Rundung

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
(Weitergeleitet von Runden)
Zur Navigation springen Zur Suche springen

Rundung ist eine arithmetische Operation, bei der eine Zahl in Stellenschreibweise, meist eine Dezimalzahl, durch eine Zahl mit einer geringeren Anzahl signifikanter (bedeutungstragender) Stellen ersetzt wird. Dabei wird der Unterschied zwischen ursprünglicher und gerundeter Zahl, der Rundungsfehler, so gering wie möglich gehalten.

Zweck einer Rundung ist:

  1. Platz für die Darstellung zu sparen, insbesondere bei Dezimalbrüchen und Gleitkommazahlen;
  2. die Anzahl der Stellen eines Rechenergebnisses an die Vertrauenswürdigkeit seiner Herkunft anzupassen: siehe Fehlerfortpflanzung und Signifikante Stellen;
  3. die gegebene Zahl an die darstellbare oder zu benutzende Einheit anzupassen: kleinste oder zu benutzende Währungseinheit (z. B. Rappen oder Fünf-Rappen-Münze oder Franken, ganze Gramm bei Küchenwaagen, ganze Mandate bei Sitzzuteilungsverfahren für die Verhältniswahl, …).
  • Zu 1 und 2: Meist verringert man die Anzahl der Dezimalstellen und damit die Anzahl der dargestellten Ziffern.
  • Zu 2: Dafür werden auch große Ganzzahlen gerundet. Zum Beispiel rundet die Bundesagentur für Arbeit die errechnete Anzahl der Arbeitslosen auf volle 100. Hier bleibt die Anzahl der dargestellten Ziffern unverändert, aber die letzten zwei Stellen werden als nicht signifikant gekennzeichnet.
  • Zu 3: In manchen Ländern hat die kleinste gebräuchliche Münze einen größeren Wert als die kleinste rechnerische Währungseinheit, so in Finnland (5 Euro-Cent) und in der Schweiz (5 Rappen). Für Barzahlung werden alle Beträge passend gerundet.

Wird eine positive Zahl vergrößert, so spricht man von „aufrunden“; wird sie verkleinert, von „abrunden“. Bei negativen Zahlen sind diese Wörter doppeldeutig. Weitere Rundungsverfahren sind Richtung null, zur nächstgelegenen Rundungszahl und das Mathematische Runden. Werden Nachkommastellen nur weggelassen, spricht man von „abschneiden“.

Das Zeichen „ungefähr gleich“ (  ) kann darauf hinweisen, dass die nachfolgende Zahl gerundet ist. Es wurde 1892 von Alfred George Greenhill eingeführt.[1]

Rundungsregeln[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kaufmännisches Runden[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Kaufmännische Runden (nicht negativer Zahlen) geschieht wie folgt:[2]

  • Ist die Ziffer an der ersten wegfallenden Dezimalstelle eine 0, 1, 2, 3 oder 4, dann wird abgerundet.
  • Ist die Ziffer an der ersten wegfallenden Dezimalstelle eine 5, 6, 7, 8 oder 9, dann wird aufgerundet.

Diese Rundungsregel wird durch die Norm DIN 1333 beschrieben. Das Runden wird so auch häufig bereits in der Grundschule gelehrt.

Beispiele (jeweils Rundung auf zwei Nachkommastellen):

  • 13,3749… € ≈ 13,37 €
  • 13,3750… € ≈ 13,38 €

Negative Zahlen werden nach ihrem Betrag gerundet, bei einer 5 also weg von null (engl: Away from Zero):

  • −13,3749… € ≈ −13,37 €
  • −13,3750… € ≈ −13,38 €

Das Kaufmännische Runden wird im juristischen Umfeld teilweise auch als Bürgerliches Runden bezeichnet und z. B. in § 14 des Beamtenversorgungsgesetzes so erklärt:

„Der Ruhegehaltssatz ist auf zwei Dezimalstellen auszurechnen. Dabei ist die zweite Dezimalstelle um eins zu erhöhen, wenn in der dritten Stelle eine der Ziffern fünf bis neun verbleiben würde.“

Symmetrisches Runden[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die symmetrische (oder geodätische, mathematische, unverzerrte, wissenschaftliche[3]) Rundung ist wie folgt definiert[4]:

  1. Folgt auf die letzte beizubehaltende Ziffer eine 0, 1, 2, 3 oder 4, so wird abgerundet.
  2. Folgt auf die letzte beizubehaltende Ziffer eine 5 (gefolgt von weiteren Ziffern, die nicht alle null sind), 6, 7, 8 oder eine 9, so wird aufgerundet.
  3. Folgt auf die letzte beizubehaltende Ziffer lediglich eine 5 (oder eine 5, auf die nur Nullen folgen), so wird derart gerundet, dass die letzte beizubehaltende Ziffer gerade wird.

