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Mathematik: Anzahl der Abbildungen $f$ mit $f^p = f^q$
Freigegeben von matroid am Fr. 13. Dezember 2019 21:45:02
Verfasst von Triceratops - (145 x gelesen)
Mathematik 

Anzahl der Abbildungen $f$ mit $f^p=f^q$

Für feste natürliche Zahlen $n,p,q$ bestimmen wir die Anzahl der Abbildungen $f : \{1,\dotsc,n\} \to \{1,\dotsc,n\}$ mit $f^p = f^q$, wobei $f^p$ die $p$-fache Verkettung von $f$ sei. Wir leiten insbesondere für festes $p \geq 2$ und $q=1$ die erzeugende Funktion $\exp(\sum_{d ~\mid~ p-1} \frac{1}{d} (z \cdot \exp(z))^d)$ für die Anzahlen her. Am Ende zeigen wir eine alternative Herleitung auf, die mit kombinatorischen Spezies arbeitet. Das folgende Bild zeigt zum Beispiel eine Abbildung $f$ mit $f^6=f^2$.

<math>
\newcommand{\rdot}{\textcolor{red}{$\bullet$}}
\newcommand{\bdot}{\textcolor{blue}{$\bullet$}}
\begin{tikzpicture}[inner sep=0pt,>=latex]
\node (W1) at (0,1) {\bdot};
\node (W2) at (1,1.8) {\bdot};
\node (W3) at (2,1) {\bdot};
\node (W4) at (1,0.2) {\bdot};
\node (A1) at (-1.1,1) {\rdot};
\node (A2) at (-2,2) {\rdot};
\node (A3) at (-2,0) {\rdot};
\node (B1) at (3.2,2) {\rdot};
\node (B2) at (3.2,0) {\rdot};
\draw [blue,->] (W1) to (W2);
\draw [blue,->] (W2) to (W3);
\draw [blue,->] (W3) to (W4);
\draw [blue,->] (W4) to (W1);
\draw [red,->] (A1) to (W1);
\draw [red,->,bend right=10] (A2) to (A1);
\draw [red,->,bend left=10] (A3) to (A1);
\draw [red,->,bend left=10] (B1) to (W3);
\draw [red,->,bend right=10] (B2) to (W3);
\end{tikzpicture}</math>
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Mathematik: Ein schwieriges Problem auf der IMO
Freigegeben von matroid am So. 08. Dezember 2019 08:36:17
Verfasst von trunx - (1084 x gelesen)
Mathematik 
Auf der Wikipediaseite "Internationale Mathematik-Olympiade" werden die zwei schwersten Probleme genannt, die je auf einer IMO gestellt worden sind. Beide Aufgaben konnten nur von 11 Schülern gelöst werden, einmal (1986) bei insgesamt 210, das zweite Mal (1988) bei insgesamt 268 Teilnehmern.

Während für die erste dieser Aufgaben auch eine Lösung verlinkt wurde, habe ich für die zweite Aufgabe keine Lösung im Internet gefunden (aber auch nicht wirklich intensiv danach gesucht). Da es zudem hieß, dass weder die Mitglieder des Aufgabenausschusses noch von ihnen beauftragte Mathematiker des entsprechenden Fachgebietes (Zahlentheorie) die Aufgabe in 6h lösen konnten, war bei mir das Interesse geweckt.

Die Aufgabe lautete (siehe hier):

Let \(a\) and \(b\) positive integers such that \(ab+1\) divides \(a^2 +b^2\). Show that
\[\frac{a^2 +b^2}{ab+1}\] is the square of an integer.

(dt. lt. wikipedia: Sind \(a\) und \(b\) natürliche Zahlen, sodass \[c=\frac{a^2 +b^2}{ab+1}\] ebenfalls eine natürliche Zahl ist, ist c sogar eine Quadratzahl.)

Ich habe deutlich mehr als 6h für die Lösung gebraucht, aber es hat Spass gemacht. Daher, wer es selbst probieren will, macht jetzt besser den PC aus und rechnet!

Nachtrag: Die nachgelieferte Zuendeführung des angekündigten Beweises findet sich im nächsten Abschnitt in blauer Schrift.
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Mathematik: Galois-Verbindungen
Freigegeben von matroid am Do. 21. November 2019 22:39:52
Verfasst von Triceratops - (363 x gelesen)
Mathematik 

Galois-Verbindungen

Ausgehend von einer einfachen Beobachtung zwischen der Bildmenge und der Urbildmenge gelangen wir zum Begriff einer Galois-Verbindung. Dieser wird in diesem Artikel untersucht. Wir beweisen einfache Eigenschaften von Galois-Verbindungen und geben ein paar einfache Anwendungen an. Insbesondere finden wir damit einen konzeptionellen Beweis für eine ganze Reihe von Charakterisierungen von injektiven bzw. surjektiven Abbildungen. Im letzten Abschnitt zeigen wir dann die Nützlichkeit von Galois-Korrespondenzen auf, wofür der Hauptsatz der Galoistheorie das prominenteste Beispiel ist. Abgesehen von den Beispielen sind für das Verständnis dieses Artikels lediglich Grundbegriffe der Mengenlehre und der Ordnungstheorie nötig.
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Mathematik: 4-reguläre planare Einheits-Dreieck-Graphen
Freigegeben von matroid am Mo. 18. November 2019 21:17:18
Verfasst von Slash - (235 x gelesen)
Mathematik 

Wie man 4-reguläre planare Graphen nur aus kongruenten gleichseitigen Dreiecken konstruiert

Lassen sich kongruente gleichseitige Dreiecke in der Ebene ohne Überschneidungen derart aneinanderlegen, dass sich immer genau zwei Ecken berühren ohne dabei größere Dreiecke zu bilden? Und wenn ja, wie viele Dreiecke benötigt man mindestens dafür?

