קישורים

ניווט

נושאים

ארכיב עבור תגית מתמטיקה

17 משוואות ששינו את העולם

לפני כשנה קראתי את הספר “17 משוואות ששינו את העולם” מאת איאן סטיוארט, וכתבתי את רשמיי בסדרת ציוצים בטוויטר. פוסט זה מבוסס על סדרת הציוצים ההיא וסוקר את שבעת הפרקים הראשונים של הספר. למה רק שבעה? התשובה בסוף הפוסט.

לפני הכל, כמה מילים על המחבר. בשתי מילים: איאן סטיוארט. סטיוארט הוא פרופסור למתמטיקה באוניברסיטת וורוויק באנגליה. הוא כתב הרבה ספרים העוסקים במתמטיקה שמיועדים לקהל הרחב, ואני מברך אותו על כך. קראתי מספר ספרים שהוא כתב, והם נמצאים על מדפי הספרייה שלי. הוא יודע מתמטיקה, והרבה, אין ספק. גם בפיזיקה הוא לא קוטל קנים. אבל לדעתי יש לו בעיה ככותב. הוא טרחן ונסחף בקלות. הוא רוצה לספר סיפורים, וזה מצויין, אבל לעיתים הוא סוטה מהנושא, ו/או נכנס לדיונים טכניים מיותרים. בספר הזה יש עוד בעיות, לדעתי לפחות.

הפרק הראשון של הספר עוסק במשפט פיתגורס.  סטיוארט  מסביר כמובן מה המשפט אומר ומסביר מה השימושים שלו. זה אכן משפט מאוד שימושי, וסטיוארט מפרט את ההתפתחות בשימושים שלו לאורך השנים. סטיוארט גם סוקר את ההיסטוריה של המשפט, שהיה מוכר עוד הרבה לפני תקופתו של פיתגורס.

הוא מנצל את ההזדמנות לדון גם באוקלידס ובגאומטריה שפיתח, ואז מתחילות הבעיות. כאשר הדיון הגיע אל האקסיומה החמישית של אוקלידס, הלא היא אקסיומת המקבילים. סטיוארט לא מצליח להסביר באופן בהיר מהי המשמעות שלה, אלא נתפס לניסוח המסורבל של אוקלידס. הוא מציין כי לא ניתן להוכיח את האקסיומה מתוך האקסיומות שקדמו לה, וזה נכון, אבל שוכח משום מה להזכיר כי גם לא ניתן לסתור אותה, וזה כל העניין כאן. העובדה שהאקסיומה בלתי תלויה באקסיומות האחרות היא מה שמאפשרת את החלפתה באקסיומה אחרת. זה שלא מצליחים להוכיח משהו לא מספיק כדי להצדיק את זניחתו. מכיוון שלא הבהיר כהלכה את הנקודה הזו הוא גם לא נותן קרדיט לניקולאי לובצ’בסקי שהוכיח את אי תלות האקסיומה באקסיומות הקודמות. ברנרד רימן ופועלו, לעומת זאת, זוכים אצלו לתיאור נרחב, אבל כאן הפרק מתדרדר. ההסברים שלו הופכים להיות יותר ויותר טכניים. אני לא יכול להעיד על כל ציבור הקוראים, אבל אני באופן אישי נשברתי ודילגתי על כל הקטעים האלה והמשכתי לפרק הבא.

מה חסר לי בפרק הזה? לפיתגורס ולכת המתמטיקאים שלו הייתה בעיה קטנה: אם יש משולש ישר זווית שאורכי הניצבים שלו שווים שניהם ל-1, אז אורך היתר צריך להיות שווה לשורש של 2. השורש של 2 הוא מספר אי רציונלי, ופיתגורס סירב להכיר בקיומם של מספרים כאלה. אני לא זוכר את כל פרטי ההתמודדות של פיתגורס וחבריו עם המציאות הלא נעימה הזו, אבל האגדה מספרת כי הם הוציאו להורג את האיש שהוכיח כי השורש של 2 הוא מספר אי רציונלי. לדעתי היה מקום לדון כאן בעניין הפעוט הזה, אבל אולי יהיה מקום לדון בזה בהמשך הספר.

הפרק השני, העוסק בלוגריתמים, כתוב היטב. המשוואה/נוסחה היא שהלוג של a כפול  b שווה ללוג של a ועוד הלוג של b. לא להיבהל. סטיוארט מסביר כי הרעיון הוא שיש דרך להפוך פעולת כפל, שהינה מסובכת יחסית, לפעולת חיבור, שהיא קלה יותר לביצוע. אתם מוזמנים להיווכח בעצמכם: נסו להכפיל 24 ב-12 בלי מחשבון, רק עם נייר ועיפרון, ואחר כך תנסו לחבר את שני המספרים האלה.

סטיוארט סוקר את ההיסטוריה של הרעיון, שהגה המתמטיקאי החובב ג’ון נפייר, ושופצר על ידי המתמטיקאי הנרי בריגס. אחר כך הוא מסביר את הרעיון בצורה מאוד בהירה. הוא ממשיך בתיאור של סרגלי החישוב , שהם יישום מכני של עקרון הלוגריתמים, שהיו נפוצים כמעט עד סוף המאה הקודמת ((ניתן לראות את תפקידם החשוב של הסרגלים האלה באחת הסצינות הדרמטיות של הסרט “אפולו 13” )) , וזה תיאור קצת טכני מדי לטעמי. הוא מסיים בשני שימושים עדכניים לפונקציית הלוגריתם. הראשון הוא חישובי דעיכה רדיואקטיבית בהקשר של תאונת הכור הגרעיני בפוקושימה (כתוב היטב). היישום השני, מדידת עוצמת הקול/צליל/רעש, על ידי סולם הדציבל, כתוב באופן קצת מסורבל לטעמי.

מה היה חסר לי בפרק הזה? ובכן, אני לא יודע איך המחשבים/מחשבונים של ימינו מבצעים פעולות כפל. מהו האלגוריתם? האם האלגוריתם משתמש בלוגריתם? אני חושב שזה היה יכול לעניין את הקוראים.

