Lumina Cherenkov apare când o particulă încărcată electric călătoreşte prin materie mai repede decât o poate face lumina. Acest efect este echivalentul optic al unui „boom sonic” care se produce, de pildă, când un avion turboreactor călătoreşte mai repede decât sunetul.
- Detalii
- Scris de: Mălina Iorga
Particulele virtuale sunt particule cu o durata scurtă de viaţă, ce nu pot fi detectate în mod direct, însă care afectează unele cantităţi fizice - cum ar fi masa unei particule sau forţa electrică dintre două particule încărcate electric - într-o manieră cuantificabilă prin măsurători.
- Detalii
- Scris de: Mălina Iorga
Ne întoarcem cu matematica transpusă în versuri. De data aceasta vă prezentăm două scurte probleme cu beţe de chibrit, în care autorul vă invită să rezolvaţi două calcule aparent simple, mutând un singur băţ. Ca de obicei, vă oferim şi soluţia în josul paginii.
- Detalii
- Scris de: Petre Rău
Cui nu-i place un wallpaper elegant pe ecranul monitorului?. Astăzi vă recomandăm un site de unde puteţi prelua în mod gratuit imagini superbe. Site-ul dispune de o tehnologie care permite livrarea unui wallpaper "calibrat" pentru computerul dumneavoastră.
- Detalii
- Scris de: Iosif A.
O nouă problemă-poezie. De data aceasta vă prezentăm o problemă interesantă având ca subiect firele de păr de pe capul... gălăţenilor. Dacă sunteţi din Galaţi, trebuie musai să vedeţi despre ce e vorba. Dacă nu, curiozitatea nu vă va lăsa pasivi.
- Detalii
- Scris de: Petre Rău
Supermatematica s-a născut din efortul milenar şi disperat al omului de-a modela lumea aşa cum este ea: complexă şi neliniară, nu liniară şi simplistă. Supermatematica este împlinirea visul matematicienilor de-a avea o infinitate de matematici şi de-a opera cât mai simplu cu ele.
- Detalii
- Scris de: Mircea Eugen Selariu
O nouă problemă-poezie, de data aceasta despre un melc rătăcit într-o fântână, care doreşte - habar nu avem de ce :) - să ajungă la lumină. Ca de obicei, puteţi să vă stoarceţi creierii în tihnă pentru a rezolva problema, dar dacă nu merge, aveţi răspunsul în partea de jos.
- Detalii
- Scris de: Petre Rău
Iată o metodă interesantă de a face matematica atractivă şi distractivă, prin intermediul poeziei. Începând de astăzi vă vom oferi regulat o serie de poezii scrise de matematicianul şi scriitorul Petre Rău. Prima poezie este despre paradoxul lui Zenon.
- Detalii
- Scris de: Petre Rău
O echipă de cercetători de la IBM Research Zurich a reuşit fotografierea structurii chimice a unei molecule. Înţelegerea structurii moleculare este foarte importantă, mai ales pentru industria nanotehnologiei şi farmaceutică. Studiul a fost publicat în prestigioasa revistă Science.
- Detalii
- Scris de: Răzvan Matache
Experimente realizate de fizicieni de la National Institute of Standards and Technology (NIST), împreună cu colegii lor de la Universitatea din Colorado, au pus în evidenţă reacţii între molecule aflate la temperaturi foarte apropiate de zero absolut.
- Detalii
- Scris de: Răzvan Moldoveanu
Multe din problemele de comutativitate în grupuri, altfel delicate, se rezolvă mai uşor dacă ţinem seama de structura algebrică de subgrup a centrului unui grup.
Manevrele posibile ale unui cub Rubik formează un grup
Credit imagine: Wikimedia Commons
Definiţie: Fie {tex}(G,\cdot ){/tex} un grup şi {tex}X\subset G{/tex} o submulţime a sa. Mulţimea {tex}Z(X)=\{g\in G|gx=xg,\forall x\in X\}{/tex} se numeşte centralizatorul mulţimii X.
