Facteurs multiplicateurs et énérgie des éoliennes
Par Mathoman, jeudi 10 décembre 2009 à 16:56 - Maths pour tous - Tags
Nous savons tous que l'aire d'un carré de côté L vaut L². Lorsqu'on double la longueur des côtés alors l'aire est multipliée par 4 ; en effet, (2L)²=4L².
On montre de la même manière que si on double chaque côté d'un cube alors on multiplie sa superficie par 4 et son volume par 8. Plus généralement, ce principe fonctionne aussi pour des surfaces et volumes courbés
(sphères, cones,...). Les mathématiciens parlent alors d'homothétie, les physiciens de changement d'échelle.
On le voit bien sur les formules pour une
sphère de rayon r : La circonférence (périmètre d'un grand cercle) vaut
, sa superficie
et son volume
. Donc la circonférence est proportionnelle à r, la surface à r² et le volume à
.
Question :
Aujourd'hui la vitesse du vent qui arrive sur mon éolienne est le double de celle d'hier. Par quel facteur dois-je multiplier l'énérgie obtenue dans la journée d'hier pour calculer celle que j'obtiens aujourd'hui ?
(On pourra supposer une éolienne idéale qui capte toute l'énergie du vent qui passe.)
La réponse n'est pas très difficile, les connaissances en physique du lycée devraient suffire.
Pourquoi ne pas lire aussi :
Une statistique sur les acquis d'élèves en terminale
Par Mathoman - Tags
En complément de mon billet sur une génération dyslexique en maths voici quelques statistiques. Une analyse avec des idées sur ce qu'on peut encore sauver et sur les conséquences dans l'enseignement supérieur sera donné dans un billet ultérieur. En attendant j'invite mes lecteurs à lire l'article concernant la baisse de niveau sur le blog Mathéphysique.
L'échantillon est constitué des 54 élèves de deux classes de terminale ES d'un même lycée en 2007/2008. Les questions portent sur le calcul élémentaire et ont été posées dans un devoir sur table. L'utilisation de la calculatrice était permise.
Le taux de réussite au bac de ces deux classes était de 55% environ. Si on extrapole avec le taux de réussite au premier exercice ci-dessous, cela signifie qu'au moins 40% des 54 candidats ont obtenu le bac sans savoir interpréter correctement un prix tel qu'il est affiché dans un supermarché.
En publiant ces exemples anonymes, je ne veux pas me moquer des élèves. Nous avons tous fait des erreurs lorsque nous étions élèves, et continuons à en faire nobody is perfect! Le problème réside dans la fréquence des erreurs (faire des erreurs doit rester l'exception et ne pas devenir la règle) et le type des erreurs (ce ne sont pas de simples erreurs de concentration).
CALCUL D'UN PRIX 8 élèves ont réussi, taux de réussite: 15%




CALCUL DE POURCENTAGE 24 élèves ont réussi, taux de réussite: 44%




TROUVER UNE EQUATION DE DROITE 11 élèves ont réussi, taux de réussite: 20%



EQUATION DE PREMIER DEGRE 5 élèves ont réussi, taux de réussite: 9%



SIMPLIFIER UNE FRACTION 2 élèves ont réussi, taux de réussite: négligeable



Autres exemples
- calcul de prix
- calcul de prix
- calcul de prix
- simplification d'une fraction
- simplification d'une fraction
- simplification d'une fraction
- simplification d'une fraction
Remarque:
Les questions étaient regroupées comme premier exercice d'un DST. La barême était indiqué et assurait 1 point par question (sur 20 points dans le devoir complet). Dans "taux de réussite" on a compté les bonnes réponses; l'absence de réponse comptait comme une fausse réponse.
Preuve que SO(3) est l'espace projectif à 3 dimensions
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Réponses aux questions
est l'intervalle fermé [-1,1] et son bord
est constitué des deux extrémités.
est un disque et son bord
est un cercle.
est une ``vraie'' boule et son bord
est une ``vraie'' sphère.
- Les deux applications suivantes sont bijectives car inverses l'une de l'autre.



