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21B.3 Beispiel Gradient in 2D und 3D; Äquipotentialflächen


CC-BY-NC-SA 3.0

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nocheine Funktion zweier veränderliche jetztohne Einheitennicht ganz so eklig eine Funktiondie soll folgendes sein die hochminusX vertrat Minsk zum QuadratsicherheitshalberX Quadratist hier zuerst rechnen ich Sohn Ausdruck habe minusX Quadrat ist gemeintX Quadrat davon minus und es ist nicht gemeint minus X Quadrat das Quadratist stärker sozusagenals das Minuswie es gemeint erst vertrieben und dann minusdas um eine Funktion sein und an der Stelleeins einswollte ich wissenwas ist da der Gradientdas wirklich ein konkreter Vektorein Vektorfeldwas ist da das totaleDifferenzialund was ist da die Tanz ja leben oder die lineare Näherung dannandie partiellen Ableitungendiese Funktion ableitennachXje hoch irgendwas ableiten die äußere Ableitungbleibt die hoch irgendwasdie innere Ableitungminus sechs Quadratmeter siebzehn Quadratableiten nach X Websites konstant betrachtendas minus siebzehn Quadrat ist dann auch eine Konstantefällt weg beim ableiten ?? vorne muss ich ?? ableiten minus zwei X malminus zwei Xund es passierte genau dasselbegesehen wenn ich nachY ableitendie hoch minus sechs Quadratmeter siebzehn Quadrat mal minus zweiYan dieser Stelle eins einsder konkreteVektor der konkrete Fall der jetzt rauskommt wärewie hoch minuszweimalminus zweiund hier die hoch minus zwei ?? minus zwei dasselbe noch malgrob abgeschätzt??jedoch minus zwei einzige Quadrat also ein neuntel Pi mal Daumen minus zwei neuntelPi mal Daumenindexkomponentein der Expertenkomponentedas ist der Gradient an dieser Stelle der Vektorsie das kann ich ein ?? ausklammernder Vektor eins eins malin die hoch minus zwei mal minus zweientdeckte der diagonal zeigtund die Längeneinheitkönne aus der X Komponenten ??beides mal dasausklammernso das totale Differenzialwie ändert sich meine Funktion?? wenn ich X und YInfinitisimal in der ZDFdie Änderung meiner Funktion was passiertin der sich die Funktionenabhängig von X mal TX bloß verändert sich die Funktion abhängig von Y mal der Y das ist das totale Differenzialwissen über was DF nach TX und der Vertriebs in die partiellen Ableitungen soll ich sagen was sie sinddas ist beides jetzt in diesem Fall Glück gehabtminus zwei malige ?? minus zweimacht alsomeiner Kurve ausklammern minus zwei malige hoch minus zwei mal TXplus D Ywenn Sie alsoan dieser Stelleden vier Wände als an der Stelle eins eins Cent ist gleich eins Pixeln gleich eins und wirgehen ein Stückchen weiter Nix Richtung können sich kein Stück über den X Richtungen und Endlichkeit über den Y Richtung ist das das was der Funktionswertminus zwei minus zwei mal wie weit sie nicht Richtung gegangen sind plus dreizehnRichtung gegangen sind Dachser in das totale Differenzialdann ist man sofort bei der Tangentialebeneich scheue mich jetzt zu schreiben F ist gleichich glücklicher weiter raus und schreibe keine Gleichung für die Tangentialebenesondernnur den Ausdruck für die Tangentialebenedieses hier istwie die Funktion sich ändertwenn ich X Ende und wenn ich Epson ändere wissen Sie natürlich noch berücksichtigenwas in der Originalfunktionswertwarsoll ich den Andererseits immer vorne hinschreiben was ist der Originalfunktionswertan eins eins er isteh hoch minuszweimal das wird sein wie hoch minus zwei ?? losund was habe ich jetzt an Änderungenoffensichtlich nur Plus sondern minus minus zwei E hoch minus zweiwie ändert sich XX minus eins Plus verändert sich Y Ydie tangentialgerade malin Aktionbringenmeine Funktionhier an der Stelle eins einshabe ich das hieraus wirklich das ist eine Nehrungan meine Funktionin der Umgebung von eins eins Sekunden sich gerade