Definiţie: Mulţimea {tex}Z(G)=\{g\in G|gx=xg,\forall x\in G\}{/tex} se numeşte centrul grupului G.
Propoziţie: Pentru orice mulţime {tex}X\subset G,(Z(X),\cdot ){/tex} este subgrup al grupului {tex}(g,\cdot ){/tex}.
Dacă {tex}g_1,g_2\in Z(X){/tex} avem {tex}(g_1g_2)x=g_1(g_2x)=g_1(xg_2)=(g_1x)g_2=x(g_1g_2){/tex} deci {tex}g_1g_2\in Z(X){/tex}.
Din {tex}g_1x=xg_1{/tex} rezultă {tex}xg_1^{-1}=g_1^{-1}x{/tex} deci {tex}g_1^{-1}\in Z(X){/tex}.
Observaţie: Subgrupul {tex}Z(X){/tex} este format din elementele lui G care comută cu toate elementele mulţimii X.
Definiţie: Mulţimea {tex}N(X)=\{g\in G|gX=Xg\}{/tex} se numeşte normalizatorul mulţimii X.
Propoziţie: Pentru orice submulţime {tex}X\subset G{/tex}, normalizatorul {tex}(N(X),\cdot ){/tex} este subgrup al grupului {tex}(G,\cdot ){/tex}. (Demonstraţia se face analog cu cea de la centrul grupului)
Consecinţe:
1. {tex}Z(X){/tex} este subgrup al lui {tex}N(X){/tex}
2. Dacă H este subgrup al lui G, atunci H este subgrup al lui N(H).
3. Fie {tex}(G,\cdot ){/tex} un grup şi {tex}n,p\in Z{/tex}. Notăm cu {tex}(n,p)=1{/tex}. Dacă {tex}\forall x\in G{/tex} şi {tex}x^n\in Z(G){/tex} şi {tex}x^p\in Z(G){/tex}, atunci {tex}(G,\cdot ){/tex} este grup abelian.
Bibliografie: G.M. 4-5/1990.
- Detalii
- Scris de: Adrian Olteanu
Teorema fundamentală a aritmeticii, cunoscută şi sub numele de teorema factorizării unice afirmă că orice număr natural {tex}n\ge 2{/tex} se descompune în factori primi în mod unic, exceptând ordinea factorilor.
Vom demonstra existenţa descompunerii pentru {tex}n\in N,n\ge 2{/tex}. Pentru n=2, afirmaţia este adevărata deoarece 2 este prim. Presupunem că pentru orice număr {tex}2\le l\le k,l{/tex} se descompune în factori primi şi demonstrăm pentru k+1. Dacă k+1 este prim, afirmaţia are loc. Dacă k+1 este compus, atunci {tex}k+1=a\cdot b{/tex}, unde {tex}2\le a\le k,2\le b\le k{/tex} şi, conform ipotezei de inducţie, {tex}a=p_1\cdot p_2\cdot ...\cdot p_r, b=q_1\cdot q_2\cdot ...\cdot q_s{/tex} cu {tex}p_i,q_j{/tex} prime, deci {tex}k+1=p_1\cdot p_2\cdot ...\cdot p_r\cdot q_1\cdot ...\cdot q_s{/tex}.
Trecem la demonstrarea unicităţii descompunerii lui n. Fie {tex}n=p_1\cdot p_2\cdot ...\cdot p_t{/tex} şi {tex}n=q_1\cdot q_2\cdot ...\cdot q_v{/tex} două factorizări ale lui n, cu {tex}p_i,q_j{/tex} prime. Vom arăta că {tex}t=v{/tex} şi eventual după o reindexare a factorilor, {tex}p_i=q_i{/tex}. Din {tex}p_1|q_1\cdot q_2\cdot ...\cdot q_v{/tex} avem că {tex}p_1{/tex} divide un anumit {tex}a_i{/tex}. Fără a restrânge generalitatea, considerăm că {tex}p_1|q_1{/tex} deci {tex}p_1=q_1{/tex}. Aceasta conduce la {tex}p_1\cdot p_2\cdot ...\cdot p_t=q_1\cdot q_2\cdot ...\cdot q_v{/tex} sau {tex}p_2\cdot p_3\cdot ...\cdot p_t=q_2\cdot q_3\cdot ...\cdot q_v{/tex}. Raţionând analog, dacă {tex}t\le v{/tex} ajungem la egalitatea {tex}p_t=q_t...q_v{/tex}. Cum {tex}p_t,q_t,...,q_v{/tex} sunt prime, rezultă {tex}t=v{/tex} şi {tex}p_t=q_t{/tex}.
