1/2012
http://solmu.math.helsinki.fi
Solmu 1/2012
ISSN-L 1458-8048
ISSN 1459-0395 (Painettu) ISSN 1458-8048 (Verkkolehti) Matematiikan ja tilastotieteen laitos PL 68 (Gustaf Hällströmin katu 2b) 00014 Helsingin yliopisto
http://solmu.math.helsinki.fi Päätoimittaja:
Markku Halmetoja, lehtori, Mäntän lukio Toimitussihteeri:
Juha Ruokolainen, FT, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Helsingin yliopisto Sähköposti:
toimitus@solmu.math.helsinki.fi Toimituskunta:
Pekka Alestalo, dosentti, Matematiikan ja systeemianalyysin laitos, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Heikki Apiola, dosentti, Matematiikan ja systeemianalyysin laitos, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Sirkka-Liisa Eriksson, professori, Matematiikan laitos, Tampereen teknillinen yliopisto
Aapo Halko, FT, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Helsingin yliopisto Ari Koistinen, FM, Metropolia Ammattikorkeakoulu
Mika Koskenoja, yliopistonlehtori, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Helsingin yliopisto Matti Lehtinen, dosentti, Helsingin yliopisto
Liisa Näveri, tutkijatohtori, Opettajankoulutuslaitos, Helsingin yliopisto
Marjatta Näätänen, dosentti, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Helsingin yliopisto
Antti Rasila, tutkija, Matematiikan ja systeemianalyysin laitos, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Hilkka Taavitsainen, lehtori, Ressun lukio
Graafinen avustaja:
Marjaana Beddard
Yliopistojen ja korkeakoulujen yhteyshenkilöt:
Virpi Kauko, FT, matemaatikko, virpi@kauko.org, Jyväskylä Jorma K. Mattila, professori, jorma.mattila@lut.fi
Sovelletun matematiikan laitos, Lappeenrannan teknillinen yliopisto Jorma Merikoski, dosentti, jorma.merikoski@uta.fi
Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Tampereen yliopisto Petri Rosendahl, assistentti, petri.rosendahl@utu.fi
Matematiikan laitos, Turun yliopisto
Matti Nuortio, tutkijatohtori, matti.nuortio@oulu.fi Matemaattisten tieteiden laitos, Oulun yliopisto
Timo Tossavainen, yliopistonlehtori, timo.tossavainen@uef.fi
Soveltavan kasvatustieteen ja opettajankoulutuksen osasto, Itä-Suomen yliopisto Numeroon 2/2012 tarkoitetut kirjoitukset pyydämme lähettämään 10.4.2012 mennessä.
Kiitämme taloudellisesta tuesta Jenny ja Antti Wihurin rahastoa.
Huom! Solmun paperiversio postitetaan vain niihin kouluihin, jotka ovat sitä erikseen pyytäneet. Toivomme, että lehteä kopioidaan kouluissa kaikille halukkaille.
Sisällys
Pääkirjoitus: Uuden päätoimittajan mietteitä (Markku Halmetoja) . . . . 4
Baltian Tie 2011 -joukkuematematiikkakilpailu Greifswaldissa Saksassa (Joni Teräväinen) . . . 6
Lukion trigonometriaa (Markku Halmetoja) . . . . 8
Lukion matematiikkakilpailun avoimen sarjan alkukierroksen tiimoilta (Matti Lehtinen) . . . . 12
Solmun Matematiikkadiplomit (Marjatta Näätänen) . . . . 16
Matematiikka kiehtoo taas (Matti Lehtinen) . . . . 19
Wolfram|Alphasta, parametriesityksistä ja hiukan muustakin (Ari Koistinen) . . . . 21
Pelitehtäviä (Tuomas Korppi) . . . . 24
Olisiko ammattini matemaatikko? (Matti Lehtinen) . . . . 29
Tuomaksen tehtäviä (Tuomas Korppi) . . . . 31
Uuden päätoimittajan mietteitä
Päätoimittaja vaihtuu
Solmun päätoimittaja vaihtuu. Matti Lehtinen jat- kaa onneksemme Solmun toimituskunnassa, mutta on kuusivuotisen päätoimittajakautensa jälkeen oikeutet- tu hieman vapaamuotoisempaan toimintaan matema- tiikan tunnetuksi tekemisessä. Lukijoiden, toimitus- kunnan ja omasta puolestani kiitän Mattia hänen an- siokkaasta ja uhrautuneesta työstään Solmun hyväk- si. Hänen kymmenet kirjoituksensa ovat osaltaan te- kemässä Solmusta tavanomaista oppilaslehteä suurem- man: Solmusta on muodostunut todellinen kouluma- tematiikan tietopankki, jonka nettisivulta löytyy kaik- ki mahdollinen alakoulun diplomitehtävistä matematii- kan olympiavalmennukseen.
Lehden linja jatkuu entisenä. Päätavoitteena on lisätä matematiikan harrastusta lukiolaisten ja peruskoulu- laisten keskuudessa. Tulemme siis julkaisemaan kirjoi- tuksia, joissa mahdollisimman ymmärrettävällä tasolla laajennetaan koulussa opittua matematiikan oppimää- rää ja annetaan siihen uusia näkökulmia. Julkaisem- me myös matematiikkaa popularisoivia kirjoituksia, sil- lä koululaisten on hyödyllistä tuntea matematiikan so- velluksia. Koulussahan niihin ei juurikaan päästä, sillä siellä ollaan vasta ottamassa ensiaskelia sillä tiellä, joka myöhemmin johtaa todellisiin sovelluksiin.
