Le blog-notes mathématique du coyote

Ces nombres qui nous fascinent (Broché)
de Jean-Marie De Koninck
Ellipses (2008)

Présentation de l'éditeur
Depuis des milliers d'années, l'être humain est fasciné par les nombres entiers, qu'il s'agisse des nombres premiers de Mersenne, des nombres parfaits, des nombres de Fermat ou, plus récemment, des nombres puissants et des nombres premiers de Wieferich. La découverte de nouveaux nombres avec des propriétés étonnantes suscite l'intérêt tant du mathématicien novice que du chercheur érudit. De surcroît, l'avènement des ordinateurs a permis de mettre en évidence des nombres avec des caractéristiques particulières tout à fait inattendues. Par ailleurs, la conquête de nombres aux attributs exceptionnels est souvent l'occasion de soulever de nouveaux problèmes et, par conséquent, d'ouvrir de nouvelles avenues de recherche en théorie des nombres. Dans le présent ouvrage, Jean-Marie De Koninck propose aux étudiants et enseignants des niveaux collégial et universitaire, de même qu'au mathématicien amateur en quête de divertissement, l'exploration de plus de 2 600 nombres, tout aussi fascinants les uns que les autres, soit par leur caractère unique, soit par leur aspect ludique.

Biographie de l'auteur
Jean-Marie De Koninck est l'auteur de 85 publications mathématiques, dont sept livres. Pour avoir conçu Show Math, un spectacle multimédia, et Math en jeu, un logiciel accessible gratuitement sur Internet, la société Radio-Canada l'a nommé " scientifique de l'année 2005 ".

En voyant le strip ci-dessous, quelqu'un a eu l'idée de programmer une horloge qui donne la décomposition en facteurs de l'heure.

Le bâton plutôt que la carotte ? Aussi étonnant que cela puisse paraître, ce serait en effet une bonne méthode pour une stratégie sur le long terme à l'échelle d'une équipe devant coopérer.

Des expériences antérieures de modèles évolutionnistes comparant coopération altruiste et punition avaient montré que les coûts des punitions par rapport aux gains d'une coopération laissaient penser que punir n'était pas une option viable.
Pour les chercheurs de l'université de Nottingham, c'est sûrement vrai ... si l'expérience ne dure pas suffisamment longtemps. Ces chercheurs ont donc regardé sur une plus longue échelle de temps, si la punition ne pouvait pas finalement améliorer la coopération.
Ils ont ainsi organisé des séries d'expériences concernant le bien public. Ils ont donné à des groupes de 3 personnes, 20 pièces que ces personnes pouvaient garder afin de contribuer au bien public. Chaque pièce valait une unité monétaire UM au détenteur et chaque pièce investie valait 0.5 UM pour chaque membre du groupe.
La règle était que les volontaires pouvaient choisir de donner un UM en échange de la déduction de 3 UM d'un bénéfice d'un autre membre du groupe : une manière de le punir si un volontaire jugeait qu'un autre n'avait pas suffisamment investi pour le bien du groupe.
L'expérience a donc été divisée en deux périodes de temps et reproduite entre court terme, 10 fois ou long terme, 50 fois. On a d'ailleurs réalisé cette expérience soit avec l'option de punition soit sans. Les résultats furent clairs : les résultats de la coopération étaient meilleurs lorsque les joueurs avaient la possibilité de punir les autres.
Cela s'explique par le fait que les gens punissent ceux qui pensent « solo » et cela renforce au final la cohésion du groupe total. Il était manifeste que les gens réagissent différemment selon qu'ils jouent sur le court terme ou le long terme, car la menace de punition était moins forte dans un jeu court terme.
Il était clair que la punition était peu usitée : c'est surtout la présence de la menace qui permet de recadrer le groupe dans le bon chemin de la coopération.
Il y a enfin une manifestation émotionnelle de la présence de cette punition : on voyait par exemple la punition s'exercer dans la dernière itération du jeu (quand cela n'a plus d'effet concret), juste pour faire la leçon à ceux « qui se la jouaient perso ».
Un effet paradoxal du point de vue logique pure mais souvent vérifié dans le cadre de la théorie du jeu.