Observaţie. Când se cunosc descompunerile în factori primi a două numere naturale a şi b, {tex}a\ge 2,b\ge 2,d=(a,b){/tex} se poate determina ca fiind {tex}max(A\cap B){/tex}, unde {tex}A=\{x\in N|x|a\}{/tex} şi {tex}B=\{y\in N|y|b\}{/tex}, adică se aleg factorii comuni ai lui a şi b la puterea cea mai mică după care se înmulţesc.
Bibliografie: Solomon Marcus, Petruş Alexandrescu, Analiză matematică şi algebră, editura Nomina.
- Detalii
- Scris de: Adrian Olteanu
Teorema lui Wilson afirmă că fiind dat un număr natural {tex}p\ge 2{/tex}, următoarele afirmaţii sunt echivalente:
a){tex}p{/tex} este număr prim;
b){tex}(p-1)!+1\equiv 0(mod p){/tex};
Demonstraţie.
Avem {tex}U(Z_p)=Z_p^*{/tex} (grup multiplicativ cu p-1 elemente) şi {tex}\prod_{\hat{k}\in Z_p^*}\hat{k}=\prod_{ord(\hat{k}^`)=2}\hat{k}^`{/tex}
Dar {tex}ord(\hat{k}^`)=2{/tex} dacă {tex}(\hat{k}^`)^2=\hat{1}{/tex} sau {tex}(\hat{k}^`-\hat{1})(\hat{k}^`+\hat{1})=\hat{0}{/tex} sau {tex}p|(k^`-1)(k^`+1){/tex} şi p fiind prim divide unul dintre factori, deci {tex}p|(k^`-1){/tex} sau {tex}p|(k^`+1){/tex}, adică {tex}\hat{k}^`=\hat{1}{/tex} sau {tex}\hat{k}^`=\hat{-1}{/tex} (singurele clase de ordin 2). Relaţia {tex}\prod_{\hat{k}\in Z_p^*}\hat{k}=\prod_{ord(\hat{k}^`)=2}\hat{k}^`{/tex} devine {tex}\hat{1}\cdot \hat{2}...(\hat{p-1})=\hat{1}(\hat{-1})=\hat{-1}{/tex} deci{tex}(p-1)!+1\equiv 0(mod p){/tex}.
Reciproc. Dacă p este neprim, {tex}p=ab,a>1,b>1{/tex}, atunci {tex}a{/tex} si {tex}a|(p-1)!{/tex}. Dacă am avea {tex}(p-1)!+1\equiv 0(mod p){/tex} atunci {tex}(p-1)!+1\equiv 0(mod a){/tex}. Contradicţie cu {tex}(p-1)!\equiv 0(mod a){/tex}.
Aplicaţie. Fie p un număr prim şi k un număr natural cu condiţia {tex}1\le k\le p{/tex}. Să se arate că numărul {tex}(p-k)!(k-1)!+(-1)^{k-1}{/tex} este divizibil cu p.
Avem congruenţele modulo p: {tex}1\equiv -(p-1),2\equiv -(p-2),...,k-1\equiv -(p-k+1){/tex} care înmulţite dau {tex}(k-1)!\equiv (-1)^{k-1}(p-1)(p-2)...(p-k+1){/tex}.
Deci {tex}(p-k)!(k-1)!\equiv (-1)^{k-1}(p-1)!\equiv (-1)^k{/tex} (datorită teoremei lui Wilson).
