Miltä näyttää satunnainen funktio?

Tämänhetkinen tutkimusprojektini käsittelee fysiikan yhtälöitä, jotka kuvaavat aaltoliikettä. Yhtälöt itsessään etenevät kuin kellokoneisto ilman mitään satunnaisuutta, mutta minäpä tutkinkin, mitä tapahtuu jos lähtötilanne on satunnaisesti valittu. Viritän siis kuvitteelliselle vedenpinnalle satunnaisesti valitun muodon, käynnistän kellon ja katson, miten aallot alkavat loiskua.

(Oikeasti en tosin katsele mitään... työskentelen täysin teoreettisesti kynällä ja paperilla. En ohjelmoi simulaatioita eikä minua päästettäisi lähellekään aaltotankkia.)

Mutta miltä ylipäätään näyttää satunnaisesti valittu lähtötilanne? Millainen on satunnainen funktio? Tapoja sellaisen rakentamiseen on monta, joten eiköhän kurkata niistä muutamaan.

Fieldsin mitalit 2022

Mikäli seurasit uutisia viime viikolla, saatoit huomata pienen otsikon "matematiikan Nobeleista". (Jos seurasit esim. luonnontieteisiin erikoistunutta, ilmaista Quanta Magazine -nettilehteä, et voinut olla huomaamatta isoja otsikoita.)

Maailmantilanteen takia Fieldsin mitalit sekä kourallinen muita palkintoja jaettiin tiistaina 5.7. hieman yllättäen... Helsingissä. Alla käyn läpi vastaukset muutamaan kysymykseen:

• Mitkä ihmeen Fieldsin mitalit?
• Onko syytä mennä torille?
• Ketkä ne sitten saivat ja mistä hyvästä?

Paljon iloa osittaisintegroinnista

Pitkän matematiikan oppimäärä yllättää. Mikä aikanaan oli vain näppärä temppu vaikeiden laskujen laskemiseen, onkin avain todella nerokkaaseen ja kauniiseen teoriaan.

Tai ainakin yllätti. Niin pitkälti kuin minä tiedän, oppikirjoissa ei enää puhuta tästä kaverista. Pitkää matikkaa, kuten montaa muutakin ainetta, on viime vuosina kevennetty. Käsinlaskemista on korvattu ohjelmistojen käyttämisellä, joten tätäkään työkalua ei enää tarvita.

Kyse on siis osittaisintegroinnin kaavasta

\[ \int_a^b f(x)g'(x) \,\mathrm dx = \bigg/_{\hspace{-0.6em}a}^{\,b} f(x)g(x) - \int_a^b f'(x)g(x) \,\mathrm dx. \]

Siis mikä, ja miksi tästä on valtavasti iloa?

(Varoituksen sanana: tässä tekstissä pyöritellään integraaleja. Ensi kerralla taas helpompaa kamaa!)

Tuomiopäivän algoritmi

Viime kuukaudet ovat paikoin tuntuneet lopun ajoilta. Ilokseni voin kertoa, että tuomiopäiväkin on tiedossa: se on lauantai.

En kuitenkaan tarkoita mitään maallisen tai korkeamman oikeusasteen päätöspäivää, vaan John Conwayn näppärää algoritmia viikonpäivien laskemiseen. Sen avulla pystyy pienellä harjoittelulla sanomaan ihan tuosta vain, mikä päivä 30.11. sattuu olemaankaan (maanantai).

Jostain syystä en ollut opetellut temppua aiemmin, ja eiköhän tältä kielialueelta löydy vielä joku muukin toistaiseksi valistumaton. Eiköhän siis selvitetä, mistä on kyse.

Vähän kaikki on vektoria

Toissa kerralla löysimme kolme tapaa mitata vektorin pituus. Kaikille kolmelle löytyi käyttötarkoitus, mutta arkielämässä vain yhdestä on hyötyä. Viime kerralla taas huomasimme, että arkinen mitta on kolmikon ainoa, jonka kanssa voi puhua kulmista. Mutta miksi asialla on merkitystä? Minkä vuoksi olen esittänyt pituusmittoja tasavertaisina, ja minkä takia ollut niin innoissani kulmien määrittelystä?

Syy on siinä, että kaikki, jonka parissa työskentelen matemaatikkona, on vektoria.

Jos tulet mukaan vasta tässä kohtaa, suosittelen aloittamaan yllä mainituista osista. Mutta varoituksen sana: en kertonut totuutta ensimmäisessä osassa.

Kahden vektorin kulma

Viime kerralla havaitsimme, että pituuden voi laskea monella tapaa. Pisteestä pisteeseen voi kulkea linnuntietä tai taksilla, ja New Yorkin ruutukaavassa tulokset ovat erittäin erilaiset. Kahdesta erilaisesta pituusmitasta seuraa myös kaksi erilaista ympyrää, ja niistä vain toinen on pyöreä.

Kuitenkin arkielämässä on vain yksi tapa laskea pituus. Remonttihommissa ei hirveästi auta selitellä Manhattan-normia, kun huoneen kulmasta kulmaan pitäisi mitata palkki: ainoa tapa on sivu toiseen plus sivu toiseen ja neliöjuuri.

Jos kaikki pituuden määritelmät olivat muka yhtä päteviä, niin mikä sitten tekee Pythagoraan kaavasta niin ylivoimaisen?

Vektori ja sen pituus

Kuvassa on kolme ympyrää. Kuinka niin?

Kun minä olin nuori, vektorit jakoivat mielipiteitä. Tarkoitan siis, että lukiossa osa piti niistä ja osa ei päässyt jyvälle niiden logiikasta. Fysiikkaa lukeneet muistavat piirrelleensä mallikuviin nuolia ja siten päätelleensä mihin suuntaan laatikko/curlingkivi/veturi/jäätä pitkin liukuvan limupullon nappaava alieni (eikö teidän lukiossa?) liikkuu.

Yliopistomatikassa vektoreita käytetään ehkä yllättävän paljon ja tavoilla, joita ei heti ajattelisi. Meillä painopiste ei ole laatikon liikkeissä vaan ihan muissa jutuissa, joissa ei välttämättä näy pisaraakaan geometriaa. Tässä ja parissa seuraavassa tekstissä

• käymme läpi, mitä vektorit oikein ovat,
• kohtaamme kummallisia juttuja, kuten väitetyt kolme ympyrää, ja
• selvitämme, miksi matemaatikko haluaa nähdä vektoreita kaikessa, mikä ei liiku.