Eine Aufgabe, die mit entsprechendem Material, etwa kleine Dreiecke aus Pappe, sogar Kinder verstehen und angehen können, deren Lösung aber ganz schön raffiniert ist.
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Mathematik: Ein paar Ideen zu einer Philosophie der Zeit
Freigegeben von matroid am Do. 31. Oktober 2019 21:08:51
Verfasst von trunx - (604 x gelesen)
Vermischtes 

Ein paar Ideen zu einer Philosophie der Zeit



Aus verständlichen Gründen sind philosophische Themen auf dem MP nicht so gern gesehen. Anders als bei mathematischen bzw. physikalischen Aufgabenstellungen kommt man prinzipiell nicht zu einem klaren Ergebnis, sondern verbleibt stets im mitunter äußerst undurchdringlichen Dickicht der Meinungen.

Dennoch mache ich hier mal eine Ausnahme, schließlich bedarf jede Wissenschaft der Philosophie. Trotz ihres spekulativen Charakters liefert die Philosophie letztlich plausible Annahmen über unsere Welt, die wissenschaftliches Denken und Arbeiten erst ermöglichen.

Auch der vorliegende Text handelt von solchen plausiblen Annahmen, nämlich über die Zeit und was daraus folgt.
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Mathematik: Branch&Bound und Backtracking angewendet auf mehrere Probleme
Freigegeben von matroid am Mo. 09. September 2019 20:27:28
Verfasst von Delastelle - (353 x gelesen)
Informatik 
Branch&Bound und Backtracking werden angewendet auf
1. Sudoku
2. Rundreiseproblem (TSP)
3. Jobschop-Scheduling
4. ein Problem des Euler-Wettbewerbs (crack-free walls)
5. zur Lösung von Labyrinthen
und
6. zur Lösung von Erfüllbarkeitsproblemen (SAT genauer 3SAT)

Fortran-Programme werden zur Lösung der Probleme verwendet.

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Mathematik: Die Koch-Schneeflocke
Freigegeben von matroid am Sa. 07. September 2019 20:09:14
Verfasst von Triceratops - (635 x gelesen)
Mathematik 

Die Koch-Schneeflocke

In diesem kurzen Artikel werden die Flächeninhalte der Koch-Kurve und der Koch-Schneeflocke berechnet, ohne Grenzwerte oder unendliche Reihen zu benutzen.

mehr... | 5552 Bytes mehr | 10 Kommentare | Druckbare Version 


Mathematik: Hauptsünden und Tugenden von Simplexlehrern
Freigegeben von matroid am Mo. 02. September 2019 20:49:09
Verfasst von Goswin - (383 x gelesen)
Mathematik 
Gemeint ist, in kleinlich ernsthafter Genauigkeit: "Drei meiner Meinung nach schwerwiegende und fast überall beobachtete didaktische Fehlverhalten von Schullehrern der zwölften Klasse und darüber beim Unterrichten des Wahlfachs Lineare Optimierung". Der verkürzte Artikelname ist also ganz unmöglich, führt aber hoffentlich verzweifelte Fragesteller auf die richtige Spur. Ich beobachte zwar keine Schullehrer beim Unterricht, aber ich lese Schultexte und achte auf Schülerfragen in Matheforen. Ich möchte auch nicht andeuten, es insgesamt besser machen zu können; ich würde vermutlich anstelle dieser Fehler eine Unzahl anderer machen.

Lineare Optimierung befasst sich mit der Lösung von "linearen Ungleichungssystemen". Optimiert wird nur nebenbei (beziehungsweise danach). Ursprünglich hieß das Gebiet auch gar nicht so, sondern "Linear Programming", was zu deutsch etwa "Lineares Programmieren" oder "Lineare Planrechnung" bedeuten würde. Bis die übermächtigen informatischen Heerscharen bar jeder Rücksichtnahme ins Mathematikreich eingebrochen sind und den Ausdruck "programmieren" für sich beschlagnahmt haben.

Der Knappheit zuliebe setze ich hier die Kenntnis von Simplexverfahren für die Lineare Optimierung voraus; wer diese nicht kennt, dem empfehle ich den Wikipedia-Eintrag: Pivotverfahren, für welchen ich größtenteils selber verantwortlich bin. Ein paar nützliche Vorübungen zu diesem Thema werden im Schulprojekt Linearer Gleichungszauber erklärt.
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