I Storbritannien har de overtrådt en af matematikkens love (se nedenfor, hvilken overtrædelse, det drejer sig om), da de tegnede fodbolde på vejskiltene:

Det har fået Matt Parker, til at lave en underskriftsindsamling mod dette uvæsen. Matt Parker er “Stand up Matematiker” og mener det nok på den ene side ikke så alvorligt og på den anden side er det en mulighed for at få matematik på dagsordenen, som netop Matt nok ikke vil overse.

Problemet med de fodbolde er, at de er dækket af et mønster af sekskanter. Her går jeg ud fra, at skiltemaleren tænker sig mønsteret fortsætte på hele fodbolden. Man kan ikke sætte sekskanter sammen, så de dækker en fodbold. En traditionel fodbold har en blanding af sekskanter og femkanter.

Hvor ved vi så det fra? Svar: Det siger Euler.

Eulerkarakteristik

En polygon har lige mange hjørner og kanter:

En polygon er (i denne sammenhæng) en cirkel, som er knækket og rettet ud, så der bliver et antal linjestykker (kanter) og knækpunkter (hjørner). Hvis man bliver mere liberal i sin definition gælder ovenstående muligvis ikke – og det kan være sværere at definere, hvad kanter og hjørner er.

Et polyeder får man ved at opdele kuglefladen i trekanter, firkanter, femkanter,….  – kald dem sider efter følgende regler:

1. To sider kan mødes i et hjørne, en fælles kant eller slet ikke
2. En side skal være det, der ligger indenfor en polygon – som ovenfor.

Eulers polyederformel siger om sådan et polyeder:

Antal sider – Antal kanter + Antal hjørner =2.

Traditionelt skriver vi .

F for “faces”, E for “edges”, V for “vertices”.

Man får 2, uanset, hvordan vi har delt kuglefladen op efter opskriften ovenfor.

Tilbage til den britiske afstemning og vejskiltene:

Hvordan ved vi, man ikke kan sy en fodbold af sekskantede stykker? (Hvor man overholder ovenstående princip om at mødes langs enten kant, hjørne eller ikke mødes. Man kan naturligvis godt sy to sekskanter sammen til en besynderlig fodbold. ) Lad os antage, at vi har syet sådan en fodbold.

• Alle kanter deles af præcis to af stykkerne og der er 6F kanter, inden vi syr sammen. Heraf:
• Ved hvert hjørne er det mindst tre stykker, der mødes (Er der kun to, vil de dele mere end én kant.) Der er 6F hjørner, inden vi syr sammen.
  Heraf:

(tænk over det. )

Nu regner vi – sætter ligning og ulighed ind:

men vi ved jo , så den går ikke.

Hvor mange femkanter skal man bruge sammen med sekskanterne?

Hvis vi laver fodbold med femkanter og sekskanter, og forlanger, præcis 3 skal mødes i hvert hjørne, så får vi ved ræsonnementet ovenfor

Flyt lidt rundt og få 

Leddene med går ud. Tilbage står, at der skal være præcis 12 femkanter. Uanset antallet af sekskanter. Jeg ved ikke, hvor mange sekskanter, man kan have. 0 er ok – det giver et dodekaeder. 20 er også ok – det giver en sædvanlig fodbold.

 

Sekskanter og baderinge:

Hvis man ikke syr fodbolde men baderinge, kan man godt lave dem af sekskantede stykker:

Hvis vi dækker en torus (en badering) med stykker som ovenfor og tæller F, E, V, så får vi . Eulerkarakteristikken af en torus er 0. Nu kan vi ikke afvise, at vi kan dække med sekskanter – kravet var jo . M.a.o. skal vi sy en torus af sekskanter, så skal de mødes præcis tre i hvert hjørne.

Regulære polyedere:

går vi tilbage til opdeling af kuglefladen ved vi, den ikke kan dækkes af sekskanter. Lad os sige, vi vil dække med n-kanter (vi ved ikke, hvad n er, men det skal holdes fast.) Og at der skal være tre, der mødes ved hvert hjørne. Så siger Euler

Reducer og få

F er positivt og . Altså er , så kan være 1,2,3,4,5, men det er antal sider i en polygon, så 1,2 duer ikke. man kan altså kun bygge regulære polyedere med trekanter, firkanter og femkanter.

Kig lidt nærmere på det (eksempelvis skal der og være hele tal, da de er antal hhv. kanter og hjørner) og (gen)find de fem regulære polyedere:

Mere luft under vingerne:

Eulerkarakteristik har mange anvendelser, kan generaliseres til højere dimensioner, kan sige noget om datamængder og meget mere. Lidt mere tilgængeligt. Hvor mange kan man  sætte sammen med de 12 femkanter, hvis man vil lave en ny slags fodbold med femkanter og sekskanter?

 

 

 

 

 

Det britiske Open University har i samarbejde med UK Mathematics Trust lanceret Perplex. Det er en app (du kan finde den til både Android og iPhone)  og et website, hvor man kan spille “matematiske” spil eller måske nærmere løse opgaver, som har en underliggende matematisk forklaring.

Jeg har ikke leget så meget med det – lige nu er der ikke særlig mange opgaver og legepladser i det, men det kommer jo nok. Det går, så vidt jeg kan se, ud på at løse opgaverne i færrest mulig “træk” – så får man stjerner og kan gå videre til næste (type) opgave.

