Лента или лист Мëбиуса — верный друг всех адептов занимательной математики. Это неориентируемое гладкое двумерное многообразие можно без труда вложить в трёхмерное пространство, склеив из бумажной полоски, а потом эффектно разрезать на потеху публике. Но кого можно удивить лентой Мёбиуса на Хабре? Знаем, клеили, резали! Но всё же, я надеюсь подарить вам ещё несколько незаезженных топологических инсайтов на эту тему. Более того, в ней есть ещё что изучать, и я поделюсь с вами двумя относительно недавними исследованиями ленты Мёбиуса, опубликованными в 2010-м и 2014-х годах.

Предупреждение! Это практический пост. Предлагаемые эксперименты и наблюдения настоятельно рекомендуется провести самостоятельно, и очень желательно, — с детьми! Никакие картинки не дадут того опыта, который можно получить оперируя своими руками! А уж такой радости и подавно!

Математика может дарить красоту не только нашему уму, но и глазам. Сегодня я предлагаю полюбоваться красивыми картинками, получающимися, при соединении геометрии, теории групп и клеточных автоматов.

Красота генеративного искусства состоит не только в неожиданных и сложных образах, порождаемых простыми алгоритмами, но и в том, что их можно изучить, понять и объяснить. Как известно, объяснение способно убить шутку, но настоящую красоту внутренняя логика делает только богаче.

Сегодня я предлагаю вспомнить один старый и простой алгоритм, рисующий красивые картинки, который когда-то вовлёк меня в программирование и увлёк математикой. А заодно мы немного разберёмся в том почему картинки получаются именно такими.

Небольшой обзор систем контроля версий, альтернативных git, и основанных на математической теории. Речь пойдёт о двух системах распределённого контроля версий: Darcs, написанной на Haskell, и Pijul, написанной на Rust. Обе они сейчас активно развиваются и предлагают свои сетевые репозитории. Оказалось, что про них на Хабре толком нет ничего, тогда как про git образовался целый хаб. Поскольку я люблю и использую Haskell, я остановил свой выбор на Darcs, и вот, спустя два месяца непрерывной работы над библиотекой геометрической алгебры для hackage, я готов поделиться впечатлениями от её использования.

На уходящей неделе мне попалась симпатичная, хоть и не новая мини‑серия статей на Дзен‑канале @zdgzdgzdg про процедурную генерацию лабиринта методом «коллапса волновой функции». Пока я читал эти статьи и знакомился с кодом, меня осенило: ведь это же вычисления в комонаде, погружённые в монаду! Я не издеваюсь, действительно, речь идёт о композиции двух паттернов функционального программирования: комонады Zipper, превращающей локальные правила в глобальное состояние, и монады Random, позволяющей генерировать случайные объекты.

И вот, в качестве баловства на выходных, я решил реализовать этот «квантовый» алгоритм генерации лабиринтов на Haskell, используя и комонады и монады, и вообще, ни в чëм себе не отказывая. И хотя язык программирования Haskell нужен не только для извращений, но именно для них он подходит идеально!

Какие функции принято называть элементарными и почему? И при чём тут Ватсон? Разберёмся со всем по порядку. Обещаю, будет понятно и интересно, хоть и не совсем элементарно.

Когда я был школьником, то моим хобби была охота за функциями, для того чтобы рисовать на миллиметровке их графики, собирая своеобразную коллекцию. Тогда я был вооружён мощным оружием: калькулятором МК-52. До компьютера с графическим, а не текстовым дисплеем (ZX-Spectrum + домашний телевизор), нам всем ещё надо было дорасти, и мне, и доступным мне компьютерам.

В этой серии статей мы делаем видимыми и ощутимыми некоторые элементы теории хаоса. В предыдущих частях мы увидели каким образом рождается странный аттрактор в предельно простой гамильтоновой системе — шарике, прыгающем на подпружиненном столике. Эта система способна порождать и красивые картинки и не менее красивые объяснения этим картинкам. Сейчас мы внимательнее рассмотрим некоторые качественные и количественные характеристики странных аттракторов — показатели Ляпунова, спектральные характеристики, и корреляционную размерность.

Современная теория хаоса — это большая и хорошо разработанная область математики, уже прочно вошедшая в набор современных инструментов естествознания. Многие результаты теории динамического хаоса, такие как странные аттракторы, бифуркационные диаграммы, фрактальные области притяжения, разобраны популяризаторами математики на плакаты, мемы и открытки. В этой мини‑серии статей я хочу копнуть немного глубже стандартных введений и «альбомов» с симпатичными картинками и дать пример разбора одной несложной, но ещё не «заезженной» механической системы, которая демонстрирует механизмы возникновения хаоса в гамильтоновых системах.

Предупреждаю, в тексте достаточно много анимированных картинок и не очень много практической пользы :)

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".