Lehti julkaisee myös matematiikan asemaa koululaitok- sessa ja yhteiskunnassa ruotivia poleemisia kirjoituksia, koska tällaisten tekstien julkaisukanavat ovat muuten olemattomat. Varsinkin pääkirjoituksissa tullaan aktii-
visesti puuttumaan ajankohtaisiin koulupoliittisiin il- miöihin matematiikan osalta.
Solmun tekeminen on pääosin talkootyötä, johon alati on voimassa avoin kutsu kaikille matematiikkaa har- rastaville. Kirjoituksia ja lehden tunnetuksi tekemistä tarvitaan. Toivomme, että opettajat huolehtivat sen ja- kamisesta ainakin matematiikasta kiinnostuneille oppi- laille. Tällaiset oppilaat voisivat muodostaa kouluunsa Solmu-työryhmän, joka seuraisi aktiivisesti lehden net- tisivua ja facebook-ryhmää, mainostaisi lehteä vaikka- pa Solmun sivulta saatavaa julistetta levittämällä ja ottaisi vastuulleen lehden jakelun. Luonnollisesti myös oppilaiden kirjoitukset ovat tervetulleita.
Ajankohtaista koulukeskustelua
Sanotaan, että tulevaisuutta on vaikeaa nähdä, sillä se on visioiden peitossa. Toisaalta, ovelasti laaditut visiot muuttuvat helposti yleisesti hyväksytyiksi tavoitteik- si, joihin sitten pyritään tarkemmin ajattelematta. En- nusteet alkavat toteuttaa itseään samalla tavalla kuin jotkut omaksuvat persoonallisuuteensa piirteitä horos- kooppikirjoja lukemalla.
Opetushallitus on visioinut lukion tulevaisuutta laa- dittamalla osoitteesta [1] löytyvän ”Oppimisen tulevai- suus 2030-barometrin”. Sitä on työstänyt Otavan Opis- ton Osuuskunta, Demos Helsinki ja Turun yliopiston Tulevaisuuden tutkimuskeskus. Barometri on tehty ns.
Delfoi-menetelmällä. Jonkinlaisen viitekehyksen poh-
Pääkirjoitus
jalta on esitetty väittämiä lukiokoulutuksen tulevai- suudesta. Niitä pohtii joukko asiantuntijoita, joista on muodostettu pääpaneeli ja haastajapaneeli. Pääpaneeli koostuu koulumaailmassa ja elinkeinoelämässä toimi- vista henkilöistä. Haastajapaneeliin oli kutsuttu perus- koulun ja lukion kehittäjähenkilöitä eri puolilta maata.
Haastajapaneeli pyrkii kyseenalaistamaan pääpaneeli- laisten kantoja. Eräistä väittämistä saavutetaan yksi- mielisyys, eräät jäävät rakentavan keskustelun alaisiksi ja jotkin väittämät muuttuvat ratkaisemattomiksi kiis- takysymyksiksi.
Tavoitteena on ollut löytää mahdollisimman paljon erilaisia mahdollisuuksien rajoissa olevia tulevaisuuk- sia. Niille on kehitetty englanninkielinen nimitys ”fu- turibles”. Termille ei vielä ole suomenkielistä vastinet- ta, joten tähän ilmaisuun tullaan vastaisuudessa tör- määmään opetushallituksen julkaisuissa ja koulutuk- sissa. Mahdollisia tulevaisuuden kehityskulkuja on löy- detty, niitä on ruodittu ja niiden toteutumistodennä- köisyyksiä on arvioitu. Hämmästystä herättää kuiten- kin se, että matematiikka on mainittu tekstissä vain muutaman kerran, ja silloinkin lähinnä sivulauseissa.
Siitä käytetään myös halventavaa ilmaisua ”välineai- ne”. Matematiikka on kuitenkin itsenäinen tiede ja se on perustana kaikessa kvantitatiivisessa tutkimuksessa sekä luonnon- että yhteiskuntatieteissä. Siksi baromet- rin yksi keskeisistä kysymyksistä olisi pitänyt olla ma- tematiikan aseman laadullinen kehittäminen kouluope- tuksessa. Aiheutuuhan moni opintojen keskeytyminen ja viivästyminen koulussa saadusta heikosta matema- tiikan pohjasta.
Mielenkiintoista on, mitä asioita tulevaan kehitykseen vaikuttamaan pyrkivät tahot nostavat esiin tästä 130 sivua käsittävästä opuksesta. Tässä mielessä baromet- ri toimii kuten klassinen mustetahratesti psykologias- sa. LUMA-keskus [2] nostaa päällimmäiseksi väitteen, jonka mukaan lukio muuttuu yleissivistävästä oppilai- toksesta soveltavaksi. Ounastellaan, että lukiossa tul- laan yhä enemmän keskittymään kansallisten ja glo- baalien ongelmien pohtimiseen ja että yleissivistys saa- daan sosiaalisen median kautta. Naamakirjasivistyksen turvin lähdetään sitten ratkomaan ihmiskuntaa koske- via vakavia ongelmia! Tällaisen näkemyksen omaavan henkilön yleissivistys ilmeisesti on juuri naamakirjasta peräisin. Tietämäni mukaan ainakin osa siellä esiinty- vistä aktiviteeteista on kylähullujen yllyttämistä type-
ryyksiin kuten viikkokausien istuskeluun kaivinkoneen ohjaamossa, osa taas on virtuaalisten hevostallien ra- kentelua ja sitä, että heitetään kaveria lehmällä. Yleis- sivistyksen asema tulevaisuuden koulussa jääkin baro- metrissa lopulta ratkaisemattomien kiistakysymysten joukkoon.