Lærer man mon matematik af at lege med den slags opgaver? Njah, måske. Det kommer nok an på, om man tænker over, hvad man gør. At lave en strategi for at bruge færre “træk” kan der være meget matematik i. Der er i hvert fald en del strategisk “hvis … så” i det. Desuden er der en forklaring på matematikken bag de forskellige spil. Fire-farveproblemet, latinske kvadrater, talteori, Goldbach formodningen,…

Der er mange andre spil med logisk/matematisk tilsnit både online, brætspil etc.

Her er et par sites:

Angela und Otto Janko  har en stribe “logikrätzel” , “zahlenrätzel” – Sudokuagtige puslerier – og andre, som kan løses interaktivt. Sitet er primært på tysk, men det er nu ikke svært at forstå.

MathIsFun har også puzzles and games.

ThinkFun  har lagt en del af deres spil ud i en online version.

Der er masser af matematik om det at spille spil:

• er der en vindende strategi? En algoritme/opskrift, som altid vil føre til, at den, der starter (og bruger strategien) vinder.
• vil der altid være en vinder?
• slutter det altid? Og hvor lang tid tager det højst/mindst?
• etc.

Det er et enormt emne – der er skrevet bøger om det. Men jeg skal ikke rode mig ud i mere. I skal sikkert videre med et spil RushHour, en Rubiksterning, Hanois tårne, et spil Set, Ricochet Robots … Dem er der allesammen matematik i. Men det er der også i skak, dam, mølle, kryds og bolle,….

Lige nu er der tryk på gymnasierne – reformen skal sættes igang for 1g’erne og 3g’erne skal vælge emner og fag til studieretningsprojekter, SRP. Her på bloggen kan vi muligvis give indspark til SRP ved at give en oversigt over, hvad vi har haft blogindlæg om.

Disclaimer: Husk først at tale med gymnasiets lærere om de vilde forslag, du måske kan finde her. Vi er ikke gymnasielærere og kender ikke dine præcise forudsætninger. Og måske ved vi heller ikke helt så klart, hvad der kræves i et SRP.

Her er en oversigt over indlæggene (jeg har udeladt dem, der ikke er matematik i):

 

Sker der noget nyt i matematik? om de mange, mange nye artikler (100.000 om året) og resultater, der kommer i matematik.

Fra fladt papir til krumme flader. Om matematikken bag, hvordan grafén kan komme til at krumme.

Hvad er det næste tal? Om følger af hele tal, som de eksempelvis optræder i IQ-tests og om Neil Sloanes oversigt over rigtig mange af den slags følger. Og hvorfor det kan være nyttigt for anden end IQ-test.

Smilehuller og rynker – golfbolde og fingeraftryk Et nyt resultat om, hvordan lagdelte stoffer danner mønstre på overfladen. Matematikken er krumning og geometri.

Gæt næste tal i rækken Næste tal i rækken kan være hvad som helst. Men kan altid finde et system, der begrunder, at næste tal er det, man nu vil have, det skal være.

Studiepraktik. Kom og besøg os. Studiepraktik i 2015. Det gør vi igen i 2016. Der kom senere et indlæg om, hvad der var foregået. 

Krumning – indre og ydre Om den matematiske måde at tale om krumning på.

Verdens Statistikdag 20/10 2015 var Verdens Statistikdag ifølge FN. Der er rigtig gode grunde til at sætte fokus på at have gode data. Og altså hylde statistikken.

Findes der matematiske genier? Matematikere får ikke ideer ved at ligge på stranden og være geniale. Der er masser af hårdt arbejde involveret. Læs også, hvad Terence Tao har sagt om netop det.

Idag er det Booles fødselsdag. Hurra hurra… Om Boole og hans bidrag til matematik, elektronik, datalogi,…

Et nyt resultat om kompleksitet(?)- rygters bureau. Det forlød, at et nyt resultat om kompleksitet af grafisomorfiproblemet ville blive præsenteret – og rygtet talte sandt,. på bloggen skrev vi om, hvad det gik ud på.

abc-formodningen. Nej, det er ikke noget med alfabetet. En matematisk formodning, som påstås bevist i en række artikler, som der er meget få, der mener, de forstår. Men på bloggen kastede vi os ud i en forklaring af, hvad formodningen siger. Det er ikke helt så svært.

Mod det uendelige univers. Uendelighed har vi under en form for kontrol i matematik. Vi har definitioner, så vi ved, hvad vi taler om. Det forklarer vi i dette indlæg.

Hvor ved vi fra, at logaritmefunktionen går mod uendelig? Titlen siger vist, hvad dette handler om…

Epsilons hemmelighed. En julekalender, som ikke er der. Bloggen havde ikke en julekalender, men der er links til andre matematikblogs, som har julekalender.

Komplekse tal og flotte mønstre. Matematik kan bruges til at lave flotte mønstre. Her er det med udgangspunkt i de komplekse tal. Nærmere bestemt Gaussiske primtal – se mere i indlægget.

Nyt år i matematik I anledning af nytår kom et indlæg om anvendt matematik og forbindelserne til og fra matematik, som endnu ikke bruges i andre fagområder. Med udgangspunkt i en artikel skrevet af Ingrid Daubechies.

Matematikfilm fra gamle dage. Amerikanske film om matematik. Fra 60’erne.

Hvordan man kommer til kort. Om matematikken bag landkort – fra den runde jord til flade kort.

