Apprendre à compter
Par Mathoman, lundi 27 avril 2009 à 18:12 - Maths et société - Tags
Voici deux figures : $ $ $ $ et o o o o .
Question : Qu'ont-elles en commun ? Réponse : 4.
Ce qui nous paraît évident ne l'est pas pour tout le monde. Mon ami Nik est parti un an enseigner dans une université à Tokio. C'est une période assez longue pour tenter d'apprendre le japonais ; mais ce n'est pas une langue comme les autres ! Normalement l'une des premières choses qu'on fait dans une langue étrangère, c'est apprendre à compter. Or compter en japonais n'est pas pour les débutants, c'est réservé aux avancés car on compte avec des nombres différents, selon le type d'objet.
A la base il y a deux façons de compter 1, 2, 3,... , à savoir ichi, ni, san, yon, go,... ou hito, futa, mi, yo,... plus précisément il faut faire les distinctions suivantes :
- des objets longs et fins (parapluies, crayons) : ippon, nibon, sanbon,...
- des objets plats (feuilles, tickets) : ichi-mai, nimai, sanmai,...
- des étages d'un immeuble : ikkai, nikai, sankai,...
- les mois : ichi-gatsu, ni-gatsu, san-gatsu,...
- les jours dans le mois : tsuitachi, futsuka, mikka, yokka,...
- des personnes : hitari, futari, san-nin, yon-nin,...
- des liquides (bières pression) : hitotsu, futatsu, mittsu, yotsu,...
Peut-être il y a là un rélique d'une époque lointaine où on comptait encore sans avoir une idée abstraite de la notion de nombre. Savoir compter et faire abstraction des objets qu'on compte, c'est quelque chose qu'on n'invente pas, on l'apprend. C'est, comme l'invention de la roue, une acquisition culturelle : il suffit qu'une seule fois un seul humain ait l'idée puis ça se répand et se transmet de génération en génération.
L'histoire des mathématiques est pleine d'exemples de concepts simples et basiques qui ont pris des siècles pour être découverts
pourtant, expliqués clairement, ils sont compréhensibles par tous. C'est pourquoi on pourrait attendre en vain qu'un élève invente lui-même les outils nécessaires pour résoudre un problème...
Pourquoi ne pas lire aussi :
Blagues de matheux
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- Il y a trois sortes de gens au monde: ceux qui savent compter et ceux qui ne savent pas compter.
- Il y a deux sortes de gens au monde: ceux qui pensent que le monde peut être divisé en deux sortes de gens et ceux qui pensent que ce n'est pas possible.
- Il y a 10 sortes de gens au monde: ceux qui comprennent la notation binaire et ceux qui ne la comprennent pas.
Combien faut-il de mathématiciens pour changer une ampoule ?
- Aucun. C'est laissé au lecteur en exercice.
- Aucun. Un mathématicien ne peut pas changer une ampoule, mais il peut prouver que cela est faisable.
- Un. Il la donne à un physicien et ramène ainsi le problème à un problème précédemment résolu.
- La solution est triviale.
- Un seul, une fois que vous avez réussi à lui présenter le problème dans des termes qu'il peut comprendre.
Combien faut-il d'analystes pour changer une ampoule ?
Trois. Un pour prouver l'existence, un pour prouver l'unicité et un pour déterminer les condtions initiales.
Combien faut-il d'analystes numériques pour changer une ampoule ?
3,9967 (après six itérations)
Combien faut-il de mathématiciens constructivistes pour changer une ampoule ?
Aucun. Ils ne croient pas au rotations infinitésimales.
Combien faut-il de géomètres classiques pour changer une ampoule ?
Cela ne peut pas être fait à la règle et au compas.
Combien faut-il de topologistes pour changer une ampoule ?
Un seul. Mais que fait-il du beignet ??
Combien faut-il de Bourbakistes pour changer une ampoule ?