Mikä sitten hyvien käytöstapojen lisäksi on todellis- ta yleissivistystä, jota osa panelisteistakin edellyttää yhä peruskoulussa ja lukiossa opittaviksi? On osatta- va ilmaista itseään suullisesti ja kirjallisesti. Klassises- ta maailmankirjallisuudesta suodattuu elämänkokemus ja viisaus. Historiaan perehtyminen antaa perspektiiviä nykypäivän ongelmiin. Luonnon lainalaisuudet on tun- nettava, koska ne eivät ole ihmisen säädettävissä vaan niihin on mukauduttava. Lähes jokaisella lienee tarve ilmaista itseään jossakin määrin taiteen keinoin. Kieliä on osattava. Yleissivistykseen kuuluu myös algebran ja geometrian alkeet siinä mielessä, kuin ne koulumate- matiikassa ymmärretään. Kaikki mainittu vaatii hen- kilökohtaista paneutumista. Koulun tehtävänä on var- mistaa oppilaalle nämä taidot, joita ilman ei voi raken- taa tulevaisuuttaan ja ihmissuhteitaan. Tämän ajatto- man sivistyksen lisäksi on aikaan sidottua yleissivistys- tä, kuten erilaisten digitaalisten laitteiden käyttöliitty- mien hallinta. Se näyttää sujuvan koulusta riippumat- ta, sillä koulujen laitteistot ovat aina ajastaan jäljessä.
Barometrissa ei siis matematiikasta puhuta paljoakaan ja LUMA-keskus ohittaa sen kokonaan. Sen sijaan pu- hutaan ”ongelmanratkaisutaidosta”. Onko tämä tulkit- tava niin, että ainakin osa kouluasioista vastaavista päättäjistä ja vaikuttajista on vakavissaan pyrkimässä oppiainerajojen hävittämiseen? Ollaanko koulumate- matiikkaa lopullisesti vesittämässä joksikin ongelman- ratkaisuopiksi? Onko nimimerkki Negatiivin keväällä 2011 LUMA-sanomissa esittämä ajatus lukion pitkän ja lyhyen matematiikan yhdistämisestä edelleen hen- gissä jossakin kouluhallinnon byrokratian syövereissä?
Viitteet
[1] http://www.oph.fi/download/137072_Lukion_
tulevaisuus_2030.pdf
[2] http://www.luma.fi/artikkelit/942/
miltae-naeyttaeae-lukion-tulevaisuus
Markku Halmetoja
Pääkirjoitus
Baltian Tie 2011 -joukkuematematiikkakilpailu Greifswaldissa Saksassa
Joni Teräväinen
Helsingin matematiikkalukio
Torstaina 3.11. viisi matemaattisesti lahjakasta lukio- laista Otte Heinävaara, Markus Pajarre, Joni Teräväi- nen, Felix Vaura ja Jiali Yan sekä joukkueenjohtajat Kerkko Luosto ja Matti Lehtinen kohtasivat Helsinki- Vantaan lentokentällä, kun oli aika lähteä vuotuiseen Baltian tie -joukkuematematiikkakilpailuun, joka jär- jestettiin tällä kertaa Greifswaldissa Itämeren rannalla Pohjois-Saksassa. Berliinin Tegelin lentokentältä mat- kustettiin bussilla ja junalla kilpailukaupunkiin, jossa oppaat olivat joukkuetta vastassa. Hotellissa vastaan- otto oli erittäin positiivinen, sillä saimme heti järjestä- jiltä tyylikkäät paidat ja laukut kilpailun neliöjuuri pii -logolla varustettuina. Ruoka oli myös hyvää.
Ensimmäisenä iltana me kilpailijat laskimme pari kil- pailutehtävää ja menimme sen jälkeen nukkumaan pit- kästä matkasta väsyneinä. Toisena päivänä johtajillam- me oli ohjelmassa tehtävien valitsemista ja kääntämis- tä, kilpailijoilla puolestaan bussiretki, jonka aikana kä- vimme muun muassa neuvostoliittolaisessa sukellusve- neessä, tiedekeskuksessa, jossa oli hieno lasershow, ja Greifswaldin ydinvoimalassa, joka oli Itä-Saksan suu- rin ydinvoimala mutta lakkautettiin pian Saksojen yh- distymisen jälkeen. Pääsimme käymään sisällä yhdes- sä reaktoreista, jota ei oltu koskaan otettu käyttöön.
Siellä pääsimme tutustumaan ydinvoimalan toiminta- periaatteeseen ja jopa kurkistamaan sisään itse ydin- reaktoriin. Hotellilla oli jälleen illallinen, jonka jäl- keen keilasimme puolalaisia vastaan. He taisivat voit-
taa, mutta vain niukasti. Sen jälkeen joukkueemme me- ni nukkumaan, sillä seuraavana aamuna oli itse kilpailu Greifswaldin Humboldt-Gymnasiumissa.
Suomen joukkue luottavaisena ennen kilpailun alkua.
Vasemmalta Joni Teräväinen, Markus Pajarre, Jiali Yan, Otte Heinävara ja Felix Vaura.
