دانش و فناوری


2 دقیقه پیش

گرفتن ویزای انگلیس در ایران

از زمانی که اخذ وقت سفارت انگلیس در تهران ممکن شد، بسیاری از مشکلات متقاضیان این ویزا نیز به فراموشی سپرده شد. اگر چه هنوز هم بعضی از متقاضیان این ویزا، به جهت تسریع مراحل ...
2 دقیقه پیش

دوره مدیریت پروژه و کنترل پروژه با MSP

پروژه چیست؟ پروژه به مجموعه ای از فعالیتها اطلاق می شود که برای رسیدن به هدف خاصی مانند ساختن یک برج، تاسیس یک بزرگراه، تولید یک نرم افزار و … انجام می شود. در همه پروژه ...

بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (2)


گاهی اوقات در ریاضیات با مسائل و معماهایی روبرو می‌شویم که در نگاه اول به نظر می‌رسد پاسخ آن‌ها با «عقل سلیم» در تضاد باشد.

zoomit.ir - مسعود توکلی: گاهی اوقات در ریاضیات با مسائل و معماهایی روبرو می‌شویم که در نگاه اول به نظر می‌رسد پاسخ آن‌ها با «عقل سلیم» در تضاد باشد. در قسمت قبل با چند مورد از این حقایق ریاضی که حتی افراد باهوش هم در درک آن دچار مشکل هستند، آشنا شدیم.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

 ۵. مسئله‌ی تاریخ تولد

فرض کنید در یک اداره کار می‌کنید که در مجموع ۲۳ کارمند دارد. احتمال اینکه دو نفر از کارمندان تاریخ تولد یکسانی داشته باشند چقدر است؟ (در این مسئله با فرض اینکه هیچ‌کس نمی‌تواند متولد ۳۰ اسفند باشد، از سال‌های کبیسه صرف نظر می‌کنیم.) در صورتی که تعداد کارمندان اداره ۵۷ نفر باشد، این احتمال چقدر خواهد بود؟

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

به احتمال زیاد از قبل می‌دانید هنگامی که جمعیت یک اداره به ۳۶۶ نفر برسد، بنا به اصل لانه‌ی کبوتر (و با توجه به فرض مسئله) به احتمال ۱۰۰ درصد حداقل دو نفر تاریخ تولد یکسانی خواهند داشت. این حقیقت ممکن است منجر به این باور غلط شود که احتمال وجود افراد با تاریخ‌های تولد یکسان در حالت اول کمتر از ۱۰ درصد و در حالت دوم حدود ۱۵ درصد است.

اما پاسخ صحیح مسئله در حالت اول (۲۳ کارمند) ۵۰ درصد، و در حالت دوم (۵۷ کارمند) ۹۹ درصد است!

شاید باور اینکه در یک اداره‌ی ۲۳ نفره به احتمال ۵۰ درصد دو نفر تاریخ تولد یکسانی داشته باشند کمی سخت باشد. از آن سخت‌تر باور کردن احتمال ۹۹ درصدی وجود تاریخ تولد یکسان در یک اداره‌ی ۵۷ نفره است. اما این احتمالات قابل اثبات هستند.

 از اداره‌ی ۲۳ نفری شروع کنیم:

برای اثبات پاسخ این مسئله، از احتمال معکوس یا converse probability (احتمال قرار نگرفتن تاریخ تولد دو نفر در یک روز یکسان) استفاده می‌کنیم؛ چرا که محاسبه‌ی احتمال به روش مستقیم در این مسئله کار بسیار مشکلی است. احتمال اینکه دو نفر تاریخ تولد یکسانی نداشته باشند، اینگونه محاسبه می‌شود.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

این احتمال برای ۳ نفر به این صورت به دست می‌آید:

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

همچنین برای ۴ نفر داریم:

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

با ادامه‌ی این روش تا ۲۳ نفر خواهیم داشت:

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

این یعنی از آنجایی که ۴۹.۳% احتمال دارد هیچ‌کس تاریخ تولد یکسانی با کس دیگری نداشته باشد، پس ۵۰.۷% احتمال وجود دارد که حداقل دو نفر در این اداره‌ی ۲۳ نفره تاریخ تولد یکسانی داشته باشند.

در حالت دوم مسئله هم با استفاده از همین روش به احتمال ۹۹ درصد می‌رسیم. جالب است بدانید در صورتیکه تعداد کارمندان به ۷۵ نفر برسد، احتمال یکسان بودن تاریخ تولد‌ها به ۹۹.۹ درصد می‌رسد.

