510 Mathematik
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In dieser Arbeit werden die Ergebnisse eines Design-Based Research Projekts zur Didaktik der Gruppentheorie berichtet. Grundlage aller diesbezüglichen Erhebungen bildet das aus der Literatur entwickelte Hildesheimer Lehrkonzept zur Gruppentheorie, welches sowohl die didaktische Perspektive der Neuen Mathematik als auch moderne Forschungserkenntnisse berücksichtigt. Ziel des Lehrkonzepts besteht dabei in der Heranführung Lernender zu einem adäquaten Konzeptverständnis gruppentheoretischer Grundlagen.
Das Hildesheimer Lehrkonzept wurde dazu im Sinne des Design-Based-Research Pardigmas in unterschiedlichen
Forschungszyklen evaluiert und überarbeitet – zunächst auf Grundlage einer formativen Evaluation mittels Akzeptanzbefragung und anschließend im Rahmen einer summativen Evaluation mit
N = 143 Lehramtsstudierenden im ersten Semester. Für die summative Evaluation im Prätest-Posttest-Design wurde mit dem CI2GT ein neu entwickeltes Testinstrument zur Erhebung des Konstrukts Konzeptverständnis Gruppentheorie eingesetzt, das im Rahmen dieser Arbeit auch einer ausführlichen psychometrischen
Charakterisierung unterzogen wurde, sowohl mithilfe klassischer als auch probabilistischer Testtheorie.
Das Mixed Methods Design, also die Synthese qualitativer und quantitativer Studien, sowie die Untersuchung kognitiver und affektiver Lernermerkmale, erlauben einen vielseitigen Blick auf didaktische Aspekte der Gruppentheorie, der gleichzeitig auch das Herzstück dieser Arbeit bildet. Die Ergebnisse zeichnen folgendes Bild: Lernende erleben Gruppentheorie als eine äußerst relevante Teildisziplin der Mathematik. Lernschwierigkeiten zeigen sich dabei vor allem in sprachlich bedingten Präkonzepten und dem axiomatischen Fundament. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick in verwandte Themenbereiche, in denen sprachlich bedingte Präkonzepte ebenfalls beobachtet werden.
Ausgangspunkt ist eine markante Erhöhung der Anzahl Lektionen Mathematik und Deutsch in den Stundentafeln 2015 und 2017 in den Primarschulen (Grundschulen) des Kantons Nidwalden. Um die unmittelbaren Auswirkungen dieser quantitativen Steigerung auf die Fachleistungen zu erkennen, wurden Leistungstest eingesetzt. Es wird den Fragen nachgegangen, wie und in welchem Mass Leistungen durch die Stundentafelerhöhung, durch den Einsatz von Lernstandserhebungen und weiterer Einflussfaktoren zu Stande kommen.
Grundlage des Datenmaterials bildeten Lernstandserhebungen der Jahre 2015, 2016 und 2017 an den Primarschulen des Kantons Nidwalden (Schweiz). Im ersten Testjahr (2015) wurden keine mathematischen und sprachlichen Mehrlektionen erteilt. Diese kamen in den Folgejahren zuerst auf der Mittelstufe II (2016) und dann ein Jahr später auch auf der Mittelstufe I und der Unterstufe hinzu. An der Gesamtstudie nahmen über 3200 Lernende der zweiten, vierten und sechsten Klassen teil.
Das wissenschaftliche Material aus den Leistungstests besteht aus dichotomen Grunddaten, welche durch ein Einparameter-Modell (1 PL, Rasch-Modell) in Abhängigkeit eines Itemschwierigkeitsparameters verarbeitet wurden. Zur weiteren Auswertung der Leistungsmessdaten wurden sowohl einfache Varianzanalysen mittels t-Test wie auch Mehrebenenregressionanalysen durchgeführt. Für die Modellschätzungen der Stundentafelerhöhung in Bezug zur Leistung wurde auf Grund des komplexen Modellcharakters «nur» die Mehrebenenregression berücksichtigt. Die Daten der Vertiefung Mathematik konnten mittels Interdependenzanalyse untersucht werden.