Source : Sur-la-Toile

La première structure hyperboloïde au monde - la tour de treillage de claire-voie d'acier située actuellement à Polibino (oblast de Lipetsk, Russie), construite pour l'exposition de Nijni Novgorod de 1896 - est l'œuvre de l'ingénieur et scientifique russe Vladimir Choukhov. Les structures hyperboloïdes ont été par la suite utilisées par beaucoup d'architectes réputés : Antoni Gaudí, Le Corbusier, Oscar Niemeyer. Voici un superbe exemple :

Château d'eau des Essarts-le-Roi (Yvelines, France)

Vladimir Grigorievich Choukhov (en russe : Владимир Григорьевич Шухов) (1853-1939) était un grand ingénieur et architecte russe, célèbre pour ses travaux pionniers, à tel point qu'il est parfois surnommé l'Edison russe. Ses innovations principales portent sur le génie civil et l'industrie pétrolière: construction du premier oléoduc en 1878, invention du craquage thermique en 1891, et surtout conception et réalisation des premières structures hyperboloïdes. Plusieurs tours hyperboloïdes en Russie portent encore son nom, notamment à Moscou et près de Nijni Novgorod.

La première structure hyperboloïde du monde: la Tour Choukhov de Nijni Novgorod en 1896
Pour en savoir plus : Wikipédia

La version 7 de Mathematica vient de sortir. Il y a plein de choses sur le site de Wolfram, en outre une section consacrée aux fonctions où l'on trouve un traceur basé sur Mathematica.

Hermann, M., Leuthold, H.: Atlas der Politischen Landschaften – Ein weltanschauliches Porträt der Schweiz. Zürich: vdf Hochschulverlag, 2003

Grand-mère et son nombre
de Stéphane Favre-bulle
Ellipses Marketing (2008)

Présentation de l'éditeur
1, 2, 3, 4... Faire défiler dans sa tête les nombres entiers naturels est un véritable jeu d'enfant! Chacun d'entre nous en a déjà fait l'expérience jusqu'à s'étourdir. Pourtant, il en aura fallu des millénaires pour que les Hommes puissent utiliser et écrire ces nombres d'une manière aussi simple! Et 0 ou 2/3 ou -45 ou 3,18? Et PI ou V2? Sont-ils apparus beaucoup plus tard? Sont-ils si différents? Sont-ils si difficiles à approcher? Un petit tour d'horizon des familles de nombres ne serait peut-être pas superflu... Lionel ne s'était jamais posé toutes ces questions en arrivant chez sa grand-mère pour le week-end. Mais une mamie mathématicienne aime raconter des histoires parsemées de chiffres! Et elle devient vite passionnante lorsqu'elle parle de son monde fabuleux! Après avoir mis en scène les différents mathématiciens grecs dans Maths en bulles, Thalès, Pythagore, Euclide, Archimède, Stéphane Favre-Bulle poursuit son travail d'ouverture à l'Histoire des Mathématiques en abordant cette fois-ci les nombres. En quelques coups de crayons, traces d'encre de Chine et tâches d'aquarelle, ce professeur de mathématiques, passionné de bande dessinée, crée des récits capables de transmettre ces connaissances universelles. Un fond sérieux sous une surface douce et colorée.

Définir le meilleur réseau de bus possible pour les heures de pointe d’une ville fictive… ce n’est pas un nouveau jeu vidéo en ligne mais un concours de mathématiques, sans solution unique, ouvert à tous les amateurs. La Fédération française des jeux mathématiques et la Société de calcul mathématique ont lancé un concours doté de 2000 euros de prix, ouvert jusqu'au 31 mars 2009.