Observaţie. Problema poate fi privită ca o generalizare a teoremei lui Wilson, pe care o obţinem în cazul particular p=k.
Bibliografie: Matematică pentru grupele de performanţa, editura Dacia Educaţional.
- Detalii
- Scris de: Adrian Olteanu
În lucrarea "Note on a conjecture in prime number theory", din 1986, matematicianul român Dorin Andrica de la Universitatea Babeş-Bolyai din Cluj-Napoca, a emis următoarea ipoteză:
Spirala Ulam - spirala numerelor prime
Credit: http://www.cs.unh.edu
Conjectura lui Andrica: Dacă {tex}p_n{/tex} este al n-lea număr prim pozitiv, atunci {tex}\sqrt{p_{n+1}}-\sqrt{p_n}<1{/tex} pentru orice {tex}n\in N^*{/tex}.
Valabilitatea afirmaţiei a fost dovedită cu ajutorul calculatorului pentru toate numerele prime mai mici ca {tex}2^{53}{/tex} (I. Ghory, în 2000).
Conjectura lui Andrica conduce la verificarea conjecturii lui Legendre şi postulatului lui Bertrand.
Conjectura lui Legendre: Între oricare două pătrate perfecte consecutive există cel puţin un număr prim.
Să presupunem că există pătratele perfecte {tex}a^2,(a+1)^2,a\in N^*{/tex} între care nu există niciun număr prim. Fie {tex}p_m{/tex} cel mai mare număr prim cu proprietatea {tex}p_m(a+1)^2{/tex}. Atunci {tex}\sqrt{p_m}a+1{/tex}, prin urmare {tex}\sqrt{p_{n+1}}-\sqrt{p_n}>a+1-a=1{/tex}, ceea ce contrazice conjectura lui Andrica.
Postulatul lui Bertrand: Pentru orice număr natural {tex}n\ge 2{/tex}, în intervalul {tex}(n,2n){/tex} există cel puţin un număr prim.
Presupunem că există un număr natural {tex}n\ge 2{/tex} astfel încât în intervalul {tex}(n,2n){/tex} nu există niciun număr prim. Putem presupune {tex}n\ge 6{/tex}, deoarece pentru {tex}n\in \{2,3,4,5\}{/tex} postulatul lui Bertrand se verifică. Notând cu {tex}p_k{/tex} cel mai mare număr prim cu proprietatea {tex}p_k\le n{/tex}, datorită presupunerii făcute vom avea {tex}p_{k+1}>2n{/tex}. Atunci {tex}\sqrt{p_k}\le \sqrt{n},\sqrt{p_{k+1}}>\sqrt{2n}{/tex}, prin urmare:
{tex}\sqrt{p_{n+1}}-\sqrt{p_n}\ge \sqrt{12}-\sqrt{6}>1{/tex}, ceea ce contrazice conjectura lui Andrica.
Observaţie: În 1850, matematicianul rus P.L. Cebâşev a dat o demonstraţie acestei afirmaţii, transformând-o într-o teoremă.
Bibliografie: Colecţia G.M.
- Detalii
- Scris de: Adrian Olteanu
Ştim că în mulţimea numerelor reale nu putem rezolva o ecuaţie de gradul II, al cărei discriminant (expresie matematică formată din coeficienţii ecuaţiei, mai exact {tex}b^2-4ac{/tex}, unde ecuaţia dată este {tex}ax^2+bx+c=0{/tex} ) este negativ. Numerele complexe au apărut ca o necesitate a rezolvării acestor ecuaţii şi au fost introduse începând cu secolele XVII-XVIII de matematicieni celebrii ca Euler, Moivre sau Gauss. În acest articol ne propunem să aflăm cum a fost construită mulţimea numerelor complexe.