mal folgendes anmeine Funktionenfürden Wert eins Komma zweinull Komma neunAdidas mithilfe der Initialebenenäher anSolis eigentlich irgend ein fürchterlicher fliegender Teppich in 3Dder Tangentialebenehabe ichum den ein Punkt hier der halbwegs brauchbaren näher und ich gucke mal auf der Tangentialebenenachder Gedankegucken sie das nur auf der Tangentialebenenach was kriegen sie gerundet raus mit der gleichen deren Potenzial ebenInterneterlebnis?? noch ?? beim totalen Differenzial an was sagt uns das eigentlichmeine Funktionso ist es immer dreidimensionalman HerausforderungX YKlinsmann Funktion ?? MAZin die Achseich kenneeinen bestimmtenWert meiner FunktionsoF von eins eins ?? das ist der Wert um den sich dann alles bald gerade um den herum ich mir alles angucken Stelle um die Dominanz angucke eins einsangenommen ich kenne den Wert und ich möchte jetzt wissen okay wie sieht meineFunktionen jetzt in der Umgebung aus ich weiß auch das muss irgendwie einfliegender Teppich sein der durch diesen Punkt läuftund den möchte ich nähern durch eine Tangentialebenedas ist doch viel einfacher mit der Tangentialebeneals mit dem fliegenden Teppichich gucke mir anwas machte der fliegende Teppich wenn ich ein Stückchen in X Richtung weitergehtwenn ich so weiter geheer sagt mir die partielle Ableitung hier wie steil das wirdin X Richtungnicht den Teppich durch Schneiderentlang der X Richtungsagt mir die Persil Ableitung hier wie steil das wirddie andere partielle Ableitung hiernach Ydie sagt mir was passiert wenn ich das wenn ich den Teppich so durchschneidenin hübscher Richtung durchschneidenwie steil das wirdjetzt gewagt zu zeichnenPunkt sowasgestaltet dasund das kann ich jetzt alle miteinander verrührenund kriege die Gleichung einer eben das ist das was hinter dem totalen Differenzial steckt wie ändert sich die Funktion insgesamtwenn ich ein winziges Stückchen in X Richtung G ein winziges Stückchen psychischer Richtung gehendie partiellen Ableitungensind denn da die Faktoren die mir sagen wie stark sich diese Änderungen auswirken auf das Gesamtergebnishier steht aber erst die Änderungausgegangenvon meinem Originalniveauwie ändert sich das Niveauwenn ich lange Zeit im hinschreiben willmuss ich natürlich sagen was das Niveau ist hier bin ich ja insgesamtdieser grüne Balken auf dem Niveau ?? hoch minus zwei ist jetzt wirklich die eins eins Eindruck was rauskommtdas ist mein Startniveaudie Höhe des Grünbalkensund dazu kommt jetztdarunternachdem auf ?? abwärts dazu kommt es auf jeden Fall das was mir das totale Differenzial sagtwie wirkt sich die Änderung in X auswendig mit X ein bisschen weitergebewirklich der neuen X auswenn ?? selbst ein bisschen weitergebe ergibt sich die ?? mit Y aus versteht man eine Internetseitedrinzusammengebautaus dem totalen Differenzialmit dem Startwertim Originalfunktionswertan der Originalstelleund sie handeln nicht mit X Y sondern sie schreiben rein was denn wirklich die Abweichungen sindnicht nur unendlich sondern endlich gesammelt Initialebenebei der Funktion des auch wenn ich zehn Meter zur Seite gehe oder weil ich dazu Seite gehenan und ich würde sie auch gar nicht ausmultiplizierenX minus eins und so weiteres hübsch zu sehenfür X gleich eins wird schon gleich eins und das exakte Resultatgroßes R gerade gebaut ich suche eine Ebene die sich nicht an meine Funktionsflächeder SchmiedSchrägstrich als Y gleich einsEffektrichtigjedoch minus zweiund das ganze gilt auch nur vernünftig wenn ich mit X und Y nicht weit aus der eins eins rausgehen nur dann ist die Tangentialebenewirklich ungefähr die Originalfunktionansonsten ist zu Fragen des Lebensdes richtigen Einzeltermins einsam entstehen lassen das müssen kleine Zahlen sein Leerzeichen Problem?? einfach einsetzen was passiert