100 vrabcov

Na kruhovú obruč polomeru 10 metrov si náhodne a nezávisle sadne 100 vrabcov. Odhadnite (intuitívne, simulačne, analyticky, akokoľvek) pravdepodobnosť, že ťažisko tohto kŕdľa sediacich vrabcov bude vzdialené menej ako 1 meter od stredu obruče.

Ťažisko

Úlohou je do n ekvidištantných pozícií na kružnici vo vhodnom poradí rozmiestniť guľôčky s hmotnosťami 1, 2, 3, ..., n gramov a to tak, aby ťažisko sústavy týchto guľôčok bolo presne v strede kružnice. Nájdite čo najviac hodnôt n, pre ktoré sa táto úloha dá vyriešiť.

Na ilustračnom obrázku je rozmiestnených 5 guľôčok s hmotnosťami 1,3,4,2 a 5 gramov (v tomto poradí), ktorých ťažisko, označené červenou bodkou, je však máličko vychýlené voči stredu kružnice.

Šesť bodov

Navrhovanie experimentov je pre mňa už skoro desať rokov nevyčerpateľný zdroj inšpirácie. Teória takzvaných blokových návrhov obsahuje matematické tvrdenia, ktoré sa dajú preformulovať do podoby nasledovného príkladu kombinujúceho teóriu grafov a lineárnu algebru.

Pýtame sa, či existuje šestica vektorov x_1,2, x_1,3, x_1,4, x_2,3, x_2,4, x_3,4 v trojrozmernom priestore, ktorá charakterizuje súvislosť obyčajných grafov so štyrmi vrcholmi týmto spôsobom: Graf s hranami h₁, h₂, ..., h_n je súvislý vtedy a len vtedy, keď sa každý vektor v trojrozmernom priestore dá napísať ako lineárna kombinácia vektorov x_h1, x_h2, ..., x_hn.

Ekvivalentná formulácia príkladu: Pýtame sa, či existuje šestica bodov x_1,2, x_1,3, x_1,4, x_2,3, x_2,4, x_3,4 v trojrozmernom priestore s nasledovnou vlastnosťou: Graf s hranami h₁, h₂, ..., h_n je nesúvislý vtedy a len vtedy, keď existuje rovina prechádzajúca počiatkom súradnicového systému obsahujúca súčasne všetky body x_h1, x_h2, ..., x_hn.

Fúrik

Prevážame fúrikom tehly z miesta A na miesto B. Doba trvania jednej "obrátky" (naloženie fúrika, prevoz z A do B, vyloženie, cesta naspať z B do A) závisí od toho, koľko tehál prevážame. Urobili sme 5 pokusných obrátok, ktorých výsledky sumarizuje nasledovná tabuľka.

Počet naložených tehál	3	6	9	12	15	18
Čas obrátky (v sekundách)	18	28	52	60	96	152

Koľko tehál by ste odporučili nakladať do fúrika?

Na rozdiel od väčšiny zábavných hlavolamov, táto úloha nemá "jediné správne" riešenie. V reálnych aplikáciách sa však často vyskytujú práve takéto problémy: údaje zaťažené náhodnou chybou, neznámy alebo veľmi komplikovaný matematický model, niekedy dokonca nie celkom presne definovaný cieľ.

Acknowledgements: Úloha je motivovaná podobnou úlohou, ktorú nám opäť poslal Peťo Mikloš.

Horiace tyče

Majme dve tyče z neznámeho nehomogénneho materiálu, pričom vieme len to, že každá z nich zhorí presne za 1 minútu. Rýchlosť horenia v jednotlivých častiach tyčí kvôli neznámemu zloženiu nevieme určiť. Ako pomocou nich zmerať presne čas 45 sekúnd? Čas zapálenia tyče neuvažujeme. 

Túto peknú úlohu nám poslal Peter Mikloš; ďakujeme! :)

Úloha zo sna

O matematike sa mi sníva pomerne často, no len občas si obsah môjho sna zapamätám natoľko presne, aby malo zmysel sa nad ním viac zamýšľať. V noci zo soboty na nedeľu sa mi snívalo o tom, ako jeden známy slovenský profesor matematiky dostal od študentov úlohu a ani za nič sa mu ju nedarilo vyriešiť; pamätám sa, ako frustrovane mával rukami, v jednej špongia, v druhej krieda, pred tabuľou pokreslenou čiarami pripomínajúcimi abstraktný obraz z pohľadu značne podguráženého obdivovateľa umenia.

