Mentire con le statistiche

StatiLibro del mese di Aprile è Mentire con le statistiche di Darrell Huff.

Mentire con le statistiche è l’edizione italiana di How to lie with statistics. È per tutte le persone che desiderano capire meglio il significato di numeri, dati e deduzioni da cui siamo continuamente inondati e confusi. Un testo scientificamente preciso, ma di facile lettura. Ironico e divertente, ma molto serio nella sostanza. Oltre a più di 500.000 copie diffuse in inglese, ha avuto traduzioni in diverse altre lingue. La più recente, prima di questa, è l’edizione cinese del 2003. In questa edizione si aggiungono le interessanti osservazioni di due autori italiani, che aggiornano e completano il valore del testo originale. –> link

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Le successioni di Goodstein: la potenza di una deviazione passando per infinito

Autori originali sono Michèle Artigue, Ferdinando Arzarello e Susanna Epp.

Studiare l’evoluzione di un fenomeno natu- rale spesso conduce a studiare successioni numeriche, specialmente il loro comportamento a lungo termine e se esse alla fine convergono. Le successioni polinomiali, esponenziali e logaritmiche si incontrano frequentemente nella scuola secondaria, ma alcune altre successioni
con definizioni molto semplici mostrano un comportamento molto più complesso. Alcuni esempi includono le successioni caotiche che emergono nello studio dei sistemi dinamici (si veda [1]) e la successione di Siracusa (o successione 3n + 1), introdotta da Luther Collatz nel 1937. La successione di Siracusa ha messo in difficoltà i matematici per decenni. Nonostante il gran numero di valori che sono stati calcolati, è sconosciuto ancora oggi se la successione sia infinita o finita e se termini sempre in 1 (si veda [2]).

Le successioni considerate in questa vignette sono state introdotte dal logico inglese R. L. Goodstein nel 1944 (si veda [3]) e mostrano un tipo diverso di comportamento insolito. I valori iniziali aumentano così rapidamente che siamo portati a credere che essi tendano ad infinito, ma, sorprendentemente, essi finiscono sempre per decrescere e infine raggiungono lo zero. Dimostrare questo risultato richiede una generalizzazione del principio di buon ordinamento per gli interi (si veda [4]) ai numeri transfiniti, ma l’idea di base non è difficile da comprendere. Per spiegarla, seguendo Hodgson (si veda [5]), introduciamo prima una successione, detta successione di Goodstein debole, che è più semplice ma strettamente legata ad una successione di Goodstein.

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Dimensioni superiori

Figura 1: Illustrazione di una varietà di Calabi-Yau (Importante per la descrizione di modelli di dimensione più alta nella teoria delle superstringhe).

Autori originali sono Markus Ruppert e Hans-Georg Weigand.

1. Alla ricerca della dimensione successiva
Il nostro mondo ha davvero più di tre dimensioni? Se è così, gli oggetti in una dimensione superiore hanno una relazione con il mondo intorno a noi? È possibile percepire questi oggetti o sono lontani da una qualunque rappresentazione? La Teoria della Relatività usa quattro dimensioni per spiegare il concetto di spazio-tempo, sei dimensioni sono necessarie per descrivere la curvatura dello spazio-tempo e diverse teorie delle stringhe usano persino rappresentazioni fino a 26 dimensioni (e.g. L. Botelho, R.Botelho, 1999).

Un altro dominio attuale di applicazione per oggetti in dimensione superiore e per le loro rappresentazioni tridimensionali è lo studio delle strutture non-periodiche nella cristallografia moderna. All’interno del concetto dei quasicristalli si suppone che le proiezioni di insiemi di punti di dimensione superiore (come il lattice intero in dimensione 5) nello spazio tridimensionale siano buoni modelli per strutture cristalline non-periodiche (si veda, sotto, la sezione 5).

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Il microscopio di Banach per trovare un punto fisso

Autore originario é Christiane Rousseau.

In questa vignette, mostreremo come, partendo da un piccolo gioco, si giunge a scoprire uno dei più potenti teoremi della matematica, ovvero il teorema del punto fisso di Banach. Tale teorema ha sorprendenti applicazioni all’interno della matematica e al di fuori di essa. Nella terza sezione discuteremo l’affiascinante applicazione alla compressione di immagini.

Ma, partiamo con il nostro gioco e osserviamo il famoso coperchio della scatola di The Laughing Cow.

L’orecchino destro della mucca e di nuovo una Laughing Cow. Ad ogni punto del coperchio, associamo il punto corrispondente sull’orecchino destro. Questa è naturalmente una funzione dal coperchio in se stesso, che chiameremo F. Per esempio, alla punta del mento della mucca associamo la punta del mento della piccola mucca sull’orecchino destro. Al centro dell’occhio destro della mucca associamo il centro dell’occhio destro della piccola mucca sul- l’orecchino destro, ecc. Ora ecco la domanda: esiste un punto che viene mandato in se stesso attraverso questo procedimento? Tale punto, se esiste, sarà detto punto fisso. Se esiste un punto fisso, allora non è nessuno dei punti che abbiamo elencato sopra. Inoltre, se esiste un punto fisso, esso dovrebbe giacere sull’orecchino destro. Tuttavia, tale orecchino destro viene mandato nell’orecchino destro della piccola mucca, e così via. Visivamente, possiamo constatare che questi orecchini destri contenuti uno dentro l’altro sembrano convergere ad un punto, che chiamiamo A, e A è un candidato per la nostra soluzione.