نمودار احتمال این مسئله به شکل زیر است:

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

در اینجا می‌توانید علاوه بر آشنایی بیشتر با این مسئله و مطالعه‌ی اثبات‌های دقیق ریاضی، با استفاده از شبیه‌ساز سایت، خودتان احتمالات را با هر تعداد دلخواه کارمند به صورت شهودی بررسی کنید.

۶. پارادوکس جعبه‌ی برتراند

فرض کنید ۳ جعبه وجود دارد که هر کدام از آن‌ها دارای دو محفظه هستند. در یکی از جعبه‌ها دو شمش طلا، در دیگری دو شمش نقره و در جعبه‌ی سوم یک شمش طلا و یک شمش نقره قرار دارد.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

یک جعبه را به صورت تصادفی انتخاب کرده و یکی از محفظه‌های آن را (آن هم به صورت تصادفی) باز می‌کنید. اگر شمشی که به دست آورده باشید از جنس طلا باشد، احتمال اینکه شمش درون محفظه‌ی دیگر همان جعبه هم از جنس طلا باشد چقدر است؟

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

پاسخی که در ابتدا به ذهن اکثر افراد می‌رسد این است:

از آنجایی که تنها دو جعبه با شمش طلا وجود دارد، حتماً یکی از آن‌ها را انتخاب کرده‌ام. همچنین از آنجایی که یکی از این دو جعبه در محفظه دیگر خود شمش نقره، و دیگری شمش طلا دارد، پس حتماً پاسخ مسئله ۵۰ درصد است.

این پاسخ اشتباه است.

برای اینکه بهتر متوجه شویم چرا احتمال طلا بودن شمش دیگر ۵۰ درصد نیست، شمش‌ها را به این صورت نام‌گذاری می‌کنیم.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

حال بیایید همه‌ی حالات ممکن را با هم بررسی کنیم.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

سپس تنها حالاتی را که در آن‌ها انتخاب اول شما شمش طلا بوده است را در نظر می‌گیریم.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

همانطور که مشخص است، اگر در انتخاب اول با شمش طلا مواجه شوید، به احتمال دو سوم شمش محفظه‌ی دیگر نیز از جنس طلا است.

این معما رابطه‌ی تنگاتنگی با معمای مانتی هال دارد. اگر استدلال‌های معمای مانتی هال شما را قانع نکرده است، احتمالاً پاسخ این مسئله را هم به سادگی نخواهید پذیرفت.

در هر صورت اگر علاقه‌مند به مطالعه‌ی بیشتر درباره‌ی این مسئله هستید، می‌توانید به اینجا و اینجا مراجعه کنید.

۷. معمای هتل هیلبرت

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

هتلی را در نظر بگیرید که «بی‌نهایت» اتاق دارد و تمامی اتاق‌های آن پُر است. مسافر جدیدی از راه می‌رسد و مدیریت هتل به او می‌گوید که یک اتاق خالی برای او سراغ دارد. با توجه به پُر بودن تمامی اتاق‌ها، مدیر هتل چگونه قرار است برای مسافر اتاق خالی پیدا کند؟

پاسخ معما به این صورت است:

از آنجایی که تمام اتاق‌های هتل پر از مسافر است، مدیر هتل از مسافر اتاق ۱ می‌خواهد تا به اتاق شماره ۲ نقل مکان کند. همچنین از مسافر اتاق ۲ نیز درخواست می‌کند تا به اتاق شماره ۳ تغییر مکان بدهد.

همینطور مسافر اتاق ۳ به ۴، ۴ به ۵، ۵ به ۶ و ... . در واقع مدیر هتل از مسافر اتاق n تقاضا می‌کند تا به اتاق n + 1 برود. از آن‌جایی که هتل بی‌نهایت اتاق دارد، همواره اتاقی برای انتقال مسافران وجود خواهد داشت. با این کار اتاق ۱ خالی می‌شود و مسافر جدید می‌تواند در آن اسکان بیابد.