הנוסחה של הפרק השלישי היא נוסחת הגדרת הנגזרת. כצפוי, סטיוארט נותן תיאור של ההיסטוריה הלא כל כך ארוכה של מושג הנגזרת, ומזכיר, בין היתר את פייר דה פרמה ואת ג’ון ואליס. הוא מסביר באופן יפה את הרעיון על ידי הדגמה של בעיית חישוב המהירות הרגעית של גוף, שהייתה גם הבעיה שנתנה לאייזק ניוטון את המוטיבציה לפיתוח התיאוריה. הוא עובר מכאן לתיאור נרחב של בעיית התנועה וסוקר את הגישות אליה, החל מאריסטו ועד ניוטון, כמובן. הוא מסביר באופן מתקבל על הדעת את שלושת חוקי התנועה של ניוטון, באופן פחות מתקבל על הדעת כיצד בעזרת חוקים אלה ניתן לחשב את מהירותו של גוף על ידי מהירותו ההתחלתית, התאוצה שלו והזמן שעבר – זו לא גזירה אלא אינטגרציה, ואחר כך מסתבך לגמרי בניסיון להסביר מה זה תנע. תוך כדי כך הוא גם משחיל דיון קטן על גרביטציה. בנוסף, הוא דן גם במושג האנרגיה. הוא גם מתייחס ללייבניץ, שכידוע פיתח את החשבון הדיפרנציאלי באופן בלתי תלוי ובערך באותו זמן כמו ניוטון. סטיוארט, אנגלי, טוען שניוטון זכאי לקרדיט גדול יותר מכיוון שהוא פיתח את הרעיון בקונטקסט פיזיקלי, בעוד שהקונטקסט של לייבניץ היה יותר “מתמטי טהור”, whatever it means.

סטיוארט לא מתעלם מהפיל הגדול שבחדר, עליו הצביע כבר בימי ניוטון הארכיבישוף ברקלי (( הקשר לאוניבסיטת ברקלי אינו מקרי כלל וכלל. האוניברסיטה והעיר בה היא שוכנת נקראות על שמו )) . במתמטיקה של ניוטון, וגם בזו של לייבניץ, יש כשל לוגי חמור. אסביר: בנוסחאות מתמטיות, אותיות מסמלות מספרים. אחת האותיות בסימון של ניוטון היא האות o. ניוטון, וגם לייבניץ, מניחים במפורש כי o חייב שונה מאפס (( לא לבלבל בין o ובין 0 ! )).  כדי ליישם את הנוסחה, יש צורך לבצע כל מיני מניפולציות אלגבריות: חיבור, חיסור, כפל, וחילוק. בפרט, בשלב מסויים חייבים לחלק ב-o, וזה בסדר גמור כי כזכור  o שונה מאפס. בסוף מקבלים משהו שכולל בתוכו את o, ואז ניוטון, ולייבניץ אומרים משהו כמו “עכשיו o יהיה שווה לאפס”. זה לא הולך ככה. אי אפשר שמשהו יהיה שונה מאפס כשזה מתאים לך ואחר יהיה בכל זאת שווה לאפס כי הנסיבות השתנו ועכשיו זה יותר מתאים לך. את הכשל הלוגי הזה התחילו ליישב רק לקראת סוף המאה ה-18, כאשר המתמטיקאי הצרפתי אוגוסטין קושי הציג את מושג הגבול. סטיוארט נכשל לחלוטין בניסיון להסביר את מושג הגבול, אבל אני לא מאשים אותו. זה קשה.

מה עוד? סטיוארט מתאר כמה יישומים נוספים של מושג הנגזרת, אבל הוא מתעלם מהשימוש העיקרי: אופטימיזציה, כלומר מציאת נקודות מינימום או מקסימום של פונקציה. הנגזרת מאפשרת למצוא את הנקודות האלה גם באופן ישיר וגם באופן עקיף על ידי חישוב נומרי (בשיטות כמו ניוטון-רפסון,gragient decent  ודומותיהן). לשיטות האלה יש שימוש מרכזי בסטטיסטיקה ובתחום הבינה המלאכותית.

מי חסר בפרק הזה? אלברט איינשטיין. אני לא מבין איך אפשר לדון כל כך הרבה בחוקי התנועה של ניוטון ולהתייחס אליהם כנקודה האחרונה בתהליך המחשבתי שנמשך דורות. התהליך המשיך גם אחרי ניוטון. לאיינשטיין היה חלק מכריע בהרחבת התיאוריה של ניוטון. אי אפשר להתעלם ממנו. אבל סטיוארט התעלם.

הפרק הרביעי של הספר עוסק בחוק הכבידה של ניוטון. במילים מאוד לא מדוייקת, החוק אומר כי כח המשיכה של גופים גדול יותר ככל שהמסה שלהם גדולה יותר, וההשפעה של כח המשיכה הולכת ונחלשת ככל שמתרחקים מהגוף המושך. מחבריי הפיזיקאים אני מבקש סליחה, אבל התיאור הזה מתאים לצרכי הטוויטר.

סטיוארט לא מדבר יותר מדי על המשוואה עצמה. הוא מביא סקירה היסטורית רחבה של תפיסת מבנה היקום, החל מהבבלים, דרך תלמי, כל הדרך עד לקפלר. הוא מתאר את סיפור התפוח המפורסם שנפל על ראשו של ניוטון כאשר נח תחת עץ (האמת היא שזה לא קרא באמת אלא שניוטון השתמש המטאפורה הזו כדי להסביר חלק מהרעיון). סטיוארט גם מדגיש כי חוק הכבידה הוא אוניברסלי – המשיכה קיימת בין כל שני גופים ביקום, וזו נקודה חשובה. מה עוד? הוא מתאר באריכות את המחלוקת בין ניוטון ורוברט הוק בעניין הקרדיט לגילוי חוק הכבידה. הוק כנראה ידע את זה לפני ניוטון, אבל ניוטון נתן את הניסוח המתמטי המדוייק, וגם נתן קרדיט להוק על התרומה שלו בספרו, ולכן הקרדיט המלא אכן מגיע לניוטון. סטיוארט מסביר בקצרה את המשמעות של חוק הכבידה בחישובי מסלולים של חלליות ולוויינים, ועובר לדיון ארוך ומייגע בתיאוריה/ספקולציה של חורי התולעת.

נחמד, אבל כאן יש לי כמה הערות: ראשית, סטיוארט כותב כי החוק מדגים את היכולת של המתמטיקה למצוא תבניות נסתרות ביקום ולגלות פשטות החבויה במורכבות של היקום. אני לא כל כך מסכים עם האמירה הזו. החוק של ניוטון הוא לדעתי מודל פשוט מאוד של היקום שנגזר מתוך תצפיות. אין עוררין על כך שהמודל הזה הוא ציון דרך סופר חשוב במדע, אבל התצפיות על היקום הובילו לתיאור המתמטי ולא להיפך. וכפי שהתברר לאחר זמן לא ארוך, כשמנסים לבנות מודל מתמטי שיתאר את כוחות המשיכה ההדדיים בין 3 גופים, המתמטיקה לא כל מצליחה לעשות את זה, בטח לא בקלות ובפשטות כמו החוק של ניוטון.

שנית,  סטיוארט כותב במקום אחד כי ניוטון פיתח את החוק/מודל שלו מתוך חוקי קפלר, ובמקום אחר הוא כותב כי ניוטון גזר את חוקי קפלר מתוך חוק הכבידה שלו. זה לא מסתדר לי ביחד. כפי שאני הבנתי מהציטוטים שסטיוארט הביא מדברי ניוטון, הטענה הנכונה היא הטענה הראשונהת ואזכיר את אמירתו של ניוטון עצמו כי הרחיק ראות מכיוון שעמד על כתפי ענקים.

