Откуда берëтся динамический хаос в простейших механических системах? Как его изучать? А это настоящий хаос или просто что-то очень сложное?

Я начинаю мини-серию статей, в которой мы будем понемногу знакомиться с элементами теории хаоса. За последние полвека сформировался набор классических примеров, кочующих из одного популярного введения в другое: аттрактор Лоренца, логистическое уравнение, двойной маятник, подкова Смэйла и т.п. Я, конечно, их упомяну, но мне бы хотелось показать что, кроме классики, есть хаотические системы, обойдённые вниманием, но, тем не менее, имеющие малую размерность и вполне ясные физические модели, при этом способные порождать красивые и сложные, примеры хаотического поведения, поддающиеся объяснению.

Это пример небольшого исследования, доступного студентам младших курсов, поэтому я позволю себе привести некоторые подробности анализа, которые искушённому читателю могут показаться излишними. Моя задача показать, что даже очень простые системы могут быть очень интересными, красивыми и доступными для глубокого анализа. И, конечно же, это повод показать симпатичные картинки, как правило, фрактальные. Ведь все же любят фракталы, верно? Ну, поехали!

Продолжаю знакомить вас с наработками моего математического кружка, в котором я стараюсь ответы на некоторые простые и наивные вопросы превратить в интересный и даже полезный рассказ. Сегодня мы порассуждаем над двумя вопросами:

• Что получится, если сложить все-все-все числа друг с другом?
• Чему равен факториал отрицательного числа?

На оба эти вопроса нам поможет найти осмысленный ответ алгебра, теорема Уилсона и некоторые её обобщения. Статья, адаптирована и расширена для уровня читателей Хабра, так что не пугайтесь, встретив в ней гамма‑функцию или вычеты функции комплексного переменного. На занятиях в кружке никто из детей не пострадал.

Что такое прямой угол? Почему дома, вагоны, книжки и коробки преимущественно прямоугольные? Почему расстояние от точки до прямой вычисляется вдоль перпендикуляра? Как построить прямой угол без циркуля и линейки? Что такое вертикаль и горизонталь и почему с горизонтального стола ничего не скатывается? Почему декартовы координатные оси располагаются под прямым углом? Почему ортогональные геометрические векторы перпендикулярны? Как работает теорема Пифагора в неевклидовых геометриях?

Мы найдём ответы на все приведённые выше вопросы, используя одно единственное свойства прямого угла.

Вы, наверняка, знаете отчего "гнётся и рвётся" пропеллер на цифровых фото и видео. А какую именно форму принимают лопасти винта? Как зависит их видимая форма от скорости вращения? И причём здесь гиперболы?

Приглашаю любопытных любителей самолётов на небольшое занятие математического кружка.

Поводом для написания этой заметки послужила новость, облетевшая мир 18 марта этого года: две школьницы из Нового Орлеана, Кальцея Джонсон и Не`Кия Джексон «впервые доказали теорему Пифагора», опираясь на теорему синусов. В России эту новость встретили с иронией и стёбом, но не бывает плохих поводов поговорить о хороших теоремах.

Одним из ключевых результатов теории категорий является осознание, что знания о каком-то объекте даёт не его «внутреняя» структура, а структура его отношений и связей с другими объектами в его категории.

В этой статье я хочу рассмотреть связи существующие между теоремой Пифагора с иными утверждениями: теоремой косинусов, теоремой синусов, евклидовостью пространства и свойствами скалярного произведения векторов. Ну, и заодно, разобрать пресловутое свежее доказательство американских школьниц, пока оно окончательно не забылось.

За минувшие пандемийные годы кто только не прошёлся по этой картинке, обсуждая невозможность выполнения такого требования на плоскости! Теперь, когда страсти поутихли, мне бы хотелось обсудить естественное математическое развитие этой темы в форме вопроса:

А где и как это возможно? Каким образом в различных топологиях можно расположить максимальное количество точек, так чтобы расстояния между любыми двумя точками было бы одинаковым?

Этот пост носит пятничный характер, и не претендует на серьёзное исследование. Он будет интересен тем, кто симпатизирует математике, любит анимированные гифки, но не готов «всё бросить» и погрузиться в дифференциальную геометрию и топологическую теорию графов.