hier ich benutze die lange Zeit neben und nach zu gucken was die Funktion sagtwie hoch minus zweiist der Wert wenn ich eins eins einsetzt und jetzt kommt die Korrektur minus zwei E hoch minus zwei was ist die Korrektur eine kleine KorrekturX minus einssteteralso null Komma zwei ?? zumindest ein steter also minus null Komma eins das ist die Korrekturdass der Hirnstamm vom totalen Differenzialhierdas totale Differenzial was passiert mit der Funktionwie weit ändert sich die Funktionwenn ich mit X und Y bisschenmännlich wenig Maklerjetzt wacklig nicht mehr lief wenig sondern endlich wir dann wird sich auf der Tangentialebenenichtzumeinenkönnte man jetzt zusammenfassenist also einmalneominuszweitausend Einzelschritten hin Komma so rausnull Komma einshabe ich einmal jedoch minus zwei minus zwei mal null Komma eins war jedoch minus zwei der nördliche Gesamt null Komma acht malige minus zweiminus zwei ?? Engpass beiein neuntelDas heißt Originalwertich gehe vom Originalwertetwas runter?? um zwanzig Prozent runterwenn sie sostur ablesenwenn siezu ist gleich eins Komma zwei ?? Rechnung Komma neun Gehen erwarten Siedass der Wert um zwanzig Prozent sind bei dieser Funktionohne großartig gerechnet zu habendas klappt natürlich nur wenn ich nicht zu weit rausgehen ?? wenn ich hier mit dem X bis zehn Geometrie müssen bis zwanzig gehe dann passiert sonst wasmeine Funktionsflächenach die wildesten Geschichtenund Yuppie unten irgendeine Zahl in ?? angelegte den Punkt ?? verglichenlange Zeitebene angelegtPunkt den Wert nach ?? danachkleinerer völliger Blödsinn raus aber wenn ich in der Umgebung dieses Punkt bleiben mir das hinhauenwas Dennis eingespannt wenn ich sagen will wie weit ich weg kannwie weit kann ich weg ohne einen ganz dicken Fehler zu machen was müsste man sich eigentlich angucken um das zu entscheidenund zu sagen und das ist zu weit weg ist okay aber das ist zu weit weg was muss sich merklich angucken rechnerischgenau die nächsteAbleitungjestärker diese Funktion hier gekrümmt istdesto schlimmer wird die zweite Ableitung oder eine der zweiten Ableitung oder eine Kombination der zweiten Ableitungen die zweiten Ableitungen werden mir sagen wie stark dieses Ding hier gekrümmt ist schlimmes gekrümmt ist es so schlechter ist die Nehrung mit der lange Zeit jedenTag kommen an die zweiten Ableitungen spielen dir zum Beispielbessere Stoff fürDonnerstag und FreitagdieMatrix mit dem zweiten Ableitungender Hesse Matrix kommt ein Spielje schlimmer die wir hier schlimmer deren Eigenwerte sinddestowenigergenau werden die Ergebnissewenn ich weit rausgehenmüssen Beistrich noch Duldung habenKomma da meine Klammer zudas ?? also für diese Funktion hier Gradientan einer Stelle ausgerechnet total FinancialPunkt totales Differenzial und die TangentialebenejetztKomma war folgendes an eine Funktion dreier veränderlicherwas wir jetzt eigentlich passierensie da drei veränderlichehabenamich hätte mir auf es aufgeschrieben eins eins null aber festgestellt das es ja langweilig Ansatz nundie Magma eins eins zweieine Fusion dreier veränderlicherschreibt die Oma ganz dreist minus Z Quadrat noch dazuwas passiert an der Stelle eins eins zwei derselbe Kranaber jetzt mit drei veränderlichenwas wird passieren ich mir das tatsächlich mal dazwischen ?? ähm wenn sie dieses hier ableiten bleibt natürlich eh hoch und so weiter mit dem Z Quadrat erstehenX ableitenwill Z als konstantes bleibt soan der Stelle eins eins zweimuss ich jetzt natürlich aufpassen hier steht minus eins minus eins minus vier alsoeh hoch minus sechsbleibtrülpsen genauso hier kommt minus Z Quadrat eines Weibchen jedoch minus sechsund jetzt kommt noch der Nacht setztwenn ich kein Platz mehr habe?? gelaufenist Komma der nach ZamCity natürlich minus zwei Z als innere