Prekvapivo, úloha, ktorú v mojom sne dali študenti profesorovi, je zmysluplná a dosť odlišná od všetkých úloh, nad ktorými som dosiaľ uvažoval v bdelom stave. Fungovanie ľudského mozgu ma neprestáva fascinovať. Tu je spomínaná úloha:

Nech M je množina bodov v rovine a nech x je vektor. Posunutím množiny M o vektor x budeme rozumieť množinu M+x pozostávajúcu z bodov tvaru B+x, kde B patrí M. Racionálnym bodom v rovine nazveme taký bod, ktorého obidve súradnice sú racionálne čísla. Dokážte, že ak M je zjednotením konečného počtu úsečiek, potom existuje vektor x taký, že M+x neobsahuje žiadne racionálne body.

Veže

  Agátka si z 21 drevených kociek postavila niekoľko veží. Z každej veže vzala vrchnú kocku a zo zozbieraných kociek postavila novú vežu. Potom opäť vzala z každej veže najvrchnejšiu kocku a z týchto kociek postavila novú vežu a tak ďalej. Keď po dlhom čase so svojou hrou skončila, koľko mala veží? 

Poznámka: Aj jednu kocku považujeme za vežu. Keď z takejto veže vezme Agátka vrchnú (čiže jedinú) kocku, táto veža zanikne a príslušná kocka sa stane súčasťou novej veže.

Päť rovnakých cifier

Pre každú cifru c=1,...,9 nájdite matematický výraz, ktorého výsledná hodnota je 100, pričom treba dodržať tieto podmienky: Daný výraz musí obsahovať práve 5 cifier c, ale žiadnu inú cifru. Okrem týchto piatich cifier sa v ňom môžu vyskytovať štandardné aritmetické operátory (+,-,*,/) symbol faktoriálu (!), umocňovania (^), druhej odmocniny a zátvorky. Napríklad pre cifru 1 platí 111-11=100 a pre cifru 2 máme ((22-2)/2)^2=100.

Týmto oddychovým problémom nás na Probastate pobavil Guillaume Sagnol. Postupne sme našli riešenia pre všetky cifry okrem 7 a 8. Túto úlohu údajne kedysi publikoval istý francúzsky časopis a riešenie pre sedmičku sa nepodarilo nájsť žiadnemu z tisícov čitateľov. Takže držím palce...

Šesť ostrovanov

  Pred pár dňami som si konečne našiel čas na moju novú knižku Satan, Cantor a nekonečno od Raymonda Smullyana. Veľmi Vám ju odporúčam, ak sa Vám zdá, že Váš mozgový sval chátra. (Pripúšťam, že takéto pocity sú na matfyze počas skúškového obdobia dosť zriedkavé.) Ako veľmi ľahkú rozcvičku na príklady v knižke som pre Vás poprivymyslel túto úlohu:

  Minule som bol na dovolenke na ostrove s veľmi zvláštnymi obyvateľmi. Delia sa na pravdovravných, ktorí hovoria vždy len pravdu, a klamárov, ktorí výlučne klamú. Všetci ostrovania o sebe vedia, kto z nich je pravdovravný a kto z nich je klamár, takže medzi sebou si celkom dobre rozumejú. No cudzinca, ako som ja, dokážu riadne pomýliť.
  Na prechádzke týmto ostrovom som stretol skupinku šiestich ostrovanov, očividne dobrých priateľov. Náhodne som si vybral jedného z nich a dal som sa s ním do reči. Počas rozhovoru vyslovil o svojich priateľoch v skupinke nasledovné tri vety: Priateľ s klobúkom a tmavomodrými nohavicami je klamár. Priateľ v tmavohnedých nohaviciach je klamár. Priateľ v tmavosivých nohaviciach je klamár.
  Poďakoval som mu za rozhovor a dal som sa do reči s jediným spomedzi týchto šiestich ostrovanov, ktorý mal klobúk. Tento ostrovan sa tiež rozhovoril o svojich piatich priateľoch a postupne vyslovil tieto tri vety: Priateľ vo svetlooranžovej košeli je klamár. Priateľ vo svetložltej košeli je klamár. Priateľ vo svetloružovej košeli je klamár.
  Bohužiaľ, keďže som farboslepý, veľa som sa od týchto dvoch ostrovanov nedozvedel. Viem určiť aspoň to, koľko je v tejto skupinke ostrovanov klamárov?