Kilpailuaamuna päätin katsoa erään vanhan kansain- välisten matematiikkaolympialaisten funktionaaliyhtä- lötehtävän ratkaisun, jottei tehtävä jäisi vaivaamaan minua kilpailussa. Yllättäen pääsin käyttämään rat- kaisun ideaa eräässä Baltian tien tehtävistä; ellen olisi katsonut ideaa, olisimme todennäköisesti saaneet vä- hemmän arvokkaita pisteitä. Joukkueemme oli tasa- painoinen ja teki hyvin yhteistyötä. Kuitenkin tuntuu,
että mukana oli myös hieman onnea. Edellä maini- tun onnekkaan sattuman lisäksi yksi kombinatoriikan tehtävä ratkesi viime minuuteilla yhteistyöllä, ja vii- me hetkellä hutiloidusta algebran tehtävästä irtosi piste vastoin odotuksia. Kilpailun jälkeen kuitenkin suhtau- duimme varovaisesti mahdolliseen menestykseen. Söim- me Humboldt-lukiossa, minkä jälkeen meidät vietiin Greifswaldin kauniin keskiaikaisen vanhankaupungin opastuskierrokselle. Tämän jälkeen vierailimme Pom- mersches Landesmuseumissa, jossa oli näytillä niin tai- detta kuin luonnontiedettä, mutta tässä vaiheessa mo- net kilpailijat olivat jo väsyneitä neljä ja puolituntisen kilpailu-urakan jäljiltä. Tämän jälkeen söimme kau- pungilla, ja Saksassa hyvin suosittu döner kebab antoi joukkueellemme lisää energiaa. Kyseessä ei ollut ainoa kerta, kun söimme kyseistä kebabia, ja se onkin Saksas- sa yksi suosituimmista pikaruuista. Syömisen jälkeen kilpailijat vietiin elokuviin katsomaan matematiikka- aiheeseen sopivaa elokuvaa ”21”, joka on fiktiivinen ta- rina opiskelijoista, jotka tienaavat omaisuuden Las Ve- gasissa laskemalla kortteja blackjackissä.
Joukkueen johtaja Kerkko Luosto ihailee vastauksia.
Neljäntenä päivänä ohjelmassa oli vierailu Max Planc- kin plasmafysiikkainstituuttiin, jossa kuuntelimme luentoa fuusioenergiasta ja näimme oikean fuusioreak- torin, ja olimme itse asiassa viimeinen ryhmä, joka nä- ki sen sisään, ennen kuin reaktorin viisikulmion muo- toiselta torukselta näyttävä ulkokuori hitsattaisiin um- peen. Iltapäivällä menimme Greifswaldin yliopistoon,
jossa Baltian tien tulokset julistettiin. Varovaisesti toi- voimme ennen palkintojenjakoa vain saavamme parem- man tuloksen kuin viime vuonna, jolloin Suomi oli toi- seksi viimeinen. Olimme kuitenkin kuudensia, keskim- mäisiä yhdestätoista osallistujajoukkueesta. Mikä hie- nointa, voitimme kaikki osallistuneet naapurimaamme Viron, Norjan ja Ruotsin. Voitto Ruotsista kahdella pisteellä tuntui hyvältä, sillä kansainvälisissä matema- tiikkaolympialaisissa hävisimme viimeksi ruotsalaisil- le, nyt oli meidän vuoromme voittaa heidät. Kilpailun voitti Puola, kakkosena oli hieman yllättäen Latvia ja kolmas oli Saksa. Kilpailussa tämän vuoden vierailija- maa Etelä-Afrikka jäi viimeiseksi. Mikäli numerosym- boliikkaan on uskomista, sijoituksemme lupaa jatkos- sakin hyvää menestystä. Saimme nimittäin alkuluku- vuonna 2011 täsmälleen puolet pisteistä, ja sijoituk- semme oli täydellinen luku 6.
Viittä vaille valmis Wendelstein 7 -fuusioraktori.
Viimeisenä päivänä lähdimme Greifswaldista aamulla, ja junamatka Berliiniin kului Ruotsin kansallisen kil- pailun tehtävät ratkaistessa. Kotimatka sujui hyvin, ja Helsinki-Vantaalta lähdimme omille teillemme. Kaikil- la oli varmasti mukavaa ja paljon mielenkiintoista ker- rottavaa kotiin päästyään.
Vuoden 2011 Baltian Tie -kilpailun tehtävät löytyvät osoitteesta
http://www.balticway-2011.de/wp-content/
uploads/2011/11/BW_alle_sprachen.pdf.
Verkko-Solmussa on ilmestynyt lukuteorian diplomitehtävät
http://solmu.math.helsinki.fi/2008/diplomi/diplomi_lukuteoria.pdf
Lukion trigonometriaa
Markku Halmetoja Mäntän lukio
Lukiossa opiskeltava trigonometrian oppimäärä on vii- meisimpien opetussuunnitelmauudistusten myötä näi- vettynyt kaavakokoelman selailuksi. Eräässä nettikes- kustelussa muuan lukion opettaja totesi jopa: ”Sinin ja kosinin yhteen- ja vähennyslaskukaavat kuuluvat sii- hen alueeseen, jota minä opettajana en viitsi pitää ak- tiivisessa käyttömuistissa.” Tulevaisuudessa artikkelin [2] edustama trigonometrian osaaminen saattaakin ol- la poikkeuksellista maamme koululaitoksessa.