Cantormængden. De reelle tal er så sære, at man bliver helt svimmel. Cantormængden er et af mange eksempler på dette.

Meget store primtal. Der blev fundet endnu et meget stort primtal. Indlægget handler om primtal og hvorvidt det er interessant, at der er endnu et meget stort et. (Hint: det er det sådan set ikke).

Cantormængder – på den fede måde. Andre sære delmængder af de reelle tal – her “fede Cantormængder”.

Mød AAUs matematikere – nogen af dem. Henvisning til foredrag for gymnasieelever og andre matematikinteresserede i Ungdommens Naturvidenskabelige Forening.

For få kvinder på Læsø? Det gav store overskrifter, at “kvinderne forlader udkantsdanmark”. Her forklarer vi, hvordan man analyserer den slags tal. Om data kunne være udtryk for noget tilfældigt eller det ser ud til at være noget andet.

Når livet er lineært. er titlen på en bog. Indlægget drejer sig om at bruge smarte metoder fra lineær algebra til billedbehandling.

Når livet er lineært II Mere fra samme bog. Her om matricer og grafer (netværk).

Kan man skrive en børnebog om Fermats sidste sætning? Ja. det kan man. Indlægget forklarer noget om Fermats sidste sætning og om den danske børnebog, der handler om en del af beviset.

Turingprisen til Diffie og Hellman. Turingprisen blev givet for Kryptering med offentlig nøgle. Indlægget forklarer, hvad det går ud på og hvad Diffie og Hellman har lavet.

Hvorfor er der kvaternioner i mit computerspil? Kvaternioner bruges til at beskrive rotationer. Vi fortæller, hvordan det hænger sammen. Og hvad kvaternionerne er.

Idag er det Einsteins fødselsdag. Hurra, hurra, hurra (og det er Pi-dag). Om tallet pi og hvorfor det dukker op så mange steder.

Abelprisen 2016 gik til Andrew Wiles.

Steffen Lauritzens tiltrædelsesforelæsning. Steffen tiltrådte som adjungeret professor. Indlægget handler om grafiske modeller, som Steffen har være primus motor i at udvikle.

Keplerproblemet er løst i dimension 8 og 24 Keplerproblemet drejer sig om kuglepakninger. Man kan pakke kugler i højere dimensioner. Og man kan spørge,hvor tæt de kan ligge. Det er nu besvaret i dimension 1,2,3, 8 og 24. Vi forklarer, hvordan det mon kan være, at det netop er de dimensioner.

Symmetri og kvasisymmetri. Friser, fliser, tapeter og krystaller. Symmetri har en helt bestemt betydning i matematik. Vi forklarer om, hvordan man “regner” med symmetri. Og om fliselægninger, der ikke har symmetri, selvom der bruges de samme fem fliser hele tiden.

Om ligningen på vores Flyt Verden sider. På AAUs “Flyt Verden” sider bruger vi ligningen . Her forklarer vi, hvad den betyder.

Lidt mere om symmetri og det, der ligner. Mønstre, der ser regulære ud, men ikke passer helt ind i beskrivelsen af symmetri, er måske dele af symmetri i højere dimension. Den indsigt – om kvasikrystaller – gav Nobelprisen. Vi forklarer noget af dette.

Matematik og vira. En meget ny anvendelse af symmetri er på virus og deres muligheder for at udvikle sig. Det fortæller vi om her.

Olympisk matematik. Mest om orden. Rangordning af lande efter OL-medaljer er en funktion fra medaljer til de naturlige tal. Der er mange måder at gøre det på. Bør funktionen også afhænge af befolkningens størrelse, af BNP, af …

Andre gode blogs. Jo, de findes. Henvisning til andre (fortrinsvis engelsksprogede) blogs og websites om matematik.

Hvordan kan man regne på/med information, man ikke kan se? Når flere firmaer eller personer vil udføre en beregning, sammenligning, auktion, afstemning… hvor deres “private” data indgår og andre ikke må få adgang til det, så har man brug for kryptografi. Secure multiparty computation er denne branche. Matematikken forklares her.

Den matematiske version af hønen og ægget. Hvad kom først, sinus, cosinus og eller koordinatsystemet? Fra abstrakt analyse til linje, plan, vinkel. Herunder et argument for, at er irrationalt og hvordan man kan finde så mange decimaler, man vil, hvis man kan differentier den inverse funktion til tangensfunktionen.

Sofa-konstanten og Euler-mursten. Nogle uløste matematiske problemer, som kan forstås. Hvor stor en sofa kan man skubbe gennem en gang, der knækker? Og findes der kasser hvis længde, bredde, højde, diagonaler på sidefladerne og hoveddiagonal allesammen er hele tal?

Retfærdighed og kager. Om at dele noget – kager, landområder,… så det er retfærdigt, eller alle bliver så tilfredse som muligt. Man skal først beslutte, hvad man mener med retfærdigt – der er flere muligheder. Misundelsesfrit er en mulighed. Vi forklarer de forskellige muligheder og en algoritme, som er helt ny, som laver en misundelsesfri opdeling i mange stykker af typen “du deler, din søster vælger først”. (OBS: Det er ikke bare lige store stykker. Måske kan du bedst lide flødeskum og din søster kan bedst lide chokolade.)

Collatzformodningen. Et uløst problem, som bl.a. bruges til at teste computere. Begynd med et tal. Hvis det er lige, så del med 2. Hvis det er ulige, så gang med 3 og læg 1 til. Gør det igen. Formodningen er, at du ender med at få 1.