Ableitungaber ich muss jetzt zeitgleich zwei Einsätzen also mal minusvier das Ansehenaller ausgeprägtund damit habe ich den Gradientenfür das das wird dann als so manche minus zwei über Ausklammerungnureins ein zweimal jedoch minus sechs mal minus zwei oben steht minus zwei malige minus sechs der hieröfter steht minus einmal minus sechs Runden steht minus vier minus zwei ?? zwei malige minus sechs?? wie schlecht das auf das totale Differenzialdurch Stern steht hiernatürlich auch minus zwei mal eh hoch minussechs und wir bekriegen das noch mit der Patient Ableitung machte dazu die partielle Ableitung nach ZDF setztund hier steht janicht minus zwei sondern minus vier Mal jedoch minus sechsMenge unten alsoMeyer den Weg plus zwei DZZ wird wirkt doppelt so schlimmoffensichtlich für die beiden anderen minus vier statt minus zweibestehendenTier und die Tangentialebenekriegten wir noch ebenansehen Punkt natürlich minus sechs oderhier ein hoch minus sechster hat nur ein hoch minus sechsund schied gegenüber danndas doppelte von dem was den Veranstalter also plus zwei Mal setzt minuszweiZ hat ja als Ausgangspositiondie zweihundert zehntens zweiso sieht da die Denunzianten?? für das schwierig hiereinfach schlimmer finde das mit zwei Variablen können mit zwei veränderlichen können wir das mit rein basiert mit hunderten das Problem ist es so schwer vorzustellenin zwei Variablen stell ich mir die fliegenden Teppich vor und mit hundert Variablen habe ich ganzmentales Problem mir das vorzustellenrechnerisch passiert da nichts anderesdas was sie mit X und Y gemacht damals auch mit U und V und W undein hundert anderenKritiker normal bei dieser Funktion mit der weiteren Variableneine Nummernachdenkendasich mir noch mal rauseinmal dieses hier eine Funktion zweier veränderlicherdie ist eh hochminus X vertratminus Yund eine Funktionbei den man nicht noch mal erfinden sie Magie eine Funktion G von drei veränderlichenund die ist eh hoch minus sechsGradGrad für die Anschauungwie gesagt mit drei veränderlichen wird es schon haarsträubendmit der Anschauung mit hundert veränderlichen hat man praktisch verlorenan ?? mit drei veränderlichen geht es gerade noch mit der Veranstaltungüberlegen Sie sich mal die mit zwei veränderlichendie Höhenlinien aussehen im Prinzip wie sehen im Prinzip die Höhenliniendieser Funktionausund dann überlegen Sie sich was passiert mit drei veränderlichenwas ist die Analogiesicher versuchen Sie mal ein zwei Höhenlinien einzuzeichnendie mal Daumenwie sehen die im Prinzip ausdann überlegen sich was jetzt passiertwas passiert in einer Dimension mehrgeht immer Tipp wie man das anders schreiben kann D hoch minusKlammer aufX Quadrat plus Y Quadrat Klammer zuauf der Höhe Nina auf jeder Höhenliniemuss dieses Ding hier konstant bleibenwie sehen Höhenlinienaus das müssten sie ohne groß Rechnung irgendwie hinkriegen könnenetwas mehr nachdenken als rechneten soll es in vielen?? entdecken den Pythagorasvier X Quadrat plus Y Quadratdas ist mein X das ist mein Ydas Quadratvon dem Abstand zum Ursprung wenn das hier Malpunkt X Y iststeht hier das Quadrat vom Abstand zum Ursprungdas rechne ich eigentlichsein das ist er hiersteht hierwie hoch minus er Quadratnach Pythagorasich gucke mir zu jedem Punkt an was ist der Abstand zum Ursprung?? Quartiere demMinuszeichen davor eh hoch das Dingdas heißt je größer dieser Abstand wirddesto größerwird er Quadratumso heftiger größer wird er Quadratbesteht minusQuadrat das heißt umso negativer wird das was im Exponenten stehteh hoch wassehr negativeswird null werden sie das Platten was passiert mit E hoch Xwenn etwas sehr negatives einsetzen kriegen sie null rausalso wenn der Radius sehr groß wirder Quadratnoch viel größerminus er Quadrat eine sehr negative Zahl dann jedoch