Changer une ampoule est un cas particulier d'un problème plus général concernant l'entretien et la réparation d'un système électrique. Pour déterminer un minorant et un majorant du nombre de personnes nécessaires, nous devons vérifier si les conditions du lemme 2.1 (disponibilité du personnel) et ceux du corollaire 2.3.55 (motivation du personnel) sont vérifiées. Si et seulement si ces conditions sont réunies, on obtient le résultat en appliquant le théorème de la section 3.11.23. Le majorant obtenu est, bien sûr, à prendre en compte dans un espace mesuré, muni de la topologie *-faible.
La notation binaire
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Ceux qui ont vu le film Matrix se rapellent des suites constituées des chiffres 0 et 1 qui défilent sur l'écran presque interminablement, comme par exemple 10011100100001101010111111. Beaucoup appellent cela un "nombre binaire", mais cette appellation est mal choisie, mieux est de l'appeler "écriture binaire d'un nombre naturel". Pour mieux comprendre cette écriture bizarre faisons un petit détour.
Les nombres naturels
Les nombres naturels sont le premiers que nous avons appris à l'école : zéro, un, deux, trois, quatre,... Il y en a une infinité, car à chaque nombre on peut ajouter 1 :
zéro = 0 , un = 1 , deux = 1+1 , trois = 1+1+1, quatre = 1+1+1+1 , etc.
Cette écriture en forme de somme est essentiellement la même que l'écriture primitive par bâtons qu'on trouve sur les murs des prisons : par exemple |||| pour quatre ou |||| ||| pour huit. Elle prendrait trop de place pour des grands nombres. Pour éviter cela on utilise une ruse, que j'illustre d'abord par quelque chose que tout le monde connaît et utilise :Le système décimal
Il fonctionne comme suit.
- Nous convenons que les dix premiers nombres (zéro, un, deux, trois, ..., huit, neuf) soient représentés par les dix symboles 0, 1, 2, 3, ..., 8, 9.
- Nous convenons que le onzième nombre, à savoir le 9+1 ou encore le dix, est représenté par la juxtaposition de 1 et de 0 : donc 10.
- Puis on donne une règle pour les autres juxtapositions en utilisant les puissances de 10. Voici deux exemples:
et
.
signifierait le nombre sept et
signifierait
(c'est-à-dire
dans notre système décimal habituel).Dans toutes les langues que je connais il y a les noms particuliers "onze" et "douze" ; on dit "vingt-deux", mais on ne dit pas "dix-deux", on dit "douze". Cela montre qu'il fût un temps où nous ne comptions pas dans en dizaines mais en douzaines.
Le système binaire
Maintenant au lieu de prendre dix chiffres nous nous contentons du minimum syndical, des deux chiffres 0 et 1. C'est vraiment le minimum car avec un seul chiffre nous ne pourrions pas aller très loin, nous serions restreints à la notation primitive par bâtons |||| .
La juxtaposition
signifie alors le nombre deux et
signifie
, c'est-à-dire
, donc cinq dans notre système décimal habituel.Ecrivons quelques nombres naturels dans les deux systèmes, binaire suivi de décimal :
0 est 0, 1 est 1, 10 est 2, 11 est 3, 100 est 4, 101 est 5, 110 est 6, 111 est 7, 1000 est 8, etc.
est
,
est
,
est
(un méga)Ces derniers nombres sont très familiers en informatique. C'est simplement parce que les ordinateurs utilisent le système binaire pour compter. En effet, la manière la plus simple pour communiquer avec une machine c'est de lui donner seulement deux signaux (et pas trois ou plus), comme oui/non, comme on/off, comme gauche/droite (dans les leviers de la machine en bois) ou comme haut/bas, etc.