Illustration: si on projette l'hémisphère nord sur l'hyper-plan équatorial, on obtient la boule d'unité dans cet hyper-plan.
Notons que dans le graphique l'axe des abscisses représente l'espace
. Il est instructif de comprendre ce dessin déjà pour les plus basses dimensions:- Si n=1 alors on est dans le plan euclidien
. Le demi-cercle supérieur
(en rouge) se projette bijectivement sur le segment
(en bleu).
- Si n=2 alors on est dans l'espace plan euclidien
et
est une ``vraie'' sphère dont le dessin montre une coupe. L'hémisphère nord
(en rouge) se projette bijectivement sur le disque
(en bleu).
- Si n=1 alors on est dans le plan euclidien
- Chaque droite
coupe la sphère
en deux antipodes:
et
où
est arbitraire dans
.
Au moins un des deux points est dans l'hémisphère nord:
De cette observation on déduit que l'application
est surjective; en plus, elle est injective en dehors de l'équateur, et deux antipodes sur l'équateur sont envoyés sur une même image. Plus précisément![\forall x,y\in\mathbb{S}^n_+\,:\;\big[\,x\neq y\,\text{ et }\,f(x)=f(y) \:\big]\;\Rightarrow \;<br />\big[\:x=-y\;\text{ et }\;x_{n+1}=y_{n+1}=0\:\big]\,.<br />](http://www.mathoman.com/CACHE/tex_40c5885431668db18aeaf867a1e7cddc.png)
Par conséquence
est en bijection avec l'ensemble obtenu à partir de
par identification des antipodes sur l'équateur. Or d'après la question précédente nous savons que
et l'équateur n'est rien d'autre que le bord
de
. Par conséquence
.
- Le résultat précédent implique en particulier que
.
Or
=[-1,1] et par conséquence
est simplement l'intervalle [-1,1] où on a recollé -1 et 1.
Ainsi
est en bijection avec le cercle
. Nous obtenons
. Illustration:
D'autre part
est le groupe des rotations du plan euclidien orienté
. Comme chaque rotation est déterminée de manière unique par son angle compris dans
il est évident que
est en bijection avec le cercle
.
Conclusion:
.
- Pour la suite voir le fichier pdf.
Les mots clé et les visiteurs de ce blog
Par Mathoman - Tags
Récemment j'ai regardé, comme tout bloggeur qui se respecte, les statistiques de ce blog MathOMan. J'étais curieux de savoir de quels pays viennent mes visiteurs et via quelles pages web intermédiaires ou grâce à quels mots clé ils arrivent sur mon site.
Pour les non-initiés : un mot-clé (en anglais keyword) est un mot ou une combinaison de mots que vous rentrez dans un moteur de recherche.
La majorité des visiteurs de ce blog viennent de la France, du Canada et des pays francophones d'Afrique. En regardant de plus près dans Network Location j'ai pu constater que le Ministère de l'éducation nationale rend visite à MathOMan presque tous les jours ouvrés de la semaine. Je suppose qu'il s'agit là d'une procédure standard visée à vérifier que les enseignants n'écrivent pas trop de bêtises sur leurs blogs.
Les mots clés les plus fréquemment cherchés par les internautes arrivés sur MathOMan concernent les mathématiques élémentaires, comme par exemple :
- comment trouver le centre d'un cercle
- comment calculer un pourcentage
- calculer une circonférence
- algebre pour les nuls
Pour que ces gens ne restent plus sur leur faim ici, je vais ouvrir prochainement une nouvelle catégorie de billets intitulée Les Maths pour les Nuls !
Evidemment il y a actuellement beaucoup de recherches du mot clé "sujet de bac mathématiques". D'autres mots clé sont très amusants, pour diverses raisons, soit par leur combinaisons insolites, soit par le côté existentiel (comme le no.4 ci-dessous), soit par l'impossibilité de trouver une réponse à cette question (comme le no.5) :
- blog ennuyeux
- comment etre elégante en classe
- pourquoi pas de belle fille en math spé
- faire des math ou pas
- comment trouver le centre d'un cercle juste avec un compas
- comment faire un piege a oiseau qui marche
- piege a oiseaux sans piege
- thèse doctorat reggae
- ils ne comprennent rien il n'apprennent jamais
- combien en fraction le nombre de gens qui parlent existent ?
- comment resoudre une equation du premier degre sans pi
- jean dieudonné: quelle distance a-t-il parcouru ?
- apprendre beaucoup en peu de temps
- bien gerer son bac avec humour
- komen reusir le bac san travailé
- avec quelle musique faire des maths ?
- comment etre un bon eleve dans la classe
- comment calculer comment sa nous prend pour passer avec un pourcentage
- insecte laid qui ressemble a une fourmi transparent
- je veux qu'on me calcule cet exercice
- comment faire une opération de transformation un homme en une femme
- peut on réapprendre les maths à quarante ans
- qui fait les math à ma place
- demontrer de fausses égalités mathématiques
- elle est ferme
- image filles sur canapé
- colloque proust contrepeterie
- les étudiants ne savent plus faire une équation
- exercice pour avoir le prix nobel en maths
- apres combien de temps un chien oublie son maitre
- comment tracer une droites concourantes
- apprendre la corégraphie de nobody's perfect
- je suis aller au collège cette année, un jour, malheureusement, nous avons un problème dans le français le plus de mes leçons que nous ne comprenons pas ce que je dois faire des contrôles
- combien de temp deux chien son coller après avoir fait l'amour
- comment trouver le mot je t'aime en math
- comment être une fille amusante
- comment aimer son mari
- maths et masturbation
- extrait x les petit nin avec femme
Je lance un défi aux lecteurs de ce blog : trouvez les réponses les plus insolite à ces questions !
Approximation d'une intégrale
Par Mathoman - Tags
Un ami m'a envoyé une belle collection d'exercices dont je parlerai bientôt sur ce blog. L'une des questions est simplement :
Calculer la moyenne de sin100(x) avec une précision de 10%.
Je suppose qu'il faut comprendre calculer la moyenne sur un intervalle de période (par exemple entre 0 et pi)
.
Selon l'auteur de cette liste de problèmes, un étudiant qui ne sait pas faire cet exercice en cinq minutes n'aurait aucune maîtrise des mathématiques... Qu'en est-il de vous ? :-)
Et pour rallonger un peu ce billet, voici deux belles phrases.
Algebriquement parlant, Mr M. est execrable, mais Mr G. est (x+1)ecrable.
— Edgar Alan Poe
Même le nombre le plus fort a besoin des nuls : 100000000.
— Zarko Petan
SO(3) e(s)t l'espace projectif à 3 dimensions
Par Mathoman - Tags
Ci-dessous j'explique, en forme d'exercice corrigé, pourquoi le groupe SO(3) de rotations dans l'espace peut être identifié à l'espace projectif réel
. Et je me rappelle que c'était un collègue d'études qui m'a raconté cette preuve par la méthode de hand waving sous le soleil d'été dans une piscine plein air à Bonn!Un bel énoncé géométrie et topologie
Le but de l'exercice est de montrer que
et 
Notations
Dans un premier temps dont nous nous contentons ici le symbole
signifie simplement qu'il existe une bijection entre les ensembles concernés; c'est clairement une relation d'équivalence.Comme d'habitude
dénote l'espace projectif réel de dimension n, c'est-à-dire l'ensemble des droites vectorielles dans
. Fixons aussi les notations pour trois sous-ensembles importants de
:- la boule


