Primzahlen und die Primfaktorzerlegung im Speziellen sind ein unglaublich spannendes und auch aktuelles Thema, da Primzahlen ganz bestimmte Eigenschaften besitzen, die sich sehr gut für konkrete Anwendungen im Alltag gebrauchen lassen. Solltet ihr also auch zu der Sorte Mensch gehören, die sich gerne die Frage stellen: “Wozu brauch ich das 🤔?”, dann hält das Ende des Artikels eine Antwort für euch bereit.
Aber eins nach dem anderen. Wir starten den Blog mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Informationen, die du rund um das Thema benötigst. Anschließend machen wir dich fit für das Lösen von typischen Übungsaufgaben und zeigen dir in welchem Kontext dir die Primfaktorzerlegung später wieder begegnen wird.
Bist du nicht auf der Suche nach Erklärungen, sondern nach Aufgaben zum Üben? Dann springe gleich zu unserem Aufgabengenerator und drucke dir kostenlos so viele Übungsblätter als PDF 📃 aus wie du rechnen kannst.
Um zu verstehen worum es bei der Primfaktorzerlegung geht, solltest du zuallererst verstehen was eine Primzahl ist:
Primzahlen sind alle natürlichen Zahlen, die durch genau zwei Zahlen, nämlich durch
Anhand dieser Definition sind sowohl die Null als auch die
Auf der linken Seite der Gleichung steht mit
Die Aufgabe eine natürliche Zahl in seine nicht mehr teilbaren “Bestandteile” (Primzahlen) zu zerlegen, nennt man dann Primfaktorzerlegung oder manchmal auch Faktorisierungsproblem (Problem eher im Sinne einer Herausforderung als ein Problem über das man sprechen müsste 😟).
Den Zusammenhang zwischen Primzahlen und gemischten Zahlen kann man sich ähnlich vorstellen, wie sich Atome zu Materie verhalten. Atom, aus dem griechischen atomos, bedeutet unteilbar und Atome (zusammen mit anderen Elementarteilchen) galten lange Zeit in der Physik als die kleinsten Bausteine aus denen unsere Materie zusammengesetzt ist ﹣ ähnlich wie die gemischten Zahlen aus “unteilbaren” Primzahlen zusammengesetzt sind.
Folgendes Vorwissen solltest du bereits mitbringen, um die Primfaktorzerlegung sicher zu meistern. Solltest du mit einem der Themen noch Schwierigkeiten haben, findest du auf unserer Seite nützliche Informationen dazu und kannst über unseren Aufgabengenerator kostenlos Übungsaufgaben zu den Themen ausdrucken.
Zerlege die Zahl 126 in seine Primfaktoren! Eine typische Aufgabe, wie sie jedes Jahr von Millionen von Schülern in Deutschland gelöst werden muss 😀. Aber wie genau geht man hier vor? Zum Glück gibt es für die Primfaktorzerlegung eine Rechenvorschrift, die wir anhand des folgenden Beispiels Schritt-für-Schritt durchgehen können
Falls die zu zerlegende natürliche Zahl, also in unserem Beispiel
Dazu prüfst du die Teilbarkeit aller in Frage kommenden Primzahlen, wobei wir mit der kleinsten Primzahl
Du hast Glück.
Wie bereits im Bild angedeutet, macht es insbesondere für Anfänger Sinn, die einzelnen Schritte in Tabellenform aufzuschreiben. In der ersten Spalte notierst du die gefundenen Primfaktoren. Die zweite Spalte kannst du für Zwischenschritte verwenden.
Den ersten Primfaktor aus Schritt 1 schreibst du also in die erste Spalte der nächsten Zeile (im Bild hellblau markiert).
Das Ergebnis der ersten Abspaltung
Nun musst du die kleinste, teilbare Primzahl für die
Die
Die zu prüfenden Primzahlen für die
Nun musst du Schritt 2 und Schritt 3 solange wiederholen, bis das Ergebnis der Abspaltung selbst eine Primzahl ist.
In unserem Beispiel ist das bereits in der nächsten Zeile der Fall, da
Da die
Der Vollständigkeit halber kannst du das Ergebnis der Abspaltung
Du hast nun alle Primfaktoren ermittelt und in die erste Spalte der Tabelle geschrieben. Um das Ergebnis zusammenfassen, schreibst du unter die Tabelle die Primfaktoren noch als Produkt auf.