Exemples de passage d'un système à l'autre
Résumons par deux exemples les règles qui permettent de passer du système binaire au système décimal :
- Soit
un naturel écrit dans le système binaire. Alors dans le système décimal c'est le nombre 
- Soit
un naturel écrit dans le système décimal (!). Pour le transformer en écriture binaire nous devons d'abord trouver la plus grande puissance de 2 qui "rentre" dans
. Nous savons que
et que
. Donc
est la plus grande puissance de 2 qui "rentre" dans
et ainsi l'écriture binaire de
nécessitera onze chiffres le premier étant 1. Nous avons
La plus grande puissance de 2 qui "rentre" dans
est
On est passé de la dixième puissance directement à la sixième ; les trois puissances "sautées" (neuvième, huitième, septième) sont représentées par des zéros. Donc l'écriture binaire de notre nombre commence par les cinq chiffres
On poursuit de la même manière :
; la plus grande puissance de 2 qui "rentre" dans
est
Puis
; la plus grande puissance de 2 qui "rentre" dans
est
. Le dernier reste est
Ainsi nous obtenons
(notation binaire). - Pour nous rassurer de notre dernier résultat faisons le test et re-transformons l'écriture binaire en écriture décimale. Le nombre
en binaire devient en décimal
donc
(notation décimale).
Série classique convergente
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Pour savoir pour quel
la série
est convergente, on fait une comparaison avec une intégrale, c'est-à-dire on démontre (par exemple par un dessin) l'encadrement suivant, valable pour tout entier n > 1,


En faisant tendre n vers l'infini on conclût que la série converge si
et diverge vers l'infini si 
Question de colle :
Soit
une série convergente. Est-il vrai que
est également convergente ?
Le problème avec la ligne téléphonique occupée
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Souvent lorsqu'on veut joindre un bureau administratif par téléphone, c'est occupé. On se dit alors : avant d'essayer à nouveau vaut mieux que j'attende quelques minutes pour que la ligne téléphonique se libère.
Mais est-ce vraiment une bonne stratégie ? Pourquoi attendre quelques minutes et ne pas rappeler toute de suite ou après quelques secondes seulement ? La probabilité que le téléphone sonne occupé dans le futur, ne devrait-elle pas être indépendante de l'état actuel de la ligne ? (En effet, rien ne permet de savoir si l'appel qui occupe la ligne est à son début ou à sa fin.)
Qu'en pensez-vous ?
On suppose ici (de manière très optimiste, je l'avoue) que le personnel du bureau décroche le téléphone à chaque fois qu'il sonne. En plus, on suppose que je n'ai pas d'influence sur les autres personnes susceptibles d'appeler et qu'il s'agit d'une ligne de téléphone à l'ancienne, c'est-à-dire sans boîte vocale active ou possibilité de recevoir de double appels.
Voyage dans le temps
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Certainement vous avez déjà imaginé que vous jouez aux Time Bandits et que vous voyagez dans le temps ; et que vous avez en plus le droit d'amener des objets et votre savoir actuel avec vous...
Or si je prends mon téléphone portable avec moi et je voyage dans les années 1970 cet appareil ne me servira strictement à rien. Et si j'amène mon vélo (et sa pompe !) dans l'époque de l'Empire Romain (je me le suis déjà souvent imaginé) ça ferait un énorme tabac, certes ; mais après avoir roulé pendant un an sur les routes romaines j'aurais besoin de pièces de rechange et je n'en trouverais pas. Et Néro qui m'a donné une tonne d'or car je lui ai promis de faire construire des milliers de vélos pour son armée m'envoie aux lions du Circus Maximus car les ingénieurs de l'époque n'arrivent pas à réaliser des roulements à billes performants...
C'est pourquoi finalement le meilleur bagage à amener me semble des concepts intellectuels, universels et non liés à un environnement technique particulier. Par exemple, j'aimerais bien voyager au 17e siècle et expliquer à Leibniz pourquoi il avait tort à croire que la série

trouvéeque 150 ans plus tard par Weierstrass. La voici :

C'est sous cette forme que l'on enseigne la limite aux lycéens (ou au moins on le faisait il y a une vingtaine d'années). C'est donc une idée plutôt basique mais il fallait la trouver !