Сегодня речь пойдёт о треугольниках, о пространствах, о треугольных координатах, о симметрии и совсем немножко о мере на множестве. Основной же темой рассказа будет факторизация множеств и пространств. Мы построим и исследуем пространство треугольников. Оно очень простое, но последовательно изучить его, полезно, поскольку если кто‑либо из ребят выберет себе путь в жизни, связанный с математикой или физикой, то ему придётся иметь дело с пространствами куда более сложными и трудно представимыми. Так что хорошо бы приобрести кое‑какую интуицию, оперируя чем‑нибудь простым.

Сегодня я хочу рассказать о трёх задачах, практически не связанных друг с другом, и объединённых лишь тем, что все они приводят к распределению случайных дискретных величин, с функцией вероятности, выражающейся через числа Стирлинга первого рода. Это распределение не относится к числу популярных и широко известных, у него даже имени устоявшегося нет. Так что пусть в русскоязычной сети появится статья, в которой будут описаны и контекст, в котором это распределение появляется, и его основные свойства. На нашем пути встретятся перестановки, стохастические цепочки, свёртка распределений, немного алгебры и даже Ага!-момент в конце статьи.

Приглашаю к чтению тех, кто хочет расширить свой кругозор, или просто любит всякую комбинаторику с вероятностями.

Продолжаем серию заметок для занятий математического кружка. Героем нашего сегодняшнего рассказа будет листок в клеточку. Этот образ стал своеобразным символом школьной математики. На одних из нас он навевает депрессивную тоску, а на иных, действует, как возбудитель, взывая маниакальное желание что-нибудь формулировать, строить, решать и доказывать. Равнодушных "к тетрадке в клеточку", я приглашаю просто порисовать что-нибудь: косичку или лабиринт, или, на худой конец, енота. А мы пока обсудим вот какие клеточные вопросы:

Как в тетрадке в клеточку нарисовать квадрат площадью 13 клеток так, чтобы все его вершины лежали на пересечениях сетки? Какие, вообще, квадраты можно вписать в квадратную решётку? А сколько существует способов нарисовать таким образом прямоугольник с заданной площадью? Портреты каких правильных многоугольников можно изобразить в тетрадке? Какие существуют окружности, проходящие через пересечения сетки?

Продолжаю знакомить вас с наработками к занятиям математического кружка. В этой статье собраны два сюжета, связанные друг с другом одной темой: математика углов и тригонометрия. Каким образом обосновываются угловые меры? Какие из них для чего более пригодны? Почему значения тригонометрических функций от рациональных долей окружности почти все иррациональны и, наоборот, почему в рациональной тригонометрии только восемь рациональных углов и те, по большей части тривиальны? Материал рассчитан на школьников, но он приоткрывает двери в большую математику, поэтому здесь появятся элементы теории чисел, теории алгебраических полей и полиномы Чебышёва.

Продолжаю потихоньку публиковать свои наработки к занятиям математического кружка. На этот раз речь пойдёт о до боли знакомых квадратных уравнениях и их свойствах, о которых нет времени поговорить в школе.

Каков геометрический смысл решения? Какова вероятность придумать нерешаемое уравнение? Как выглядит пространство уравнений, имеющих целочисленные решения? Куда деваются корни квадратного уравнения, когда оно не имеет действительных решений и откуда берутся комплексные корни? Как выглядят квадратные уравнения "на самом деле"?

Это собранные в одну статью заметки к циклу занятий математического кружка. Кружковая математика не только про олимпиады, про успеваемость в школе и про хитровыдуманные задачки на смекалку. Это и расширение эрудиции, и небольшие самостоятельные исследования и своеобразные "экскурсии к предгорьям" большой математики.

Статья посвящена модулярным арифметикам, простым для понимания и доступным для экспериментов алгебраическим структурам, которые, тем не менее, способны показать "внутреннее устройство" числовой системы и познакомить с элементами теории чисел и теории колец. Это ни в коем случае не учебник по алгебре, не учебное пособие и не туториал в духе "теория колец за 10 минут". Это неформальное приглашение к исследованию тех, кому любопытно, что же мы имеем в виду, когда говорим слово "число".