Nykyinen opetussuunnitelma mainitsee trigonometrian osalta tärkeimmiksi opittaviksi asioiksi kosinin ja sinin neliöiden summan ja sen, että tangentti on sinin ja ko- sinin suhde. Nämä asiat voitaisiin helposti todistaa te- räville kulmille jo peruskoulussa, eivätkä ne niinmuo- doin tärkeydestään huolimatta sovi lukion trigonomet- rian kurssin keskeisiksi sisällöiksi. Niiden ja ulkolukuna opittujen derivoimiskaavojen hallitseminen ei anna riit- tävää pohjaa jatko-opintoihin. Korkeakouluissa joudu- taankin useimmiten aloittamaan trigonometrian opis- kelu aivan alkeista, mikä hidastaa varsinaisiin opintoi- hin pääsemistä. Se on tavallaan looginen seuraus siitä, että lukioissa joudutaan nyt opiskelemaan uusina asioi- na peruskoulun entisen laajan tasokurssin sisältö. Tätä taustaa vasten yllä oleva sitaatti kaikessa järkyttävyy- dessään on jotenkin ymmärrettävä. Vallalla oleva kou- lupolitiikka on johtanut siihen, että koulussa opittavan matematiikan määrä ja laatu ovat käänteisessä suhtees- sa yhteiskunnassa sovellettavan tekniikan määrään ja monimuotoisuuteen. Kauemmin jatkuessaan tämä ti- lanne johtaa mitä ilmeisemmin asiantuntijapulaan ja
joidenkin korkeaan teknologiaan perustuvien järjestel- mien romahtamiseen. Uusia rakennuksia sortuu tuuli- ja lumitaakkojen alle jo nyt.
Itsenäiseen opiskeluun kykenevä matematiikasta kiin- nostunut lukiolainen, jota jatkossa kutsutaan aktiivi- seksi lukijaksi, voi Solmun artikkeleita tutkimalla osal- taan korjata tilannetta tai ainakin varmistaa oman jatko-opintokelpoisuutensa. Tämän kirjoituksen myö- tä hän osallistuu kosinin ja sinin yhteenlaskukaavo- jentodistamiseenja oppii johtamaan niiden avulla tär- keimmät koulumatematiikassa esiintyvät trigonomet- risten funktioiden ominaisuudet. Pohjatiedoiksi tarvi- taan vektoriopin alkeet, kosinin ja sinin määritelmä yk- sikköympyrän avulla sekä näiden funktioiden parilli- suus ja parittomuus. Käsittelytapa on useimmille aloil- le riittävä. Tulevat matematiikan pääaineopiskelijat pe- rehtyvät trigonometrisiin funktioihin täsmällisemmin, kun ne määritellään kompleksitasolla päättymättömi- nä summina, ks. [1]. Se ei kuitenkaan muuta miksikään niitä käytäntöjä ja laskurutiineja, jotka opitaan tämän esityksen perusteella. Samat faktat vain todistuvat eri tavalla, joskin kompleksitasolla näille funktioille avau- tuu eräitä koulumatematiikalle tavoittamattomissa ole- via ominaisuuksia.
Yhteen- ja vähennyslaskukaavat
Trigonometristen funktioiden käsittely tulisi perusmää- ritelmien jälkeen aloittaa kosinin ja sinin yhteenlas-
kukaavojen johtamisella. Seuraava yksinkertainen esi- tys on vanhasta lukion oppikirjasta [4]. Olympiaval- mennussivuilla [5] voi tutustua perinteisempään tapaan johtaa nämä kaavat.
Määritellään nollavektorista eroaville vektoreille ku- vion 1 osoittama suunnatun kulmanαsuuruinen kierto a7→Rα(a) vektorin alkupisteen ympäri.
a Rα(a) α
Kuvio 1.
Sovitaan erikseen, että Rα(0) =0.
Suunnikkaan sivut ja lävistäjä kiertyvät yhtä paljon,
O A
B C
A′
B′ C′
Kuvio 2.
joten vektorien summa kiertyy termeittäin. Siis Rα(a+b) = Rα(a) + Rα(b).
Vektorin kierron ja venytyksen järjestys voidaan vaih- taa,
a Rα(a)
α
ta
tRα(a) =Rα(ta)
Kuvio 3.
eli jost∈R, niin
Rα(ta) =tRα(a).
Aktiivinen lukija voi piirtää negatiivistat:n arvoa vas- taavan kuvion.
On ilmeistä, että kaksi peräkkäin suoritettua kiertoa voidaan yhdistää laskemalla kulmat yhteen ja että pe- räkkäisten kiertojen järjestys voidaan vaihtaa. Siis
Rα Rβ(a)
= Rα+β(a) = Rβ+α(a) = Rβ Rα(a) .
Lisäksi on selvää, että
Rπ/2(i) =j ja Rπ/2(j) =−i.
Suoritetaan seuraavaksi kulman α suuruinen kierto kantavektoreille i ja j. Kosinin ja sinin määritelmien mukaan
Rα(i) = cosαi+ sinαj, ja edellä todettuja laskusääntöjä soveltaen
Rα(j) = Rα Rπ/2(i)
= Rπ/2 Rα(i)
= Rπ/2 cosαi+ sinαj
= cosαRπ/2(i) + sinαRπ/2(j)
= cosαj−sinαi.
Kierretyt kantavektorit ovat siis Rα(i) = cosαi+ sinαj
Rα(j) = cosαj−sinαi.
Yhtälöstä
Rα+β(i) = Rβ Rα(i)
saadaan nyt helposti (aktiivinen lukija suorittaa yksi- tyiskohdat) yhteenlaskukaavat
cos (α+β) = cosαcosβ−sinαsinβ sin (α+β) = sinαcosβ+ cosαsinβ,
ja niistä edelleen kosinin parillisuutta ja sinin paritto- muutta soveltaen vähennyslaskukaavat
cos (α−β) = cosαcosβ+ sinαsinβ sin (α−β) = sinαcosβ−cosαsinβ.
On käsittämätöntä, että opetussuunnitelmista vastaa- vat henkilöt ovat ”unohtaneet” näin hienon ja keski- määräiselle pitkän matematiikan opiskelijalle helpos- ti avautuvan tavan perustella nämä tärkeät kaavat.