Sondage de mes lecteurs : Qu'est-ce que vous aimeriez amener lors d'un voyage dans le temps ? Et à qui voudriez-vous présenter votre savoir ? Laissez vous guider par votre fantaisie de mathématicien ;-)
Groupes et compagnie
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Un magma
est un ensemble G muni d'une loi de composition interne ¤.
Si en plus cette loi est associative, c'est-à-dire (x¤y)¤z = x¤(y¤z) pour tous x,y,z dans G, alors on dit que (G,¤) est un demi-groupe
.
Et si en plus il existe un élément neutre e dans G, c'est-à-dire e¤x = x¤e = x pour tout x dans G, alors on dit que (G,¤) est un monoïde
.
Enfin, si chaque élément x de G possède un neutralisant x' dans G, c'est-à-dire x¤x' = x'¤x = e, alors on dit que (G,¤) est un groupe
.
On dit aussi le symétrique de x
pour l'élément neutralisant x' de x. Si la loi est notée par une addition on le note souvent -x (opposé) et si la loi est notée par une multiplication on le note souvent x-1 (inverse).
Exemples :
- Considérons la loi de l'addition habituelle de nombres. Muni de cette loi l'ensemble des naturels strictements positifs N*={1,2,3,...} est un semi-groupe. Il manque l'élément neutre 0 ; on l'ajoute et on obtient le monoïde N={0,1,2,3,...}. Il manque les neutralisants (les opposés) -1, -2, -3, ... ; on les ajoute et on obtient le groupe des entiers Z={0,±1,±2,±3,...}.
- Considérons la loi de la multiplication habituelle de nombres. Muni de cette loi l'ensemble des naturels N est un monoïde, son élément neutre étant 1. Que faut-il ajouter ou enlever pour en faire un groupe ? D'abord on remarque que 0 multiplié avec tout nombre donne 0, donc jamais 1, autrement dit on ne pourra jamais trouver un neutralisant de 0 (
on ne peut pas diviser par zéro...
). Il faut donc enlever le 0, on trouve N*. Ensuite il faut ajouter les inverses : l'union de N* et de l'ensemble des 1/n où n parcourt N*, est-il un groupe ? Non, pas encore, car il faut aussi s'assurer que les produits restent dedans et donc on doit en fait ajouter toutes les fractions de la forme m/n avec m et n dans N*. On trouve le groupe multiplicatif Q*+ des rationnels strictement positifs.
De même l'ensemble des nombres rationnels non nuls Q* est un groupe. - Il existe des loi internes non-associatifs. L'ensemble Z muni de la soustraction est un magma (mais pas un demi-groupe). L'ensemble R3 muni du produit vectoriel (x1, x2, x3) × (y1, y2, y3) = (x2y3-x3y2, x3y1-x1y3, x1y2-x2y1)en est un autre.
Pour résumer, un groupe est un ensemble muni d'une loi interne associative, possédant un élément neutre et tel que chaque élément a un neutralisant. Il s'agit alors de vérifier ces trois axiomes pour montrer qu'un objet proposé est un groupe. Beaucoup d'exercices sont de ce type et très souvent ce sont de simples vérifications mécaniques, permettant au débutant de se familiariser avec la notion de groupe. La rédaction de la réponse à la question suivante m'a pris un peu plus de temps, à savoir toute la durée d'un examen que j'ai surveillé hier pas terrible de réussir un seul exo pendant que les étudiants doivent en faire cinq ;-) mais évidemment cet exo ne faisait pas partie de l'examen...
Exercice : On définit x¤y := x(y2+1)½+y(x2+1)½. L'ensemble des réels muni de cette loi est-il un groupe ?
Toutes les solutions sont acceptées... en particulier celles utilisant la force brute du logiciel de calcul formel Maple car j'aimerais bien savoir si Maple arrive à faire ça. J'ai essayé de forcer Maple mais il ne voulait pas ; soit ça dépasse ses capacités, soit ça dépasse mes compétences maple-istiques.