ושוב: מה עם איינשטיין? איך אפשר לדבר על כבידה בלי להזכיר את איינשטיין?

המשוואה של הפרק החמישי אומרת כי i בריבוע שווה למינוס אחד.

זו בהחלט נקודת התחלה טובה לתיאור של המספרים המרוכבים. הבעיה הראשונה: זו לא המשוואה ששינתה את העולם בהקשר הזה, אלא משוואה אחרת. מצד שני, המשוואה הזו הרבה יותר פשוטה, ולכן אני לא מבקר את סטיוארט בעניין הזה.

סטיוארט מתחיל בתיאור של איטליה בתקופת הרנסנאס ואז עובר למשוואות אלגבריות. הוא חוזר אחורה בזמן אל הבבלים שידעו לפתור משוואות ריבועיות, ועובר לתקופה מאוחרת יותר בה החלו הניסיונות לפתור משוואות יותר מסובכות, כאלה שמכילות גם איקס בשלישית. הוא מציין מספר מתמטיקאים, בעיקר ערבים, שמצאו פתרונות חלקיים, כולל אל-ח’ואריזמי שמשמו נגזרה המילה אלגוריתם, ומקור המילה אלגברה הוא מכותרת ספרו “חיסאב אל-ג’אבר ואל-מוקאבלה” שיצא לאור בשנת 830. לבסוף חוזר אל איטליה והרנסנאס, ועורך לנו היכרות עם ג’ירולמו קרדאנו, איש רב פעלים ומעללים.

קרדאנו מופיע בסיפור כי הוא גילה/מצא את הפתרון הכללי למשוואה מהמעלה השלישית, ובמשותף עם תלמידו לודוביקו פרארי מצאו את הפתרון הכללי למשוואה מהמעלה הרביעית, כלומר משוואה שמופיע בה X בחזקת 4.

הנוסחה של הפתרון הכללי של המשוואה מהמעלה השלישית היא זו ששינתה את העולם. כמו נוסחת הפתרון למשוואה הריבועית, גם הנוסחה הזו כללה בתוכה הוצאת שורשים. אבל, לפעמים היה צורך להוציא שורש ממספר שלילי, וזאת כידוע בעיה.

פרארי פתר את הבעיה בכך שהתעלם ממנה. שורש של מספר שלילי? נו פרובלם, נמשיך כאילו כלום. מה איכפת לי אם יש שורש של מינוס ארבע עשרה? נמשיך הלאה ובסוף הוא יצטמצם, ומקבלים תשובה נכונה.

כאן נפתח הפתח אל המספרים המדומים, ומהם מגיעים אל המספרים המרוכבים. סטיוארט מתאר איך הרחיבו את המתמטיקה כדי לכלול בתוכה את המספרים האלה, ועל הדרך מספר כי e בחזקת i כפול π שווה למינוס 1. זוהי נוסחה מדהימה בלי כל ספק, אולי הנוסחה הכי יפה בכל המתמטיקה. סטיוארט מנסה להסביר איך מגיעים לשוויון הזה, אבל כושל.

בהמשך, סטיוארט אומר בקצרה שבעזרת מספרים מרוכבים אפשר לפתור משוואות דיפרנציאליות בקלות (יחסית, הכל יחסי) ואת ההשפעה העצומה של זה על התפתחות הטכנולוגיה. הוא גם מזכיר כמה אנשים שנתנו פרשנות גיאומטרית למספרים המרוכבים, כמו ואליס וגאוס, מסביר איך המילטון פיתח את ההגדרה הפורמלית, וזהו.

מה???

הנה כמה דברים שחסרים. קודם כל, זוכרים את הפרק על משפט פיתגורס? אם כבר מדברים על הרחבות של מערכת המספרים, מה עם המספרים האי רציונליים? תהיתי כבר אז, וחשבתי שהם ייכנסו במקום אחר. הפרק הזה, שבו מדברים על פתרון משוואות אלגבריות בעזרת שורשים יכול להיות מקום מצויין לדון בהם. אבל מספרים אי-רציונליים – יוק.

הנה עוד יוק אחד: סטיוארט מציין כי קארדנו ופרארי לא ידעו לפתור משוואה כללית מהמעלה החמישית, ומציין ביובש כי פיתרון כזה לא קיים, וזהו. לדעתי היה מקום לומר עוד כמה מילים או פסקאות בנושא, ולפחות להזכיר את אווריסט גלואה ואת נילס אבל. סטיוארט לא חשב שזה חשוב או מעניין.

היוק השלישי: איך אפשר לכתוב פרק שלם על המספרים המרוכבים ולהזכיר את גאוס בפחות מרבע משפט? הוא מתעלם לחלוטין מהתרומה העצומה של גאוס לתחום. המשפט  היסודי של האלגברה, מישהו?

לדעתי סטיוארט נכשל בפרק הזה בגדול.

הפרק השישי עוסק בנוסחת הפאונים של ליאונרד אוילר: לכל פאון, מספר הפאות פחות מספר הצלעות ועוד מספר הקודקודים שווה ל-2.

אסביר: פאון הוא גוף הנדסי שמורכב ממשטחים, למשל קובייה או פירמידה.

קחו קובייה ותבדקו: לקובייה יש 6 פאות (כלומר 6 צדדים). כל שתי פאות מופרדות על ידי צלע, ובסך הכל יש לקובייה 12 צלעות. הצלעות נפגשות בקודקודים. לקובייה יש 8 קודקודים. 6 פחות 12 ועוד 8 שווה ל-2.

זה נכון גם לפירמידה. לפירמידות במצרים יש בסיסים מרובעים, ולכן לכל פירמידה יש 5 פאות: הבסיס המרובע ועוד 4 משולשים. קל להשתכנע כי לפירמידה יש 8 צלעות: 4 צלעות הבסיס, ועוד ארבע צלעות שמחברות את בסיס הפירמידה לקודקוד שלה. לסיום, לפירמידה יש 5 קודקודים: 4 בבסיס ועוד אחד בראש הפירמידה. 5 פחות 8 ועוד 5 שווה ל-2. קסם! את הנוסחה הזו הוכיח כאמור אוילר.

סטיוארט מסביר את רעיון ההוכחה, ואני אתרכז רק בפרט אחד, אבל חשוב: הרעיון הוא שלוקחים קובייה או פירמידה שעשויים מפלסטלינה, מכווצצים אותה לצורה של כדור או משהו דומה (ואיכשהו הפאות, הצלעות והקודקודים נשארים מסומנים). מה שחשוב הוא שפעולת הכווצוץ היא רציפה: אסור לקרוע את הפלסטלינה, וגם אסור להדביק קצה אחד של הגוש לקצה אחר. תוך כדי הכווצוץ מבצעים כל מיני פעולות על הגוש, ומסירים צלעות או קודקודים באופן כזה שמספר הפאות פחות מספר הצלעות ועוד מספר הקודקודים לא משתנה. למשל, אם הכווצוץ ידביק שני קודקודים זה לזה, אז שני הקודקודים יתמזגו לקודקוד אחד, אבל גם הצלע שמחברת אותם תיעלם, ולכן ההפרש בין מספר הצלעות ומספר הקודקודים לא משתנה.