Diese Art der Rundung wird in numerischer Mathematik, Ingenieurwissenschaft und Technik verwendet. Sie ist im IEEE-754-Standard für das Rechnen mit binären Gleitkommazahlen in Computern vorgesehen. In englischsprachiger Literatur heißt sie Round to Even oder Banker’s Rounding.[5]

Beispiele (Rundung auf eine Nachkommastelle):

  • 2,2499 ≈ 2,2 (nach Regel 1)
  • 2,2501 ≈ 2,3 (nach Regel 2)
  • 2,2500 ≈ 2,2 (nach Regel 3 zur geraden Ziffer hin gerundet)
  • 2,3500 ≈ 2,4 (nach Regel 3 zur geraden Ziffer hin gerundet)

Kaufmännisches und mathematisches Runden unterscheiden sich nur darin, wohin eine Zahl genau in der Mitte zwischen zwei Zahlen mit der gewählten Anzahl von Dezimalziffern gerundet wird.

Das kaufmännische Runden erzeugt kleine systematische Fehler, da das Aufrunden um 0,5 vorkommt, das Abrunden um 0,5 jedoch nie; das kann Statistiken geringfügig verzerren. Die mathematische Rundung rundet von der genauen Mitte zwischen zwei Ziffern immer zur nächsten geraden Ziffer auf oder ab. Dadurch wird im Mittel genauso oft auf- wie abgerundet und der oben angesprochene systematische Fehler vermieden.

Summenerhaltendes Runden[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim summenerhaltenden Runden werden die Summanden so gerundet, dass deren Summe gleich der gerundeten Summe der Summanden ist. Dabei kann es erforderlich sein, manchen Summanden vom nächstgelegenen gerundeten Wert weg auf den gegenüber gelegenen Wert zu runden.

Wichtige Anwendungen sind die Sitzzuteilung bei der Verhältniswahl und die Aufteilung der gesamten Mehrwertsteuer in einer Rechnung auf deren einzelnen Posten.

  • Für Summanden mit beiderlei Vorzeichen kann man das dortige Hare-Niemeyer-Verfahren verallgemeinern: Man rundet alle Zahlen auf die nächstliegenden runden Zahlen, und solange die Summe zu groß (oder zu klein) ist, wählt man von den aufgerundeten (beziehungsweise abgerundeten) Zahlen eine derjenigen mit der größten Aufrundung (bzw. dem größten Betrag der Abrundung) und ändert ihre Rundung in die entgegengesetzte Richtung. Damit wird die Summe der Beträge der Änderungen minimal.
  • Bei sehr großer Anzahl von Summanden kann folgendes Verfahren schneller sein: Man rundet einen Summanden nach dem anderen und führt die kumulierten Rundungsdifferenzen mit. Beim Runden der ersten Zahl entsteht eine Rundungsdifferenz (Summand minus auf- oder abgerundeter Summand). Diese Differenz (positiv, negativ oder null) wird vor dem Runden des zweiten Summanden zu diesem addiert. Die neue Summe der Rundungsdifferenzen ist dann die Differenz dieser Summe zum gerundeten Wert des zweiten Summanden. Dieses Verfahren setzt man fort bis zum letzten Summanden.
    • Der Betrag der Differenzensumme ist dabei immer höchstens gleich der Hälfte des kleinstmöglichen Abstands zwischen zwei gerundeten Zahlen (beim Runden auf ganze Zahlen also höchstens 1/2).
    • Die Rundung kann von der Reihenfolge der Bearbeitung abhängen: Aus 2,3 + 3,4 = 5,7 wird 2+4=6; aus 3,4 + 2,3 = 5,7 wird 3+3=6.
    • Man kann diese Abhängigkeit nutzen, um gewünschte Eigenschaften zu erzielen. Alle Permutationen zu probieren und die beste zu nehmen geht immer.