MAOLkin kannattaa ulkolukua ja kaavakokoelmasta lunttaamista vastauksessaan ns. π:n päivän kirjeeseen:
”Oikean, ongelman ratkaisemisessa tarvittavan tiedon etsiminen laajasta tietokokoelmasta on hyödyllinen tai- to, joka on syytä oppia lukiossa.” (Ks. [6] ja [7].) Ei- kö kuitenkin olisi hyödyllisempää oppiaymmärtämään matematiikkaa perusteista lähtevien ja loogisesti ete- nevien esitysten kautta?
Aktiivinen lukija pystyy nyt johtamaan lähes kaikki keltaisen kirjan trigonometrian kaavat. Melkein vitsinä voi esimerkiksi todeta, että kosinin vähennyslaskukaa- vasta seuraa
cos2α+ sin2α= cos (α−α) = cos 0 = 1.
Ainakin kaksinkertaisen kulman kosini ja sini sekä komplementti- ja suplementtikulmien kosinit ja sinit
kannattaa katsoa välittömästi, sillä joitakin niistä käy- tetään seuraavissa esimerkeissä ilman erillista mainin- taa. Myös tangentin yhteen- ja vähennyslaskukaava on hyvä selvittää itselleen, sillä viimeksi mainittuun pe- rustuu mm. kahden suoran välisen kulman laskeminen analyyttisen geometrian kurssilla. Sanomattakin on sel- vää, että tätä laskutapaa ei mitenkään voi perustella tuolla kurssilla.
Esimerkkejä
Seuraavia tehtäviä voisi epäilemättä ratkaista symbo- liseen laskemiseen kykenevällä laskimella, mutta tuol- loin suoritukseen saattaisi jäädä kohtia, joita ratkaisija ei ymmärrä. Laskin toimisi siinä tapauksessa kuten tii- betiläinen rukousmylly: sitä vain pyöritetään ja rukous kieppuu korkeuksiin ilman, että pyörittäjällä on selvää käsitystä sen sisällöstä. Oppimisen kannalta on siis pa- rempi johtaa itse tarvittavat välitulokset.
Esim. 1Määritettävä funktionf(x) = sinxsin (a+x) suurin ja pienin arvo.
Ratk. Ensimmäiseksi ehkä tulee mieleen sinin yh- teenlaskukaavan soveltaminen jälkimmäiseen tekijään, mutta se johtaisi ilmeisesti alkuperäistä hankalampaan ongelmaan. Hieman parempi ajatus on laskea funktion derivaatta
f′(x) = cosxsin (a+x) + sinxcos (a+x)
= sin (a+ 2x),
ja ratkaista tehtävä normaalina ääriarvotehtävänä. De- rivaattaa ei kuitenkaan tarvita, jos huomaa, että kah- den sinin tulo saadaan kosinin vähennys- ja yhteenlas- kukaavoista:
cos (α−β)−cos (α+β) = 2 sinαsinβ.
Sijoittamalla tähänα=a+xjaβ=xsaadaan f(x) =12 cosa−cos (a+ 2x)
,
mistä tulos jo näkyykin.
Esim. 2 Osoitettava, että säännöllisen 7-kulmion si- vuns ja eripituisten lävistäjien a ja b välillä vallitsee yhtälö
1 a+1
b = 1 s.
Ratk.Tämän 70-luvun ylioppilastehtävän trigonomet- rinen ratkaisu on suoraviivainen sinilauseen sovellus, jonka yksityiskohdissa tosin tarvitaan tiettyä näppä- ryyttä. Sijoittamalla 7-kulmio ympyrän sisään nähdään kehäkulmia
s
a
b α
2α 4α
Kuvio 4.
vastaavien kaarien avulla, että sivu ja lävistäjät muo- dostavat kolmion, jonka kulmat ovatα, 2αja 4α. Sini- lauseen avulla saadaan
sin 2α
a = sinα
s ja sin 4α
b = sinα s , josta edelleen
1 a+1
b = 1 s
sinα
sin 2α+ sinα sin 4α
.
Oikealla oleva sulkulauseke on siis osoitettava ykkösek- si ehdolla 7α=π. Kirjoitetaan se aluksi muotoon
sinα(sin 4α+ sin 2α) sin 2αsin 4α .
Tämä ilmeisesti yksinkertaistuu, jos onnistutaan laske- maan osoittajassa oleva sinien summa. Tarvittava apu- tulos saadaan sinifunktion yhteen- ja vähennyslasku- kaavoista:
sin (x+y) + sin (x−y) = 2 sinxcosy.
Yhtälöparista
x+y= 4α x−y= 2α seuraax= 3αjay=α, joten
sin 4α+ sin 2α= 2 sin 3αcosα.
Niinpä
sinα(sin 4α+ sin 2α)
sin 2αsin 4α = 2 sinαcosαsin 3α sin 2αsin 4α
= sin 2αsin 3α sin 2αsin 4α
= sin 3α sin 4α
= sin (π−4α)
sin 4α =sin 4α sin 4α= 1, ja väite on todistettu.
Seuraavassa vielä muutama harjoitus aktiivisen lukijan mietittäväksi.
1. Osoita, että sin (x+y) sin (x−y) = sin2x−sin2y.
2. Määritä funktionf(x) =acosx+bsinxsuurin ja pienin arvo.
3. Osoita, että jos tanx∈Q, niin myös cos 2x∈Qja sin 2x∈Q.
Jännenelikulmiosta
Edellisen kappaleen harjoituksista selviytyneen aktii- visen lukijan kannattaa myös perehtyä jo mainittuun olympiavalmennussivustolla olevaan järeään trigono- metriapakettiin [5]. Katsotaan lopuksi sieltä eräs jänne- nelikulmion ominaisuus. Tällaisen nelikulmion vastak- kaiset kulmat ovat toistensa suplementtikulmia, joten niiden kosinit ovat toistensa vastalukuja. Siksi kosini- lauseen avulla on mahdollista löytää sivujen ja lävistä- jien välisiä yhtälöitä, joissa kulmat eivät ole eksplisiit- tisesti mukana. Asetetaan tehtäväksi löytää mahdolli- simman yksinkertainen tällainen yhtälö.