اگر شب بعد یک اتوبوس ۶۰ نفری برای هتل میهمان بیاید چطور؟ این بار آقای مدیر چه ترفندی برای اسکان مسافران جدید در هتلِ کاملاً پرِ خود به کار خواهد گرفت؟

این دفعه مدیریت هتل از مسافر اتاق ۱ می‌خواهد تا به اتاق ۶۱ برود. همینطور مسافر اتاق ۲ به اتاق ۶۲، ۳ به ۶۳، ۴ به ۶۴ و ... . به این ترتیب ۶۰ اتاق اول هتل خالی خواهند شد. احتمالاً قاعده‌ی جای دادن n تعداد (متناهی) مسافر در این هتل را حدس زده باشید؛ برای اسکان m مسافر جدید، مسافر اتاق n را به اتاق n+m انتقال می‌دهیم.

اما اگر شب بعد اتوبوسی با «بی‌نهایت» مسافر جدید از راه برسد، چطور می‌توان آن‌ها را در هتلی که حتی یک اتاق خالی هم ندارد جای داد؟

شیوه‌ی حل مسئله این بار به این صورت است که از مسافر اتاق ۱ درخواست می‌کنیم به اتاق۲ برود، مسافر اتاق ۲ به اتاق ۴، ۳ به ۶، ۴ به ۸ و ... . یعنی مسافران اتاق‌های n به اتاق‌های 2n نقل مکان کنند. با این کار اتاق‌های 2n-1 (فرد) که تعدادشان بی‌نهایت است، آماده‌ی پذیرایی از بی‌نهایت مسافر جدید خواهند بود.

درک این مسئله و راه حل آن نیز رابطه‌ی تنگاتنگی با درک مسئله‌ی ۲ در قسمت قبل این مجموعه دارد. دانستن مفاهیم «تناظر یک به یک» و «مجموعه‌های نامتناهیِ قابل شمارش» به شما در فهم راه حل این مسئله کمک خواهد کرد.

در حقیقت حتی اگر بی‌نهایت اتوبوس که هر کدام بی‌نهایت مسافر دارند هم از راه برسند، می‌توان آن‌ها را در هتل جای داد. اثبات این حالت کمی پیچیده‌تر از حالات قبلی است و اگر علاقه دارید می‌توانید در اینجا و اینجا درباره‌ی آن بیشتر بخوانید.

۸. چگونه می‌توان با استفاده از تخته‌ی دارت، مقدار π (عدد پی) را تخمین زد؟

یکی از جالب‌ترین راه‌ها برای تخمین مقدار π، انتخاب تصادفی نقاط در شکل زیر است.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

چنین شکلی را خودتان هم می‌توانید با هر ابعاد دلخواهی درست کنید. فرض کنیم شعاع دایره برابر r باشد. در نتیجه قطر مربعی که آن را محاط کرده است برابر 2r است. با این حساب مساحت دایره πr2 و مساحت مربع 4r2 خواهد بود.

 نسبت مساحت دایره به مربع نیز برابر π چهارم می‌شود. حالا به هر روشی که دوست دارید، به صورت تصادفی نقاطی را بر روی صفحه‌ی فوق انتخاب کنید.

 دقت داشته باشید که هیچ عاملی به جز شانس در انتخاب نقاط دخیل نباشد. هر چقدر که تعداد این نقاط تصادفی بیشتر باشد، نسبت نقاطی که درون دایره قرار گرفته‌اند به نقاط خارج از دایره (و درون مربع) به عدد π چهارم نزدیک‌تر خواهد شد. مقدار تقریبی π با استفاده از این روش، اینگونه حساب می‌شود.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت دوم)

البته باید توجه داشت که صورت مسئله ممکن است کمی گمراه کننده باشد، چرا که در شرایط پرتاپ دارت به سوی بورد، ممکن است عوامل دیگری نیز دخیل باشند که توزیع تصادفی نقطه‌ها بر روی شکل را تحت تاثیر قرار بدهند؛ اما باید در نظر داشت که عنوان معماها صرفاً برای ساده سازی، رساندن مفهوم کلی و جذاب‌تر کردن مسئله طراحی می‌شوند. صورت مسئله تعریف دقیق‌تری را ارائه می‌دهد.

به طور کلی، این نوع محاسبات آماری که با نمونه‌گیری تصادفی همراه است، به روش مونته کارلو (Monte Carlo method) مشهور است. درباره‌ی محاسبه‌ی مقدار π به صورت آماری می‌توانید در اینجا به مطالعه بپردازید.


