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Themenbuch

Invarianten

Was sich trotz aller Züge nicht ändert – vom Steinspiel zur Olympiade

VeröffentlichtVersion 1.1.0ca. 416 Seiten

Ein freundlicher Weg von einfachen erhaltenen Summen zu modularen, gewichteten und olympiadetauglichen Unmöglichkeitsbeweisen.

GrundlagenAufbauFortgeschrittenOlympiade

Was du lernst

  • Zustandsänderungen klar modellieren.
  • Invarianten systematisch finden und prüfen.
  • Unerreichbarkeit logisch korrekt begründen.

Rahmen

Lernzeit
31 Std. 50 Min.
Voraussetzungen
Ganze Zahlen · Parität und Teilbarkeit · Einfache Beweise · Lust, kurze Begründungen zu schreiben

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Finde Kapitel, Lernziele und Methoden.

Inhaltsverzeichnis

Lernkarte

  1. 1
  2. 2
    Parität, Restklassen und lineare Invarianten

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  3. 3
    Gesamtsummen und signierte Bilanzen

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  4. 4
    Gewichte, Potenziale und Zugvektoren

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  5. 5
    Zweifärbungen, Farbbilanzen und Brettzüge

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  6. 6
    Mehrfärbungen, Teilsignaturen und Entwurf

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  7. 7
    Zustandsgraphen, Rückwärtsdenken und Klassen

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  8. 8
    Zuggitter, Normalformen und Hinreichendheit

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  9. 9
    Gewinnstellungen, Zielreste und Antworten

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  10. 10
    Strategie-Invarianten, Paarung und Spiegelung

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  11. 11
    Gradparität, Schnitte und bipartite Wege

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  12. 12
    Abstände, Orientierung und Fläche

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  13. 13
    Schubfach, Zustandskompression und Konstruktion

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  14. 14
    Monovarianten, Extremalwahl und Beweiswerkstatt

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  15. 15
    Strategiewahl, Kandidaten und Beweiswerkstatt

    baut auf den vorherigen Ideen auf

  16. 16
    Invarianten-Olympiade-Generalprobe

    baut auf den vorherigen Ideen auf

Zentrale Methoden

Zustand und Zug vollständig modellieren

Notiere alle relevanten Zustandsdaten und jeden erlaubten Zug – klar und vollständig.

Warum funktioniert sie?

Notiere alle relevanten Zustandsdaten und jeden erlaubten Zug – klar und vollständig.

Erkennungssignale

  • Ein Spiel, Umschaltprozess oder Verteilungsproblem verändert sich schrittweise.
  • Umgangssprache verdeckt mehrere Zugtypen.

Vorgehen

  1. 1. Zustand definieren: Notiere Zahlen, Farben, Positionen oder Belegungen, die den Zustand bestimmen.
  2. 2. Züge formalisieren: Schreibe jeden Zug als Änderung dieser Daten.
  3. 3. Ziel übersetzen: Formuliere den Zielzustand im selben Modell.
  4. 4. Kandidaten ableiten: Suche Größen, auf die alle Zugänderungen ähnlich wirken.

Geeignet

  • ein Zustand sich durch erlaubte Züge ändert und du Erreichbarkeit klären willst

Reicht nicht

  • der Kandidat unter mindestens einem erlaubten Zug seinen Wert ändert
Einen Invariantenkandidaten auditieren

Berechne für jeden erlaubten Zug die Änderung deiner Größe – nur bei Änderung null ist sie eine Invariante.

Warum funktioniert sie?

Berechne für jeden erlaubten Zug die Änderung deiner Größe – nur bei Änderung null ist sie eine Invariante.

Erkennungssignale

  • Eine Summe, Parität, Differenz oder Färbungsbilanz scheint unverändert.
  • Mehrere Zugvarianten müssen kontrolliert werden.

Vorgehen

  1. 1. Kandidat definieren: Gib eine eindeutige Funktion II des Zustands an.
  2. 2. Zugänderung berechnen: Bestimme I(nachher)I(vorher)I(\text{nachher})-I(\text{vorher}).
  3. 3. Alle Fälle prüfen: Wiederhole dies für jeden erlaubten Zugtyp.
  4. 4. Urteil formulieren: Nur Änderung null bei jedem Zug zeigt Invarianz.

Geeignet

  • ein Zustand sich durch erlaubte Züge ändert und du Erreichbarkeit klären willst

Reicht nicht

  • der Kandidat unter mindestens einem erlaubten Zug seinen Wert ändert
Start und Ziel über die Invariante vergleichen

Unterschiedliche Invariantenwerte von Start und Ziel zeigen: Es gibt keinen erlaubten Zugweg dazwischen.

Warum funktioniert sie?

Unterschiedliche Invariantenwerte von Start und Ziel zeigen: Es gibt keinen erlaubten Zugweg dazwischen.

Erkennungssignale

  • Ein Zielzustand soll als unmöglich bewiesen werden.
  • Eine geprüfte Invariante ist bekannt.

Vorgehen

  1. 1. Startwert berechnen: Bestimme I(S0)I(S_0).
  2. 2. Zielwert berechnen: Bestimme I(T)I(T).
  3. 3. Werte vergleichen: Bei Verschiedenheit liegen Start und Ziel in getrennten Zustandsklassen.
  4. 4. Reichweite korrekt schließen: Ungleichheit zeigt Unmöglichkeit; Gleichheit allein zeigt noch keine Erreichbarkeit.

Geeignet

  • ein Zustand sich durch erlaubte Züge ändert und du Erreichbarkeit klären willst

Reicht nicht

  • der Kandidat unter mindestens einem erlaubten Zug seinen Wert ändert
Parität als Invariante verwenden

Änderungen um gerade Zahlen bewahren die Parität – oft die einfachste Invariante.

Warum funktioniert sie?

Änderungen um gerade Zahlen bewahren die Parität – oft die einfachste Invariante.

Erkennungssignale

  • Jeder Zug verändert eine relevante Größe um 00 oder ±2\pm2.
  • Start und Ziel unterscheiden sich durch gerade/ungerade.

Vorgehen

  1. 1. Zählgröße wählen: Betrachte etwa Kopfanzahl, Summe oder Felderzahl.
  2. 2. Änderungsparität prüfen: Zeige, dass jeder Zug die Größe um eine gerade Zahl ändert.
  3. 3. Startparität bestimmen: Reduziere den Anfangswert modulo 2.
  4. 4. Zielparität vergleichen: Eine andere Parität ist unerreichbar.

Geeignet

  • ein Zustand sich durch erlaubte Züge ändert und du Erreichbarkeit klären willst

Reicht nicht

  • der Kandidat unter mindestens einem erlaubten Zug seinen Wert ändert
Änderungen modulo $m$ kontrollieren

Sind alle Zugänderungen durch mm teilbar, bleibt der Rest modulo mm invariant.

Warum funktioniert sie?

Sind alle Zugänderungen durch mm teilbar, bleibt der Rest modulo mm invariant.

Erkennungssignale

  • Züge verändern eine Zahl um feste Vielfache.
  • Parität ist zu grob, ein größerer Modul trennt Start und Ziel.

Vorgehen

  1. 1. Änderungen sammeln: Notiere alle möglichen ganzzahligen Änderungen.
  2. 2. Modul wählen: Nutze einen gemeinsamen Teiler der Änderungen.
  3. 3. Restinvarianz zeigen: Jede Änderung ist 0 modulo mm.
  4. 4. Reste vergleichen: Verschiedene Start- und Zielreste schließen Erreichbarkeit aus.

Geeignet

  • ein Zustand sich durch erlaubte Züge ändert und du Erreichbarkeit klären willst

Reicht nicht

  • der Kandidat unter mindestens einem erlaubten Zug seinen Wert ändert
Eine gewichtete lineare Invariante finden

Gewichte die Koordinaten so, dass sich die gewichteten Zugänderungen gegenseitig aufheben.

Warum funktioniert sie?

Gewichte die Koordinaten so, dass sich die gewichteten Zugänderungen gegenseitig aufheben.

Erkennungssignale

  • Ein Zug erhöht eine Koordinate und senkt eine andere.
  • Die gewöhnliche Summe bleibt nicht erhalten.

Vorgehen

  1. 1. Gewichte ansetzen: Teste I=w1x1++wkxkI=w_1x_1+\cdots+w_kx_k.
  2. 2. Zugvektor einsetzen: Die Änderung ist das Skalarprodukt von Gewicht und Zugvektor.
  3. 3. Gewichte lösen: Wähle sie so, dass jedes Skalarprodukt null ist.
  4. 4. Start und Ziel prüfen: Vergleiche die gewichteten Werte.