Umgang mit gerundeten Zahlen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Runden bereits gerundeter Zahlen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ist die Ausgangszahl bereits das Ergebnis einer Rundung, so muss für den Grenzfall, dass die neue Rundungsstelle 5 ist (und alle Stellen danach Nullen), wenn möglich auf die ungerundete Zahl zurückgegriffen werden (etwa bei mathematischen Konstanten):

  • ungerundete Zahl bekannt: 13,374999747, gerundete Ausgangszahl: 13,3750
→ gerundete Zahl: 13,37
  • ungerundete Zahl unbekannt, gerundete Ausgangszahl: 13,3750
→ gerundete Zahl: 13,38.

Kennzeichnung von Rundungsergebnissen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In wissenschaftlichen Arbeiten und Logarithmentafeln wird manchmal kenntlich gemacht, ob die letzte Ziffer durch Auf- oder Abrunden erhalten wurde. Eine Ziffer, die durch Aufrunden erhalten wurde, wird mit einem Strich unter (oder auch oberhalb) der Ziffer kenntlich gemacht, eine Ziffer, die durch das Runden nicht verändert wurde (die Zahl wurde also abgerundet), wird mit einem Punkt über der Ziffer gekennzeichnet.

Beispiele:

  • wird zu ; diese Zahl wird beim erneuten Runden zu . Beim erneuten Runden (im Beispiel auf drei Stellen nach dem Komma) ist also abzurunden.
  • wird zu ; diese Zahl wird beim erneuten Runden zu , deutlicher . Beim erneuten Runden (im Beispiel auf drei Stellen nach dem Komma) ist also aufzurunden. Für weiteres Runden (hier auf zwei Stellen) wäre abzurunden, angedeutet durch 5.

Sind keine weiteren Stellen bekannt, so wird die Ausgangszahl als exakt angenommen.

Rechnen mit gerundeten Zahlen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Werden gerundete Zahlen in eine Berechnung einbezogen, muss das Endergebnis auf die gleiche Anzahl signifikanter Stellen gerundet werden. Wenn z. B. eine Kraft mit 12,2 Newton gemessen wird, dann müssen alle Endergebnisse, die von dieser Kraft abhängen, so gerundet werden, dass maximal drei signifikante Stellen übrig bleiben. So wird dem Leser nicht eine höhere Genauigkeit vorgetäuscht, als wirklich vorhanden ist.

Rundungsregeln formal[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gerade das kaufmännische Runden wird so erklärt, dass auch Kinder es verstehen. Dafür muss man nur Preise von Waren und Gehälter in der Kommaschreibweise kennen. Selbst im Kapitel „Elementarmathematik“ des Taschenbuchs der Mathematik von Bronstein/Semendjajew[6] werden etwas kompliziertere Rundungsregeln ohne Zuhilfenahme tieferer mathematischer Ausdrucksweisen formuliert, allerdings von mathematischen Erläuterungen begleitet. Im vorliegenden Abschnitt kommen einige dieser und einige andere mathematische Gesichtspunkte zur Sprache.

Endliche und unendliche Ziffernfolgen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bronstein/Semendjajew[6] erörtern das Ab- oder Aufrunden anhand formaler ZahlwörterZeichenketten in einem (dezimalen) Stellenwertsystem, nicht zu verwechseln mit der Wortart. Positive Dezimalbrüche (im engeren Sinne, ) können als

geschrieben werden (oder umgekehrt). Hierbei gibt es Stellen vor dem Komma (allgemeiner Trennzeichen)[7] und Stellen danach. sind aus dem Ziffernvorrat {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}.