Profi-Tipp: Wenn du die Potenzschreibweise bereits kennst, kannst du noch das Ergebnis in manchen Fällen (wie in unserem Beispiel) weiter zusammenfassen, indem du Produkte in die Potenzschreibweise vereinfachst.
Der oben beschrieben Algorithmus zur Lösung der Primfaktorzerlegung kann immer durchgeführt werden und führt zu einem richtigen Ergebnis. Allerdings gibt es Situationen, in denen andere Verfahren entweder schneller oder auch leichter zum gewünschten Ziel führen. Dies kann insbesondere bei der Zerlegung von großen Zahlen der Fall sein.
Anstatt der Reihe nach immer den kleinsten Primfaktor abzuspalten, suchen wir uns nun einen beliebigen Teiler, der weder klein noch eine Primzahl sein muss, aber zu einer für uns einfachen Rechnung führt. Wir zerlegen die Zahl
Da du nun die Freiheit hast, mit einem beliebigen Teiler zu starten, bietet sich in unserem Beispiel die
Der Lösungsweg wird typischerweise in eine Baumstruktur dargestellt, indem du, ausgehend von der
Da wir im 1. Schritt die Teiler frei wählen durften, kannst du nun im 2. Schritt nicht mehr davon ausgehen, dass die gefundenen Teiler zwangsläufig Primzahlen sind. Das bedeutet, dass alle Teiler eventuell weiter zerlegt werden müssen.
Die
Zu guter Letzt wiederholst du Schritt 2, bis sich alle gefundenen Teiler nicht weiter zerlegen lassen, also Primzahlen sind.
Achtung: In unserem Beispiel hattest du das für den linken Teil der Baumstruktur (unterhalb der
Die Lösung der Aufgabe kannst du nun einfach anhand der letzten Ebene ablesen
Für die Primfaktorzerlegung müssen wir bestimmen können, ob eine Zahl bereits eine Primzahl ist oder weiter zerlegt werden kann. In der Mathematik sind dazu zahlreiche Verfahren entwickelt worden wie z.B. der Fermatsche Primzahltest, das Sieb des Eratosthenes und viele andere. Im schulischen Kontext wird dies anhand der Probedivision überprüft, die für nicht zu große Zahlen einen vertretbaren Rechenaufwand mit sich bringt, aber gleichzeitig für die Schüler intuitiv zugänglich ist.
Bei der Probedivision wird überprüft, ob eine natürliche Zahl
Das interessante an diesem Verfahren ist, dass wir nicht alle Primzahlen bis
Wir starten mit der Annahme, dass die zu zerlegende Zahl
Wenn aber
Damit ist klar, dass es in einer möglichen Zerlegung von
Um Aufgaben zur Primfaktorzerlegung zügig zu lösen, sind die wichtigsten Teilbarkeitsregeln eine gute Hilfe
Um Aufgaben zur Primfaktorzerlegung schnell lösen zu können, ist es hilfreich, die Primzahlen bis 50 oder evtl. sogar bis 100 zügig zu erkennen. Falls du mal eine Primzahl vergessen haben solltest, dann kannst du sie hier nachschauen oder für dich ausdrucken 🧐
Viele Schüler vergessen, dass sie bei der Probedivision nicht alle Primzahlen durchtesten müssen, sondern nur maximal bis zur Quadratwurzel der zu zerlegenden Zahl. Das kostet unnötig viel Zeit und Konzentration.
Beispiel: Wenn du bei der Probedivision von
Die gleiche Primzahl kann als Primfaktor einer zusammengesetzten Zahl mehrfach vorkommen. Man spricht dabei von der Vielfachheit eines Primfaktors. So hat z.B. die
Die Primfaktorzerlegung wird manchmal auch als Faktorisierungsproblem oder Faktorisierungsproblem für ganze Zahlen bezeichnet. Das Gegenteil einer Primzahl ist eine zusammengesetzte Zahl.
Du brauchst noch mehr Beispiele für die Primfaktorzerlegung? Kein Problem, hier haben wir eine kleine Auswahl für dich zusammengestellt ✍️
Die Primfaktorzerlegung solltest du in der Schule eher als Werkzeug betrachten, das dir dabei hilft andere Aufgaben leichter zu lösen. So wird typischerweise in der 5. Klasse über das Auffinden von groessten gemeinsamen Teilern (ggT) und kleinsten gemeinsamen Vielfachen (kgV) zweier Zahlen durch die Primfaktorzerlegung wesentlich einfacher. Ggt und kgV wiederum benötigst du für das Bruchrechnen (Addition, Subtraktion sowie das Kürzen von Brüchen), was dir sicherlich auch im Alltag bereits schon begegnet ist.