Olkoot jännenelikulmion sivuta,b,c jadsekä lävistä- jätejaf.
b
c
d e a
f α
Kuvio 5.
Kosinilause antaae:n neliölle yhtälöt e2=a2+b2−2abcosα
e2=c2+d2+ 2cdcosα, joista kosinitermin eliminoimisella saadaan
e2(ab+cd) =a2cd+b2cd+c2ab+d2ab
= (a2cd+d2ab) + (c2ab+b2cd)
=ad(ac+bd) +bc(ac+bd)
= (ad+bc)(ac+bd).
Siis
e2= (ad+bc)(ac+bd) (ab+cd) .
Toisen lävistäjän neliö löytyy mukavimmin näkökul- maa muuttamalla: sijoittamalla edelliseen a→b, b→ c,c→d,d→ajae→f, saadaan
f2= (ab+cd)(ac+bd) (ad+bc) . Niinpä
e2f2= (ac+bd)2, eli
ef =ac+bd.
Tämä kaunis tulos on keksijänsä mukaan nimettyPto- lemaioksen1 lauseeksi:
Jännenelikulmion lävistäjien tulo on vastakkaisten si- vujen tulojen summa.
Lauseen perinteinen, ehkä jopa alkuperäinen, todistus löytyy teoksessa [3]. Aktiivinen lukija miettinee, voisiko Ptolemaioksen lauseen avulla ratkaista edellä esitetyn 7-kulmio-ongelman yksinkertaisemmin!
Viitteet
[1] Pekka Alestalo,Trigonometriset funktiot,
http://solmu.math.helsinki.fi/2005/1/alestalo.pdf [2] Juhani Fiskaali,Heronin ja Brahmaguptan kaavois-
ta,
http://solmu.math.helsinki.fi/2011/2/heron.pdf [3] Matti Lehtinen, Jorma Merikoski, Timo Tossavai-
nen, Johdatus tasogeometriaan, WSOY 2007.
[4] Yngve Lehtosaari, Jarkko Leino, Pekka Norlamo, Laaja matematiikka 2, kurssit 5–8, Kirjayhtymä 1983.
[5] http://solmu.math.helsinki.fi/olympia/
kirjallisuus/trig.pdf
[6] http://solmu.math.helsinki.fi/2011/maol.pdf [7] http://solmu.math.helsinki.fi/2011/
MAOLvastaus.pdf
1Klaudios Ptolemaios, (n.85–n.165), kreikkalainen astronomi.
Lukion matematiikkakilpailun avoimen sarjan alkukierroksen tiimoilta
Matti Lehtinen Helsingin yliopisto
Matemaattisten Aineiden Opettajien Liitto MAOL jär- jestää vuosittain matematiikkakilpailun lukiolaisille.
Kilpailussa on kolme sarjaa ja kaksi kierrosta. Sarja- jako perustui alkuaan siihen, millä luokalla kilpailija opiskeli ja mitä hänen näin ollen voitiin olettaa osaa- van, mutta luokattoman lukion myötä sarjajako perus- tuu vain oppilaan ikään. Kilpailun perus- ja välisar- joissa on yläikäraja, mutta avoimeen sarjaan voi osal- listua kuka hyvänsä lukiolainen. Käytännössä suurin osa avoimen sarjan osallistujista on ainakin kolmannel- la lukiovuodellaan. Asia ei tietysti ole aivan yksioikoi- nen, mutta voi karkeasti odottaa, että kilpailun osal- listujat edustaisivat suunnilleen ikäluokkansa parhai- ta matematiikan osaajia. Vastauksista saisi siis jonkin- laista läpileikkausta runsaan 11 vuoden matematiikan opiskelujen mahdollisesta hyvästä tuotoksesta.
Kilpailun ensimmäinen kierros käydään kouluissa.
MAOL lähettää kilpailutehtävät kaikkiin kouluihin, ja kilpailun järjestäminen on siten yleensä matematiikan- opettajien vastuulla. Vastaukset palautetaan kilpailu- toimikunnalle arvostelemattomina, ja kaikkien osallis- tujien vastaukset toivotaan palautettavan.
Vuonna 2011 alkukilpailu pidettiin 1. marraskuuta.
Kilpailutoimikunta sai avoimen sarjan vastauksia kaik- kiaan 121 lukiosta. Tämä on noin 35 % Suomen lukiois- ta. Loput 65 % ovat pitäneet kilpailun järjestämistä tarpeettomana, koulun aikatauluihin sopimattomana tai sitten ovat järjestäneet kilpailun, mutta katsoneet
paremmaksi olla lähettämättä suorituksia kilpailutoi- mikunnalle. Kilpailuvastauksia saapui yhteensä 546 eli keskimäärin 4,5 lukiota kohden. Joissakin lukioissa kil- pailukoe oli selvästi järjestetty koko pitkän matematii- kan opiskeluryhmälle. Tällaisista kouluista saapui pal- jon melko vähän asiaa sisältäviä vastauspapereita. Jois- takin lukioista vastauksia tuli vain yksi tai pari.