Эта часть продолжает неформальный рассказ о p-адических числах и она посвящена практическим аспектам работы с этой числовой системой и, в частности, некоторым деталям реализации p-адической алгебры на языке Haskell. О том, что это за система и зачем она может понадобиться, читайте в предыдущей части.

Мы поговорим об эффективном внутреннем представлении p-адических чисел, о базовых алгоритмах и методах работы с ними, а также о двух классных инструментах в системе типов языка Haskell: о типах-литералах (type literals) и семействах типов (type families).

Изображение с сайта Mathematical Art Galleries

В этой серии из двух статей я приглашаю вас заглянуть в один любопытный и не самый популярный уголок математики, в котором обитают необычные создания — p-адические числа, а попутно хочу рассказать о написанной мной Haskell-библиотеке для работы с ними, а также о двух классных инструментах: о типах-литералах (type literals) и семействах типов (type families), приближающих нас к заветным зависимым типам.

Я люблю язык Haskell и, начиная с какого-то времени, мне стало комфортно думать на нём, особенно, на математические темы. Когда понадобилось освоить новый инструмент, — p-адические числа, оказалось, что в репозитории hackage, основном для Haskell-сообщества, нет инструментов для работы с ними, даже в таких серьёзных теоретико-числовых библиотеках, как arithmetic, arithmoi или factory. В конце концов, я написал и опубликовал свой модуль padic, и во второй части этой серии расскажу о некоторых деталях его реализации. А сейчас речь пойдёт о самих p-адических числах.

В этой заметке я хочу поделиться элегантным решением одной задачи с сайта-хрестоматии RosettaCode. Речь пойдёт о программе, вычисляющей функцию Минковского — одного из инструментов теории чисел и динамических систем. Несмотря на то, что реализовать эту функцию относительно несложно (её код даже приводится в Википедии), имеет смысл подняться на достаточно высокий уровень абстракции, для того, чтобы увидеть предельно простое решение этой задачи. Ну, и получить удовольствие от красоты математики и языка Haskell.

Этот рассказ может быть интересным тому читателю, кто подобно мне, радуется обнаруживая "автомагические" решения, в которых точно подобранные структуры и абстракции, при помощи содержащейся в них математической основы, решают задачу как бы сами собой, гарантируя корректность этого решения.

Сначала мы обсудим саму функцию Минковского, потом разглядим в её действии изоморфизм между двумя алгебраическими структурами и уже с этих позиций напишем короткую программу на Haskell, и, конечно, обсудим что нам с этого всего будет.

Предлагаю вашему вниманию перевод замечательной свежей статьи Джастина Ле. В своём блоге in Code этот автор достаточно легким языком рассказывает о математической сути красивых и изящных функциональных решений для практических задач. В этой статье подробно разбирается пример того, как перенос математической структуры, которую образуют данные в предметной области на систему типов программы, может сразу, как писали Джеральд и Сассман "автомагически", привести к работающему решению.

Приведённый на картинке код — это полноценная самодостаточная, расширяемая реализация парсера регулярных выражений, написанная "с нуля". Высший класс, настоящая магия типов!

В одной из предыдущих статей я рассказывал о том, как можно построить исполнитель программ для виртуальной стековой машины, используя подходы функционального и языково-ориентированного программирования. Математическая структура языка подсказала базовую структуру для реализации его транслятора, основанную на концепции полугрупп и моноидов. Этот подход позволил построить красивую и расширяемую реализацию и сорвать аплодисмент, но первый же вопрос из зала заставил меня слезть с трибуны и снова залезть в Emacs.

Я провёл простое тестирование и убедился в том, что на простых задачах, использующих только стек, виртуальная машина работает шустро, а при использовании "памяти" — массива со случайным доступом — начинаются большие проблемы. О том, как удалось их решить, не меняя базовых принципов архитектуры программы и достичь тысячекратного ускорения работы программы, и пойдёт речь в предлагаемой вашему вниманию статье.