Stell dir vor, du möchtest jemandem eine Nachricht schicken, die ausschließlich für diese Person gedacht ist. Leider kann es aber immer passieren, dass ein dritter deine Nachricht abfängt und mitlesen möchte. Dieses Problem gab es bereits früher, als Nachrichten noch mit einem geschriebenen Zettel übermittelt worden sind, aber auch genauso in der heutigen Zeit, in der Nachrichten vor allem digital verschickt werden. Wenn du z.B. WhatsApp verwendest, um mit deinen Freunden zu chatten oder du über das Internet einkaufst und deine Bankdaten auf der Webseite des Shop Betreibers hinterlässt, hast du das gleiche Probleme wie früher ein römischer Feldherr der seinen Offizieren mitteilen musste wie Legionen zu verschieben sind: Wie verhindere ich, dass jemand der meine Nachricht abfängt (was du leider nie ausschließen kannst), diese lesen kann?
Um sich gegen solche Angriffe zu schützen, hast du die Möglichkeit, Nachrichten zu verschlüsseln. Das hört sich vielleicht kompliziert an, ist es im Prinzip aber gar nicht und lässt sich an einem sehr einfachen konkreten Beispiel demonstrieren:
Du schreibst einen geheimen Brief für einen Freund. Bevor du den Brief verschickst, solltest du diese Nachricht verschlüsseln, indem du alle Buchstaben um z.B. die nächsten drei Buchstaben im Alphabet verschiebst. Konkret bedeutet das: aus jedem A wird ein D, aus B wird E, aus C wird F, usw. Selbst wenn nun ein Spion deinen Brief abfangen sollte, ergeben die Wörter und Sätze in deinem Brief keinen Sinn mehr für ihn. Dein Freund jedoch kann die Geheimschrift wieder rückgängig machen (entschlüsseln), wenn du ihm zuvor mitgeteilt hast, um wie viele Stellen die Buchstaben verschoben wurden. Die Anzahl der Verschiebungen nennt man den geheime Schlüssel (zum ver- und entschlüsseln) der Nachricht.
Auch wenn moderne Verschlüsselungsverfahren wesentlich ausgefeilter sind als unser Beispiel, ist die Grundidee dennoch richtig.
Das Problem dieser Verschlüsselungstechnologie ist, dass du dem Empfänger den geheimen Schlüssel irgendwie mitteilen musst. Hat der “Spion” den Schlüssel während des Austauschs abfangen können, kann auch er jede Nachricht mitlesen und die Verschlüsselung ist nutzlos. Solche Verfahren nennt man symmetrische Verschlüsselung.
Asymmetrische Verschlüsselungen umgehen dieses Problem unter anderem mit Hilfe der Primfaktorzerlegung. Das Prinzip hierbei ist einfach. Beim Verschlüsseln einer Nachricht wird ein Schlüssel verwendet, der jedem bekannt sein darf (öffentlicher Schlüssel). Der Schlüssel für das Entschlüsseln einer Nachricht ist aber nur dem Empfänger bekannt (privater Schlüssel). Damit umgeht man das Problem, Schlüssel austauschen zu müssen.
Technisch macht man sich der Eigenschaft der Primfaktorzerlegung zur Nutze. Während das Erzeugen einer großen gemischten Zahl durch die Multiplikation zweier Primzahl für einen Computer trivial ist, ist die Aufgabe die gemischte Zahl wieder in seine Primfaktoren zu zerlegen selbst für Hochleistungsrechner nicht innerhalb einer vertretbaren Zeitspanne lösbar, wenn die Zahl groß genug ist. Diese Asymmetrie der Komplexität macht man sich zu Nutze, um öffentliche und private Schlüssel (die nicht geknackt werden können) zu generieren.
Wenn dich das Thema Kryptographie interessiert, dann schreib uns dazu über unser Kontaktformular. Wir nehmen gerne Themenwünsche für weitere Blog-Artikel auf. Ansonsten findest du natürlich auch einen guten Einstieg zur Kryptographie auf Wikipedia.