Problemet med lykkelig slutning. Endnu et uløst problem. Din værste fjende har tegnet nogle punkter i planen – der må ikke ligge tre eller flere på linje. Hvor mange skal der være for at du altid kan vælge 4 af dem ud og forbinde dem til en konveks firkant (en, der buler udad). Svar: 5. Skal man lave en 6-kant er svaret 17. For en 7-kant (eller n-kant med n >6) ved vi det ikke.

Uafhængighed og noget om plat og krone. Slå et antal gange med en mønt. Er hændelsen “Der optræder både plat og krone undervejs” uafhængig af hændelsen “Plat optræder højst en gang” uafhængige? Man skal have defineret uafhængighed – derefter viser det sig, at de to hændelser er uafhængige, hvis man slår præcis tre gange, hverken flere eller færre.

Julenørderier. Matematisk julepynt… Bl.a. et Sierpinski-juletræ og en Møbiusjulekugle…

Helfgott finder fejl i Babais artikel om Grafisomorfiproblemet. Tidligere har vi skrevet om et nyt resultat om kompleksitet. Nu viser det sig at være forkert… måske.

AAU-matematikere går til filmen. Der er nu fire halvtimesfilm i serien 10 danske matematikere. AAU har leveret en om kodningsteori og en om geometri/topologi/dimension.

Grafisomorfialgoritmen er nu rettet. Der var en fejl, men den kunne rettes.

Rumudfyldende kurver – med anvendelser! Man kan lave en kontinuert kurver, som går igennem alle punkter i planen. Det er matematisk en vildt fascinerende opdagelse. Og det gav Cantor og andre sjælelige problemer… Og nu anvendes det til at arrangere højeredimensionalt data på en linje.

April i matematikkens og statistikkens tegn. Diverse henvisninger til materiale fra den amerikanske Mathematics Awareness Month, som i 2017 var om statistik. Også nogle videoer…

Polymath- matematik i fællesskab, online åbent for alle. Et nyt projekt under Polymath er Rotaformodningen, som vi forklarer her. Det handler om basis for vektorrum.

I morgen er det Einsteins fødselsdag. Og pi-dag. Mest om nogle opgaver, som har noget med at gøre.

Abelprisen går til Yves Meyer. Om wavelets og Abelprisvinderens rolle i det område.

Den Gaussiske KorrelationsUlighed. Et bevis, der blev gemt og glemt. Har man data med to koordinater – højde, vægt eksempelvis – kan man tale om sandsynligheden for at punkter ligger i et område i planen. Her drejer det sig om et rektangel omkring punktet (gennemsnitshøjde, gennemsnitsvægt). Og sammenhængen med intervaller omkring hhv. gennemsnitshøjde og gennemsnitsvægt. Det forklarer vi bedre i blogindlægget…

Vores matematiske hjerne. Et link til en kronik, jeg skrev engang. Om at tænke på og med matematik.

Flyt Verden med Eulers formel. Om eksponentialfunktioner, sinus og cosinus, komplekse tal. Også noget om, at der er flere måder at indføre eksponentialfunktionen – matematik kan ses fra mange sider.

Fugle i flok, cellulære automater og emergens. Om simple regler, som giver anledning til komplekse mønstre og opførsel. Med udgangspunkt i en ny togstation i Campbridge.

Linjerede flader – struktur og design – og matematik. Man kan bygge smukt krummede flader ved brug af linjer. Hyperboloider og hyperbolske paraboloider. Vi giver matematik og billeder af bygninger.

Hvor mange forskellige trekanter findes der? Der er uendelig mange. Vi kvalificerer spørgsmålet og svarer i en vis forstand med en ny trekant. Det er matematikken kerneopgaver – klassifikation, præcisering af  spørgsmål, abstraktion… og jeg har ikke læst det andre steder.

Sandbunker – matematik, fysik og flotte billeder. Igen noget med simple lokale regler, som giver interessant global opførsel. Der er forbindelser til differentialligninger i fysik og igen smukke billeder.

 

 

I 1987 fandt fysikerne Bak, Tang og Wiesenfeld på “sandbunker” en model for “self organized criticality”. Det vil jeg ikke vove mig ud i at forklare i detaljer, men det svarer til en slags faseovergang, som vi kender det fra materialer, der går fra fast til flydende til dampform. Det selvorganiserede indikerer, at systemet kommer i en særlig fase uden man behøver at påvirke det med eksempelvis varme. Sandbunker er en slags generalisering af  cellulære automater, som vi har set på tidligere. Celulære automater kan give komplicerede mønstre, men det kræver lidt arbejde og sker bestemt ikke altid. Sandbunker gør det af sig selv. Det er aktuel forskning, der er forbindelser til mange områder, både i teoretisk fysik og i kontrol af robotter.

Her er et billede af sådan en sandbunke – fra Sandpile Galleries på Carnegie Mellon 

Andre havde opdaget sandbunkerne fra et kombinatorisk synspunkt – uden fysik. På billedet er farverne antal sandkorn i en pixel Blå = 0, lyseblå =1, gul=2, rødbrun=3.

Lidt at fundere over. Der er ret skarpe grænser mellem farverne. Nærmest fraktalagtigt.  Zoom ind på midten og se en blomsteragtig struktur

 

 

 

Zoom ind på randen og se spidser og bratte overgange – et randfænomen.