Mulţimea numerelor complexe formează o structură de corp comutativ pe plan şi are numeroase aplicaţii în geometria plană.
credit: mathwarehouse.com
Interesant este că pentru prima oară s-a vorbit de „numere imaginare” încă din anul 1545, de către matematicianul şi medicul italian Girolamo Cardano. Cum a fost, însă, posibilă, construcţia corectă a unei mulţimi noi de numere, care să aibă în componenţă numere imaginare şi nu reale?
Noi până acum am fost obişnuiţi să lucrăm pe mulţimea şi pe axa numerelor reale (deci unidimensional). Pe această mulţime lucram cu operaţiile de adunare şi de înmulţire. În matematică spunem că mulţimea numerelor reale, împreună cu cele două operaţii, formează o structură de corp, adică {tex}(\mathbb{R}, +, \cdot){/tex} este corp. Ce-ar fi dacă am lua mulţimea rezultată în urma produsului cartezian {tex}\mathbb{R} \times \mathbb{R} = \{(a,b) | a,b \in \mathbb{R}\}{/tex}?
Pe mulţimea pe care o vom nota {tex}\mathbb{C} = \mathbb{R} \times \mathbb{R}{/tex} introducem operaţiile de adunare şi de înmulţire astfel: {tex}(a, b) + (c, d) = (a+c, b+d); (a,b) \cdot (c,d) = (ac-bd, ad+bc){/tex}. Mă veţi întreba, probabil, cum de m-am gândit la aceste operaţii? Mi-am propus să determin un număr, i, care va avea proprietatea că {tex}i^2 = -1{/tex}. Întâi de toate observăm că funcţia {tex}f: \mathbb{R} \times \mathbb{R} \to \mathbb{R} \times {0}, f(x) = (x,0){/tex} este bijectivă. Codomeniul acestei funcţii reprezintă, din punct de vedere geometric, chiar axa Ox, iar domeniul îl constituie planul. Cu alte cuvinte, din punct de vedere geometric, prin această funcţie transferăm orice număr din plan pe axa numerelor reale. De acum încolo voi nota orice fel de pereche (x,0) cu x.
Să luăm operaţia de înmulţire definită anterior pe mulţimea noastră şi să calculăm {tex}(0,1)^2 = (0,1) \cdot (0,1) = (0 \cdot 0 - 1 \cdot 1, 0 \cdot 1 + 1 \cdot 0) = (-1,0) = -1{/tex}. Aşadar, dacă vom nota (0,1) cu {tex}i{/tex vom găsi exact numărul pe care îl căutam !
Ca să fim siguri că mulţimea noastră este bună, trebuie să ne asigurăm că {tex}(\mathbb{R} \times \mathbb{R}, +, \cdot){/tex} formează o structură de corp comutativ, adică trebuie să verificăm că {tex}(\mathbb{R} \times \mathbb{R}, +){/tex} este grup comutativ, {tex}(\mathbb{R} \times \mathbb{R}, \cdot){/tex} este grup, să verificăm distributivitatea înmulţirii nou definite faţă de adunarea nou definită şi că toate elementele din mulţime, mai puţin (0,0) sunt inversabile (sau simetrizabile). Este un exerciţiu foarte uşor pe care l-ar putea face orice elev (de clasa a XII-a) care cunoaşte conceptul de grup şi de element inversabil.
Să ne mai jucăm puţin cu notaţiile. Elementul (x,y) se mai poate scrie {tex}(x,y) = (x,0) + (0,y) = (x,0) + (0,1) \cdot (y,0) = x + iy.{/tex} Iată aşadar forma algebrică a unui număr complex!
Concluzii: Am construit astfel o nouă mulţime, care constituie un spaţiu peste mulţimea numerelor reale, a cărei structură de corp este bidimensională (pe plan). Iată de ce numerele complexe au numeroase aplicaţii în geometria plană. În această mulţime avem un număr imaginar {tex}i^2 = -1{/tex}, o proprietate pe care nici un număr real nu o are. Mulţimea se va nota cu {tex}\mathbb{C}{/tex}, care împreună cu adunarea şi înmulţirea formează o structură de corp comutativ.
