36 officieren

Geplaatst op door

Het 36 officieren probleem, ook wel bekend als het probleem van Euler’s 36 officieren, is een beroemde puzzel in de combinatoriek, bedacht door de wiskundige Leonhard Euler in 1782. Het probleem kan als volgt worden omschreven:

Stel je hebt een leger van 36 officieren, bestaande uit 6 verschillende regimenten en 6 verschillende rangen. Je moet deze 36 officieren opstellen in een 6×6 rooster, zodanig dat in elke rij en elke kolom precies één officier van elk regiment en één officier van elke rang voorkomt.

Euler conjectureerde dat dit probleem geen oplossing heeft voor een 6×6 rooster, en dit werd later bewezen door Gaston Tarry (1843-1913) in 1901. Het betekent dat het onmogelijk is om een 6×6 rooster te vullen met deze eigenschappen. De onmogelijkheid van het oplossen van het 36-officieren probleem komt voort uit het feit dat het een speciaal geval is van het algemene probleem van het vinden van “orthogonale Latijnse vierkanten”. Latijnse vierkanten zijn roosters waarbij in elke rij en kolom elke symbool precies één keer voorkomt. Twee Latijnse vierkanten zijn orthogonaal als je ze over elkaar legt en elke combinatie van symbolen precies één keer voorkomt. Voor n=6 bestaat er geen paar van orthogonale Latijnse vierkanten, wat het 36-officieren probleem onoplosbaar maakt.

Euler vermoedde dat als n=4k+2, waarbij k een natuurlijk getal is, er geen paar orthogonale Latijnse vierkanten van n\times n bestaat. Dit vermoeden werd pas in 1959 ontkracht, toen de wiskundigen Bose,Shikhande en Parker een paar orthogonale Latijnse vierkanten van 22 \times 22 maakten. 

Er bestaan wel oplossingen als bijvoorbeeld  n=5 en n=7

 

 

Wiskunde onderzoek

Geplaatst op door

 

Bij wiskundig onderzoek start men met een open probleem en men probeert een oplossing hiervoor  te vinden. Het zoeken op zich naar een oplossing doet de wiskunde groeien en schept frisse ideeën waarin strategieën worden ontwikkeld om die open problemen aan te pakken. Vaak is het dan zo gelopen in de geschiedenis dat de ontstane theorie toepassingen biedt die veel uitgebreider zijn dan men aanvankelijk kon vermoeden, of zoals d’Alembert ooit zei:

Soms heeft de onderzoeker in de aanvangsfase zelf geen besef van de draagwijdte van zijn vondst. Het is een beetje te vergelijken met een uitspraak van professor Adhemar uit de strips van Nero: 

Ik voel dat ik weer iets prachtigs heb uitgevonden, maar ik weet nog niet waarvoor het dient.

Als de theorie die ontwikkeld werd door de onderzoeker geen noemenswaardige toepassingen blijkt te hebben, zal deze theorie een natuurlijke dood van vergetelheid sterven. Maar als het om een goed stuk wiskunde gaat, zal het de uitvinder overleven en geïntegreerd worden in de totale wiskundekennis van dat moment. Het zal zich zelfstandig ontwikkelen, los van de problemen waaruit het is ontstaan en waarschijnlijk nieuwe interessante problemen oproepen, die  weer onderzocht kunnen worden en zo is de cirkel rond.

Een typisch voorbeeld is de grafentheorie, die voortkwam uit het probleem om een route te vinden om over alle bruggen te wandelen in Königsburg, waarbij elke brug precies 1 maal gebruikt zou worden en waarbij men terugkeert naar het startpunt.

Veralgemening van de driehoek van Pascal

Geplaatst op door

In deze driehoek wordt elk element verkregen door de som te nemen van 3 elementen, namelijk het element erboven en de 2 elementen links daarvan. Zo is bijvoorbeeld het element 45 op de 6de rij gelijk aan de som 19 + 16 + 10. Als er op die plaatsen niets staat, wordt er 0 genomen.

De driehoek van Pascal is verbonden met het binomium van Newton. Deze veralgemeende versie van de driehoek van Pascal is verbonden met:

Zo kan je tevens gemakkelijk bewijzen dat de rijsom in deze veralgemeende versie steeds een macht van 3 is.  De rijsommen zijn inderdaad 1,3,9,27,81…

Dit is gemakkelijk te verklaren als je in bovenstaande formules a vervangt door 1.

Priemgetallen

Geplaatst op door

De Poolse wiskundige W.Sierpinski (1882-1969) was eer gefascineerd door de priemgetallen en hun spreiding tussen de andere natuurlijke getallen. We vermelden twee mooie resultaten.

Men kan een rij van opeenvolgende natuurlijke getallen bepalen, zo lang als men wilt, die geen enkel priemgetal bevat. Zo kan men bijvoorbeeld 100 opeenvolgende getallen kiezen zonder dat er een priemgetal inzit.  Neem 101!+2,101!+3,…,101!+101. Dit zijn 100 opeenvolgende getallen en ze zijn geen van allen priem want ze zijn respectievelijk deelbaar door 2,3,…,101

Voor elke n kan men een priemgetal vinden met links en rechts ervan n niet-priemen:

  • Neem een priemgetal q groter dan n+1.
  • Bereken a=\prod_{j=1}^{q-2}(q^2-j^2).
  • q  is onderling ondeelbaar met a.
  • De stelling van Lejeune-Dirichlet over de rekenkundige rij zegt dat er een priemgetal p bestaat met p>q en p=ak+q.
  • Nu is q+j een deler van a en omdat p+j=ak+q+j ook een deler van p+j. 
  • Analoog is q-j een deler van p-j.
  • Dus zijn p-j en p+j niet priem en dit voor j=1,2,…,n

Neem n=2 en q respectievelijk de priemgetallen 5,7,11,13,…, dan kan je zo bewijzen dat er oneindig veel priemgetallen bestaan die geen deel uitmaken van een priemtweeling.

De parabool van Neile

Geplaatst op door

In 1657 berekende de Britse wiskundige William Neile (1637-1670), als eerste de booglengte van een algebraïsche kromme:

    \[a^2x^3=y^2\]

Daarvoor kon men al wel de booglengte bepalen van transcendente krommen zoals de cycloïde en de logaritmische spiraal.

Deze kromme wordt de semikubische parabool , of parabool van Neile, genoemd, wat gemakkelijker te begrijpen valt als we deze herschrijven als y=\pm ax^{1,5}

Een parametervergelijking wordt gegeven door x(t)=t^2 en y(t)=at^3. De semikubische parabool ontstaat als evolute van de parabool. Een evolute is de meetkundige plaats van alle krommingsmiddelpunten (middelpunt van de cirkel die in het gegeven punt de kromme ‘kust’) van de gegeven parabool.