 

Man laver en sandbunke efter følgende regel: Opdel planen i felter, ovenfor er det

Hæld sand ud over – fordelt på hver pixel. Begynd nu en proces, hvor stablerne vælter efter en fast regel:

For eksempel:

Hvis der er mere end 4 sandkorn på felt (x,y), så fjern de fire og læg en på hver af (x+1,y), (x-1,y), (x,y+1), (x,y-1). Bliv ved med det. Billedet ovenfor er lavet ved at starte med sandkorn i origo og lade dem vælte ud. Nedenfor er man startet med sandkorn. Og nedenunder det har jeg zoomet ind på det med .

 

Zoom ind på det første billede:

Nogle grundlæggende egenskaber ved sandbunker:

1. Det er lige meget, hvilket felt man “vælter” først. Resultatet bliver det samme efterhånden. Man siger, sandbunker er Abelske. OBS: For cellulære automater skal man udføre et “move” på alle pixels på en gang.
2. Det stabiliserer. Uanset starten vil der efterhånden ikke være mere at vælte.

Mere generelt kan man erstatte opdelingen af planen i et gitter med en graf, hvor der er regler for, hvordan sand fordeles ud fra hjørnerne. eller man kan lave et andet gitter i planen.

Man kan lade området være begrænset, så sandet vælter ud over kanten, hvis det når en randpixel. Gør man det, vil sandbunken ende med i gennemsnit 2,125 sandkorn pr. pixel. Begynder man med at have 3 på hver pixel, vil det naturligvis forblive sådan. Men dropper man et enkelt sandkorn et sted, vil det starte en serie af laviner, som ender med ca. 2,125 korn pr. pixel. (Det har jeg læst i Nautilus)

Videoen viser et 255×255 grid, som har indstillet sig i ligevægt med 2,125 korn pr pixel. Man tilføjer et enkelt sandkorn (af gangen, I presume)  i midten og et smukt system af laviner udfolder sig. Farverne fortæller, hvor mange gange sandet i den den pixel “er væltet”.

David Perkinson og Brian Head har lavet software, hvor man kan lege med sandbunker.

 

 

Rotorregler – mobile overvågningsrobotter.

En anden type sandbunkeregler er rotorregler, som man eksempelvis bruger til at studere mobile overvågningsenheder. Hver pixel sender sandkorn (robotter) i retninger, som skifter cyklisk –  eksempelvis nord, øst, syd, vest. Hvis alle skifter i takt og starter mod nord kan man studere et sandkorn, der starter i Origo. Det gennemgår (0,0), (0,1), (1,1), (1,0), (0,0). Med aggregerede rotorregler stopper sandkornet, når det kommer til en fri pixel. Sandkorn nummer 1 vil stoppe i (0,0). Sandkorn 2 begynder, når pilene peger mod øst, så det stopper i (1,0) Sandkorn 3 sendes til (0,-1). De pixels, der er besat efter 3 skridt er altså . Billedet nedenfor viser de pixels, der er besat efter sandkorn er myldret ud fra Origo. Farverne er den retning, den pågældende pixel pegede, da den blev “besat”. Man må nok forestille sig, at de mobile enheder kigger i den retning. Billedet er fra artiklen Laplacian Growth, Sandpiles and Scaling limits.Lionel Levine og Yuval Perez, Bulletin of the AMS, Juli 2017.. Der kan man finde mange matematiske spørgsmål om sandbunker, både løste og uløste.

 

 

 

Kom og besøg os. Gymnasieelever er inviteret til tre dages besøg på Aalborg Universitet.

Vi har tre matematikuddannelser

1. Matematik (som også omfatter statistik.)
2. Matematik-Økonomi.
3. Matematik-Teknologi.

Du kan få et indtryk af alle tre uddannelser plus lære noget matematik. Du møder nogen måske kommende medstuderende og hører om

Differensligninger ved Jakob Gulddahl Rasmussen

Signalbehandling med lineære filtre ved Zeineb Al-Jawahri 

Endelige legemer: Fejlkorrigerende koder og morgendagens kryptografi, ved René Bødker Christensen

Differensligninger og regression med økonomiske anvendelser, v/Esben Høg

Symmetri. I matematik, fysik, biologi og rundt omkring os v/ Lisbeth Fajstrup

Du får en introduktion til uddannelserne:

Karrieremuligheder og studievalg ved Morten Grud Rasmussen.

Og så er der mad, der er “after study”, fælles for alle, der er på studiepraktik og genrelt mulighed for at opleve både AAU og Aalborg. Læs mere på Studiepraktiksiderne for Matematikuddannelserne.

(Lige nu henvises til  programmet for 2016, men det bliver opdateret meget snart.)

 

Dumt spørgsmål. Der er (mindst) to problemer: Hvad betyder forskellige? Og næsten uanset, hvad det betyder, så er der nok uendelig mange. Hvilket igen kan betyde flere ting, for vi har forskellige slags uendelig….

Det er typisk i matematik: Spørgsmålene skal justeres, før vi kan få et meningsfuldt svar.

I løbet af sommeren har der været forskelige “svar” på lignende spørgsmål: Hvor mange billardborde findes der med visse egenskaber (sætter man en kugle til at rulle, vil den enten i det lange løb komme vilkårligt tæt på alle punkter på billardbordet eller gentage den samme bane igen og igen) – se Quanta Magazine .