eine sehr negative Zahl praktisch nullich arbeite mich quasihier von der null so durch die Kommentarfunktiondurch wenn der Radius Null ist wenn ich im Ursprung sitzekommt eins raus wie hochminusnull Quadratund dann kann es noch kleiner werden?? ausman das jetzt hat's es hängt nur von dem Radius ab dann weiß man dass die Höhenlinienkreisesein müssenstellte sich ein Kreis vordas muss eine Höhenlinie seindennalle diehaben denselben Radios denselben Abstand vom Ursprung des kommt überall eh hoch minus dieser Radius ins Quadrat rausohne Rechnen sehe ich dass das eine Höhenlinie sein mussund ich weiß außerdemdass die Funktion nach außen abfällt?? sitze hier in der Mitte irgendwo Offenbergmüssen schöner Hügel in der Mitte sein und nach außen fällt die Funktion ab??irgend sowas wird das werden von den Höhenlinien ausPunkt wenn es in drei D Platten würdeneine Glocke ich hoffe das gelingt mir so halbGlockesich ins unendliche erstrecktin alle Richtungenso sieht sie aus und hier blickstsie so wollen die Zeitachse durchdie Höhe einzelner außen fällt sie ab und ?? sind die Höhenlinienist der Wanderweg sozusagen hier nicht der Wanderweg immer schon auf gleicher Höhe das Höhenlinien das ist ein Kreis im Ursprungnoch ?? Höhenlinie ein Kreis um den Ursprung so sehen die aus ohne Rechnenwarum der flachtwas passiert eigentlich Beistrich eine sozusagen wechselnde Zahlfunktionrückwärts drinin der Sexmensafunktioniststaatlich hierbei Radius Nullund arbeite mich dannins unendliche ins Negativ unendlich als es auf jeden Fall klar dass er nach außen abflachen muss er schmiegt sich mehr und mehr auf die Höhe null an diese Funktion schmiegt sich mehr und mehr auf die Höhe null anähm gute Frage ist natürlich warum wir die Funktioneine Glocke warum wir das in der Mitte nicht spitzkönnen ganz dreist sagen okay es kann in der mit den spitz werden weiß ableiten kann können die Ableitung bilden es gibt eine lange ZeitPunktsie können mir sogarden Gradienten ausrechnen?? welches ?? gedacht das es glaube das aller einfachste die können den Gradienten ausrechnen was wird passierenwarum der Gradient an der Stelle null nullsie kriegen raussoundsoviel mal null soundsoviel mal null der Patient an der Stelle nullexistiertdie Fraktion hat kein Knickund es sogar der Nullvektoran dieser Stelle ist der Gradient der Nullvektor will sagendie lange Zahl eben istdie Tangentialebeneist horizontalgenauliebes für den weichen Hügel haben müssen ?? das wäre die rechnerische Begründungoderdie andere Begründung hier ?? ich hier nicht Exponentialfunktionhier dadurch sehen sie nicht die eigentlich mit den QuadratsratesQuadrat heißt dass ich hier in kleinen Schritten anfangenund dann immer schneller werdewenn ichnull Komma eins nehme und Quartiere habe ich null Komma null null eins ?? hier ganz langsam an mit dem Quadrat und werde dann sehr schnellder langsame Anfang führt dazu dass hier kein Klick entsteht sonderlich schönweich rausgehenaus diesem Kriegdanneben hier im unendlichen gegen null aufalso ganz auch mit etwas Mühen anschaulich begründen aber die einfachste Begründung gesehen Gradienten aus an der Stelle null null Stellen fester Gradient existiert nicht nursagen sind keine knicke oder Sprünge oder Schlimmeressondern der Gradient ist nun es gibt hier also ein horizontales Endergebnisgeht in keiner Richtung lokal rauf und runtermuss ein schönerBerg seindieser Formzum ersten erzähltüberlegen Sie mal gerade was heißt das jetzt eine Variable mehr zu habenwas passiert hier eigentlichich brauche offensichtlicheine Achse mirdas kann das nicht funktionieren?? die übliche Anordnung der Achsen X Y Z sowasnur eine Achse mir X Y Zim erkennbaren Bildchen hiereine Achse mehr offensichtlichdie Höhe Nina sind jetzt keine Höhenlinienmehr sondern