Il s'agit de définir le meilleur réseau de bus possible pour une ville fictive, quadrillée par des artères perpendiculaires, dont le plan tient dans un carré de 2 kilomètres sur 2 kilomètres. Il faudra en particulier positionner les arrêts, tenir compte de la fréquence de passage, des heures de pointe, du nombre de passagers... Toutes ces contraintes, ainsi que le plan de la ville, sont détaillées dans le règlement, publié sur les sites des deux organisateurs.
C'est une question qui évoque le fameux problème dit du voyageur de commerce, toujours non résolu. Dans ce dernier, il faut trouver le chemin le plus court passant par tous les points d'une carte. Pour le concours, il faut trouver aussi une solution optimale mais avec beaucoup plus de contraintes. Les organisateurs espèrent d'ailleurs que les candidats prendront conscience des contradictions existantes entre les différents acteurs, usagers, exploitants et commune.
Un jury désignera le gagnant qui sera récompensé lors du 10ème salon des jeux mathématiques à Paris entre le 28 et le 31 mai.

Les règles de Golomb doivent leur nom au docteur Solomon W. Golomb, un professeur de mathématiques qui s'est particulièrement intéressé à l'analyse combinatoire, à la théorie des nombres, à la théorie du codage et aux communications. Le docteur Golomb s'intéresse aussi aux jeux et aux énigmes mathématiques : il est l'auteur de nombreux articles parus dans la rubrique "Jeux Mathématiques" de Scientific American. Les OGR ont de nombreuses applications dont entre autres : le positionnement des capteurs pour la cristallographie à rayons X, et la radioastronomie. Les règles de Golomb jouent également un rôle en combinatoire, en théorie du codage et dans les communications, et le docteur Golomb est l'un des premiers à avoir analysé leur utilité dans ces domaines.
Une règle de Golomb est une manière de placer des marques sur une droite de sorte que chaque couple de marques mesure une longueur différente des autres. Voici une règle de Golomb à cinq marques :

| |     |         |   |
0 1     4         9   11

Le nombre situé sous la marque donne la distance au bord gauche. La longueur de cette règle est 11; il se trouve que cette règle est l'une des deux règles à cinq marques les plus courtes. L'autre règle est celle dont les marques se situent aux positions 0, 3, 4, 9 et 11. (les images inversées de ces deux règles, 0, 2, 7, 10, 11 et 0, 2, 7, 8, 11 constituent également des règles de Golomb optimales. On ne mentionne habituellement qu'un représentant de chaque paire d'images inversées.)
Pour vérifier que la règle ci-dessus est effectivement une règle de Golomb, on peut écrire la table de toutes les paires de marques possibles en indiquant pour chacune la distance correspondante :

Marque 1  Marque 2  Distance
   0          1         1
   0          4         4
   0          9         9
   0         11        11 
   1          4         3 
   1          9         8
   1         11        10 
   4          9         5 
   4         11         7 
   9         11         2 

Notez que la troisième colonne ne contient aucune répétition. La distance 6 n'apparaît pas non plus, mais ce n'est pas grave : une règle de Golomb n'est pas censée permettre de mesurer toutes les distances, mais seulement des distances différentes d'une paire de marques à l'autre.
Le but de l'"optimisation" des règles de Golomb est de les rendre aussi courtes que possible, tout en ne duplicant pas les distances mesurées. Les deux règles à cinq marques données ci-dessus sont optimales.
On caractérise habituellement les règles de Golomb par l'espacement entre les marques plutôt que par la position absolue des marques, comme c'est le cas sur le diagramme ci-dessus. La règle ci-dessus s'écrirait ainsi 1-3-5-2 (ou encore 0-1-3-5-2, mais on oublie souvent le 0 initial).
Par exemple, voici la plus petite règle à 21 marques connue :

2-22-32-21-5-1-12-34-15-35-7-9-60-10-20-8-3-14-19-4

James B. Shearer a compilé une liste des plus petites règles de Golomb connues jusqu'à 150 marques. Si vous comparez les règles, vous constaterez que la règle à 21 marques mentionnée sur la page de James est l'image inversée de celle ci-dessus.
Malheureusement, la complexité de la recherche d'OGR croît de manière exponentielle avec le nombre de marques (de la même manière que ce que les mathématiciens décrivent sous l'appellation "problème NP complet" ... comme l'infâme "problème du voyageur de commerce").