Hvis en femkant skal kunne bruges som eneste flise i en fliselægning, som dækker hele planen, hvad kan man så sige om den femkant? Svar: Der er 15 forskellige muligheder.

Tilbage til trekanterne. I skolen er to trekanter ens, hvis de er kongruente. To figurer er kongruente, hvis man kan få den ene til at ligge præcis oveni den anden ved at parallelforskyde og dreje  – og sommetider tillader man også spejling.

Paralleforskydning, drejning og spejling bevarer vinkler, længder og arealer, så vi har følgende

1. Hvis to trekanter er kongruente, så er deres vinkler parvis ens.
2. Hvis to trekanter er kongruente, så er deres sidelængder parvis ens.
3. Hvis to trekanter er kongruente, så har de samme areal.

I geometri i gymnasiet eller grundskolen har de fleste set eksempler på argumenter “den anden vej”:

• Hvis to trekanter har parvis ens sidelængder, så er de kongruente.
• Hvis en vinkel og de to hosliggende sider er lige store, er de kongruente.
• Hvis en side og de to hosliggende vinkler er lige store, er de kongruente.

Illustrationen er fra Wikipedia:

Lad os stille spørgsmålet igen: Hvor mange forskellige trekanter er der, når kongruente trekanter anses for ens?

Igen er svaret uendelig mange, men der er et bedre svar, nemlig en klassifikation. Ovenfor genkaldte vi resultatet fra gymnasiet: Hvis to trekanter har parvis ens sidelængde, så er de kongruente.

M er mængden af alle trekanter. Den opdeler vi  i kongruensklasser – en kongruensklasse K er en delmængde af M, hvori alle trekanter er kongruente og sådan at trekanter udenfor K ikke er kongruente med trekanter i K. Det giver en opdeling af M i delmængder, som ikke har noget fælles med hinanden – disjunkte delmængder. (Man kan vise, kongruens er en ækvivalensrelation og udlede det derfra. ) Notationen [T] står for den kongruensklasse, som indeholder trekanten T, altså alle de trekanter, som er kongruente med T.

Definer en funktion F:M ->  ved , hvor a,b,c er sidelængderne for T og .

Et par observationer:

hvis og kun hvis er kongruent med . Så vi kan definere

G: {kongruensklasser af trekanter } ->  ved .

Vi ville gerne kunne sige: Der findes præcis en kongruensklasse for enhver vektor med – det ville give en klassifikation; en direkte oversættelse fra trekanter til bestemte vektorer i rummet og tilbage igen. Altså en invers til funktionen G.

Men det er helt sikkert forkert: er ikke sidelængderne i en trekant. – Den sidste sidelængde er “for lang”.  Det er ikke alle sådanne (x,y,z), som er i billedmængden for F.

Trekantsuligheder

I en trekant opfylder sidelængderne (a,b,c) følgende uligheder:

1. .
2. .
3. .

Når vi navngiver, så , er ligning 2 allerede opfyldt. Ligning 3 kan udledes:
, så nu er spørgsmålet:

Kan vi altid  finde en trekant med sidelængder , hvis bare opfylder og ?

Det kan vi. Det kan man f.eks. se som følger:

Cirklen med centrum i (0,0) og radius a skærer cirklen med centrum i (c,0) med radius b i et punkt P, som ikke ligger på x-aksen. trekanten med hjørner (0,0), (c,0) og P har sidelængder som ønsket. Punktet P=(x,y) kan findes som skæringspunkt mellem de to cirkler, altså som løsning til et ligningssystem:

Ligningen for cirkel 1 og for cirkel 2 . Det giver

og . Der er to muligheder – cirklerne skærer hinanden ovenfor og nedenfor linjestykket (0,0) – (c,0).

Eller man kan bruge, at cirkler er kontinuerte kurver og se, at de passerer x-aksen i hhv. -b, b og c-a og c+a. Da c-a < b må de to kurver skære hinanden for at nå til yderpunkterne (-b,0) og (c+a,0).

Konklusion:

Der findes præcis en kongruensklasse af trekanter for hvert  , som opfylder  og .

Det er et klassifikationsresultat. Det udnytter, at sidelængder er invariante under de flytninger, vi tillader i kongruensrelationen. Og omvendt, at trekanter med samme sidelængder er kongruente. Desuden skulle vi have skåret billedmængden for F til. Her kan vi endda konstruere en trekant med de givne sidelængder. Det kan man ikke altid i klassifikationsresultater – ofte ved man blot, der findes en.

Andre spørgsmål, man kan stille er.

• Hvis afstanden fra (a,b,c) til (x,y,z) er lille, kan man så sige noget om afstanden mellem de tilsvarende kongruensklasser af trekanter? (Ja, hvis man definerer afstand mellem trekanter passende.)
• Hvad kan man sige om 4-kanter?
• Hvis trekanter er ens, når de er similære (den ene er kongruent til en skalering af den anden), kan man så klassificere dem? (Ja. Skaler, så den længste side er 1 – det må man godt, da similær=ens. der er nu en similaritetsklasse for hvert par (a,b) med og . Den mængde kan I tegne i planen. Det bliver en trekant med hjørner (0,1), (1,1) og (1/2,1/2). )
• og meget mere….

Klassifikation er en matematisk grunddisciplin a la biologernes kortlægning af dyr og planter. Det er nysgerrighedsdrevet, men ofte også meget praktisk anvendeligt. Klassifikation af krystalstrukturer er matematik, men grundlæggende for kemi.