Náhodný rez kocky

Zvolíme náhodne rovinu prechádzajúcu ťažiskom kocky ABCDEFGH.  S akou pravdepodobnosťou bude rez kocky ABCDEFGH touto rovinou šesťuholník?

Predpokladáme, že rovinu zo zadania volíme "rovnomerne" náhodne, čiže všetky orientácie tejto roviny sú rovnako pravdepodobné, alebo ešte presnejšie: jednotkový normálový vektor tejto roviny má rovnomerné rozdelenie na povrchu jednotkovej gule.

Poznámka 4.12.: Vídím, že táto úloha nikoho nezaujala, avšak ja osobne mám celkom radosť, že ma napadla. Na prvý pohľad sa totiž zdá ťažká, no v skutočnosti sa dá pomocou istých trikov z teórie pravdepodobnosti vyriešiť na niekoľko riadkov.

Éter v štvorrozmernom priestore

Minulý týždeň som konečne odovzdal habilitačnú prácu, odoslal som náš najnovší článok a navyše sa skončilo vyučovanie, takže sa opäť s radosťou vraciam k môjmu blogu :) Mali sme tu už viaceré úlohy z geometrie v rovine aj v priestore. Čo by ste ale povedali na úlohu z geometrie v hyperpriestore?

Predstavme si dvojrozmerných obyvateľov povrchu sférickej planéty, ktorá rotuje okolo svojej osi v nehybnom éteri. Títo obyvatelia síce nevedia vnímať tretí rozmer, ale pohyb povrchu svojej planéty voči éteru odmerať vedia. To znamená, že na istej do seba uzavretej priamke (z nášho pohľadu na rovníku planéty) pozorujú najvyššiu rýchlosť pohybu éteru a v dvoch špeciálnych bodoch (z nášho pohľadu na póloch) pozorujú nulovú rýchlosť pohybu éteru.

Moja otázka znie: Ak by náš trojrozmerný vesmír bol povrchom štvorrozmernej gule rotujúcej v nehybnom štvorrozmernom éteri a vedeli by sme odmerať relatívnu rýchlosť tohto éteru voči nám, ako by sme vnímali oblasti najrýchlejšieho pohybu éteru (čiže akýsi švorrozmerný rovník) a ako by sme vnímali oblasti nulovej rýchlosti pohybu éteru (čiže štvorrozmerné póly)?

Pozoruhodná potvora

Matematické funkcie môžu mať veľmi komplikované vlastnosti, a to aj v prípade, keď sú definované jednoduchým predpisom. Včera mi pri riešení jedného príkladu vyskočila takáto pozoruhodná potvora:

 

kde λ je reálna konštanta. Čo všetko sa o nej dá povedať?

Po prvé si uvedomíme, že táto funkcia je dobre definovaná, pretože členy uvedeného nekonečného súčinu sú pre každé x od istého n v intervale (0,1), takže limita, ktorá určuje tento nekonečný súčin, existuje a je konečná. Tiež si hneď všimneme, že pre celé čísla x rôzne od nuly platí f(x)=0. Avšak prakticky akákoľvek ďalšia vlastnosť tejto funkcie je už netriviálna, ako naznačuje aj jej graf pre λ=1.5365:

Ak si niekto z Vás myslí, že je naozaj dobrý v matematickej analýze, môže sa pokúsiť zodpovedať napríklad nasledovné otázky:

• Je hodnota f(x) nenulová pre každé kladné neceločíselné x?
• Aká je množina tých hodnôt λ, pre ktoré je funkcia f ohraničená na celom R?
• Je derivácia tejto funkcie nenulová v každom bode x=2^k, kde k je celé nezáporné číslo?