- la sphère


- l'hémisphère nord


est la sphère
. Chaque point x sur ce bord possède un antipode, à savoir le point x.Si on ``recolle''
par identification des antipodes sur son bord, alors on obtient un nouvel ensemble que nous notons
Ca, c'est du handwaving. De manière ensembliste on pourra écrire
Questions
- Expliquer par des mots de quelles formes sont la boule
et son bord
dans les cas n=1,2,3. - Démontrer que


- Démontrer que


- Démontrer que


- Démontrer que


Se marier avec quelqu'un qu'on aime
Par Mathoman - Tags
Comment trouver l'amour de sa vie ? Comment se caser ? Comment former un bon couple ? Ce type de questions préoccupe beaucoup de gens. Voici une version matheux de ce problème fondamentale.
Le problème de mariage ou le problème de former les bons couples
Supposons que nous avons n femmes et n hommes, tous célibataires et prêts à se marier ; pour tout entier k dans [1,n] et tout choix de k femmes, l'ensemble des hommes qui sont aimés par au moins une de ces femmes contient au moins k éléments.
Démontrer qu'on peut organiser des mariages tels que chaque femme se marie avec un époux qu'elle aime.
Revisitons la multiplication !
Par Mathoman - Tags
- Multiplication posée du bon élève.
- Méthode du cancre.
- Méthode de Karatsuba (publiée en 1962). On sépare chaque facteur en deux parties





L'idée de tout ça c'est de se ramener à des opérations élémentaires (opérations entre deux nombres entre 0 et 9). Sur un ordinateur le choix d'un bon algorithme peut accélerer considérablement le temps de calcul quelques jours pour des facteurs constitués de plusieurs milliards de chiffres ! Le calcul avec de très grands nombres n'est pas une question purement théorique mais a beaucoup d'applications, notamment en théorie de cryptage.
Questions
- Pourquoi la méthode du cancre fonctionne-t-elle ? Les deux facteurs jouent des rôles différents; lequel choisir pour quel rôle ?
- Utilisez la méthode de Karatsuba pour calculer 3116 x 1014. Pourquoi cette méthode fonctionne-t-elle ?
- Avec la méthode classique (multiplication posée du bon élève), combien de multiplications élémentaires sont nécessaires pour calculer le produit de deux nombres à n chiffres ?
- En réitérant la méthode de Karatsuba on obtient un algorithme. Combien de multiplications élémentaires sont alors nécessaires pour calculer le produit de deux nombres à n chiffres ? Comparer avec l'algorithme classique.
Cliquez pour afficher les solutions en format pdf.
Et pour finir une vidéo présentant une méthode qui produit une belle calligraphie elle s'appelle donc la multiplication chinoise !
L'idée de base de la multiplications chinoise est le fait suivant : un ensemble de n droites parallèles coupe un autre ensemble de m droites parallèles en nxm points.
Maths CM2
Par Mathoman - Tags
Pourquoi le nombre
de la formule
pour la circonférénce d'un cercle intervient-il également dans la formule
pour calculer la surface d'un disque ?
Lisez ici la belle explication que Stéphane Lamy donne à sa fille en CM2.
Comment estimer une circonférence... et gagner un pari
Par Mathoman - Tags
Dans ma cuisine je trouve ce récipient de sel cylindrique. Qu'est-ce qui est plus long, sa hauteur ou sa circonférence ?