ویدیو مرتبط :
معماهای ریاضی قسمت 1

خواندن این مطلب را به شما پیشنهاد میکنیم :

بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (1)


ریاضیات پر از حقایق قابل اثباتی است که در نگاه اول غیر ممکن و نادرست به نظر می‌رسند. در ادامه با زومیت همراه باشید تا چند نمونه از بحث برانگیزترین این موارد را با هم مرور کنیم.

zoomit.ir - مسعود توکلی: ریاضیات پر از حقایق قابل اثباتی است که در نگاه اول غیر ممکن و نادرست به نظر می‌رسند. در ادامه با ما همراه باشید تا چند نمونه از بحث برانگیزترین این موارد را با هم مرور کنیم.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت اول)

 حتماً تا به حال برایتان پیش آمده است که یکی از دوستان علاقه‌مند به ریاضیات، برایتان معمایی مطرح کرده باشد؛ از آن نوع معماهایی که به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا ذهن را به سمت جوابی آسان و غلط منحرف کنند. احتمالاً پس از اینکه جواب غلط مورد نظر دوست‌تان را داده‌اید، او با لبخندی پیروزمندانه برایتان توضیح داده است که کجای کار دچار اشتباه شده‌اید.

اگر می‌خواهید شما هم در چنین مواقعی در جمع دوستان چند معما در آستین داشته باشید، در ادامه با چند مورد از بحث برانگیزترین و غیر قابل قبول‌ترین آن‌ها آشنا خواهید شد. توضیح علت درست بودن بعضی از حقایقی که در ادامه به آن‌ها اشاره خواهد شد، کار چندان آسانی نیست و به احتمال زیاد خیلی‌ها حاضر به قبول کردن صحت آن‌ها نخواهند شد.

علاوه بر معماها، به چند مورد از قوانین و پارادوکس‌های عجیب دنیای ریاضیات نیز اشاره خواهیم کرد.

۱. معمای مانتی هال

فرض کنید در یک مسابقه‌ی تلویزیونی، مجری برنامه ۳ درب به شما نشان می‌دهد که پشت یکی از آن‌ها یک ماشین آخرین مدل قرار گرفته است؛ درحالی که پشت دو درب دیگر دو بز قرار دارند. به شما فرصت انتخاب یک درب داده می‌شود. پس از اینکه یکی از درها را انتخاب کردید، مجری یکی از دو دری که انتخاب نکرده بودید را باز می‌کند تا چشمان‌تان به جمال یکی از بزها روشن شود.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت اول)

سپس مجری از شما می‌پرسد که آیا می‌خواهید درب انتخابی‌ خود را عوض کنید، یا همان درب قبلی را نگه خواهید داشت؟

شما باشید چه می‌کنید؟ اگر فکر می‌کنید که چون تنها دو درب باقی مانده، شانس شما ۵۰-۵۰ است، اشتباه می‌کنید!

اما چطور ممکن است که با وجود تنها دو گزینه برای انتخاب، شانس برد و باخت شما با هم برابر نباشند؟

  •     شرکت‌ کننده‌ای که درب انتخابی خود را عوض کند، تنها در صورتی می‌بازد که پشت درب انتخابی‌اش ماشین بوده باشد.
  •     از آنجایی که شانس ماشین بودن پشت درب در انتخاب اول یک سوم است، پس شانس باخت در صورت تعویض درب هم یک سوم است.
  •     یعنی کسی که درب انتخابی‌اش را عوض کند دو سوم شانس پیروزی دارد و این دوبرابر شانس کسی است که تصمیم به عدم تعویض درب گرفته است.
هنوز هم قانع نشده‌اید؟

فرض کنید درب شماره‌ی ۱ را انتخاب کرده‌اید. جدول زیر تمام حالات ممکن را نشان می‌دهد:

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت اول)

اگر درب انتخابی خود را عوض نکنید، از هر سه بار، تنها یک بار برنده می‌شوید، در حالی که در صورت تعویض، دو بار در هر سه بار برنده خواهید شد.

اگر هنوز هم قانع نشده‌اید، همین مسئله را این بار با ۵۰ درب در نظر بگیرید. درب اول را انتخاب می‌کنید و مجری با باز کردن ۴۸ درب، ۴۸ بز زیبا به شما نشان می‌دهد.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت اول)

هنوز هم به انتخاب اول‌تان مطمئن هستید؟ به یاد داشته باشید که در انتخاب اول شانس شما ۱ در ۵۰ بود و این مثال هم بر مبنای همان قواعد مثال قبل است. البته تمامی این استدلال‌ها با فرض این است که قصد انتخاب ماشین را داشته باشید، نه بز!