Une boisson mélangée de bière et vin rouge
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Allemagne : Wein auf Bier das rat ich dir, Bier auf Wein das lasse sein.Mon étonnement fût grand lorsque ce mois d'aôut deux amis brésiliens m'ont fait découvrir une boisson qu'ils appellent espanhola et qui est précisément un cocktail de vin rouge et de bière blonde. Les brésiliens en consomment beaucoup, ils la mixent eux-mêmes sur les plages. Le résultat est une boisson d'une couleur un peu sâle avec des flocons... Le goût dépend du rapport vin/bière.
France : Bière sur vin est venin, vin sur bière est belle manière.
Angleterre : Beer after wine, and you’ll feel fine, wine after beer and you’ll feel queer.
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Ces brésiliens mélangent... |
...vin et bière ! |
SO(3) e(s)t l'espace projectif à 3 dimensions
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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


Permis de démolir le ...
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Pour me rendre à vélo depuis le 11e arrondissement de Paris (et oui, cette chanson existe même dans ma langue !) jusqu'à la fac de Versailles j'essaye beaucoup de parcours différents. Autrement dit je pratique une sorte de calcul de variations pour trouver le chemin optimal. Ce n'était pas évident de faire un bon compromis entre plusieurs minimisations simultanées : le chemin le plus court, le chemin avec le moins de voitures et le chemin avec le moins de dénivelé...
L'un des parcours que j'ai testés passe devant un bâtiment abandonné à Meudon. Il est délabré, ses fenêtres sont pleines de graffiti et il y a déjà un panneau permis de démolir planté devant. Je me suis arrêté pour en prendre quelques photos. Pour savoir de quel immeuble il s'agit cliquez sur la deuxième image !
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Meudon immeuble prêt à casser... (cliquez sur la deuxième image) |
C'est l'occasion pour féliciter mon ami Achim à Grenoble qui vient de soutenir son habilitation, probablement dans le but de quitter cette institution au futur incertain pour devenir professeur universitaire ;-)
Comprendre son bulletin de paye
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L'Etat fait la loi. En particulier, il s'occupe du code de travail et devrait veiller à ce que le paiement des salires soit transparent et se fait à temps. Or bizarrement il paraît que l'Etat est un employeur moins scrupuleux que les entreprises privées en ce qui concerne la transparence des fiches de paie et la ponctualité du paiement.
Voici un exemple. Une école d'ingénieur privée où j'enseigne établit le bulletin de paye suivant. Il est clairement structuré en commençant avec le plus important, à savoir le mois concerné, le nombre d'heures travaillées (CM=cours magistral, TD=travaux dirigés) et la base unitaire (par heure) ; puis il y a le total brut suivi des diverses côtisations. Et à la fin du mois l'argent est sur le compte de l'intervenant.
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Dans le privé : fiche de paie claire |
Maintenant comparons avec la fiche de paye pour un travail équivalent (heures d'interrogation en classe prépa) à l'Education Nationale. Sous la dénomination mystérieuse Rappel années antérieures
on trouve un montant total, mais sans aucune explication.
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Dans la fonction publique : fiche de paie obscure |
On y cherchera en vain tous les détails importants, comme le tarif de base (nombre d'heures-élèves) ou la période concernée ! En plus, la période serait du plus grand intérêt car, même si le bulletin porte la date du janvier 2010, il s'agit en fait du paiement pour des interventions qui ont commencé en septembre 2009... et oui, l'Etat est un mauvais payeur, il est très souvent en retard ! Parfois il attend même six mois avant de payer les intervenants non-fonctionnaires (et aussi ses fonctionnaires pour leurs heures supplémentaires) ; en fait, lorsqu'on donne des heures de colles dans établissement pour la première fois, il n'est pas rare d'attendre le mois de mai pour avoir le premier virement concernant les heures du septembre. L'intervenant doit donc avoir une très bonne foi... Toute vérification est impossible.
Il est difficilement compréhensible que, dans notre monde informatisé du 21e siècle, l'Education Nationale n'arrive pas à éditer des fiches de paye propres et à payer à échéance pour des services effectués.