 

 

I skoven ved Gisselfeld kloster skal der bygges en trætops-sti – a treetop walk, og matematikeren glæder sig allerede. Den ender i et 50 meter højt observationstårn:

Billede fra EFFEKT, som er arkitektfirmaet bag.

Endnu et billede fra EFFEKTs flotte side om projektet. Faconen på tårnet giver mulighed for et helt andet blik end en traditionel cylinder ville have gjort.

Udover at være fantastisk flot, er det også smuk matematik. Og en god og effektiv konstruktion. Ydersiden af tårnet danner, som man kan se, en flade, en hyperboloide – det er en omdrejningsflade: Tag en hyperbel og roter den – de kurver, der er tegnet ind på de øverste to hyberboloider nedenfor, er hyperbler.

Fra Wikipedia – Creative Commons Attribution ShareAlike.

Hyperboloiden er også en kvadratisk flade: Den er løsningsmængde til ligningen for passende a og b.

Men det fineste er, at den er en dobbeltlinjeret flade. En dobbeltlinjeret flade indeholder to linjer gennem ethvert punkt. Og havde man ikke lige set tegningen ovenfor, skulle man tro, der så ikke kunne være andre muligheder end en plan. Men det er der tydeligvis. Sådanne flader har, hvis det ikke er planen, negativ Gausskrumning – alle punkter er sadelpunkter. Det buler skiftevis nedad og opad mellem linjerne.

Tårnets facon svarer til at rotere 120 grader i animationen her (fra Wikipedia)

Det giver en stærkere og mere robust konstruktion end en cylinder – formentlig fordi der er linjer på begge ledder, det er et dobbelt grid – og det er let at bygge dem. De bruges især til køletårne. Det skyldes, at flow op igennem hjælpes på vej af faconen. Luft trækkes op af termiske effekter kombineret med faconen – det har jeg lært af en ingeniør-phd-studerende; jeg vil ikke rode mig ud i en nærmere forklaring….

Udover hyperboloiderne,  er planen og  hyperbolske paraboloider de eneste dobbeltlinjerede flader.

En hyperbolsk paraboloide som indgangsportal. Fra Hardeknud spejderne.

Hyperbolske paraboloider er også kvadratiske flader: – og i øvrigt også , hvis man drejer koordinatsystemet

Hyperbolske paraboloider og hyperboloider er gode konstruktioner – som Steen Møller forklarer det her:

Gaudis bygninger i Barcelona har mange anvendelser af kvadratiske flader – også hyperbolske paraboloider og hyperboloider. Den britiske arkitekt Norman Fosters bygninger er også ofte dobbelt grids – min favorit er British Museums glasloft og de smukke skygger, det kaster på de hvide vægge:

Billede fra Foster and Partners.

Men der er mange andre eksempler:

 Et smukt vandtårn fra Nizhny Novgorod. Beskrivelse fra Wikipedia: The Hyperboloid water tower – the world’s first steel diagrid shell structure by the great Russian engineer and scientist Vladimir Shukhov (1853-1939) in 1896. The All-Russia industrial and art exhibition 1896 in Nizhny Novgorod.

Min ungdoms bambusskammel:

Frugtskål fra MoMa, Museum of Modern Art i New York .

Fra Wikipedia Creative Commons. Havnetårn i Kobe. Og maritimt museum – tilsyneladende både en hyperboloide (tårnet) og en hyperbolsk paraboloide (museet)

Billedet viser en ny togstation i Cambridge UK. Mønsteret påstås, ifølge The Aperiodical at være John H. Conways “Game of Life”, som han arbejdede med, da han var i Cambridge. (Det skriver arkitektfirmaet her )

Det er ikke helt korrekt, men der er noget om snakken. Mønsteret er en 1-dimensional cellulær automat, mens Game of Life er 2-dimensional.

Cellulære automater.

En cellulær automat består af

1. Et gitter/ grid eksemplevis i planen:Fra Mathworld
2. En farvning af nogen af felterne – lad os holde os til sort/hvid, farvet/ikke farvet
3. En regel for, hvordan farverne skifter når tiden går (den går i hop) – afhængigt af nabocellernes farver. Her skal man også definere, hvilke felter, der er naboerne.

Eksempler på naboer:

Moore-nabolag (Fra Mathworld).

Von Neumann nabolag (fra Mathworld).

 

Eksempel: Game of Life.

Gitteret er det første ovenfor. Det dækker hele planen.

Naboerne til en celle er Moore-nabolaget med r=1.

Regler:

Kald en sort celle “i live” og en hvid “død”. (Det er mere dramatisk.) Hver celle har 8 naboer.
1) Hvis en levende celle har to eller tre levende naboer, forbliver den i live. (Har den flere end tre, dør den af overbefolkning; har den kun 1, dør den af ensomhed.)
2) En død celle med præcis tre levende naboer kommer til live.

Der skiftes farve på alle celler på en gang.

 Her er et Game of Life, som gentager sig selv. (fra Mathworld.)

En-dimensionale cellulære automater:

Her er der et grid på linjen. Nabolaget er cellen selv og den til højre og til venstre for den. Udviklingen illustreres med en tidsakse, så alle generationer er med i illustrationen.