۲. تساوی ۱ = ... ۰/۹۹۹

اگر فکر می‌کنید که در تساوی بالا ... ۰/۹۹۹ دقیقاً برابر با عدد ۱ نیست و بنابراین باید به جای علامت تساوی از علامت کوچکتر (>) استفاده شود، کاملاً در اشتباه هستید. روش‌های مختلفی برای اثبات این حقیقت وجود دارند، اما خیلی‌ها همچنان حاضر به قبول کردن آن نمی‌شوند. برای مثال یکی از این اثبات‌ها در زیر آورده شده است:

x = 0.999...

10x = 9.999...

10x - x = 9.999... - 0.999...

9x = 9

x = 1

یکی از دلایلی که خیلی‌ها در فهم این حقیقت ریاضی مشکل دارند، نداشتن درک درست از مفهوم «بی نهایت» است. اکثر افراد تصور می‌کنند بالاخره یک ۹ نهایی در انتهای لیست اعداد پس از اعشار وجود دارد.

اعداد را می‌توان به شکل‌های متفاوتی نوشت و ... ۰/۹۹۹ در واقع شکل دیگری از عدد ۱ است. اثبات اینکه این دو عدد با هم برابر هستند رابطه‌ی تنگاتنگی با مفهوم «حد» و «بی نهایت» در ریاضیات دارد.در زیر اثبات دیگر برای مسئله‌ی بالا آورده شده است:

⅓ = 0.333…

3 * ⅓ = 3 * 0.333…

1 = 0.999…



۳.تعداد اعداد طبیعی، برابر تعداد اعداد طبیعی زوج است

اعداد طبیعی (Natural Numbers)، اعدادی هستند که با آن‌ها می‌شماریم. (۱، ۲، ۳، ۴، ۵، ...)

بی‌نهایت عدد طبیعی، و همچنین بی‌نهایت عدد زوج وجود دارد. شاید تصور کنید که اعداد طبیعی از لحاظ تعداد از اعداد زوج بیشتر هستند، چرا که اعداد طبیعی خود از اعداد زوج به اضافه‌ی اعداد فرد تشکیل شده‌اند؛ اما این استدلال غلط است.

می‌توان یک تناظر یک به یک بین اعداد طبیعی و اعداد زوج برقرار کرد. این تابع دوسویی نشان می‌دهد که به ازای هر عدد طبیعی یک عدد زوج وجود دارد.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت اول)

برای درک بهتر این موضوع، این حقیقت را در نظر بگیرید که به ازای هر عدد طبیعی، عددی وجود دارد که دو برابر آن است. همچنین به ازای هر عدد زوج، عددی وجود دارد که نصف آن است. این یعنی هر دو مجموعه‌ی نامتناهی مورد نظر از لحاظ تعداد اعضا با هم برابر هستند. دلیل این برابر بودن هم «قابل شمارش بودن» این دو مجموعه‌ی نامتناهی است.

برای مثال، نمی‌توانید یک تناظر یک به یک بین مجموعه‌ی اعداد طبیعی و مجموعه‌ی اعداد حقیقی برقرار کنید، چرا که دومی یک مجموعه‌ی نامتناهی «غیر قابل شمارش» است.



۴. قانون بنفورد

در ۳۰ درصد مواقع، رقم اول اعدادی که در دنیای واقعی با آن‌ها روبرو می‌شویم «۱» است.

این موضوع اولین بار توسط فرانک بنفورد فیزیک‌دان، در سال ۱۹۳۸ کشف شد. میزان ظاهر شدن بقیه‌ی اعداد در رقم اول نیز توزیع لگاریتمی به شکل زیر دارد.

۱۲ مورد از بحث برانگیزترین معماهای ریاضی (قسمت اول)

علیرغم اینکه این قانون تجربی به صورت شهودی در اکثر مواقع صدق می‌کند، مدت‌ها پس از کشف همچنان توضیح و اثبات علمی دقیقی برای آن وجود نداشت؛ تا اینکه ریاضی‌دانی با نام تئودور هیل در سال ۱۹۹۶ توانست آن را اثبات کند.

از این قانون برای تشخیص داده‌های ساختگی از داده‌های واقعی در مواردی مانند تعداد رأی‌ها در انتخابات، آمار اقتصادی کاذب و اطلاعات حسابداری جعلی استفاده می‌شود.

این قانون همچنین در مجموعه اعداد فیبوناچی، فاکتوریل‌ها و مجموعه‌ی توان‌های عدد ۲ نیز به چشم می‌خورد.