Geeignet

  • ein Zustand sich durch erlaubte Züge ändert und du Erreichbarkeit klären willst

Reicht nicht

  • der Kandidat unter mindestens einem erlaubten Zug seinen Wert ändert
Den ggT der Zugänderungen nutzen

Alle erreichbaren Werte liegen in derselben Restklasse modulo dem ggT aller erlaubten Änderungen.

Warum funktioniert sie?

Alle erreichbaren Werte liegen in derselben Restklasse modulo dem ggT aller erlaubten Änderungen.

Erkennungssignale

  • Mehrere Schrittweiten wie +6+6 und 9-9 sind erlaubt.
  • Der stärkste gemeinsame Restmodul wird gesucht.

Vorgehen

  1. 1. Schrittweiten notieren: Sammle ihre Beträge.
  2. 2. ggT berechnen: Setze d=gcd(Δ1,,Δr)d=\gcd(\Delta_1,\ldots,\Delta_r).
  3. 3. Invarianz folgern: Jede Zugfolge ändert die Größe um ein Vielfaches von dd.
  4. 4. Notwendigkeit betonen: Gleicher Rest ist zunächst nur eine notwendige Bedingung.

Geeignet

  • ein Zustand sich durch erlaubte Züge ändert und du Erreichbarkeit klären willst

Reicht nicht

  • der Kandidat unter mindestens einem erlaubten Zug seinen Wert ändert
Eine erhaltene Gesamtsumme erkennen

Wenn jeder Zug genau so viel hinzufügt wie entfernt, bleibt die Gesamtsumme erhalten.

Warum funktioniert sie?

Wenn jeder Zug genau so viel hinzufügt wie entfernt, bleibt die Gesamtsumme erhalten.

Erkennungssignale

  • Objekte werden nur umverteilt.
  • Die Koordinatenänderungen eines Zuges haben Summe null.

Vorgehen

  1. 1. Gesamtgröße definieren: Setze S=x1++xnS=x_1+\cdots+x_n.
  2. 2. Einen Zug bilanzieren: Addiere alle Koordinatenänderungen.
  3. 3. Alle Zugtypen prüfen: Zeige für jede Variante ΔS=0\Delta S=0.
  4. 4. Konsequenz ziehen: Vergleiche die Gesamtsummen von Start und Ziel.

Geeignet

  • mehrere Größen sich gleichzeitig ändern und ihre Änderungen sich ausgleichen können

Reicht nicht

  • deine Summe oder Gewichtung bei mindestens einem erlaubten Zug ihren Wert ändert
Eine signierte Summe bilden

Plus- und Minuszeichen fangen Änderungen ein, die eine gewöhnliche Summe nicht sieht.

Warum funktioniert sie?

Plus- und Minuszeichen fangen Änderungen ein, die eine gewöhnliche Summe nicht sieht.

Erkennungssignale

  • Positionen zerfallen natürlich in zwei Gruppen.
  • Ein Zug verändert beide Gruppen auf dieselbe Weise.

Vorgehen

  1. 1. Zwei Klassen markieren: Ordne jeder Position ein Vorzeichen +1+1 oder 1-1 zu.
  2. 2. Bilanz definieren: Bilde Summe der Plusklasse minus Summe der Minusklasse.
  3. 3. Zugänderung berechnen: Kontrolliere die Beiträge mit ihren Vorzeichen.
  4. 4. Klassen vergleichen: Trenne Start und Ziel mithilfe der signierten Bilanz.

Geeignet

  • mehrere Größen sich gleichzeitig ändern und ihre Änderungen sich ausgleichen können

Reicht nicht

  • deine Summe oder Gewichtung bei mindestens einem erlaubten Zug ihren Wert ändert
Mehrere Erhaltungsgrößen kombinieren

Zwei unabhängige Invarianten trennen Zielzustände stärker als eine einzelne.

Warum funktioniert sie?

Zwei unabhängige Invarianten trennen Zielzustände stärker als eine einzelne.

Erkennungssignale

  • Eine Invariante lässt noch zu viele Ziele offen.
  • Der Zustand besitzt getrennte Zeilen-, Spalten- oder Gruppenbilanzen.

Vorgehen

  1. 1. Erste Bilanz sichern: Zeige eine einfache Summen- oder Restinvariante.
  2. 2. Unabhängige Bilanz suchen: Wähle eine zweite Gewichtung, die andere Zustände trennt.
  3. 3. Beide Werte berechnen: Ordne jedem Zustand das Paar (I1,I2)(I_1,I_2) zu.
  4. 4. Gemeinsam folgern: Schon eine abweichende Komponente schließt das Ziel aus.

Geeignet

  • mehrere Größen sich gleichzeitig ändern und ihre Änderungen sich ausgleichen können

Reicht nicht

  • deine Summe oder Gewichtung bei mindestens einem erlaubten Zug ihren Wert ändert
Gewichte aus Zuggleichungen bestimmen

Wähle die Gewichte so, dass ihr Skalarprodukt mit jedem Zugvektor null ist.

Warum funktioniert sie?

Wähle die Gewichte so, dass ihr Skalarprodukt mit jedem Zugvektor null ist.

Erkennungssignale

  • Mehrere Zugtypen wirken auf mehrere Koordinaten.
  • Eine gewichtete Summe soll nicht nur geraten, sondern hergeleitet werden.

Vorgehen

  1. 1. Gewichte ansetzen: Schreibe I=w1x1++wnxnI=w_1x_1+\cdots+w_nx_n.
  2. 2. Züge einsetzen: Jeder Zugvektor vv liefert die Gleichung wv=0w\cdot v=0.
  3. 3. Gleichungssystem lösen: Bestimme eine nichttriviale Gewichtslösung.
  4. 4. Invarianz auditieren: Setze die gefundenen Gewichte in jeden Zugtyp ein.

Geeignet

  • mehrere Größen sich gleichzeitig ändern und ihre Änderungen sich ausgleichen können

Reicht nicht

  • deine Summe oder Gewichtung bei mindestens einem erlaubten Zug ihren Wert ändert
Positionsgewichte als Potenzial wählen

Gewichte sagen, wie wertvoll ein Objekt an jeder Position ist; ein legaler Zug muss dieselbe gewichtete Gesamtmenge bewahren.

Warum funktioniert sie?

Gewichte sagen, wie wertvoll ein Objekt an jeder Position ist; ein legaler Zug muss dieselbe gewichtete Gesamtmenge bewahren.

Erkennungssignale

  • Objekte wandern zwischen benachbarten oder hierarchischen Positionen.
  • Verdopplungs- oder Halbierungsregeln legen geometrische Gewichte nahe.

Vorgehen

  1. 1. Lokale Zugregel lesen: Vergleiche, was an der Start- und Zielposition eines Zuges verloren oder gewonnen wird.
  2. 2. Gewichtsrelation aufstellen: Fordere, dass beide Seiten denselben gewichteten Wert besitzen.
  3. 3. Gewichte fortsetzen: Übertrage die Relation konsistent auf alle Positionen.
  4. 4. Gesamtpotenzial vergleichen: Berechne Start- und Zielwert der gewichteten Summe.

Geeignet

  • mehrere Größen sich gleichzeitig ändern und ihre Änderungen sich ausgleichen können

Reicht nicht

  • deine Summe oder Gewichtung bei mindestens einem erlaubten Zug ihren Wert ändert
Den Raum aller linearen Invarianten beschreiben

Lineare Invarianten sind genau die Gewichtsvektoren, die zu allen Zugvektoren orthogonal sind.

Warum funktioniert sie?

Lineare Invarianten sind genau die Gewichtsvektoren, die zu allen Zugvektoren orthogonal sind.

Erkennungssignale

  • Alle linearen Invarianten eines Systems werden gesucht.
  • Mehrere unabhängige Gewichte sollen vollständig bestimmt werden.

Vorgehen

  1. 1. Zugvektoren sammeln: Schreibe jede erlaubte Änderung als Vektor.
  2. 2. Orthogonalitätsgleichungen bilden: Fordere für das Gewicht ww stets wv=0w\cdot v=0.
  3. 3. Lösungsraum parametrisieren: Bestimme eine Basis aller möglichen Gewichte.
  4. 4. Basisinvarianten nutzen: Vergleiche Start und Ziel in jeder unabhängigen Invariante.

Geeignet

  • mehrere Größen sich gleichzeitig ändern und ihre Änderungen sich ausgleichen können

Reicht nicht

  • deine Summe oder Gewichtung bei mindestens einem erlaubten Zug ihren Wert ändert
Eine Schachbrettbilanz verwenden

Färbe nach der Parität von Zeile plus Spalte: benachbarte Felder werden verschieden, Dominos farblich kontrollierbar.