ועכשיו יש טוויסט בעלילה: קחו מסגרת של תמונה. גם לה יש פאות וצלעות וקודקודים, אבל אם תחשבו את מספר הפאות של המסגרת פחות מספר הצלעות שלה ועוד מספר הקודקודים שלה לא תקבלו 2 אלא 0. הסיבה לכך היא שבמסגרת יש חור.

וכך, בשישה ציוצים, או בכמה דפים בספר, קיבלתם את ה-א”ב של הטופולוגיה. עד כאן סטיוארט עשה עבודה מצויינת. אבל כרגיל, הוא לא יודע לפרוש בשיא, וכותב כמה עמודים טובים (12 עמודים בעצם, ספרתי) של כניסה לפרטים טכניים, בשפה לא מובנת לאדם פשוט כמוני. אני אחסוך מכם את המעט שקראתי מתוך העמודים האלה.

לסיום, סטיוארט מנסה להסביר למה המשוואה הזו שינתה את העולם. האמת, המשוואה הזו שינתה בעיקר את עולם המתמטיקה בהיותה אבן היסוד לתחום הטופולוגיה. הוא מציין, ובצדק, שלטופולוגיה אין יישומים ישירים, אבל אומר משהו על פיזיקת קוונטים, ומבנה הד.נ.א.

הפרק השביעי עוסק, או אמור לעסוק, בהתפלגות הנורמלית. אני מניח שאתם מכירים אותי מספיק טוב כדי שלא תופתעו אם אומר לכם שהפעם באמת התעצבנתי. לכן הסקירה של הפרק הזה תהיה ארוכה, למרות שהתאפקתי מאוד כשכתבתי את הטיוטה לציוצים בטוויטר. מתנצל מראש.

בעיה ראשונה: בעמוד הראשון של כל פרק מופיעה המשוואה שהפרק אמור לדון בה, עם כל מיני הסברים. המשוואה שסטיוארט מציג בפרק הזה היא פשוט שגויה. לא נכונה מבחינה מתמטית. אין שום דרך לייפות את זה. השגיאה נמשכת גם בטקסט: הוא מבלבל בעקביות בין המונחים הסתברות והתפלגות (וגם צפיפות, למרות שהוא לא מזכיר את המונח).

אבל זאת לא סיבה להפסיק לקרוא כמובן. סטיוארט החליט להקדיש את כל הפרק הזה להסתברות וסטטיסטיקה, וכרגיל הוא מתחיל בסקירה היסטורית מבולבלת. הוא קופץ מקרדאנו אל לפלאס, יעקב ברנולי, קטלה, דה-מואבר, לז’נדר (תיכף ארחיב עליו), פרמה ופסקל, וסליחה אם שכחתי מישהו. אה, כן, שכחתי את גאוס. תיכף נגיע גם אליו.

נתחיל את סקירת הפרק בלז’נדר. סטיוארט מציין, ובצדק, שלז’נדר הוא שפירסם ראשון את שיטת הריבועים הפחותים, ונותן לו את כל הקרדיט על כך. מה עם גאוס? סטיוארט לא מתלהב ממנו. האמת היא שלז’נדר פירסם טכניקה, ללא כל הצדקה למה השיטה שלו עדיפה על שיטה אחרת.

גאוס הוא זה שקשר את שיטת הריבועים הפחותים להתפלגות הנורמלית, והראה מדוע זוהי השיטה האופטימלית להתאמת קו ישר לתצפיות; קוראים לזה משפט גאוס-מרקוב. אנחנו גם יודעים בוודאות כי גאוס הכיר את שיטת הריבועים עוד לפני שלז’נדר פירסם את המאמר שלו, אבל זה לא משנה לסטיוארט. ולמה בכלל קוראים להתפלגות הנורמלית גם בשם התפלגות גאוסיאנית? סטיוארט ממלמל משהו.

סטיוארט עובר לדבר על סיר פרנסיס גאלטון ועל עבודתו בחקר התורשה. כאן הוא דווקא עושה עבודה די טובה, ומתאר בפירוט את מחקריו של גאלטון שהובילו לעדויות האמפיריות הראשונות על תיאוריית האבולוציה של דודו צא’רלס דארווין. הוא מתאר את תופעת הרגרסיה לממוצע ואת הפיתוח הראשוני של מקדם המתאם. יש לו פה ושם אי דיוקים קלים, אבל בסך הכל זה בסדר.

עכשיו הגיע הזמן לסלט. סטיוארט מחליט לדבר על בדיקת השערות, וזורק לתוך הסלט הזה את רונלד פישר, קרל פירסון ובנו אגון פירסון, וכמובן גם את ג’רזי ניימן. אז קודם כל, פירסון האב לא שייך לכאן. אדרבא. הוא התנגד בעקביות לגישה של פישר לבדיקת מובהקות. מי שכן שייך אבל לא מוזכר הוא ויליאם סילי גוסט (הידוע בכינוי student) , הראשון שהגה את התובנה של בדיקת המובהקות, ועבודתו הייתה הבסיס לעבודה של פישר.

סטיוארט מנסה ניסיון אומלל להסביר מה זה בעצם בדיקת השערות. הוא מערבב את הגישה של פישר עם הגישה (המנוגדת) של ניימן ופירסון, ואני חושש שההסבר היחיד לכל הסלט הזה הוא שסטיוארט פשוט לא מבין כאן על מה הוא מדבר. אני לא מאשים אותו. זה קשה. אבל הוא היה יכול אולי להתייעץ עם מישהו שכן מבין. מצד שני, מכיוון ההסבר שלו כל כך מבולבל ומסורבל אני מעריך שאין סיכוי שמישהו יקרא את זה ולא יתייאש, ולכן לא ייגרם נזק.

לאחר הסלט, מה יותר מתאים לקינוח מאשר רגל קרושה? ב-1994 יצא לאור ספר בשם “The bell curve”  שביטא עמדות גזעניות בעזרת ניתוחים סטטיסטיים שגויים ומוטים ((מצטער, אבל אני לא נותן לינק לתועבה הזו)). סטיוארט מחליט להקדיש לספר האומלל הזה לא פחות מתשעה עמודים, תוך כדי התפזרות לכל מיני כיוונים שלא קשורים בכלל לסטטיסטיקה, או להתפלגות הנורמלית.

מה חסר בפרק הזה? הרבה, אבל אני רוצה להתעכב על דבר אחד חשוב באמת: סטיוארט כותב בתחילת הפרק כי ההתפלגות הנורמלית מהווה מודל טוב להרבה מאוד תופעות מהעולם האמיתי, וזה נכון.