A ak sa niekomu z Vás podarí zodpovedať na všetky tri tieto otázky do týždňa (samozrejme s rigoróznym dôkazom), tak mu darujem svoj The Princeton Companion to Mathematics, lebo tak bude pravdepodobne v lepších rukách ;-)

Timothyho úloha

V úvodnej časti knihy Princeton Companion to Mathematics uviedol Timothy Gowers ako príklad kombinatorickej úlohy nasledovné zadanie:

Koľko existuje nula-jednotkových matíc rozmeru n × n, ktoré majú v každom riadku aj v každom stĺpci maximálne dve jednotky?

Timothy sa neunúva dať na túto otázku odpoveď (zrejme je to pre neho príliš triviálne), ale normálnych smrteľníkov ako my môže takáto úloha celkom potrápiť. Priznám sa, že som nad ňou uvažoval skoro pol hodiny a nepodarilo sa mi odvodiť všeobecný vzorček; niekedy to človeku skrátka nezapne. Ale Vy budete možno úspešnejší...

Delenie hranatého koláča II

Traja matfyzáci napiekli koláč v tvare nepravidelného konvexného šesťuholníka a teraz špekulujú nad tým, ako si ho podeliť spravodlivo, čiže tak, aby každý z nich dostal rovnakú časť koláča. Základný nápad je jednoduchý: vo vnútri koláča zvolia "centrálny" bod a od tohoto bodu budú viesť priame rezy smerom k vrcholom šesťuholníka. Poraďte im ako majú tento centrálny bod zvoliť, aby si mohli výsledných šesť trojuholníkových kúskov medzi sebou spravodlivo podeliť.

Na ilustračnom obrázku je príklad voľby takéhoto bodu a príslušného delenia: červené kúsky dostane jeden, žlté druhý a hnedé tretí. Táto úloha je už trochu náročnejšia ako predchádzajúca; pokúsme sa najprv zodpovedať otázku, či také delenie vôbec vo všeobecnosti existuje, čiže či je vôbec základná myšlienka delenia správna.

Päť klubov

Predchádzajúcu úlohu sme zatiaľ vyriešili pre n ktoré je nanajvýš štyri a keďže všeobecné riešenie sa zdá byť pomerne komplikované, pokúsme sa rozlúsknuť aspoň špeciálny prípad n=5. Nasledovnú úlohu formulujem bez použitia pravdepodobnosti, len pomocou elementárnych pojmov.

V istom meste existuje päť klubov: literárny, golfový, šachový, rybársky a bowlingový. Tieto kluby majú spolu m členov, pričom každý z týchto klubov má presne m/2 členov (vieme, že m je párne, ale inak o m nevieme nič). Dvojice klubov pravidelne organizujú spoločné stretnutia, na ktoré pozvú všetkých tých ľudí, ktorí sú členmi súčasne oboch klubov. Napríklad býva stretnutie ľudí, ktorí sú súčasne členmi rybárskeho aj šachového klubu, býva tiež stretnutie ľudí, ktorí sú súčasne členmi literárneho aj bowlingového klubu a tak ďalej (spolu 10 druhov stretnutí). Každého z týchto stretnutí sa vždy zúčastnia všetci pozvaní hostia. Tvrdíme, že na niektoré stretnutie určite príde aspoň p percent z daných m ľudí. Aké je maximálne p, označme ho p₅, pre ktoré je toto tvrdenie zaručene pravdivé?

Z komentáru k predchádzajúcej úlohe vieme, že p₅ je aspoň 15% a nie je ťažké sa presvedčiť, že p₅ je najviac 25%. (Viete prečo?) Kto nájde hodnotu p₅ presne (a presvedčivo túto hodnotu zdôvodní), má u mňa čokoládu. Nie je to vôbec až také ľahké, ale ani nemožné.

Samé polovice

Nech n>=2 je prirodzené číslo. Nájdite najväčšie číslo p_n s nasledovnou vlastnosťou: Ak každá z udalostí A₁,...,A_n má pravdepodobnosť 1/2, potom existujú rôzne indexy i,j také, že pravdepodobnosť súčasného nastatia udalostí A_i a A_j je aspoň p_n.