Warum funktioniert sie?

Färbe nach der Parität von Zeile plus Spalte: benachbarte Felder werden verschieden, Dominos farblich kontrollierbar.

Erkennungssignale

  • Benachbarte Gitterfelder werden gemeinsam bedeckt oder verändert.
  • Ein Domino- oder Wegproblem besitzt eine natürliche Zweiteilung.

Vorgehen

  1. 1. Felder färben: Färbe (i,j)(i,j) nach der Parität von i+ji+j.
  2. 2. Lokalen Effekt prüfen: Bestimme die Farben jedes erlaubten Teils oder Schritts.
  3. 3. Globale Bilanz zählen: Vergleiche die Anzahlen beider Farben im Gebiet.
  4. 4. Widerspruch formulieren: Eine falsche Farbbilanz schließt die Konstruktion aus.

Geeignet

  • du Positionen, Felder oder Teilstücke durch ihre Lage in Klassen zerlegen kannst

Reicht nicht

  • die gewählte Färbung den Effekt der erlaubten Teile oder Züge nicht vereinheitlicht
Den Farbeffekt eines Zuges verfolgen

Statt die genaue Position zu verfolgen, kontrollierst du nur, ob jeder Zug die Farbklasse bewahrt oder wechselt.

Warum funktioniert sie?

Statt die genaue Position zu verfolgen, kontrollierst du nur, ob jeder Zug die Farbklasse bewahrt oder wechselt.

Erkennungssignale

  • Eine Figur bewegt sich wiederholt auf einem gefärbten Brett.
  • Die Zugzahl oder die Erreichbarkeit eines Zielfeldes ist gefragt.

Vorgehen

  1. 1. Färbung wählen: Ordne jedem Feld eine kleine Zahl von Farbklassen zu.
  2. 2. Jeden Zug klassifizieren: Prüfe, ob er die Farbe erhält oder nach einer festen Regel ändert.
  3. 3. Zugfolge reduzieren: Leite die Endfarbe aus Startfarbe und Zugzahl ab.
  4. 4. Mit dem Ziel vergleichen: Unvereinbare Farbklassen zeigen Unerreichbarkeit.

Geeignet

  • du Positionen, Felder oder Teilstücke durch ihre Lage in Klassen zerlegen kannst

Reicht nicht

  • die gewählte Färbung den Effekt der erlaubten Teile oder Züge nicht vereinheitlicht
Eine Streifenfärbung entwerfen

Ganze Zeilen oder Spalten erhalten dieselbe Farbe, damit unterschiedliche Orientierungen eines Teils sichtbar werden.

Warum funktioniert sie?

Ganze Zeilen oder Spalten erhalten dieselbe Farbe, damit unterschiedliche Orientierungen eines Teils sichtbar werden.

Erkennungssignale

  • Die Schachbrettfärbung behandelt zwei Orientierungen gleich.
  • Die Parität horizontaler, vertikaler oder grenzüberschreitender Teile wird gesucht.

Vorgehen

  1. 1. Orientierung auswählen: Entscheide, welche Lage eines Teils sichtbar werden soll.
  2. 2. Streifen färben: Färbe Zeilen oder Spalten abwechselnd.
  3. 3. Teiltypen bilanzieren: Zähle ihre Beiträge zu einer Farbklasse modulo 2.
  4. 4. Parität ablesen: Vergleiche mit der bekannten Feldzahl dieser Farbe.

Geeignet

  • du Positionen, Felder oder Teilstücke durch ihre Lage in Klassen zerlegen kannst

Reicht nicht

  • die gewählte Färbung den Effekt der erlaubten Teile oder Züge nicht vereinheitlicht
Einen Farbanzahlvektor vergleichen

Bei mehreren Farben beschreibst du den Zustand durch die Anzahlen (oder gewichteten Anzahlen) aller Farbklassen.

Warum funktioniert sie?

Bei mehreren Farben beschreibst du den Zustand durch die Anzahlen (oder gewichteten Anzahlen) aller Farbklassen.

Erkennungssignale

  • Eine einzelne Farbdifferenz reicht nicht aus.
  • Jedes Teil besitzt eine feste Signatur über mehreren Farben.

Vorgehen

  1. 1. Farbklassen zählen: Bilde C=(c0,c1,,cm1)C=(c_0,c_1,\ldots,c_{m-1}).
  2. 2. Teilsignaturen bestimmen: Notiere den Beitrag jedes erlaubten Teils.
  3. 3. Notwendige Gleichung bilden: Die Summe aller Teilsignaturen muss den Gebietsvektor ergeben.
  4. 4. Komponente oder Rest trennen: Eine verletzte Komponente beweist Unmöglichkeit.

Geeignet

  • du Positionen, Felder oder Teilstücke durch ihre Lage in Klassen zerlegen kannst

Reicht nicht

  • die gewählte Färbung den Effekt der erlaubten Teile oder Züge nicht vereinheitlicht
Eine periodische Mehrfärbung nutzen

Koordinatenreste modulo mm erzeugen eine periodische Färbung, die längere Teile und größere Sprünge sichtbar macht.

Warum funktioniert sie?

Koordinatenreste modulo mm erzeugen eine periodische Färbung, die längere Teile und größere Sprünge sichtbar macht.

Erkennungssignale

  • Teile haben Länge 33, 44 oder allgemein mm.
  • Ein Zweifarbmuster ist zu grob.

Vorgehen

  1. 1. Periode wählen: Orientiere mm an Teilgröße oder Zugweite.
  2. 2. Farbe definieren: Nutze etwa i+j(modm)i+j\pmod m oder getrennte Koordinatenreste.
  3. 3. Lokale Signatur prüfen: Bestimme die Farben jedes erlaubten Teils oder Zuges.
  4. 4. Globale Bilanz vergleichen: Nutze Farbanzahlen oder Farbreste als Hindernis.

Geeignet

  • du Positionen, Felder oder Teilstücke durch ihre Lage in Klassen zerlegen kannst

Reicht nicht

  • die gewählte Färbung den Effekt der erlaubten Teile oder Züge nicht vereinheitlicht
Teilsignaturen gegen die Gebietssignatur prüfen

Eine Überdeckung ist nur möglich, wenn die Summe der Teilsignaturen genau zur Signatur des Gebiets passt.

Warum funktioniert sie?

Eine Überdeckung ist nur möglich, wenn die Summe der Teilsignaturen genau zur Signatur des Gebiets passt.

Erkennungssignale

  • Ein Gebiet soll mit identischen oder wenigen erlaubten Teiltypen überdeckt werden.
  • Flächeninhalt allein lässt die Überdeckung offen.

Vorgehen

  1. 1. Gebietssignatur berechnen: Zähle die Felder jeder Farbe im zu bedeckenden Gebiet.
  2. 2. Jeden Teiltyp auswerten: Bestimme seine möglichen Farbanzahlvektoren.
  3. 3. Summenbedingung aufstellen: Addierte Teilsignaturen müssen die Gebietssignatur liefern.
  4. 4. Unmöglichkeit isolieren: Zeige, welche Komponente oder Kongruenz nicht stimmen kann.

Geeignet

  • du Positionen, Felder oder Teilstücke durch ihre Lage in Klassen zerlegen kannst

Reicht nicht

  • die gewählte Färbung den Effekt der erlaubten Teile oder Züge nicht vereinheitlicht
Eine Färbung rückwärts entwerfen

Die gewünschte Aussage bestimmt, welche Teile oder Züge gleich und welche unterschiedlich bewertet werden.

Warum funktioniert sie?

Die gewünschte Aussage bestimmt, welche Teile oder Züge gleich und welche unterschiedlich bewertet werden.

Erkennungssignale

  • Standardfärbungen liefern keinen Widerspruch.
  • Eine bestimmte Orientierung, Lage oder Teilform muss getrennt werden.

Vorgehen

  1. 1. Zielgröße festlegen: Formuliere genau, welche Teile oder Züge kontrolliert werden sollen.
  2. 2. Lokale Bedingungen fordern: Lege fest, welche Farb- oder Gewichtssumme jeder Teil haben soll.
  3. 3. Muster konstruieren: Teste Streifen, Diagonalen oder Koordinatenreste.
  4. 4. Vollständig auditieren: Prüfe alle Lagen und Randfälle des Teils.

Geeignet

  • du Positionen, Felder oder Teilstücke durch ihre Lage in Klassen zerlegen kannst

Reicht nicht

  • die gewählte Färbung den Effekt der erlaubten Teile oder Züge nicht vereinheitlicht
Den Zustandsgraphen aufbauen

Zustände werden Knoten, erlaubte Züge Kanten; Erreichbarkeit heißt: Es gibt einen gerichteten Weg.