Es bestätigte sich ein Trend, dass mehr Unterrichtszeit an der Primarschule auch zu besseren Leistungen führt. Weiter konnte geklärt werden, dass für Mathematik ein Modell aus den Parametern «Geschlecht», «Migration» und «Mehrstunden» signifikant erscheint. Der Parameter «Mehrstunden» beeinflusst sowohl die mathematische wie auch die sprachliche Leistung mit je rund 2 Prozent. Bei einem geschätzten Term in Mathematik von 510.78 Punkten werden 10.86 Punkte (p<.005) durch Mehrlektionen erklärt.
Für den Testbereich Deutsch musste das Modell mit der Stufenzugehörigkeit ergänzt werden. So werden bei einem geschätzten Term in Deutsch von 498.02 Punkten rund 8.29 Punkte (p<.014) durch Mehrlektionen begründet. Die ergänzte Stufen-Verfeinerung zeigt modellhaft auf, dass eine Mehrlektion in der Unterstufe (Test 2. Klasse) einen Mehrwert von rund 36.28 Punkten (p<.000) ergeben. Dies führt zur Erkenntnis, dass Mehrstunden im Fach Deutsch vor allem in unteren Klassen mit grösseren Leistungen einhergehen. Der erhöhte Zeitfaktor ist ein wichtiger Hebel zu besseren Leistungen im Allgemeinen.
Der erahnte Leistungsvorsprung der Knaben in Mathematik und der Mädchen in Deutsch konnte trotz Mehrstunden nicht verringert werden. Wohl profitierten beide Gruppen von Mehrstunden, doch zeigte sich keine Differenzverringerung.
Number theory is one of the oldest mathematical areas. This is perhaps one of the reasons why there are many connections between number theory and other areas inside mathematics. This thesis is devoted to some of those connections. In the first part of this thesis I describe known connections between number theory and twelve other areas, namely analysis, sequences, applied mathematics (i.e., probability theory and numerical mathematics), topology, graph theory, linear algebra, geometry, algebra, differential geometry, complex analysis, physics and computer science, and algebraic geometry. We will see that the concepts will not only connect number theory with these areas but also yield connections among themselves. In the second part I present some new results in four topics connecting number theory with computer science, graph theory, algebra, and linear algebra and analysis, respectively. [...] In the next topic I determine the neighbourhood of the neighourhood of vertices in some special graphs. This problem can be formulated with generators of subgroups in abelian groups and is a direct generalization of a corresponding result for cyclic groups. In the third chapter I determine the number of solutions of some linear equations over factor rings of principal ideal domains R. In the case R = Z this can be used to bound sums appearing in the circle method. Lastly I investigate the puzzle “Lights Out” as well as variants of it. Of special interest is the question of complete solvability, i.e., those cases in which all starting boards are solvable. I will use various number theoretical tools to give a criterion for complete solvability depending on the board size modulo 30 and show how this puzzle relates to algebraic number theory.
Basierend auf den Arbeiten von W. SO sowie W. KLOTZ und T. SANDER setzen wir das Studium der spektralen Eigenschaften von verallgemeinerten unitären Cayley-Graphen, die ggT-Graphen oder auch ganzzahlige zirkuläre Graphen genannt werden, fort. In diesem Zusammenhang werden wir viele noch offene Fragen beantworten. Das Hauptwerkzeug für unsere Arbeit ist die Feststellung, dass die Eigenwerte eines ggT-Graphen Arithmetische Faltungen vom Narkiewicz-Typ entsprechen. Durch die Benutzung unseres Konzeptes von multiplikativen Teilermengen erhalten wir sowohl einige wichtige spektrale Eigenschaften (z.B. Extremalenergien) von ggT-Graphen als auch weitere interessante Anwendungen, wie beispielsweise Verschwindende Summen von Potenzen von primitiven Einheitswurzeln, hyperenergetische und Ramanujan-ggT-Graphen.