Source : distributed.net

Une comme application intéressante des intégrales que l'on pourrait exploiter en classe : THE CENTER OF THE UNITED STATES AND OTHER APPLICATIONS OF CALCULUS TO GEOGRAPHY, par David Richeson.

Mathématiques expérimentales est une exposition virtuelle présentant plus de 200 situations mathématiques qui proposent aux élèves d'expérimenter, tâtonner, faire des hypothèses, les tester, essayer de les valider, chercher à prouver et débattre autour de propriétés mathématiques.

La surface de Boy, du nom de Werner Boy, mathématicien ayant le premier imaginé son existence en 1902, peut être « vue » comme une sphère dont on a recollé deux à deux les points antipodaux, ou encore un disque dont on a recollé deux à deux les points diamétralement opposés de son bord. On peut également la construire en recollant le bord d'un disque sur le bord d'un ruban de Möbius.
De nombreuses images de la surface de Boy peuvent être trouvées sur l'album Le Topologicon de Jean-Pierre Petit qui contient également une animation, sous forme d'un folioscope montrant comment faire croître un Ruban de Möbius à trois demi-tours pour le transformer en surface de Boy.

Pour en savoir plus : Le retournement de la sphère

Quelques mois après la sortie de "Folix", Alain Anaton récidive avec un jeu presque pareil, "Foli+". Cette fois, on passe de l'apprentissage de la multiplication à celui de l'addition mais les mécanismes restent absolument les mêmes. Chaque chiffre est aussi représenté par une couleur qui permet de jouer avec des enfants en phase d'apprentissage. Ce qui permet de jouer avec des enfants très jeunes. Pour le reste, il s'agit toujours d'un mémory où il faut retrouver deux pions.
Pour comprendre comment fonctionne "Foli+", il suffit donc de regarder la vidéo consacrée à "Folix" et de remplacer les multiplications par des additions.

Le calcul des probabilités : «C’est une science qui est née avec le jeu, mais qui de par son évolution est devenue l’objet le plus important de la connaissance humaine».

Pierre-Simon Laplace

Dans la chapelle du collège de Notre-Dame de Lorette, à Santa Fe (Nouveau-Mexique), un mystérieux escalier attire de très nombreux curieux. Cette chapelle fut construite en 1873, sur les plans de l'architecte Mouly. Seul hic : aucune liaison n'avait été prévue pour l'accès au jubé ! L'installation d'une cage d'escalier s'avérait techniquement impossible. Les braves nonnes se mirent alors en prière en quête d'une solution.
Le dernier jour de la neuvaine, un vieil homme, tirant un âne chargé d’outils, se présenta et proposa de construire un escalier. Son outillage comportait simplement une scie, un marteau et une équerre en té. Au bout de six mois, son travail achevé, il disparut sans se faire connaître ni demander la moindre rémunération. Et personne, dans les environs, n'avait entendu parler de ce charpentier !
Autre mystère, et non des moindres : l'escalier est un authentique chef-d’œuvre qui fait deux tours complets (2 x 360°) sur lui-même, mais, contrairement à la technique habituelle de construction des escaliers circulaires, il ne comporte aucun pilier central pour le soutenir et ne fut même équipé de rampe que cinq ans après sa construction. Pas un seul clou pour l'assemblage, mais uniquement des chevilles en bois. Son poids repose sur la première marche. «Normalement», depuis plus de cent ans qu'il est utilisé quotidiennement, il aurait dû s'écrouler. Quant à la nature et à la provenance du bois utilisé ? Mystère itou ! La "sorte de pin granuleux sur les bords" ne satisfait personne...
Des milliers de visiteurs, dont de très nombreux architectes, viennent du monde entier pour admirer cet étrange escalier aux courbes très harmonieuses, oeuvre d'un non moins étrange charpentier.

Pour en savoir plus : Christ-roi.net

Mes collègues du Collège du Sud propose sur le site de leur lycée une série d'activités pour l'option applications des mathématiques.