Warum funktioniert sie?

Zustände werden Knoten, erlaubte Züge Kanten; Erreichbarkeit heißt: Es gibt einen gerichteten Weg.

Erkennungssignale

  • Der Zustandsraum ist endlich oder überschaubar.
  • Richtung, Sackgassen oder Zusammenhang spielen eine Rolle.

Vorgehen

  1. 1. Zustände festlegen: Liste nur die für künftige Züge relevanten Daten.
  2. 2. Kanten eintragen: Verbinde Zustände genau durch die erlaubten Züge.
  3. 3. Richtung beachten: Markiere, ob ein Zug umkehrbar ist.
  4. 4. Komponenten lesen: Suche Wege, Zusammenhangsklassen oder gerichtete Erreichbarkeitsmengen.

Geeignet

  • nicht nur Unerreichbarkeit, sondern die Struktur aller erreichbaren Zustände untersucht wird

Reicht nicht

  • Nebenbedingungen wie Nichtnegativität oder gerichtete Züge in der Modellierung ignoriert werden
Vom Ziel rückwärts analysieren

Vorgänger des Ziels zeigen, welche Bedingungen kurz vor dem Ziel erfüllt sein müssen.

Warum funktioniert sie?

Vorgänger des Ziels zeigen, welche Bedingungen kurz vor dem Ziel erfüllt sein müssen.

Erkennungssignale

  • Das Ziel hat eine starre oder seltene Form.
  • Vorwärts verzweigt der Prozess stark, rückwärts aber nur wenig.

Vorgehen

  1. 1. Letzten Zug bestimmen: Liste alle Züge auf, die das Ziel erzeugen könnten.
  2. 2. Vorgänger berechnen: Rekonstruiere die möglichen Zustände davor.
  3. 3. Rückwärts fortsetzen: Wiederhole dies kontrolliert oder finde ein Muster.
  4. 4. Richtung übersetzen: Verwende nur tatsächlich zulässige Vorwärtszüge im Schluss.

Geeignet

  • nicht nur Unerreichbarkeit, sondern die Struktur aller erreichbaren Zustände untersucht wird

Reicht nicht

  • Nebenbedingungen wie Nichtnegativität oder gerichtete Züge in der Modellierung ignoriert werden
Eine Invariantenfaser untersuchen

Alle Zustände mit demselben Invariantenwert bilden eine Faser; erst eine Konstruktion zeigt, ob sie eine einzige Erreichbarkeitsklasse ist.

Warum funktioniert sie?

Alle Zustände mit demselben Invariantenwert bilden eine Faser; erst eine Konstruktion zeigt, ob sie eine einzige Erreichbarkeitsklasse ist.

Erkennungssignale

  • Start und Ziel besitzen bereits denselben Invariantenwert.
  • Die Stärke oder Vollständigkeit einer Invariante soll beurteilt werden.

Vorgehen

  1. 1. Faser definieren: Fixiere den Invariantenwert des Starts.
  2. 2. Zusatzhindernisse suchen: Prüfe Reste, Randbedingungen und Zugrichtung.
  3. 3. Verbindungen konstruieren: Versuche jeden Zustand der Faser auf eine Normalform zu bringen.
  4. 4. Vollständigkeit entscheiden: Zeige Zusammenhang oder zerlege die Faser weiter.

Geeignet

  • nicht nur Unerreichbarkeit, sondern die Struktur aller erreichbaren Zustände untersucht wird

Reicht nicht

  • Nebenbedingungen wie Nichtnegativität oder gerichtete Züge in der Modellierung ignoriert werden
Das von Zügen erzeugte Gitter bestimmen

Bei umkehrbaren ganzzahligen Zügen ist eine Differenz erreichbar, wenn sie eine ganzzahlige Linearkombination der Zugvektoren ist.

Warum funktioniert sie?

Bei umkehrbaren ganzzahligen Zügen ist eine Differenz erreichbar, wenn sie eine ganzzahlige Linearkombination der Zugvektoren ist.

Erkennungssignale

  • Zustände liegen in Zn\mathbb Z^n und Züge sind translationsinvariant.
  • Jeder Zug darf in beide Richtungen ausgeführt werden.

Vorgehen

  1. 1. Differenz bilden: Setze d=TSd=T-S.
  2. 2. Zugvektoren notieren: Sammle v1,,vrv_1,\ldots,v_r einschließlich ihrer Umkehrbarkeit.
  3. 3. Ganzzahlige Koeffizienten lösen: Suche d=a1v1++arvrd=a_1v_1+\cdots+a_rv_r mit aiZa_i\in\mathbb Z.
  4. 4. Zugfolge realisieren: Positive und negative Koeffizienten geben die Zugrichtungen an.

Geeignet

  • nicht nur Unerreichbarkeit, sondern die Struktur aller erreichbaren Zustände untersucht wird

Reicht nicht

  • Nebenbedingungen wie Nichtnegativität oder gerichtete Züge in der Modellierung ignoriert werden
Hinreichendheit konstruktiv zeigen

Nach der notwendigen Bedingung gibst du einen Algorithmus an, der jeden zulässigen Zustand tatsächlich erreicht.

Warum funktioniert sie?

Nach der notwendigen Bedingung gibst du einen Algorithmus an, der jeden zulässigen Zustand tatsächlich erreicht.

Erkennungssignale

  • Eine vollständige Charakterisierung wird verlangt.
  • Die Invariantenbedingung scheint auch auszureichen.

Vorgehen

  1. 1. Notwendigkeit zeigen: Leite die Bedingung aus der Invariante ab.
  2. 2. Zielparameter lesen: Berechne, wie oft Grundzüge benötigt werden.
  3. 3. Zugfolge angeben: Konstruiere sie oder beschreibe einen terminierenden Algorithmus.
  4. 4. Nebenbedingungen prüfen: Zeige, dass alle Zwischenzustände legal bleiben.

Geeignet

  • nicht nur Unerreichbarkeit, sondern die Struktur aller erreichbaren Zustände untersucht wird

Reicht nicht

  • Nebenbedingungen wie Nichtnegativität oder gerichtete Züge in der Modellierung ignoriert werden
Auf eine Normalform reduzieren

Erlaubte Züge vereinfachen jeden Zustand schrittweise; gleiche Normalformen gehören zur selben Erreichbarkeitsklasse.

Warum funktioniert sie?

Erlaubte Züge vereinfachen jeden Zustand schrittweise; gleiche Normalformen gehören zur selben Erreichbarkeitsklasse.

Erkennungssignale

  • Zustände lassen sich durch lokale Züge geordnet vereinfachen.
  • Eine kanonische Restform oder ein kleiner Vertreter jeder Klasse ist sichtbar.

Vorgehen

  1. 1. Normalform wählen: Bestimme einen einfachen Vertreter jeder vermuteten Klasse.
  2. 2. Reduktionszug angeben: Verringere eine klar definierte Komplexität.
  3. 3. Terminierung zeigen: Zeige, dass der Prozess nach endlich vielen Schritten stoppt.
  4. 4. Eindeutigkeit sichern: Verknüpfe die Normalform mit den Invariantenwerten.

Geeignet

  • nicht nur Unerreichbarkeit, sondern die Struktur aller erreichbaren Zustände untersucht wird

Reicht nicht

  • Nebenbedingungen wie Nichtnegativität oder gerichtete Züge in der Modellierung ignoriert werden
Erreichbarkeitsklassen vollständig klassifizieren

Notwendige Invarianten und hinreichende Konstruktionen verbindest du zu einer Genau-dann-wenn-Aussage.

Warum funktioniert sie?

Notwendige Invarianten und hinreichende Konstruktionen verbindest du zu einer Genau-dann-wenn-Aussage.

Erkennungssignale

  • Alle Zusammenhangskomponenten oder erreichbaren Zustände sollen beschrieben werden.
  • Mehrere Invarianten und eine Reduktion liegen bereits vor.

Vorgehen

  1. 1. Klassenkandidaten angeben: Ordne Zustände nach allen bekannten Invarianten.
  2. 2. Trennung zeigen: Verschiedene Werte können nicht verbunden sein.
  3. 3. Zusammenhang zeigen: Verbinde gleiche Werte durch Konstruktion oder gemeinsame Normalform.
  4. 4. Genau-dann-wenn formulieren: Nenne Voraussetzungen und beide Beweisrichtungen explizit.

Geeignet

  • nicht nur Unerreichbarkeit, sondern die Struktur aller erreichbaren Zustände untersucht wird

Reicht nicht

  • Nebenbedingungen wie Nichtnegativität oder gerichtete Züge in der Modellierung ignoriert werden
Gewinn- und Verluststellungen rekursiv markieren

Eine Stellung ist gewonnen, wenn ein Zug in eine Verluststellung führt; verloren, wenn jeder Zug in eine Gewinnstellung führt.