Derer 8 forskellige konfigurationer for en celle og dens naboer – hvis vi holder os til to tilstande. 111, 110, 101, 100, 011, 010, 001, 000

For hver af de 8 kan man bestemme, hvad centercellen skal være i næste skridt. Det giver muligheder.

Eksempel: 

 Reglen kaldes Nummer 30, fordi 30 skrives i totalssystemet som 11110. Figuren viser, hvordan en enkelt sort celle udvikler sig.

Her er 250 iterationer af regel 30. Højresiden minder om dekorationen på Cambridge North. På The Aperiodical påstår de, at Cambridge North er regel 135. Det svarer til at tage komplementet til regel 30 – 00011110, så får man 11100001 og spejle det – det bliver så til 10000111, som er binært for 135. I kan lege med endimensionale cellulære automater på Emergent Mind Jeg har lavet nummer 135 til jer:

 

 

 

 

Og nummer 86, som binært er 1010110. Det ligner egentlig også Cambridge North… Men det er der ikke mange andre, der gør.

 

 

 

Om fugle i flok

Lokale regler, som giver overordnede systemer kaldes ofte “emergente egenskaber”. Et eksempel er fugle, som flyver i flok ved at indrette sig efter de umiddelbare naboer. Det bruger man til at computergenerere store flokke af dyr – gnuerne i Løvernes Konge er lavet på den måde – eller menneskemængder. Der er nogen, der mener, det bliver et helt nyt område i matematik at forstå den slags til bunds.

Jeg har skrevet om Cellulære automater på numb3rs-bloggen i 2007. Der kan I finde andre links.

 

På Flyt Verden er ikonet for matematik Eulers formel . Hvad laver den der og hvad flytter den mon?

I (PR for) matematikuddannelserne forfiner vi budskabet til Forstå, Forudse og Flyt Fremtiden (Matematik), Forudse Fremtiden (Matematik-økonomi), Tag Del i Teknologiens Udvikling (Mat-Tek).

Alle steder kan man få brug for Eulers formel og den indsigt, den giver.

I gymnasiet møder man eksponentialfunktioner eller med en anden notation:   er en funktion. Den kan beskrives og defineres på mange måder, eksempelvis

1. Den funktion, som løser differentialligningen og opfylder . (Altså udfra dens vækst – sådan ser I den første gang i gymnasierne.)
2. Den inverse funktion til den naturlige logaritme . (Sådan gjorde man tidligere i gymnasierne. blev defineret som den stamfunktion til , som går gennem .
3. Den differentiable funktion , som opfylder og  .

I 1) bygger man på et (dybt) resultat om, at der finde sådan en løsning. I 2), at en kontinuert funktion har en stamfunktion og en strengt voksende funktion har en invers. I 3) er der igen en forudsætning om, at sådan en funktion findes. Uanset udgangspunkt, så vil opfylde alle tre punkter.

er også en eksponentialfunktion. Jeg skrev om den sidste år og vil ikke gentage det, blot kort: er en løsning til – populært sagt en kvadratrod af . Det giver en helt ny verden af tal, de komplekse tal, alle og man kan lave sig en eksponentialfunktion med komplekse tal som input og komplekse tal som output, . Den opfylder 3) ovenfor og desuden 1 og 2, når man har præciseret dette for komplekse tal. Sætter man og får man  og vi har Eulers formel. Svingninger er dybt forbundet med komplekse tal via den komplekse eksponentialfunktion.

 Man plotter komplekse tal i planen – er punktet (x,y). Figuren viser punkter på en cirkel, altså  . Til højre ser man variationen at x-koordinaten (den blå graf) og y-koordinaten (den røde), når man løber rundt på cirklen.

  Fra Wikipedia – billedet ovenfor er lagt ned. Nederst plottes som i planen – det bliver punkter på en cirkel. Øverst er kurven

 Figuren (fra Wikipedia) viser to situationer som ovenfor (den røde og den blå hvor k er en konstant – faseforskydning) samt summen af de to (den lilla). I nederste billede løber et rødt, et blåt og et lilla punkt rundt på tre forskelige cirkler og danner et parallellogram. Bemærk den samlede effekt på den øverste graf – det er temmelig indviklet. Men med komplekse tal kan man både regne og forstå det bedre.

Og nu forstår og flytter vi verden. Komplekse tal er nyttige, når man:

• beskriver vekselstrøm (fase og amplitude)
• skal forstå svingninger i økonomi – når man får brug for løsninger til i sin økonomiske model.
• analyserer signaler, billeder,… ved Fast Fourier Transform (uden den, ikke noget digitalt tv)
• løser differentialligninger – som kan være model for sygdomsspredning, flow over en flyvinge, EKG,…
• beskriver rotationer (og skal bruge kvaternioner)
• laver landkort, som skal bevare vinkler

Og der er meget mere. Men kom og læs hos os og bliv klogere. Og flyt så verden – og flyt med. Komplekse tal er kun et lille hjørne af matematikken.

I forbindelse med verdensåret for matematik, WMY2000 skrev jeg en kronik i Jyllands Posten om, hvad matematikere går og tænker på. Den kan stadig læses (gratis) i Jyllands Postens arkiv. og den er egentlig ikke så ringe. Find den her.  Jeg var inspireret af en bog, “The maths gene. Why everybody has it but most people don’t use it.” Af Keith Devlin.

Måske er man blevet klogere og ved mere om abstraktion og hjernen. Men kronikken er nu stadig ok – der står p i stedet for flere steder, men det finder I nok.