Formulujme túto úlohu aj bez použitia pravdepodobnosti (hoci máličko menej všeobecne): Pre n>=2 nájdite najväčšie také číslo p_n, že ak zjednotenie n množín plochy 1/2 má plochu nanajvýš 1, tak plocha prieniku niektorej dvojice z týchto množín je aspoň p_n.

Je zrejmé, že p₂=0 a z ilustračného obrázku sa zdá, že p₃=1/6. Viete to dokázať? Viete nájsť hodnotu p_n pre niektoré (alebo aj všetky) čísla n>=4?

Poznámka 23.10.: Dnes ráno ma napadlo pomerne jednoduché trikové riešenie využívajúce niektoré základné poznatky z pravdepodobnosti. Hodnota p_n je prekvapivo jednoduchou funkciou počtu udalostí n, hoci výsledný vzorček je trochu odlišný pre párne a pre nepárne n.

Telepat II

Tentokrát nášmu telepatovi zaplatíme za každý uhádnutý symbol 1 euro. Telepat si postupne prikladá na čelo jednotlivé obálky, pričom vždy po chvíľke telepatovania danej obálky povie svoj tip, čo by sa v nej malo nachádzať. Vypočítajte strednú hodnotu jeho zisku, ak nemá žiadne telepatické schopnosti, avšak má dokonalú pamäť a pritom používa optimálnu stratégiu tipovania. Uvažujeme nasledovné spresnenia:

a) Počas tipovania nedostáva telepat žiadnu informáciu o obsahu obálok, t.j. všetky obálky sa otvoria až po ukončení jeho tipovania. b) Po každom tipe sa daná obálka otvorí a telepat sa dozvie, ktorý symbol v nej bol. c) Po každom tipe prezradíme telepatovi len to, či uhádol, alebo neuhádol, avšak nie to, ktorý konkrétny symbol sa v danej obálke nachádzal.

Riešenie ani jednej z týchto troch úloh nie je úplne triviálne (pokiaľ človek nenájde správny trik), preto sú veľmi vítané akékoľvek nápady, riešenia pre malé n, prípade simulačné výsledky.

Namiesto ilustračného obrázku mám dnes pre Vás link od Juraja.

Poznámka 27.8.: Ak som sa nepomýlil, tak tie stredné hodnoty zisku pri optimálnej stratégii vychádzajú vo všetkých troch prípadoch celkom pekne. Ak si s tým problémom neviete poradiť, pokúste sa aspoň odhadnúť, či pre rastúce n (n je počet rôznych symbolov, t.j. aj počet obálok) ide stredná hodnota zisku pri optimálnej stratégii do nekonečna, alebo naopak, či existuje hranica, ktorú stredná hodnota zisku nepresiahne pre žiadne n ani pri tej najlepšej stratégii. Čo hovorí Vaša intuícia?

Telepat

Tieto dni je mojou hlavnou pracovnou náplňou dokončovanie zbierky príkladov z teórie pravdepodobnosti, ktorú musíme čoskoro odovzdať do tlače. Pri spisovaní riešenia jedného príkladu ma napadla takáto netechnická formulácia vhodná aj na náš blog:

Telepat bez akýchkoľvek telepatických schopností, ktorému bolo navyše nečakane znemožnené podvádzať, sa snaží určiť n rôznych symbolov nachádzajúcich sa na kartách v n nepriehľadných obálkach. (Telepat vopred vie, aké symboly boli náhodne rozdistribuované do obálok; nevie len to, v ktorej obálke je ktorý symbol. Telepat teda priradí obálkam n-ticu symbolov úplne náhodne a až potom sa všetky obálky otvoria, aby sa zistilo, koľko symbolov uhádol.) Čo je pravdepodobnejšie: to, že neuhádne ani jeden symbol, alebo to, že uhádne práve jeden symbol?

Na ilustratívnom obrázku sú takzvané Zenerove karty, ktoré sa často používajú na testovanie proklamovaných telepatických schopností. V našom zadaní je však počet kariet všeobecné n, t.j. nielen 5. Teším sa na Vaše riešenia.