Warum funktioniert sie?

Eine Stellung ist gewonnen, wenn ein Zug in eine Verluststellung führt; verloren, wenn jeder Zug in eine Gewinnstellung führt.

Erkennungssignale

  • Ein endliches Spiel ohne Zufall und Unentschieden liegt vor.
  • Kleine Stellungen zeigen ein wiederkehrendes Gewinn-Verlust-Muster.

Vorgehen

  1. 1. Endstellungen markieren: Beginne bei Stellungen ohne legalen Zug.
  2. 2. Gewinnstellungen finden: Markiere jede Stellung mit einem Zug zu einer Verluststellung.
  3. 3. Verluststellungen finden: Markiere Stellungen, deren sämtliche Nachfolger gewonnen sind.
  4. 4. Muster zeigen: Formuliere und begründe die erkannte Klassenregel.

Geeignet

  • zwei Personen abwechselnd ziehen und eine kontrollierbare Stellung nach jeder eigenen Antwort wiederhergestellt werden kann

Reicht nicht

  • die Antwort nicht nach jedem legalen gegnerischen Zug existiert oder das Spiel nicht sicher endet
Einen Zielrest immer wieder herstellen

Bei Ergänzungszügen hältst du nach jeder eigenen Antwort die Spielgröße in einer festen Restklasse.

Warum funktioniert sie?

Bei Ergänzungszügen hältst du nach jeder eigenen Antwort die Spielgröße in einer festen Restklasse.

Erkennungssignale

  • Erlaubt sind aufeinanderfolgende Zuggrößen 1,,k1,\ldots,k.
  • Gegnerischer Zug und Antwort können stets zu k+1k+1 ergänzt werden.

Vorgehen

  1. 1. Verlustreste vermuten: Untersuche kleine Stellungen modulo k+1k+1.
  2. 2. Zielklasse erreichen: Wähle den ersten Zug passend zum Rest der Ausgangsstellung.
  3. 3. Komplementär antworten: Antworte auf rr mit k+1rk+1-r.
  4. 4. Spielende sichern: Zeige, dass die kontrollierten Klassen bis zur Endstellung führen.

Geeignet

  • zwei Personen abwechselnd ziehen und eine kontrollierbare Stellung nach jeder eigenen Antwort wiederhergestellt werden kann

Reicht nicht

  • die Antwort nicht nach jedem legalen gegnerischen Zug existiert oder das Spiel nicht sicher endet
Eine Antwortstrategie vollständig zeigen

Nach jedem gegnerischen Zug gibst du eine legale Antwort an, die die Strategie-Invariante wiederherstellt.

Warum funktioniert sie?

Nach jedem gegnerischen Zug gibst du eine legale Antwort an, die die Strategie-Invariante wiederherstellt.

Erkennungssignale

  • Eine Paar-, Ergänzungs- oder Spiegelantwort ist sichtbar.
  • Die Strategie wird als Reaktion auf beliebige gegnerische Züge beschrieben.

Vorgehen

  1. 1. Kontrollstellung definieren: Formuliere die Eigenschaft nach jedem eigenen Zug.
  2. 2. Antwort angeben: Ordne jedem möglichen gegnerischen Zug eine Reaktion zu.
  3. 3. Legalität prüfen: Zeige, dass das Antwortobjekt noch verfügbar und der Zug erlaubt ist.
  4. 4. Gewinn folgern: Begründe, warum die antwortende Person den letzten Zug erhält.

Geeignet

  • zwei Personen abwechselnd ziehen und eine kontrollierbare Stellung nach jeder eigenen Antwort wiederhergestellt werden kann

Reicht nicht

  • die Antwort nicht nach jedem legalen gegnerischen Zug existiert oder das Spiel nicht sicher endet
Eine Strategie-Invariante erhalten

Die kontrollierte Eigenschaft muss nicht nach dem gegnerischen Halbzug gelten – aber nach jeder eigenen Antwort stellst du sie wieder her.

Warum funktioniert sie?

Die kontrollierte Eigenschaft muss nicht nach dem gegnerischen Halbzug gelten – aber nach jeder eigenen Antwort stellst du sie wieder her.

Erkennungssignale

  • Eine Symmetrie, Gleichheit oder Restklasse kann reaktiv bewahrt werden.
  • Ein statischer Invariant unter jedem Einzelzug existiert nicht.

Vorgehen

  1. 1. Zeitpunkt präzisieren: Die Eigenschaft soll nach jedem eigenen Zug gelten.
  2. 2. Störung analysieren: Bestimme, wie der Gegner die Eigenschaft verändert.
  3. 3. Wiederherstellen: Gib eine legale kompensierende Antwort.
  4. 4. Ende auswerten: Verbinde die erhaltene Eigenschaft mit der Gewinnbedingung.

Geeignet

  • zwei Personen abwechselnd ziehen und eine kontrollierbare Stellung nach jeder eigenen Antwort wiederhergestellt werden kann

Reicht nicht

  • die Antwort nicht nach jedem legalen gegnerischen Zug existiert oder das Spiel nicht sicher endet
Objekte vor Spielbeginn paaren

Eine feste Paarung gibt zu jedem gegnerisch gewählten Objekt einen eindeutigen Antwortpartner.

Warum funktioniert sie?

Eine feste Paarung gibt zu jedem gegnerisch gewählten Objekt einen eindeutigen Antwortpartner.

Erkennungssignale

  • Pro Zug wird genau ein Objekt gewählt oder entfernt.
  • Die Objekte lassen sich in disjunkte Paare mit nützlicher Eigenschaft zerlegen.

Vorgehen

  1. 1. Paarung festlegen: Zerlege alle relevanten Objekte vor dem Spiel in Paare.
  2. 2. Partnerantwort wählen: Nimm nach einem gegnerischen Objekt dessen Partner.
  3. 3. Verfügbarkeit zeigen: Zeige, dass ein Partner nicht früher ohne sein Gegenstück genommen wurde.
  4. 4. Zielbilanz folgern: Leite Zugparität, letzten Zug oder eine kontrollierte Summe ab.

Geeignet

  • zwei Personen abwechselnd ziehen und eine kontrollierbare Stellung nach jeder eigenen Antwort wiederhergestellt werden kann

Reicht nicht

  • die Antwort nicht nach jedem legalen gegnerischen Zug existiert oder das Spiel nicht sicher endet
Eine Spiegelstrategie verwenden

Eine Symmetrie paart Züge: Auf einen Zug in einer Hälfte folgt der gespiegelte Zug in der anderen.

Warum funktioniert sie?

Eine Symmetrie paart Züge: Auf einen Zug in einer Hälfte folgt der gespiegelte Zug in der anderen.

Erkennungssignale

  • Die Ausgangsstellung besteht aus zwei symmetrischen, disjunkten Bereichen.
  • Regeln und Gewinnbedingung respektieren die Symmetrie.

Vorgehen

  1. 1. Spiegelung definieren: Ordne jedem Feld oder Zug sein eindeutiges Spiegelbild zu.
  2. 2. Anfangssymmetrie sichern: Prüfe die Stellung vor dem ersten Antwortpaar.
  3. 3. Kollision ausschließen: Zeige, dass der Spiegelzug noch frei und legal ist.
  4. 4. Letzten Zug bestimmen: Da Züge paarweise auftreten, zieht die antwortende Person zuletzt.

Geeignet

  • zwei Personen abwechselnd ziehen und eine kontrollierbare Stellung nach jeder eigenen Antwort wiederhergestellt werden kann

Reicht nicht

  • die Antwort nicht nach jedem legalen gegnerischen Zug existiert oder das Spiel nicht sicher endet
Eine Spielstrategie auditieren

Eine vollständige Strategie zeigt Startkontrolle, Antwort auf jeden Gegnerzug, Legalität, Terminierung und Gewinn.

Warum funktioniert sie?

Eine vollständige Strategie zeigt Startkontrolle, Antwort auf jeden Gegnerzug, Legalität, Terminierung und Gewinn.

Erkennungssignale

  • Eine informelle Aussage wie „immer spiegeln“ oder „immer ergänzen“ soll geprüft werden.
  • Randfälle oder ein sich selbst spiegelnder Zug könnten die Strategie zerstören.

Vorgehen

  1. 1. Startrecht klären: Bestimme, wer die Kontrollstellung erstmals herstellen kann.
  2. 2. Antwort total definieren: Erfasse wirklich jeden legalen gegnerischen Zug.
  3. 3. Legalität und Terminierung: Schließe blockierte Antworten und unendliches Spiel aus.
  4. 4. Gewinnbedingung anwenden: Zeige explizit, wer den letzten Zug macht oder das Ziel erreicht.