Andere positive reelle Zahlen können durch Dezimalbrüche (als Näherungswerte) beliebig genau angenähert werden, vgl. Darstellungen verschiedener Zahlenarten und Dezimalbruchentwicklung. Die Koeffizienten der Dezimalbruchentwicklung

einer solchen Zahl ergeben dann eine unendlich lange (durch ein Komma bzw. Trennzeichen unterbrochene) Folge von Ziffern . Hierbei ist jeweils die Zahl der Ziffernwert[7] von 0 hat den Ziffernwert , 1 hat den Ziffernwert , usw. Mit

ist die Folge der Näherungswerte monoton steigend und durch nach oben beschränkt. Mehr noch: der Abbruchfehler[8] geht gegen 0, somit konvergiert gegen . Ist

jeweils die darstellende Zeichenkette, so ist für die Zeichenkette ein Präfix der Zeichenkette , von der unendlich langen, darstellenden Zeichenkette – salopp – ist es etwas Ähnliches, Bronstein/Semendjajew[8] nennen es informell ein „Anfangsstück“ von letzterer. Dasselbe wie für lässt sich von sagen (Komma und Nachkommastellen fehlen).

Die Aussagen über und treffen aber auch zu, wenn durch eine endliche Zeichenkette mit Nachkommastellen darstellbar ist. In diesem Fall sind für die Koeffizienten und die Ziffern 0. Diese Betrachtungsweise ist auch für die Formulierung von Rundungsregeln hilfreich.

Für negative Zahlen gilt das Entsprechende mit vorangestelltem Minuszeichen usw. (die Folge der Näherungswerte fällt…).

Mit anderen Ziffernvorräten und anderen Kriterien für die Darstellbarkeit durch endliche Zeichenketten gilt das Vorige auch für Stellenwertsysteme zu anderen Basen statt 10. Die Basis 10 ist alltäglich, wenn man sich nicht (beruflich) mit der Implementierung von Rundung im Computer befasst, wo Potenzen von 2 als Basen dienen.

Die allseits beliebte Pünktchenschreibweise ist formal als folgendermaßen rekursiv definiert zu verstehen ( steht für die Konkatenation von Zeichenketten, für die leere Zeichenkette):

„Abschneiden“/„Abbrechen“[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Abschneiden oder Abbrechen/Abbruch[8] nach der -ten Nachkommastelle einer Zahl, von der Nachkommastellen bekannt sind, bedeutet, dass man das „Zahlwort“ durch als „Näherung“ ersetzt, in der dazu oben verwendeten Notation durch . Man verwendet also einen Präfix oder ein „Anfangsstück“ einer genaueren Zeichenkette. Der Fall liegt praktisch etwa vor, wenn man bei einer nicht mit endlich vielen Ziffern darstellbaren Zahl, nacheinander die ersten Nachkommastellen bestimmt und keine weiteren – in diesem Fall ist allerdings die durch dargestellte Zahl Näherungswert eher für . Für die mathematische Rundung auf die -te Nachkommastelle ist jedoch die Kenntnis von (mindestens) erforderlich.

Das Abbrechen einer mit Nachkommastellen vorliegenden Zahl – z. B. so aus Messwerten errechnet oder vom Messgerät abgelesen – Nachkommastellen kann beim Rechnen mit gerundeten Zahlen sinnvoll sein, oder wenn man weiß, dass das Gerät zwar Nachkommastellen anzeigt, aber nur davon zuverlässig messen kann.

Abrunden[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Gaußklammer :, auch Gauß-, Ganzzahl- oder Abrundungs-Funktion genannt, bildet jede reelle Zahl auf die größte ganze Zahl ab, die nicht größer ist als die reelle Zahl.

Folgerungen:

  • Die Gaußfunktion ändert nicht das Vorzeichen, kann aber eine positive Zahl auf null abbilden.
  • Für positive Zahlen in Stellenschreibweise ist die Anwendung der Gaußfunktion identisch mit dem Abschneiden der Nachkommastellen (einschließlich des Kommas).
  • Für jede negative nicht-ganze Zahl ist der Betrag des Funktionswerts größer als der Betrag der Eingangszahl.

Um eine positive nicht-ganze Zahl in Stellenschreibweise so abzurunden, dass nur noch die -te Nachkommastelle beibehalten wird (sie auf die -te Stelle nach dem Komma abzurunden), schneidet man einfach die weiteren Nachkommastellen ab. Im Dezimalsystem ist unter Verwendung der Gaußklammer der aus auf die -te Nachkommastelle abgerundete Wert

.

Aufrunden[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Gegenstück zur Gaußklammerfunktion ist die Aufrundungsfunktion (auch obere Gaußklammer), die einer reellen Zahl die ganze Zahl

zuordnet. Der auf die -te Nachkommastelle aufgerundete Wert einer positiven reellen Zahl ist .