אבל סטיוארט שוכח לציין כי יש הרבה מאוד תופעות מהעולם האמיתי שההתפלגות הנורמלית לא מהווה מודל טוב עבורם. המשבר הפיננסי של 2008 הוא דוגמה טובה, אם מכירים אותה כמובן. הערכת הסיכונים של כל בנקי ההשקעות השתמשו במודל שהתבסס על ההתפלגות הנורמלית, אבל ההתפלגות הייתה התפלגות קושי. אופס.

הדבר שהכי מטריד אותי בעקבות קריאת הפרק הזה הוא עד כמה ניתן לסמוך על סטיוארט בהמשך הקריאה. ככל שהספר יתקדם יהיו בו נושאים שאני פחות ופחות מכיר ומבין. האם אחרי שאקרא את הפרקים האלה אבין משהו בנושאים שלהם? מושגי יסוד? עד כמה הם אמינים? אני ממש לא יודע. ולכן החלטתי להפסיק כאן את הקריאה, והסקירה שלי הגעה לסופה.

לקריאה נוספת בנושאים הקשורים לנושא רשימה זו

מודלים ואלגוריתמים: מה ההבדל ומה הבעיה

לאחרונה השתתפתי בכמה דיונים בפייסבוק שהגיעו למבוי סתום. ניסיתי להבין למה זה קורה ולבסוף הבנתי: אני דיברתי על מודלים והם דיברו על אלגוריתמים.

לכאורה לא צריכה להיות שום בעיה. מודל זה דבר אחד, אלגוריתם זה דבר אחר. אם תחפשו בגוגל מודל, לא תמצאו שום מקום שיטען כי מודל הוא אלגוריתם. גם ההיפך נכון. אז מה קורה כאן?

כדי להסביר למה אני מתכוון, יש צורך במספר שלבים. תחילה אתן הסבר קצר וכללי (ויש יאמרו: פשטני) מהו מודל ומהו אלגוריתם. אחר כך אסביר ביותר פירוט מהו מודל סטטיסטי, ואיך הוא מתקשר למושג האלגוריתם. לבסוף אסביר מנין נובע הבלבול בין שני המושגים, לפחות בהקשר הסטטיסטי, ואצביע על בעיה העולה מכך.

מהו מודל?

מודל הוא תיאור תיאורטי של תופעה מציאותית. המציאות היא בדרך כלל מורכבת, והמודל מנסה להתרכז בגורמים החשובים שבעזרתם אפשר לתאר את התופעה, לאפיין אותה, ובעיקר לחקור אותה. המודל כמובן אינו תיאור מדוייק לגמרי של המציאות, אבל הוא מספיק טוב כדי לתת תשובה אמינה לשאלות מעניינות. כל מודל מתבסס על הנחות. מודל טוב מסוגל להסביר תצפיות על המציאות ולחזות תצפיות עתידיות. מודל צריך להיות ניתן לפירוש, כלומר אינו קופסה שחורה. מודל טוב הינו חסכוני – כלומר פשוט ככל האפשר. מודל יכול להיות פיזי, למשל חלקיק הטס לו בתוך מאיץ חלקיקים, או עכבר – במדעי החיים או ברפואה. יש מודלים המבוטאים על ידי משוואות מתמטיות.

מהו אלגוריתם?

אלגוריתם הוא סדרה של הוראות לביצוע משימה מסויימת, כך שהמשימה תסתיים במספר סופי של צעדים. מתכון להכנת עוגה הוא אלגוריתם. כאשר למדתם בבית הספר (או ניסיתם ללמוד) חילוק ארוך, למדתם אלגוריתם. לכל אלגוריתם יש קלט. במקרה של הכנת עוגה, אלה החומרים שמשמים להכנתה: קמח, ביצים וכולי. אולם כאשר הדברים על אלגוריתמים מדברים בדרך כלל על אלגוריתמים מתמטיים, והקלט שלהם הוא בדרך כלל מספרים/נתונים. התוצר של האלגוריתם נקרא פלט. פלט יכול להיות למשל מנה של עוגה, או המנה המתקבלת כתוצאה של חילוק ארוך. כמו למודל, גם לאלגוריתמים יש הנחות, ויש גם תכונות, ואני לא אכנס כאן לפירוט מכיוון שידיעותיי בנושא מוגבלות.

מהו מודל סטטיסטי?

מודל סטטיסטי הוא מודל מתמטי הכולל בתוכו אלמנט מקרי. בדרך כלל המודל עוסק במדגם מתוך אוכלוסייה, ומתאר תכונות של האוכלוסייה וקשרים אפשריים ביניהם.

אתן כאן דוגמה למודל סטטיסטי פשוט, מודל הרגרסיה הלינארית. זהו אחד המודלים הפשוטים ביותר בסטטיסטיקה. יהיו נוסחאות, אך לא צריך להיבהל מהן. אלה רק אותיות וסימנים מתמטיים כמו חיבור וכפל. אסביר בדיוק ובפשטות מה זה כל דבר. הנה המודל:

 

מה רואים כאן?

בשורה/נוסחה הראשונה יש אותיות לטיניות גדולות: X ו-Y. אלה הם המשתנים של המודל. המודל מנסה להסביר את הקשר בין המשתנים. X יכול להיות למשל המשקל של אדם, ו-Y יכול להיות הגובה שלו. אפנה את תשומת ליבכם לכך שהמודל מניח כי X ו-Y הם משתנים כמותיים ורציפים, למרות שזה לא כתוב במפורש בנוסחה. X ו-Y יכולים להיות משקל, גובה, גובה המשכורת, דברים כאלה, אבל לא מספר ההתקפים שהיו לחולה במשך שנה, לא מספר נעליים, ובטח לא מספר קו האוטובוס שעובר בשכונה.

נמשיך בהסבר: בנוסחאות יש גם אותיות יווניות קטנות: אלפא, ביתא, וגם סיגמה. אלה הם הפרמטרים של המודל. הם מתארים את הקשר בין המשתנים X ו-Y.

בעולם מושלם, אלפא וביתא לבדם היו מספיקים לתאר את הקשר בין X ל-Y. קח את המשקל של אדם בקילוגרמים (X), תכפיל אותו ב-0.5, תוסיף 136, ותקבל את הגובה שלו בסנטימטרים. (( את הערכים המספריים שנתתי כאן לאלפא וביתא חישבתי על פי קובץ הנתונים body, בו השתמשתי גם ברשימה על ה-PCA )) קשר כזה בין המשתנים נקרא “קשר לינארי”. זוהי ההנחה השניה של המודל: בעולם מושלם, הקשר בין X ל-Y הוא לינארי.

אבל העולם אינו מושלם. בעולם מושלם הייתי צריך להתנשא לגובה של 188 ס”מ, אבל גובהי רק 180. האות e מבטאת את ההבדל בין העולם המושלם והעולם האמיתי – במקרה שלי 8 ס”מ.