Geeignet

  • zwei Personen abwechselnd ziehen und eine kontrollierbare Stellung nach jeder eigenen Antwort wiederhergestellt werden kann

Reicht nicht

  • die Antwort nicht nach jedem legalen gegnerischen Zug existiert oder das Spiel nicht sicher endet
Gradparitäten bilanzieren

Jede Kante trägt zu genau zwei Graden je 1 bei – deshalb ist die Zahl ungerader Grade immer gerade.

Warum funktioniert sie?

Jede Kante trägt zu genau zwei Graden je 1 bei – deshalb ist die Zahl ungerader Grade immer gerade.

Erkennungssignale

  • Kanten werden hinzugefügt, entfernt oder als Wege benutzt.
  • Eine Aussage über Endpunkte, Handshakes oder ungerade Grade wird gesucht.

Vorgehen

  1. 1. Grade definieren: Zähle an jedem Knoten die inzidenten Kanten.
  2. 2. Kanten doppelt zählen: Nutze vdeg(v)=2E\sum_v\deg(v)=2|E|.
  3. 3. Modulo 2 reduzieren: Gerade Grade verschwinden; ungerade tragen je 1 bei.
  4. 4. Prozess auswerten: Vergleiche mögliche Gradparitäten oder Wegendpunkte.

Geeignet

  • ein Graphprozess oder eine geometrische Veränderung trotz lokaler Bewegung globale Struktur bewahrt

Reicht nicht

  • die Operation die behauptete Grad-, Abstands-, Orientierungs- oder Flächengröße verändern kann
Einen Graphschnitt modulo 2 zählen

Ein geschlossener Weg überquert jede Grenze zwischen einer Knotenmenge und ihrem Komplement gerade oft.

Warum funktioniert sie?

Ein geschlossener Weg überquert jede Grenze zwischen einer Knotenmenge und ihrem Komplement gerade oft.

Erkennungssignale

  • Ein Weg wechselt wiederholt zwischen zwei Gebieten.
  • Kanten über einer Trennlinie oder einem Schnitt sollen gezählt werden.

Vorgehen

  1. 1. Schnitt wählen: Teile die Knoten in SS und sein Komplement.
  2. 2. Seitenwechsel erkennen: Genau die Schnittkanten wechseln die Seite.
  3. 3. Start und Ende vergleichen: Gleiche Seite erzwingt eine gerade Zahl von Wechseln.
  4. 4. Paritätsfolge ziehen: Nutze die erzwungene Schnittparität für Weg oder Kantenmenge.

Geeignet

  • ein Graphprozess oder eine geometrische Veränderung trotz lokaler Bewegung globale Struktur bewahrt

Reicht nicht

  • die Operation die behauptete Grad-, Abstands-, Orientierungs- oder Flächengröße verändern kann
Weglängen in bipartiten Graphen kontrollieren

Jeder Schritt wechselt die Farbklasse; die Parität der Weglänge entscheidet, ob die Endpunkte gleich- oder verschiedenfarbig sind.

Warum funktioniert sie?

Jeder Schritt wechselt die Farbklasse; die Parität der Weglänge entscheidet, ob die Endpunkte gleich- oder verschiedenfarbig sind.

Erkennungssignale

  • Der Graph lässt sich in zwei Klassen ohne innere Kanten zerlegen.
  • Weglängen, geschlossene Wege oder Erreichbarkeit werden untersucht.

Vorgehen

  1. 1. Zweifärbung angeben: Ordne die Knoten den Klassen AA und BB zu.
  2. 2. Farbwechsel zeigen: Jede Kante verbindet verschiedene Klassen.
  3. 3. Schrittparität verfolgen: Nach gerader Schrittzahl ist man in der Startklasse.
  4. 4. Weg- oder Zyklusfolge ableiten: Vergleiche die Farbklassen der Endpunkte.

Geeignet

  • ein Graphprozess oder eine geometrische Veränderung trotz lokaler Bewegung globale Struktur bewahrt

Reicht nicht

  • die Operation die behauptete Grad-, Abstands-, Orientierungs- oder Flächengröße verändern kann
Eine Abstandssignatur vergleichen

Starre Bewegungen bewahren alle paarweisen Abstände; die sortierte Abstandsliste trennt nicht kongruente Konfigurationen.

Warum funktioniert sie?

Starre Bewegungen bewahren alle paarweisen Abstände; die sortierte Abstandsliste trennt nicht kongruente Konfigurationen.

Erkennungssignale

  • Punkte oder Figuren dürfen nur verschoben, gedreht oder gespiegelt werden.
  • Eine Zuordnung von markierten Punkten soll ausgeschlossen werden.

Vorgehen

  1. 1. Relevante Abstände wählen: Berechne Seitenlängen oder paarweise Abstände.
  2. 2. Signatur bilden: Ordne jedem markierten Punkt seine Abstandsliste zu.
  3. 3. Erhaltung begründen: Starre Bewegungen erhalten jeden Abstand.
  4. 4. Signaturen vergleichen: Eine Abweichung schließt die verlangte Bewegung aus.

Geeignet

  • ein Graphprozess oder eine geometrische Veränderung trotz lokaler Bewegung globale Struktur bewahrt

Reicht nicht

  • die Operation die behauptete Grad-, Abstands-, Orientierungs- oder Flächengröße verändern kann
Orientierung als Invariante nutzen

Verschiebungen und Drehungen erhalten den Drehsinn; Spiegelungen kehren ihn um.

Warum funktioniert sie?

Verschiebungen und Drehungen erhalten den Drehsinn; Spiegelungen kehren ihn um.

Erkennungssignale

  • Nur direkte starre Bewegungen sind erlaubt.
  • Eine Figur soll in ihr Spiegelbild oder eine vertauschte Punktreihenfolge überführt werden.

Vorgehen

  1. 1. Punktreihenfolge festlegen: Wähle drei nicht kollineare markierte Punkte.
  2. 2. Orientierung bestimmen: Berechne das Vorzeichen von det(BA,CA)\det(B-A,C-A).
  3. 3. Operation prüfen: Translation und Drehung bewahren dieses Vorzeichen.
  4. 4. Ziel vergleichen: Entgegengesetzte Orientierung verlangt eine Spiegelung.

Geeignet

  • ein Graphprozess oder eine geometrische Veränderung trotz lokaler Bewegung globale Struktur bewahrt

Reicht nicht

  • die Operation die behauptete Grad-, Abstands-, Orientierungs- oder Flächengröße verändern kann
Fläche bei Zerlegung bilanzieren

Zerschneiden und lückenloses Umlegen bewahren die Summe der Teilflächen.

Warum funktioniert sie?

Zerschneiden und lückenloses Umlegen bewahren die Summe der Teilflächen.

Erkennungssignale

  • Eine Figur wird in endlich viele Stücke zerlegt und neu zusammengesetzt.
  • Flächeninhalt liefert ein einfaches notwendiges Hindernis.

Vorgehen

  1. 1. Ausgangsfläche berechnen: Zerlege die Figur bei Bedarf in bekannte Grundformen.
  2. 2. Additivität verwenden: Die Stückflächen addieren sich vor und nach dem Umlegen gleich.
  3. 3. Zielfläche berechnen: Bestimme den Flächeninhalt der verlangten Figur.
  4. 4. Reichweite korrekt folgern: Verschiedene Flächen schließen aus; gleiche Flächen garantieren keine Zerlegung.

Geeignet

  • ein Graphprozess oder eine geometrische Veränderung trotz lokaler Bewegung globale Struktur bewahrt

Reicht nicht

  • die Operation die behauptete Grad-, Abstands-, Orientierungs- oder Flächengröße verändern kann
Fläche durch paralleles Verschieben erhalten

Bleibt eine Grundseite fest und bewegt sich der Gegenpunkt parallel, bleiben Höhe und Dreiecksfläche gleich.

Warum funktioniert sie?

Bleibt eine Grundseite fest und bewegt sich der Gegenpunkt parallel, bleiben Höhe und Dreiecksfläche gleich.

Erkennungssignale

  • Ein Eckpunkt gleitet auf einer Parallelen zu einer festen Seite.
  • Flächengleichheit beweglicher Dreiecke oder Polygone soll bewiesen werden.

Vorgehen

  1. 1. Grundseite fixieren: Wähle die Seite, zu der die Bewegung parallel ist.
  2. 2. Höhe vergleichen: Alle Punkte auf einer Parallelen haben denselben Abstand zur Grundgeraden.
  3. 3. Flächenformel anwenden: Nutze A=12ghA=\tfrac12 gh.
  4. 4. Prozess fortsetzen: Jeder erlaubte Schub bewahrt die Fläche.