O altă metodă de construcţie a corpului numerelor complexe
Fie o mulţime, pe care o notăm {tex}\mathbb{C}{/tex}, alcătuită din matricele pătratice de ordinul doi, de forma
{tex}\small \left(\begin{array}{cc}a & -b \\ b & a \end{array} \right){/tex}, matrice pe care o vom nota cu {tex}M(a,b){/tex}.
Să efectuăm adunarea şi înmulţirea matricelor:
{tex}\tiny M(a,b)+M(c,d) = \left(\begin{array}{cc}a & -b \\ b & a \end{array} \right) + \left(\begin{array}{cc}c & -d \\ d & c \end{array} \right) = \left(\begin{array}{cc}a+c & -b-d \\ b+d & a+c \end{array} \right) = M(a+c,b+d){/tex}
{tex}\tiny M(a,b) \cdot M(c,d) = \left(\begin{array}{cc}a & -b \\ b & a \end{array} \right) \cdot \left(\begin{array}{cc}c & -d \\ d & c \end{array} \right) = \left(\begin{array}{cc}ac-bd & -ad-bc \\ ad+bc & ac-bd \end{array} \right) = M(ac-bd,ad+bc){/tex}.
Iarăşi, ca un mic exerciţiu, vă îndemn să demonstraţi că {tex}(\mathbb{C},+){/tex} este grup comutativ, {tex}(\mathbb{C}, \cdot){/tex} este un monoid comutativ, şi că înmulţirea este distributivă faţă de adunare. Orice matrice M(a,b), unde a şi b sunt numere reale nenule, este inversabilă, deoarece determinatul matricei M(a,b) este diferit de 0 oricare ar fi a şi b numere reale nenule, iar inversa matricei sale va fi {tex}M^{-1}(a,b) = \frac{1}{a^2+b^2}M(a,-b){/tex}.
Dacă vom efectua înmulţirea între {tex}$M(a,b)${/tex} şi inversa sa, vom obţine {tex}M(1,0){/tex}, care este elementul neutru al înmulţirii, şi pe care îl voi nota cu 1. Asta deoarece functia {tex}f: \mathbb{R} \to \mathbb{C}, f(x) = \left(\begin{array}{cc}x & 0 \\ 0 & x \end{array} \right){/tex} este bijectivă.
Ce se întâmplă oare în corpul nou format dacă efectuăm operaţia
{tex}\small M(0,1) \cdot M(0,1) = \left(\begin{array}{cc}0 & -1 \\ 1 & 0 \end{array} \right) \left(\begin{array}{cc}0 & -1 \\ 1 & 0 \end{array} \right) = \left(\begin{array}{cc}-1 & 0 \\ 0 & -1 \end{array} \right) = M(-1,0) = -1{/tex} ?
Iată-l pe {tex}i = M(0,1), i^2 = -1{/tex}.
În concluzie, prin notaţie, matricea {tex}M(a,b) = M(a,0) + M(0,b) = M(a,0) + M(0,1)M(b,0) = a + ib{/tex} reprezintă forma algebrică a unui număr complex.
Pe această nouă construcţie am putea merge mai departe:
Fie matricea
{tex}\left(\begin{array}{cc}\cos x & -\sin x \\ \sin x & \cos x \end{array} \right){/tex}
despre care, prin inducţie, se poate demonstra că are proprietatea
{tex}\left(\begin{array}{cc}\cos x & -\sin x \\ \sin x & \cos x \end{array} \right)^n = \left(\begin{array}{cc}\cos nx & -\sin nx \\ \sin nx & \cos nx \end{array} \right){/tex}
Observaţi că aceasta este exact formula lui Moivre?
Matricea M(cos x, sin x) este exact forma trigonometrică a unui număr complex {tex}z = \cos x + i\sin x{/tex}.
Formula lui Moivre spune că {tex}z^n = \cos nx + i\sin nx{/tex}.
Pe forumul Scientia puteţi găsi un referat excelent despre numerele complexe sub formă trigonometrică.
- Detalii
- Scris de: Mihai Bărbulescu