אם יש לכם קובץ עם הרבה נתונים של משקל וגובה, יהיו לכם גם הרבה ערכים של e. המודל מניח כי אם תציירו גרף של כל הערכים של e תקבלו צורת פעמון – התפלגות הערכים של e היא נורמלית. ההנחה הזו – השלישית במודל שלנו, מתוארת בשורה השניה על ידי הסימן ~ והאות N. המודל מניח עוד הנחה על הפעמון: המרכז שלו, הממוצע של כל הערכים של e, נמצא ב-0. יהיו ערכים חיוביים של e, יהיו גם ערכים שליליים, והם יקזזו אחד את השני. הפרמטר סיגמה מבטא את צורת הפעמון. אם לסיגמה יש ערך גבוה יחסית, נקבל פעמון נמוך ורחב. זה אומר שיש הרבה ערכים של סיגמה שרחוקים מאפס. יש הרבה טעויות גדולות, לשני הכיוונים. אם לסיגמה יש ערך נמוך, הפעמון הוא גבוה וצר, כלומר רוב הטעויות הן קטנות וקרובות יחסית לאפס. ככל שסיגמה קרוב יותר לאפס, העולם “יותר מושלם”. אם סיגמה שווה לאפס – זה אומר שאנחנו באמת בעולם מושלם (לא יקרה).

אציין שיש למודל הזה עוד הנחה אחת, אך היא יותר טכנית במהותה ולא אתאר אותה כאן.

עד כאן תיאור המודל.

נניח עכשיו כי יש לנו קובץ, ובו יש לנו נתונים על גובהם ומשקלם של מדגם של אנשים. אנחנו יכולים לשאול הרבה שאלות מעניינות. למשל: האם המודל של רגרסיה לינארית מתאים לנתונים? האם ההנחות של המודל מתקיימות? האם הקשר בין הגובה למשקל הוא לינארי? ואם לא, עד כמה הקשר קרוב לקשר לינארי? מהם הערכים של אלפא, ביתא וסיגמה? ועד כמה הם שונים באופן מובהק מאפס? ועוד הרבה שאלות אחרות. יש דרכים לקבל תשובות לשאלות האלה, כמובן לא בוודאות מלאה, שהרי מדובר כאן במדגם.

לערכים של אלפא ביתא וסיגמה, למשל, אפשר לקבל אומדנים. מייד יופיעו כאן נוסחאות לחישוב האומדנים לאלפא ולביתא. לא להיבהל, הן ממש לא חשובות לדיון שלנו, אני מציג אותן רק למקרה שמישהו יפקפק בקיומן. תסתכלו להן בעיניים ותעברו הלאה:

למודל. (כשהייתי בשנה ב’, כתבתי בעצמי תכנית מחשב כזו, בשפת פורטרן).

 

מה שחשוב כאן זה להבין שהנוסחאות האלה מסבירות איך לקחת את הנתונים, שמסומנים על ידי x ו-y, ולבצע איתם חישובים שיתנו לנו אמדנים לערכים של אלפא וביתא. הנוסחאות האלה מגדירות אלגוריתם. הנתונים הם הקלט, האמדנים הם הפלט. אפשר לכתוב תכנית מחשב שתבצע את החישובים האלה עבורכם, ועוד הרבה חישובים אחרים, שיענו לשאלות אחרות שאפשר לשאול בקשר למודל. (כשהייתי בשנה ב’, כתבתי בעצמי תכנית מחשב כזו, בשפת פורטרן).

ככלל, לכל מודל סטטיסטי מתלווים כמה אלגוריתמים, שמגדירים כיצד למצוא את התשובות לשאלות שאפשר לשאול על המודל.

מה בקשר להיפך? האם לכל אלגוריתם יש מודל שעומד בבסיסו (לא בהכרח סטטיסטי)? האמת היא שאני לא בטוח בתשובה. אני מזמין את מי שיודע (או חושב שהוא יודע) לענות לשאלה מעניינת זו.

אז מה הבעיה?

הבעיה הגדולה היא שהאלגוריתם עיוור למודל. הנוסחאות שהצגתי לחישוב האומדנים לאלפא וביתא “לא יודעות” שהן נובעות מהמודל, ולא איכפת להן אם ההנחות של המודל מתקיימות או לא. אתם יכולים, למשל, לקחת קובץ נתונים על שחקני כדורסל, להחליט ש-x הוא מספר הנעליים של שחקן, ו-y הוא מספר החולצה שלו. הנוסחאות יעבדו. תכנית המחשב לא תוציא הודעת שגיאה. פייתון לא יקרוס.

וזה נכון גם לאלגוריתמים אחרים. אתם יכולים גם לחשב את מקדם המתאם בין מספרי הנעליים של השחקנים ומספרי החולצה שלהם. או לחשב לכל שחקן את הממוצע של מספר החולצה ומספר הנעליים. נשמע מופרך? בפורום סטטיסטיקה והסתברות בפייסבוק היו כאלה חשבו שלחשב את מקדם המתאם בין המספר הסידורי של סרט בדטהבייס ובין הרייטינג הממוצע שלו זה בסדר גמור. ובפורום ML הסבירו לי שאין שום בעיה לשקלל את משקלו של אדם עם מנת המשכל שלו (אם רק עושים סקיילינג. אל תשכחו לעשות סקיילינג!). וכשטענתי שאין משמעות לשקלול של משקל הגוף ומנת המשכל, ענה לי סניור דטה סיינטיסט אחד כי “המשמעות אינה חשובה”.

נכון שאפשר להריץ את כל האלגוריתמים האלה בלי להבין את המתמטיקה שעומדת בבסיסם. אפשר “לבנות מודל” – זאת אומרת, לבנות איזשהו אלגוריתם קצת יותר מסובך מאבני בניין של אלגוריתמים יותר פשוטים. אפשר לקחת את כל הנתונים ולזרוק אותם ל-xgboost . אני יודע שיש אנשים שעושים את זה, ומה איכפת להם? אם זה יביא לחברה שלהם עוד 30,000 דולר, זה מה שחשוב, ואני לא אומר שזה לא חשוב.

אני חושב שהמשמעות חשובה. אני חושב שאם אתה משתמש במודל, אתה צריך להבין מה הפירוש של המודל, לדעת מה ההנחות שעומדות בבסיסו, וכן, גם לדעת מה המגבלות שלו. ומי שלא מבין, ולא יודע, ולא איכפת לו, הוא מהנדס במקרה הטוב, טכנאי במקרה הפחות טוב, ובשום אופן לא מדען. במה שהוא עושה יש אכן הרבה דטה, אבל מעט מאוד סיינס. וצריך להכיר בזה. וכל אחד צריך לשאול את עצמו מה הוא באמת.

לקריאה נוספת בנושאים הקשורים לנושא רשימה זו

כמה עובדות על פיי

לפני שבועיים פרסמתי כאן חידון על המספר פיי – π. לאלה מכם שלא ישנו בלילות בציפיה לתשובות (וגם לאלה שלא), הנה התשובות לרוב השאלות בחידון. אני מקווה שתסלחו לי , אבל מספר הספרות שחושב אחרי הנקודה העשרונית  של פיי משתנה מדי פעם, והדברים בבלוג הזה אמורים להיות נכונים לנצח.

פיי בעולם העתיק

מתברר כי הבבלים השיגו קירוב טוב מאוד לערך של פיי, שעולה אך במעט על הקירוב המצרי. התנ”ך, לעומת זאת. אינו מומלץ כטקסט ללימוד מתמטיקה.

בתנ”ך, בספר מלכים א, פרק ז’ בו מתואר המקדש שבנה שלמה, מתואר בפסוק כ”ג ים הנחושת שבמקדש:

“וַיַעַשׂ אֶת הַיָם מוּצָק, עֶשֶר בָאַמָה מִשְפָתוֹ עַד שְפָתוֹ עָגֹל סָבִיב, וְחָמֵשׁ בָאַמָה קוֹמָתו וְקָו  שְלשִים בּאַמּה יָסב אתוֹ סָבִיב”

כלומר היקפו של ים הנחושת 30 אמה וקוטר של 10 אמות, ומכאן שלפי נתוני ספר מלכים ערכו של פיי שווה ל-3. אמנם קיים איזה פלפול ולפיו הערך של פיי גם על פי ספר מלכים הוא 3.14, ומי שמעוניין יכול לחפש אותו ברשת ולהתרשם.

המצרים (על פי התיעוד בפפירוס רינד) העריכו כי שטחו של מעגל החסום בריבוע שווה לשטחו של ריבוע שאורך צלעו  היא 8/9 מצלע הריבוע החוסם את המעגל (זוהי בעצם הערכה לפיה שטח המעגל שווה לשטח מתומן משוכלל החסום בתוכו), ומהערכה זו נובע כי ערכו של פיי הוא בערך 256/81 או 3.16. ערך זה גבוה ב-0.6% מהערך האמיתי.  אולם כבר 500 שנים קודם לכן השתמשו הבבלים בחישוביהם בערך  לקירוב היחס בין היקף המעגל וקוטרו, 25/8. ערך זה נמוך ב-0.5% מהערך האמיתי של פיי.

גם תרבויות אחרות השיגו קירובים טובים לערך של פיי. האסטרונום ההודי יאגנואלקיה השתמש במאה התשיעית לפני הספירה בקירוב 339/108 (0.09% מתחת לערך האמיתי). ארכימדס שכלל את השטטה המצרית, וקירב את שטח המעגל של ידי מצולע משוכלל בן 96 צלעות. הוא השיג קירוב של 0.02% במאה השלישית לפני הספירה. כ-500 שנה מאוחר יותר, שיפר תלמי את קירוב ארכימדס על ידי שימוש במצולע משוכלל בן 360 צלעות, והשיג דיוק של יותר מ99.999%. קירוב דומה השיג גם המתמטיקאי הסיני ליו הוי.

מי הנהיג את השימוש באות היוונית פיי לציון היחס בין היקף המעגל לקוטרו?

ובכן, כיום סבורים כי השימוש הראשון באות היוונית פיי לסימון הקבוע המתמטי החשוב הזה נעשה בספרו של ויליאם ג’ונס, שיצא לאור ב-1706, אולם עדיין נהוג לייחס את הפצת השימוש באות פיי לליאונרד אוילר, שהשתתמש בו לראשונה במאמר שכתב ב-1737.

הקשר בין פיי ובעיית ריבוע המעגל

בעיית ריבוע המעגל (או יותר נכון, ריבוע העיגול) היא הבעיה של בניית ריבוע ששטחו שווה לשטח של עיגול נתון בעזרת מחוגה וסרגל.  בעיה זו אינה ניתנת לפתרון כיוון שפיי הוא מספר טרנסצנדנטי. אני לא ארחיב כאן מלים רבות על הנושא – פשוט משום שגדי אלכסנדרוביץ כבר עשה זאת בבלוג המצויין שלו, ואני פשוט אפנה אתכם לרשימה שכתב: “אז למה אי אפשר לרבע את העיגול?“. המתמטיקאי שהוכיח כי הבעיה אינה ניתנת לפתרון, או יותר נכון, הוכיח כי פיי הוא מספר טרנסצנדנטי ומכך נבע כי בעיית ריבוע המעגל אינה ניתנת לפתרון, הוא פרדיננד פון-לינדמן, שפרסם את הוכחתו ב-1882. ההוכחה, אגב, מתבססת על הקשר המופלא שהראה אוילר בין פיי וקבועים מתמטיים אחרים – המספר e, המספר המדומה i, והמספרים 0 ו-1:

תפקידו של פיי בסטטיסטיקה

לפיי תפקיד חשוב בסטטיסטיקה כיוון שפיי מופיע בנוסחת ההתפלגות הנורמלית. שתי תשובות כאן נועדו לבלבל את המנסים לנחש ניחושים אינטליגנטיים. אין בכלל דבר כזה “עקומת צפיפות האוכלוסיה של אוילר”. אני המצאתי את העקומה הזו כשכתבתי את החידון המקורי לפני חמש שנים. גם עניין נוסחת גודל המדגם הוא מופרך למדי. אין דבר כזה “נוסחה לחישוב גודל מדגם”. זה עניין הרבה יותר מורכב משימוש בנוסחא.

מה שמעניין הוא שאכן ניתן לקרב את ערכו של פיי באמצעות הטלת מחט על גיליון נייר,  בתנאי שעושים זאת הרבה מאוד פעמים. תוצאה זו ידועה בשם בעיית המחט של בופון (על שם הרוזן דה-בופון, שהציג לראשונה את הבעיה במאה ה-18). אם מטילים את המחט על גבי גליון נייר שעליו משורטטים קוים מקבילים, אז ההסתברות כי המחט תיפול כך שתחצה את אחד הקוים תלויה בפיי. למשל, אם המרחקים בין הקוים שווים לאורך המחט, אז ההסתברות כי המחט תחצה את אחד בקווים שווה ל-2 חלקי פיי. איך פיי מופיע כאן? ההסתברות תלויה במקום בו נמצא מרכז המחט ובזוית בין המחט ובין הקוים המקבילים. כאן נכנסת פונקציית הסינוס לתמונה, ועימה פיי. אם תטילו מחט כזו על דף פעמים רבות, אז תוכלו לקבל קירוב לערכו של פיי על ידי חלוקת 2 בפרופורציית הפעמים בהן המחט חצתה את אחד הקוים. חוק המספרים הגדולים מבטיח לכם כי הקירוב יהיה טוב יותר ככל שיגדל מספר הנסיונות.

מי נולד ביום הפיי?