Rundung im Computer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da Gleitkommazahlen im Computer nur einen bestimmten, endlichen Speicherbereich belegen, ist die Genauigkeit von Natur aus eingeschränkt. Nach mathematischen Operationen (wie der Multiplikation) entstehen zudem in der Regel Zahlen, die eine höhere Genauigkeit benötigen würden. Um das Ergebnis dennoch darstellen zu können, muss in irgendeiner Weise so gerundet werden, dass die Zahl in das vorgesehene Zahlenformat (z. B. IEEE 754) passt.

Das einfachste Rundungsschema ist das Abschneiden (engl. truncation oder chopping): Eine Zahl wird links eines bestimmten Punktes stehen gelassen, der Rest fallen gelassen. Dadurch wird sie auf die nächstmögliche Zahl abgerundet. Zum Beispiel wird, wenn man auf null Nachkommastellen rundet, aus eine . Diese Methode ist sehr schnell, sie leidet aber unter einem verhältnismäßig großen Rundungsfehler (im Beispiel beträgt er ). Das Abschneiden ist jedoch eine unverzichtbare Methode in der digitalen Signalverarbeitung. Als einzige Methode kann mit ihr sicher ein instabiler Grenzzyklus durch Rundungsfehler in digitalen Filtern verhindert werden.

Als weiteres Rundungsschema wird ebenfalls das kaufmännische Runden verwendet (engl. round-to-nearest). Man addiert dabei vor dem Runden auf die zu rundende Zahl und schneidet danach ab. Im Beispiel hieße das, dass abgeschnitten wird zu . Der Fehler beträgt hierbei nur . Allerdings ist dieses Runden positiv verzerrt.

Daher zieht man das mathematische Runden in Betracht (engl. round-to-nearest-even), das bei Zahlen, die auf enden, jeweils zur nächsten geraden Zahl rundet. Dieses Rundungsverfahren ist im IEEE-754-Standard vorgesehen. Alternativ kann auch auf die nächste ungerade Zahl gerundet werden (engl. round-to-nearest-odd).

Wenngleich das mathematische Runden eine gute numerische Leistung zeigt, benötigt es doch eine vollständige Addition, da das Übertragsbit im schlimmsten Fall durch alle Stellen der Zahl wandert. Damit besitzt es eine verhältnismäßig schlechte Laufzeitleistung. Als mögliche Umgehung dieser Problematik bietet sich eine vorgefertigte Tabelle an, die die gerundeten Ergebnisse enthält, welche nur noch abgerufen werden müssen.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Isaiah Lankham, Bruno Nachtergaele, Anne Schilling: Linear Algebra as an Introduction to Abstract Mathematics. World Scientific, Singapur 2016, ISBN 978-981-4730-35-8, S. 186.
  2. Kaufmännisches Runden – Was ist kaufmännisches Runden? Billomat GmbH & Co. KG (Nürnberg), abgerufen am 31. März 2018 (erläutert besonders den Umgang mit gerundeten Zahlen).
  3. Didaktik der Zahlbereiche (PDF; 118 kB) Universität Augsburg, C. Bescherer.
  4. Bronstein: Taschenbuch der Mathematik
  5. How To Implement Custom Rounding Procedures – Article 196652, Microsoft Support (2004).
  6. a b J. N. Bronstein, K. A. Semendjajew: Taschenbuch der Mathematik. Hrsg.: Günter Grosche, Viktor Ziegler. 20. Auflage. Verlag Harri Deutsch, Thun und Frankfurt/Main 1981, ISBN 3-87144-492-8, Abschnitt 2.1. „Elementare Näherungsrechnung“ (bearbeitet von G. Grosche), Abschnitt 2.1.1.
  7. a b Bronstein/Semendjajew: Taschenbuch der Mathematik. 20. Auflage. 1981, Abschnitt 2.1.1.1. „Zahlendarstellung im Positionssystem“, S. 149.
  8. a b c Bronstein/Semendjajew: Taschenbuch der Mathematik. 20. Auflage. 1981, Abschnitt 2.1.1.2. „Abbruchfehler und Rundungsregeln“, S. 150.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Wiktionary: Rundung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen