2 Einheiten unter dem Ursprung. Er gehört zu keinem Quadranten.

b) A und B haben dieselbe y-Koordinate, die Seite AB liegt waagerecht. B und C haben dieselbe x-Koordinate, die Seite BC liegt senkrecht. D liegt senkrecht über A und waagerecht neben C. Also hat D die x-Koordinate von A und die y-Koordinate von C: D(−2∣3)D(-2|3). Die Seite AB ist 2 + 4 = 6 Einheiten lang, denn von −2 bis 0 sind es 2 und von 0 bis 4 sind es 4. Die Seite BC ist 1 + 3 = 4 Einheiten lang.

Definition

Die Zahlbereiche N, Z und Q

Du kennst drei Zahlbereiche. N\mathbb{N} sind die natürlichen Zahlen 0, 1, 2, 3 und so weiter. Z\mathbb{Z} sind die ganzen Zahlen: die natürlichen Zahlen und ihre Gegenzahlen. Q\mathbb{Q} sind die rationalen Zahlen. Jede natürliche Zahl ist ganz, und jede ganze Zahl ist rational. Die Bruchzahlen ohne Minus aus Klasse 5-6, also Q0+\mathbb{Q}^{+}_{0}, sind eine Teilmenge von Q\mathbb{Q}.

Im Mengendiagramm liegen die drei Ovale ineinander. Das Oval von N\mathbb{N} liegt ganz im Oval von Z\mathbb{Z}, und das wiederum ganz im Oval von Q\mathbb{Q}. Eine Zahl, die nur im größten Oval liegt, ist zum Beispiel −34-\frac{3}{4}.

N⊂Z⊂Q\mathbb{N} \subset \mathbb{Z} \subset \mathbb{Q}
Beispiel

Zahlen einem Zahlbereich zuordnen

Zu welchen Zahlbereichen gehören 7, −2, −34-\frac{3}{4}, 0, 1,5 und 82\frac{8}{2}?

ZahlNZQ
7jajaja
−2neinjaja
−34-\frac{3}{4}neinneinja
0jajaja
1,5neinneinja
82\frac{8}{2}jajaja

Die Zahl 1,5 ist rational, denn 1,5=321{,}5 = \frac{3}{2}. Die Zahl 82\frac{8}{2} sieht aus wie ein Bruch, ist aber 8:2=48 : 2 = 4 und damit eine natürliche Zahl.

Häufige Fehler

Beträge statt Zahlen vergleichen

Jemand sagt: „−5 ist größer als −3, denn 5 ist größer als 3.“

Richtig ist

Bei negativen Zahlen ist die mit dem größeren Betrag die kleinere. Auf der Zahlengerade liegt −5 links von −3, also gilt −5<−3-5 < -3. Am Thermometer ist −5 °C kälter als −3 °C.

Häufige Fehler

Minus heißt nicht immer negativ

Jemand sagt: „−a-a ist immer eine negative Zahl.“

Richtig ist

−a-a ist die Gegenzahl von aa. Ob sie negativ ist, hängt von aa ab. Für a=3a = 3 ist −a=−3-a = -3. Für a=−2a = -2 ist −a=2-a = 2, und das ist positiv.

Häufige Fehler

Koordinaten vertauscht

Jemand sagt: „P(−3∣2)P(-3|2) und Q(2∣−3)Q(2|-3) sind derselbe Punkt.“

Richtig ist

Die Reihenfolge ist wichtig: erst x, dann y. P(−3∣2)P(-3|2) liegt 3 Einheiten links und 2 Einheiten oben, im Quadranten II. Q(2∣−3)Q(2|-3) liegt 2 Einheiten rechts und 3 Einheiten unten, im Quadranten IV.

Zusammenfassung

  • Rationale Zahlen sind alle Zahlen, die sich als Bruch mit ganzzahligem Zähler und natürlichem Nenner (größer als 0) schreiben lassen. Dazu gehören negative Brüche und Dezimalzahlen. Sie bilden die Menge Q\mathbb{Q}.

  • Negative Zahlen beschreiben „unter null“, „Schulden“ oder „Tiefe“. Lege zuerst fest, was null ist.

  • Gegenzahlen liegen gleich weit von der 0 entfernt auf verschiedenen Seiten: −(−a)=a-(-a) = a. Sie haben denselben Betrag.

  • Je weiter rechts eine Zahl liegt, desto größer ist sie. Von zwei negativen Zahlen ist die mit dem größeren Betrag kleiner.

  • Im Koordinatensystem mit vier Quadranten verraten die Vorzeichen von x und y den Quadranten. Zuerst steht immer die x-Koordinate.

  • Es gilt N⊂Z⊂Q\mathbb{N} \subset \mathbb{Z} \subset \mathbb{Q}: Im Mengendiagramm liegen die Ovale ineinander.

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

Welche Aussage ist richtig?

Aufgabe 2Numerisch

Wie viele Einheiten liegen auf der Zahlengerade zwischen −3,5 und 2?

Aufgabe 3Multiple Choice

Welche Zahl ist die Gegenzahl von −34-\frac{3}{4}?

Aufgabe 4Numerisch

In welchem Quadranten liegt P(−4∣3)P(-4|3)? Gib die Nummer an (I = 1, II = 2, III = 3, IV = 4).

Aufgabe 5Numerisch

Ein Rechteck ABCD hat die Ecken A(−3∣−2)A(-3|-2), B(2∣−2)B(2|-2) und C(2∣4)C(2|4). Wie lautet die x-Koordinate von D?

Aufgabe 6Freitext

Gib eine Zahl an, die rational, aber nicht ganz ist, und eine Zahl, die ganz, aber nicht natürlich ist. Begründe kurz.