Problém profesora Zmyśloneho

Po mesiaci skúšania, cestovania po konferenciách, iných povinností a krátkych dovoleniek som späť a hneď Vám prinášam možnosť nielen sa zabaviť, ale aj ... trochu si vylepšiť finančnú situáciu a najmä stať sa v istom kruhu matematikov slávnym. Celkom vážne. Ale jednoduché to nebude.

Na jednej z dvojice konferencií, ktoré som v poslednej dobe absolvoval (International Workshop on Matrices and Statistics) sa udiala pomerne nezvyklá vec: počas svojej prednášky vyhlásil profesor Roman Zmyślony cenu $100 za vyriešenie istého matematického problému. Na rozdiel od väčšiny príkladov na blogu QED, problém profesora Zmyśloneho si vyžaduje znalosti z vyššej matematiky, avšak napríklad druháci na matfyze, ktorí absolvovali teóriu matíc, sú určite schopní pochopiť zadanie, čo je v prípade súčasných nevyriešených problémov skôr výnimkou ako pravidlom.

Originálne zadanie si pozrite na nasledovnom zábere priamo z prednášky prof. Zmyśloneho (kliknutím sa fotografia zväčší) a potom sa o ňom porozprávame trochu podrobnejšie.


Skratka nnd znamená ''nezáporne definitné'', symbol tr znamená stopu matice a symbol H₊ je "pozitívne semidefinitná časť" symetrickej matice H. Presnejšie, ak u₁,...,u_n je ortonormálny systém vlastných vektorov matice H typu n × n a λ₁,...,λ_n sú prislúchajúce vlastné čísla, tak

(Ak žiadne z vlastných čísiel matice H nie je kladné, tak položíme H₊=0.) Dá sa ľahko ukázať, že aj ak existuje viac ortonormálnych systémov vlastných vektorov, tak H₊ je definovaná jednoznačne; t.j. nezávisí od výberu tohto systému vlastných vektorov.

Majte na pamäti, že tento problém je naozaj ťažký, takže vítané sú akékoľvek zmysluplné poznámky, ktoré by nám mohli pomôcť urobiť čo i len maličký krôčik k riešeniu.

Poznámka 1: Urobil som veľké množstvo testov tejto hypotézy s náhodne vygenerovanými pozitívne semidefinitnými maticami A a V a vo všetkých prípadoch bola Zmyśloneho domnienka splnená. Som si teda skoro istý, že platí, avšak je ju ťažké matematicky rigorózne dokázať.

Poznámka 2: Hypotéza je už dokázaná za podmienky AV=VA, t.j. ak matice A a V komutujú. (Zaujímavý je preto prípad, keď A a V nekomutujú.) Vytvoril som súbor, do ktorého budem zapisovať všetko čo zistíme (dôkaz pre komutujúce matice je už tam.) Pridajte sa tiež so svojimi nápadmi!

Tip

V rámci svojej prípravy na počítačovú štatistiku som práve dočítal veľmi poučnú pedagogickú knihu "Teaching statistics - a bag of tricks" od Andrewa Gelmana a Deborah Nolanovej. Z tejto a aj z iných kníh týkajúcich sa vyučovania som si uvedomil, že pre kvalitnú prednášku je najdôležitejší eminentný záujem na tom, aby si študenti z prednášky odniesli čo najviac a hlavne veľmi dôkladná pravidelná príprava. Keď som si pomyslel na niektorých vyučujúcich, ktorých som osobne poznal, musel som sa len trpko pousmiať. (Hovorím však skôr o výnimkách, aspoň teda u nás na matfyze.) Ale nie o tom som chcel písať. Jedna aktivita so študentami, ktorá sa v tejto knihe spomína, ma inšpirovala k nasledovnej úlohe:

Hodím súčasne dvadsiatimi jednoeurovými mincami. Ak sa Vám podarí vopred uhádnuť, na koľkých z týchto mincí padne znak, tak Vám všetky mince, na ktorých padol znak, darujem, len si po ne musíte ku mne domov prísť. Ak by som predchádzajúce dve vety myslel vážne (čo nemyslím :-), aký počet padnutých znakov by ste si zvolili ako svoj tip?

Táto úloha je síce veľmi ľahká, ale ak by sa Vám zdala až triviálna, tak ste asi nevzali do úvahy všetky jej "praktické" aspekty.