המתמטיקאי שיום הולדתו הוא יום הפיי, ה-14 למרץ, הוא אלברט איינשטיין, שנולד ביום זה בשנת  1879. איינשטיין ידוע בראש ובראשונה כפיזיקאי, וזה אכן היה עיסוקו העיקרי. אולם ברור לכל שאין כל אפשרות לעסוק בפיזיקה ברמה שבה עסק איינשטיין ללא ידע מתמטי נרחב ויכולות בתחום. למעשה, איינשטיין נאלץ לפתח בעצמו (למעשה, בצוותא עם ידידו ושותפו למחקר גרוסמן) את הכלי המתמטי העיקרי בו השתמש בפיתוח תורת היחסות הכללית – אנליזה טנזורית. תורת היחסות הכללית פורסמה ב-1915, וממש באותו זמן פרסם המתמטיקאי דויד הילברט עבודה משלו בתחום האנליזה הטנזורית, שחפפה לחלק המתמטי של עבודתם של איינשטיין וגרוסמן. כאשר ב-1921 נסע איינשטיין לארה”ב יחד עם ד”ר חיים וייצמן, במטרה לגייס כספים להקמת האוניברסיטה העברית. ניצל את ההזדמנות כדי לתת הרצאה על תורת היחסות בפרינסטון. האולם היה מלא מפה לפה, ועל כך העיר איינשטיין: “לא ידעתי כי כל כך הרבה אנשים באמריקה מתעניינים באנליזה טנזורית”.

באיזה אופן מתנהגות הספרות בפיתוח העשרוני של פיי ?

הטענה היחידה  שניתן לטעון בודאות בודאות לגבי הספרות בפיתוח העשרוני של פיי היא שהן מתנהגות באופן לא מחזורי, וזה נובע מאי הרציונליות של פיי. הן לא מתנהגות באופן סטטיסטי כי אין חיה כזו. האם הן מתנהגות באופן אקראי ? ההשערה היא שכן, אבל איש עדיין לא הוכיח זאת.

איזה מהנוסחאות הבאות אינן מהוות קירוב טוב לפיי?

אני לא זוכר למה בדיוק התכוונתי כשכתבתי את השאלה הזו לפני כמה שנים.

 

הנוסחה שבסעיף א התגלתה/פותחה על ידי וייטה:

 

בסעיף ב מופיעה הנוסחה שפיתח לייבניץ, אחד מאבות החשבון הדיפרנציאלי, לפיי:

המכפלה האינסופית שבסעיף ג ידועה בשם מכפלת ואליס, ואינה מתכנסת לפיי, אלא לפיי חלקי 2.

בסעיף ד מופיע מופיע טור הדומה לטור של לייבניץ – שימו לב לסימנים ההפוכים, ואם הוא מתכנס אז בודאי לא לפיי.

לקריאה נוספת בנושאים הקשורים לנושא רשימה זו

יום פיי שמח!

המתמטיקאים בעולם חוגגים היום את יום הפיי. פיי הוא קבוע מתמטי שודאי שמעתם עליו, וערכו שווה בקירוב ל-3.14.בשיטה הנהוגה בארה”ב, התאריך של היום, ה-14 במרץ, נכתב כך: 3.14, ומכאן מקור המנהג.

בגוגל מציינים את היום על ידי לוגו מיוחד (שהוא התירוץ לכל הפוסט הזה):

ואם כבר כתבתי פוסט, אז הנה חידון פיי שכתבתי פעם כאשר ניהלתי את פורום המתמטיקה בתפוז. אתם מוזמנים לנסות את כוחכם. בהצלחה!

1) בעולם העתיק פיי מוזכר בכתבים בבליים, מצריים ואף בתנ”ך. מי מהשלושה נותן את הקירוב המדוייק ביותר לערך האמיתי של פיי?
א. המצרים.
ב. התנ”ך.
ג. הבבלים.

2) מבין ארבעת השברים הבאים – איזה הוא הקירוב המדוייק ביותר לפיי?
א. 2549491779/811528438
ב. 22/7
ג. 864/275
ד. 3927/1250

3) מי הנהיג את השימוש באות היוונית פיי לציון היחס בין היקף המעגל לקוטרו?
א. ארכימדס
ב. אוילר.
ג. גאוס
ד. איינשטיין.

4) בעיית ריבוע המעגל קשורה למספר פיי. בעיה זו אינה ניתנת לפתרון כיוון ש-
א. פיי הוא מספר אלגברי.
ב. פיי הוא מספר רציונלי.
ג. פיי הוא מספר אירציונלי.
ד. פיי הוא מספר טרנסצנדנטי.

5) המתמטיקאי שהוכיח כי בעיית ריבוע המעגל אינה ניתנת לפתרון הוא:
א. אוילר.
ב. גאוס.
ג. לינדמן.
ד. לז´נדר.

6) לפיי תפקיד חשוב בסטטיסטיקה כיוון ש-:
א. ניתן לקרב את ערכו של פיי באמצעות הטלת מחט על גיליון נייר.
ב. פיי מופיע בנוסחה לחישוב גודל המדגם.
ג. פיי מופיע בנוסחת ההתפלגות הנורמלית.
ד. פיי הוא הערך המקסימלי בעקומת צפיפות האוכלוסיה של אוילר.

7) המתמטיקאי שיום הולדתו הוא יום הפיי, ה-14 למרץ, הוא:
א. אוילר.
ב. איינשטיין.
ג. גאוס.
ד. פרמה.

8 ) עד לכמה ספרות (בערך) אחרי הנקודה העשרונית חושב ערכו של פיי?
א. מיליון.
ב. 206 מיליארד.
ג. 25,000.
ד. 75 מיליון.

9) באיזה אופן מתנהגות הספרות בפיתוח העשרוני של פיי ?
א. באופן מחזורי.
ב. באופן אקראי.
ג. באופן סטטיסטי.
ד. באופן לא מחזורי.

10) איזה מהנוסחאות הבאות אינן מהוות קירוב טוב לפיי?

 

עדכון 14.3.2019: הוספתי סוף סוף את התשובות בתגובות.

לקריאה נוספת בנושאים הקשורים לנושא רשימה זו

הרצאה של פרופ’ מריו ליביו – 17 לדצמבר‬

פרופ’ מריו ליביו, מחברם של מספר ספרי מתמטיקה פופולרית, ירצה בתאריך 17.12.09 במועדון האסטרונומי של אוניברסיטת תל אביב בנושא ספרו האחרון “האם אלוהים הוא מתמטיקאי?“. לפרטים לחצו כאן. אני אשתדל מאוד להיות שם.

אני קורא כעת את ספרו האחרון של ליביו. לשבחו אוכל לומר שסגנון הכתיבה שלו משתפר, והספר יותר מעניין לקריאה מספריו הקודמים. התכנים שבספריו מרתקים כמובן, בלי קשר לסגנון הכתיבה. בספר האחרון יש פרק העוסק בסטטיסטיקה – אני חייב לומר שקצת התאכזבתי כשקראתי אותו. מקווה לדווח בקרוב על רשמי מהקריאה.

לקריאה נוספת בנושאים הקשורים לנושא רשימה זו