Comparons ! La hauteur est bien inférieure à l'écart que je peux faire entre mon pouce et mes doigts ; en revanche, je n'arrive pas à joindre mes doigts autour du périmètre. Donc, à ma grande surpise, la circonférence de ce cylindre est bien plus grande que sa hauteur.
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Nous avons tous appris à l'école que pour calculer la circonférérence d'un cercle on multiplie son diamètre par ce fameux nombre
qui vaut approximativement 22/7. Et comme 22/7 est bien plus grand que 3, la circonférérence est supérieure à trois fois le diamètre. Si l'on garde cela à l'esprit, alors notre mesure ci-dessus n'est plus si surprenante !
La plupart des personnes se trompent avec ce type d'estimation et diront que la hauteur est plus grande. Le soir au bar, vous pouvez parier une bière avec vos amis en posant la même question sur la hauteur et le périmètre d'un verre de bière. Puis vous utilisez par exemple une serviette pour comparer les deux longueurs comme ci-dessous. C'est sûr que vous allez gagner !
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| La hauteur est... | ...inférieure à la circonférence. | Mathoman gagne une bière ! |
Torsion du bras - le groupe fondamental de SO(3)
Par Mathoman - Tags
Dernièrement nous avons parlé de groupes cycliques et du groupe de rotation SO(3). Aujourd'hui nous allons revisiter ces deux notions pour explorer une jolie propriété en mathématiques.
Voici une petite vidéo où je tourne mon bol de café au lait. Plus précisément je lui fais deux tours complets. On remarquera qu'après le premier tour mon bras est tourdu, mais après le deuxième tour mon bras revient à sa comfortable position du début.
MathOMan tord son bras... et le remet à sa place!
Explication (par handwaving en prose)
- Choisissons deux antipodes P et Q sur la sphère et notons g le chemin qui va de P à Q en ligne droite. Or g est un lacet dans SO(3) à cause de l'identification des antipodes. Plus précisément, il s'agit des rotations atour de l'axe fixe (PQ) commençant avec l'angle -180° et finissant avec l'angle 180°. Ce lacet g représente donc précisément un tour de la tasse de café.
- Soit h un demi-cercle sur la sphère, allant de P à Q. Il est clair qu'on peut déformer g continûment en h. En termes d'homotopie on a alors g=h.
- Considérons le demi-cercle h' allant de Q à P qui complète h en un cercle entier. Maintenant vient le point crucial: le cercle entier h+h' est homotope au lacet constant, car on peut le "rétrécir en un point''.
- D'autre part il est clair que, par identification des antipodes, h et h' sont deux lacets identiques dans SO(3). Nous obtenons ainsi 2g=2h=h+h'=0 dans le groupe fondamentale de SO(3).
Il reste à voir qu'on n'a pas déjà g=0, autrement dit qu'il est impossible d'avoir le bras en place déjà après le premier tour. Une manière simple de comprendre que g , ou encore h, n'est pas homotope au lacet constant est de voir h comme un lacet dans l'espace projectif de dimension 3. Il correspond alors à la rotation d'une droite dans l'espace de dimension 4, d'angle 180° autour d'un axe perpendiculaire. La droite revient sur elle-même, mais on ne peut pas rétrécir ce mouvement.
Voilà, si on formalise ces raisonnements un peu plus, on démontre que le groupe fondamental de SO(3) (ou plus généralement d'un espace projectif de dimension au moins 3) est le groupe cyclique à deux éléments Z/2Z.
Les physiciens adorent ce genre de propriétés mathématiques et invoquent même le groupe de Spin, revêtement universel de SO(3). Mais pour expliquer ces applications en physique théorique, il faudra un autre bloggeur peut-être un PhysOMan?
On m'a recommandé à ce sujet le livre Spinors & Space-Time de Roger Penrose et Wolfgang Rindler mais mes maigres pré-recquis en physique m'ont découragé de l'acquérir ;-)