Geeignet

  • ein Graphprozess oder eine geometrische Veränderung trotz lokaler Bewegung globale Struktur bewahrt

Reicht nicht

  • die Operation die behauptete Grad-, Abstands-, Orientierungs- oder Flächengröße verändern kann
Zustände klassifizieren und Schubfach anwenden

Eine kleine Zahl von Invarianten- oder Restklassen komprimiert viele Objekte; das Schubfachprinzip erzwingt gleiche Klassenwerte.

Warum funktioniert sie?

Eine kleine Zahl von Invarianten- oder Restklassen komprimiert viele Objekte; das Schubfachprinzip erzwingt gleiche Klassenwerte.

Erkennungssignale

  • Viele Objekte erhalten nur wenige mögliche Signaturen.
  • Aus gleichen Signaturen soll eine teilbare Differenz oder gemeinsame Struktur folgen.

Vorgehen

  1. 1. Signatur definieren: Ordne jedem Objekt seine relevanten Reste oder Invariantenwerte zu.
  2. 2. Klassen zählen: Bestimme die Zahl möglicher Signaturen.
  3. 3. Kollision erzwingen: Nutze mehr Objekte als Signaturen.
  4. 4. Gleichheit übersetzen: Leite aus gleicher Signatur die gewünschte Differenz- oder Strukturaussage ab.

Geeignet

  • eine Invariante nur einen Teil der Aufgabe löst und eine zweite Methode Existenz, Terminierung oder Struktur liefern muss

Reicht nicht

  • die Methoden ohne klar begründeten Übergang lediglich nebeneinandergestellt werden
Endliche Zustände zur Wiederholung zwingen

Eine unendliche Folge in einem endlichen Zustandsraum wiederholt einen Zustand und erzeugt einen Zyklus.

Warum funktioniert sie?

Eine unendliche Folge in einem endlichen Zustandsraum wiederholt einen Zustand und erzeugt einen Zyklus.

Erkennungssignale

  • Ein deterministischer Prozess läuft unbegrenzt in einem endlichen Zustandsraum.
  • Periodizität oder wiederkehrende Invariantenklassen werden gesucht.

Vorgehen

  1. 1. Zustand komprimieren: Bewahre genau die Daten, die den nächsten Schritt bestimmen.
  2. 2. Endlichkeit zeigen: Zähle die möglichen komprimierten Zustände.
  3. 3. Wiederholung finden: Wende das Schubfachprinzip auf genügend viele Zeitpunkte an.
  4. 4. Zyklus folgern: Determinismus lässt die Zukunft ab dem wiederholten Zustand identisch weiterlaufen.

Geeignet

  • eine Invariante nur einen Teil der Aufgabe löst und eine zweite Methode Existenz, Terminierung oder Struktur liefern muss

Reicht nicht

  • die Methoden ohne klar begründeten Übergang lediglich nebeneinandergestellt werden
Invariante und Konstruktion verketten

Die Invariante liefert eine notwendige Bedingung; ein expliziter Algorithmus zeigt, dass sie auch ausreicht.

Warum funktioniert sie?

Die Invariante liefert eine notwendige Bedingung; ein expliziter Algorithmus zeigt, dass sie auch ausreicht.

Erkennungssignale

  • Eine vollständige Erreichbarkeits- oder Gleichverteilungsaussage wird verlangt.
  • Die Zielklasse ist bekannt, aber ihre Zustände müssen noch verbunden werden.

Vorgehen

  1. 1. Notwendigkeit isolieren: Berechne die erhaltene Größe von Start und Ziel.
  2. 2. Elementarzug wählen: Finde eine lokale Operation, die das Ziel schrittweise annähert.
  3. 3. Algorithmus zeigen: Zeige Legalität und Terminierung.
  4. 4. Genau-dann-wenn schließen: Verbinde notwendige und hinreichende Richtung.

Geeignet

  • eine Invariante nur einen Teil der Aufgabe löst und eine zweite Methode Existenz, Terminierung oder Struktur liefern muss

Reicht nicht

  • die Methoden ohne klar begründeten Übergang lediglich nebeneinandergestellt werden
Invariante und Monovarinante trennen

Eine Größe hält den Prozess in der richtigen Klasse, eine zweite streng monotone Größe erzwingt Terminierung.

Warum funktioniert sie?

Eine Größe hält den Prozess in der richtigen Klasse, eine zweite streng monotone Größe erzwingt Terminierung.

Erkennungssignale

  • Ein Reduktionsalgorithmus bewahrt eine arithmetische Struktur.
  • Erreichbarkeit und endliches Ankommen müssen getrennt bewiesen werden.

Vorgehen

  1. 1. Invariante bestimmen: Finde die Größe, die bei jedem Zug exakt gleich bleibt.
  2. 2. Monovarinante wählen: Suche eine ganzzahlige, beschränkte Größe, die streng fällt oder steigt.
  3. 3. Endzustände analysieren: Bestimme, wo kein Reduktionszug mehr möglich ist.
  4. 4. Beide Aussagen verbinden: Terminierung liefert einen Endzustand; die Invariante identifiziert ihn.

Geeignet

  • eine Invariante nur einen Teil der Aufgabe löst und eine zweite Methode Existenz, Terminierung oder Struktur liefern muss

Reicht nicht

  • die Methoden ohne klar begründeten Übergang lediglich nebeneinandergestellt werden
Den ggT durch einen euklidischen Prozess erhalten

Ersetzt du die größere Zahl durch ihre positive Differenz, bleibt der ggT und die Summe sinkt.

Warum funktioniert sie?

Ersetzt du die größere Zahl durch ihre positive Differenz, bleibt der ggT und die Summe sinkt.

Erkennungssignale

  • Zwei positive Zahlen werden durch Differenzschritte reduziert.
  • Der Endzustand oder die erreichbare Diagonale soll bestimmt werden.

Vorgehen

  1. 1. ggT-Erhaltung zeigen: Nutze gcd(a,b)=gcd(ab,b)\gcd(a,b)=\gcd(a-b,b) für a>ba>b.
  2. 2. Summe absenken: Die positive Summe wird bei jedem Zug strikt kleiner.
  3. 3. Terminierung folgern: Eine strikt fallende positive ganze Zahl kann nicht unendlich fallen.
  4. 4. Endpaar bestimmen: Bei Gleichheit muss der gemeinsame Wert der ursprüngliche ggT sein.

Geeignet

  • eine Invariante nur einen Teil der Aufgabe löst und eine zweite Methode Existenz, Terminierung oder Struktur liefern muss

Reicht nicht

  • die Methoden ohne klar begründeten Übergang lediglich nebeneinandergestellt werden
Einen Extremzustand gezielt verkleinern

Die Wahl eines größten, kleinsten oder komplexesten Objekts macht einen lokalen Reduktionszug möglich, ohne die Invariantenklasse zu verlassen.

Warum funktioniert sie?

Die Wahl eines größten, kleinsten oder komplexesten Objekts macht einen lokalen Reduktionszug möglich, ohne die Invariantenklasse zu verlassen.

Erkennungssignale

  • Ein beliebiger Zug garantiert keinen Fortschritt.
  • Ein Extremobjekt besitzt zusätzliche lokale Struktur.

Vorgehen

  1. 1. Extrem wählen: Fixiere ein größtes, kleinstes oder äußerstes Objekt.
  2. 2. Lokale Struktur nutzen: Zeige, welcher Reduktionszug am Extrem legal ist.
  3. 3. Invariante kontrollieren: Der Zug bleibt in derselben notwendigen Klasse.
  4. 4. Fortschritt messen: Eine Monovarinante sinkt und erzwingt das Ende.

Geeignet

  • eine Invariante nur einen Teil der Aufgabe löst und eine zweite Methode Existenz, Terminierung oder Struktur liefern muss

Reicht nicht

  • die Methoden ohne klar begründeten Übergang lediglich nebeneinandergestellt werden
Eine Methodenkette auditieren

Jeder Übergang benennt Voraussetzung, Zwischenergebnis und die Aufgabe der nächsten Methode.

Warum funktioniert sie?

Jeder Übergang benennt Voraussetzung, Zwischenergebnis und die Aufgabe der nächsten Methode.

Erkennungssignale

  • Ein Beweis kombiniert Invariante, Schubfach, Extremalwahl, Widerspruch oder Konstruktion.
  • Die Lösung wirkt ideenreich, aber ihre logischen Übergänge sind unklar.