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La dimensione

Autore originario é Christiane Rousseau.

Come si misura la grandezza di un oggetto geometrico? Per i sottoinsiemi del piano spesso ci serviamo del perimetro, della lunghezza, dell’area, del diametro, ecc. Questi elementi non sono sufficienti per descrivere i frattali. Gli oggetti frattali sono oggetti geometrici molto complessi e dobbiamo trovare un modo per quantificare la loro complessità.
A tal proposito, i matematici hanno introdotto il concetto di dimensione. La dimensione fornisce una misura della complessità di un frattale. La nozione di dimensione è una generalizzazione e formalizzazione della nostra intuitiva nozione di dimensione quando parliamo di 1D, 2D o 3D. Discuteremo alcuni modi di descrivere gli oggetti frattali lavorando su due esempi: il tappeto di Sierpinski e il fiocco di von Koch (si vedano le figure a lato).

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Colorazioni di mappe e basi di Gröbner

Questa immagine è di proprietà di mathscanners.org.uk che ha gentilmente permesso di usarla in questo lavoro.

Autore originario é Marcelo Escudeiro Hernandes.

Per il famoso “Teorema dei quattro colori”, abbiamo bisogno solo di quattro colori per colorare una mappa in modo che nessuna delle regioni confinanti abbia lo stesso colore. Usando equazioni polinomiali e basi di Gröbner possiamo determinare se tre colori sono sufficienti per una mappa specifica.

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Votazione equa: la ricerca dell’oro

Gabriel Rosenberg e Mark Iwen

7 Giugno 2012

È un fatto poco conosciuto che, nelle Olimpiadi invernali del 2002, siano state assegnate due medaglie d’oro per la stessa competizione di pattinaggio di figura a coppie. Queste due medaglie sono state alla fine il risultato di un votazione contenziosa che inizialmente risultava nei chiari favoriti del pubblico che non hanno vinto la medaglia d’oro. L’oltraggio su questa decisione è stato così grande che, alla fine, il Comitato Olimpico Internazionale (COI) ha dovuto, per calmare lo scandalo, assegnare una seconda medaglia d’oro alla coppia di pattinaggio di figura che si trovava al secondo posto.

Come risultato secondario, è stato cambiato il sistema di voto, per decidere quali pattinatrici di figura meritino quali medaglie. (N.B. Prima del 2003, i giudici assegnavano individualmente il punteggio ai partecipanti e usavano questi risultati per classificare gli atleti. Queste classifiche (non punteggi) venivano poi combinate per assegnare i premi nel complesso).

Immagina di essere nel Comitato Olimpico Internazionale del 2003 e che ti sia stato chiesto di sviluppare un sistema di voto migliore per giudicare le competizioni di pattinaggio di figura in futuro. Quali sistema di voto sceglieresti per classificare i pattinatori di figura? Come potresti essere sicuro che il sistema di voto sia equo? Senza sorpresa, la matematica può aiutarci a rispondere a queste domande.

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Qual è il modo per impacchettare le arance? La congettura di Keplero sull’impacchettamento delle sfere

Christiane Rousseau

Qual è l’impacchettamento più fitto delle sfere Keplero ha congetturato che fosse quello che si osserva nelle arance al mercato e che è chiamato reticolo cubico a facce centrate (Figura 1). Al Congresso Internazionale dei matematici nel 1900, David Hilbert ha tenuto una conferenza molto famosa nella quale ha presentato 23 problemi che avrebbero avuto una profonda significatività per il progresso dellascienza matematica nel ventesimo secolo.

Il problema dell’impacchettamento più denso delle sfere, chiamato anche congettura di Keplero, fa parte del 18° problema di Hilbert. La congettura di Keplero è stata dimostrata soltanto nel 1998 da Thomas Hales e i dettagli della dimostrazione sono stati pubblicati nel 2006.

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Come funziona Google: catene di Markov e autovalori

Christiane Rousseau.
Fin dall’inizio, Google è diventato il motore di ricerca. Ciò deriva dalla supremazia del suo algoritmo di ranking: l’algoritmo PageRank. Infatti, con l’enorme quantità di pagine sul World-Wide-Web, molti ricercatori si ritrovano con migliaia o milioni di risultati. Se essi non sono propriamente ordinati, la ricerca può risultare di poco aiuto, dal momento che nessuno riesce ad esplorare milioni di voci.

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Matrici e immagini digitali

Dirce Uesu Pesco e Humberto José Bortolossi.
Le immagini che si vedono sulle pagine internet e le foto che si fanno con il cellulare sono esempi di immagini digitali. É possibile rappresentare questo tipo di immagine usando le matrici. Per esempio, la piccola immagine di Felix il Gatto (sulla sinistra) può essere rappresentata da una matrice 35 \times 35 i cui elementi sono i numeri 0 e 1. Questi numeri specificano il colore di ciascun pixel (un pixel è il più piccolo elemento grafico di un immagine matriciale, che può assumere solo un colore per volta): il numero 0 indica il nero e il numero 1 indica il bianco. Le immagini digitali che usano solo due colori sono chiamate immagini binarie o booleane.

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