FlächenGrünflächen würde ich natürlich würde anhören?? Potenzialflächeniso Flächennennt man das dannKlasse werden Flächen werdenhier stehtwieder mal nach Pythagoras jetzt im Raumder Abstand vom Ursprung ins Quadratim dreidimensionalenwird die Länge des Sektors X Y Zder Abstand vom Ursprung ins Quadrat im dreidimensionalenMini ein bestimmter Wert rauskommen soll immer derselbe Wertwusste Rates konstant sein was sie kriegen sind keine Linien sondern FlächenkugelnKugelflächen soll ich sagen so eine Kugelflächeauf dieser Kugelfläche hat die Funktion überall denselben Wertund wenden andere Kugelflächen nehmenden drin zum Beispiel hat da die Funktionauch überall denselben Wert auf der gesamten Kugelfläche und wenn sie noch ?? Kugelflächen ähmweiter draußen von mir aus überall auf dieser Kugel auf der Oberfläche dieser Kugel sich als ?? Oberfläche dieser Kugel hat die Funktiondenselben WertWorte den größeren Wert violett grün oder blaugenau violett es fällt ja wieder ab je größer der Radius wird umso stärkertätig ist die Fusion abgefallenals in Brindisi am größten hier sie kleinerals sie noch kleiner je weiter ich rausgehe desto mehr nähert sich der null innen drin ist sie gleich eins null Quadrat null Quadrat null Quadratanals die Höhenine sind keine Höhenlinien mehr sondern Flächen im Raum hier natürlich besonders einfache Flächenkugelnwenn diese Funktion nicht zu einfach wärewürde es fürchterlich werden Beistrich man kann das gerade noch verallgemeinerndie Idee der Höhenlinienkann sie noch verallgemeinerndie sogenannten Nicki Potenzialflächenisoflächenist aber schonwirklich heftig von der Vorstellung herim vier dimensionalen können Sie natürlich mit Animationenarbeiten wir sie hier noch eine Variable mehr habenkönnte zeigen wie sich diese Flächen in Abhängigkeit von der letzten Variable verändernden in die letzte Variable als Zeithaben sie Flächen diese allmählich verschwinden oder größer werden Löcher kriegen?? Und-Zeichen Henkel kriegeneine Fläche die vielleicht so anfängt und sie entwickelt sich dann als geschlossene Fläche mit Kartoffel anfängt und entwickelt sich dann im Laufe der Zeitvielleicht so das daplötzlichirgendwelcheLöcher entstehen und dann das könnte man tatsächlich man könnte noch die Zeit als zusätzliche Variable nehmen dann klingt es tatsächlich auch mit vier veränderlichen noch irgendwie gebackenaber es ist haarsträubendtatsächlich tun könnten wenn sie Sonderfunktionenhaben eine FunktionvonX Y Z und derzeitdas kann er sogar ganz physikalisch nehmeneine Funktion die von Ort und Zeit abhängtund die soll einen bestimmten Wert habennatürlich nicht drei seinerzeit vierzig bekanntermaßendie markieren alle Punktein Raum und Zeit sozusagenfür die die Funktion den Wert zweiundvierzighat Ereignisse Komma das nennt im Sinne der RelativitätstheorieOrt und Zeit zusammen ist ein Ereignis an einer bestimmten Stelle zu einer bestimmten Zeit passiert etwas markierealle Ereignisse für die Fusion in der zweit wird sichert sie könnenguckenzum Beispiel zum Zeitpunkt dreiwie sie die Funktion zum Zeitpunkt gar nicht die Fusionwenn die Zeit gleich drei Äste welche X Y Zist zum Zeitpunkt dreidiese Funktiongleich zweiundvierzig wird irgend eine fürchterliche Fläche seinVater kein einziger Punkttypischerweise irgendwie eine fürchterliche Fläche und dann gucken sie okay was es zum Zeitpunkt eh gleich viersie markieren im Raum alle Punktebei den zur Zeit vier diese Funktion den Wert zweiundvierzighatgibt irgendwie eine andereFläche typischerweiseweit über zwei Flächen was weiß ichdenn jetzt quasi die Zeit durchlaufen lassen würden sie sehen wie sich hier einkomischer Tropfen vielleicht umformenin zwei Tropfen oder was auch immerman könnte tatsächlich auch nur vier Dimensionen behandelnimmer die Zeit dazu