Vorgehen

  1. 1. Rollen markieren: Notiere zu jeder Methode exakt ihre Teilaussage.
  2. 2. Übergänge prüfen: Zeige, dass das Ergebnis eines Schritts die Voraussetzungen des nächsten erfüllt.
  3. 3. Richtungen trennen: Unterscheide Notwendigkeit, Existenz und Terminierung.
  4. 4. Schluss auditieren: Formuliere, wie die Teilresultate genau die Behauptung ergeben.

Geeignet

  • eine Invariante nur einen Teil der Aufgabe löst und eine zweite Methode Existenz, Terminierung oder Struktur liefern muss

Reicht nicht

  • die Methoden ohne klar begründeten Übergang lediglich nebeneinandergestellt werden
Eine Invariantenaufgabe diagnostizieren

Signalwörter, Zustandsmodell und Zugänderungen entscheiden, ob Parität, Reste, Gewichte, Färbung oder eine Methoden­kette sinnvoll ist.

Warum funktioniert sie?

Signalwörter, Zustandsmodell und Zugänderungen entscheiden, ob Parität, Reste, Gewichte, Färbung oder eine Methoden­kette sinnvoll ist.

Erkennungssignale

  • Wiederholte Züge treffen auf eine Erreichbarkeits- oder Unmöglichkeitsfrage.
  • Ein Spiel, Brett, Graph oder geometrischer Prozess verändert sich lokal.

Vorgehen

  1. 1. Aufgabentyp erkennen: Markiere Zustand, erlaubte Operationen und Zielaussage.
  2. 2. Änderungen tabellieren: Notiere für einfache Kandidaten ihre Änderung pro Zugtyp.
  3. 3. Kleinste wirksame Methode wählen: Teste Parität vor größeren Moduli und einfachen Summen vor komplizierten Gewichten.
  4. 4. Beweisziel prüfen: Entscheide, ob Unmöglichkeit, Existenz oder eine vollständige Klassifikation verlangt ist.

Geeignet

  • eine unbekannte Olympiadeaufgabe diagnostiziert, gelöst und als vollständiger Beweis ausgearbeitet werden soll

Reicht nicht

  • die Routine mechanisch angewandt wird, ohne die konkrete Zugregel und Zielbehauptung zu lesen
Zwischen Invariantenfamilien wählen

Die Form der Zugänderungen führt dich zu Summen, Resten, linearen Gewichten, Farben, Graphparitäten oder Strategie-Invarianten.

Warum funktioniert sie?

Die Form der Zugänderungen führt dich zu Summen, Resten, linearen Gewichten, Farben, Graphparitäten oder Strategie-Invarianten.

Erkennungssignale

  • Mehrere plausible Invarianten stehen zur Wahl.
  • Eine schwache Invariante trennt Start und Ziel noch nicht.

Vorgehen

  1. 1. Einfachen Kandidaten testen: Beginne mit Summe, Parität und kleinen Restklassen.
  2. 2. Struktur ausnutzen: Nutze Koordinatengewichte, Färbungen oder Grade passend zum Objekt.
  3. 3. Stärke vergleichen: Bevorzuge die kleinste Größe, die das Ziel tatsächlich trennt.
  4. 4. Zweite Methode ergänzen: Für Hinreichendheit oder Terminierung plane Konstruktion oder Monovariniante ein.

Geeignet

  • eine unbekannte Olympiadeaufgabe diagnostiziert, gelöst und als vollständiger Beweis ausgearbeitet werden soll

Reicht nicht

  • die Routine mechanisch angewandt wird, ohne die konkrete Zugregel und Zielbehauptung zu lesen
Eine behauptete Invariante gezielt widerlegen

Ein einziger legaler Zug mit verändertem Kandidatenwert genügt als Gegenbeispiel – danach reparierst du die Behauptung.

Warum funktioniert sie?

Ein einziger legaler Zug mit verändertem Kandidatenwert genügt als Gegenbeispiel – danach reparierst du die Behauptung.

Erkennungssignale

  • Eine Lösung behauptet Erhaltung nur aufgrund einiger Beispiele.
  • Ein Zugtyp oder Randfall wurde möglicherweise übersehen.

Vorgehen

  1. 1. Kandidat eindeutig notieren: Formuliere die behauptete Zustandsfunktion.
  2. 2. Zugtypen isolieren: Suche den Zug mit asymmetrischer oder extremer Änderung.
  3. 3. Gegenbeispiel berechnen: Gib Vorher-, Nachher- und beide Kandidatenwerte an.
  4. 4. Aussage reparieren: Teste Parität, Rest oder eine andere Gewichtung der veränderten Größe.

Geeignet

  • eine unbekannte Olympiadeaufgabe diagnostiziert, gelöst und als vollständiger Beweis ausgearbeitet werden soll

Reicht nicht

  • die Routine mechanisch angewandt wird, ohne die konkrete Zugregel und Zielbehauptung zu lesen
Einen Invariantenbeweis olympiadetauglich schreiben

Definition, Zugprüfung, Startwert, Zielwert und Schluss erscheinen als explizite, logisch getrennte Beweisschritte.

Warum funktioniert sie?

Definition, Zugprüfung, Startwert, Zielwert und Schluss erscheinen als explizite, logisch getrennte Beweisschritte.

Erkennungssignale

  • Die Idee ist gefunden, aber die Lösung enthält Sprünge.
  • Ein kurzer Unmöglichkeitsbeweis soll bewertbar und vollständig formuliert werden.

Vorgehen

  1. 1. Größe definieren: Gib I(S)I(S) für jeden relevanten Zustand eindeutig an.
  2. 2. Invarianz zeigen: Berechne für jeden Zugtyp ΔI=0\Delta I=0 oder den erhaltenen Rest.
  3. 3. Werte vergleichen: Bestimme Start- und Zielklasse.
  4. 4. Reichweite korrekt schließen: Formuliere genau die bewiesene Unmöglichkeit oder ergänze Hinreichendheit.

Geeignet

  • eine unbekannte Olympiadeaufgabe diagnostiziert, gelöst und als vollständiger Beweis ausgearbeitet werden soll

Reicht nicht

  • die Routine mechanisch angewandt wird, ohne die konkrete Zugregel und Zielbehauptung zu lesen
Invarianten unter Zeitdruck testen

Ein festes Zeitbudget trennt schnelle Kandidatentests, vertiefte Suche, Beweis und Endkontrolle.

Warum funktioniert sie?

Ein festes Zeitbudget trennt schnelle Kandidatentests, vertiefte Suche, Beweis und Endkontrolle.

Erkennungssignale

  • Eine mehrteilige Prüfung verlangt Priorisierung.
  • Mehrere Kandidaten könnten lange Rechnungen auslösen.

Vorgehen

  1. 1. Schnellscan: Teste in wenigen Minuten Summe, Parität, kleine Moduli und natürliche Färbungen.
  2. 2. Entscheidungspunkt setzen: Verwirf Kandidaten nach einem Gegenbeispiel und markiere offene Aufgaben.
  3. 3. Beweispunkte sichern: Schreibe gefundene Invarianz und notwendige Schlüsse vollständig aus.
  4. 4. Audit reservieren: Prüfe am Ende Zugtypen, Vorzeichen, Restwerte und Schlussrichtung.

Geeignet

  • eine unbekannte Olympiadeaufgabe diagnostiziert, gelöst und als vollständiger Beweis ausgearbeitet werden soll

Reicht nicht

  • die Routine mechanisch angewandt wird, ohne die konkrete Zugregel und Zielbehauptung zu lesen
Eine Wettbewerbslösung final auditieren

Der Schlusscheck prüft Gültigkeit, Vollständigkeit, Voraussetzungen und die genaue Reichweite jeder Folgerung.

Warum funktioniert sie?

Der Schlusscheck prüft Gültigkeit, Vollständigkeit, Voraussetzungen und die genaue Reichweite jeder Folgerung.

Erkennungssignale

  • Eine Lösung soll abgegeben oder bewertet werden.
  • Mehrere Methoden und Fallunterscheidungen greifen ineinander.

Vorgehen

  1. 1. Mathematik prüfen: Kontrolliere jede Änderungsrechnung, Kongruenz und Konstruktion.
  2. 2. Vollständigkeit prüfen: Erfasse alle Zugtypen, Fälle und Randbedingungen.
  3. 3. Logik prüfen: Trenne notwendige und hinreichende Aussagen sowie statische und strategische Invarianten.
  4. 4. Darstellung prüfen: Definiere Größen vor Gebrauch und schließe mit einem klaren Antwortsatz.

Geeignet

  • eine unbekannte Olympiadeaufgabe diagnostiziert, gelöst und als vollständiger Beweis ausgearbeitet werden soll

Reicht nicht

  • die Routine mechanisch angewandt wird, ohne die konkrete Zugregel und Zielbehauptung zu lesen