Tehtävät arvosteltiin samalla asteikolla, maksimissaan kuusi pistettä joka tehtävästä, joten maksimipistemää- räksi tuli 24. Kokonaisuudessaan pistejakauma ei ollut kovin normaalijakauman mukainen: keskiarvo oli noin 5,5, ja aivan ilman pisteitä jäi 111 kilpailijaa. Parhaa- seen neljännekseen sijoittuivat ainakin 9 pistettä saa- neet.
Mitä kilpailutoimikunnan saamat vastaukset kerto- vat suomalaisten abiturienttien osaamisesta? Katso- taan tehtävä tehtävältä.
Tehtävä 1
Kilpailun ensimmäinen tehtävä oli, niin kuin odottaa sopikin, helpoin. Tehtävässä oli oheinen kuvio ja teks- ti: Kuviossa ison ympyrän säde on 6, pienet ympyrät ovat samankokoisia ja sisin sekä uloin ympyrä sivua- vat muita ympyröitä. Määritä kuvion varjostetun osan
ala.Tehtävää voi kritisoida: kaikki informaatio ei sisäl- ly tekstiin, vaan osa on arvattava kuvasta. Kuvan mu- kaan kukin kuudesta pienestä ympyrästä sivuaa paitsi sisintä ja ulointa ympyrää, myös viereisiä ympyröitä.
Tehtävän teksti sallisi sellaisenkin tilanteen, jossa jot- kin kuudesta pienestä ympyrästä leikkaisivat toisiaan.
Myöskään sitä, että sisimmän pienen ympyrän keski- piste yhtyy uloimman ympyrän keskipisteeseen, ei teh- tävässä ilmoiteta; kun sisimmän ja uloimman ympyrän välissä on vähintään kaksi samansäteistä sivuavaa ym- pyrää, keskipisteiden yhtyminen on välttämätöntä.
Kun kuviosta luettavat ilmeiset symmetriat hyväksyy, niin halutun pinta-alan voi laskea hiukan eri reittejä.
Joka tapauksessa on huomattava, että ison ympyrän halkaisija on kolme pienen ympyrän halkaisijaa, mis- tä seuraa, että pienen ympyrän säde on 2. Kysytty ala on kuudesosa jäännöksestä, kun ison ympyrän alasta π62 = 36π poistetaan seitsemän pikkuympyrän alaa, 7·4πja kuusi pikkuympyröiden väliin jäävää ympyrän- kaarikolmiota, sellaista kuin kuvan kaarien ZY⌢, Y X⌢ jaXZ⌢ rajoittama kuvio. Olennaista on, että ympyröi- den sivuamispisteet ovat niiden keskipisteitä yhdistä- villä janoilla: tämähän seuraa siitä, että sivuavien ym- pyröiden sivuamispisteisiin piirretyt säteet ovat molem- mat kohtisuorassa ympyröiden yhteistä tangenttia vas- taan ja ovat siis saman suoran janoja. Näin ollen ym- pyränkaarikolmion ZY X ala on tasasivuisen kolmion OP Qala vähennettynä kolmella pienen ympyrän kuu- denneksella. KoskaOP = 4, tasasivuisen kolmion ala on 1
242sin 60◦ = 4√
3. Kun laskutoimitukset suorite- taan, kysytyn alueen alaksi tulee 10
3 π−4√
3. Hiukan suoremmin pääsee perille, jos lähtee liikkeelle sektoris- ta, joka on ison ympyrän kuudennes ja siis alaltaan 6π, vähentää siitä tasasivuisen kolmion alan 4√
3 ja kaksi pienen ympyrän kolmannesta eli 2
3 ·4π. Edelleen on mahdollista vähentää uloimman ympyrän alasta sen säännöllisen kuusikulmion, jonka kärjet ovat kuuden
väliympyrän keskipisteet, ala sekä kuusi pienen ympy- rän kahden kolmanneksen kokoista sektoria. Kuusikul- mion alan laskeminen edellyttää jälleen sen yhden kuu- denneksen muodostaman tasasivuisen kolmion alan las- kemista.
Koska jokainen näistä strategioista perustuu siihen, et- tä ympyröiden sivuamispisteet (kuten kuvanX) sijait- sevat ympyröiden keskipisteiden yhdysjanoilla (kuten P Q) eikä tämä suoraan näy tehtävän mukana ollees- sa kuviossa, täysiin pisteisiin edellytettiin, että tähän asiaan olisi jotain huomiota kiinnitetty. Äärimmäisen harvoissa vastauksissa näin tapahtui, vaikka kolmion OP Q kulmien ja sivujen suuruuksia oli ahkerasti pe- rusteltu. Näinpä yleisin tehtävästä annettu pistemäärä oli 5. (Nollaksi arvioituja vastauksia oli yksi vähem- män; kaikissa muissa tehtävissä 0 oli myös yleisin pis- temäärä.)
Kilpailijat saivat käyttää apuvälineinään laskimia ja taulukkokirjoja, toisin kuin matematiikkakilpailuissa yleensä. Tämä johti useat ratkaisijat likiarvolaskuihin;
puhdasta likiarvolaskelmaa, vaikka se olisikin johtanut oikeannäköiseen tulokseen, ei pidetty aivan täydellise- nä. Arvostelijoiden ratkaisu on periaatteellinen: teh- tävä koskee olennaisesti R-säteistä ympyrää, ei tiet- tyä konkreettista tilannetta. Ja onhan ketjussa, jossa mukana on vähennyslaskujakin, aina tarjolla olennai- sen pyöristysvirheen vaarakin, jota ei etukäteen osaa arvioida. Aika monet suhtautuivat lukuarvoihin kovin suurpiirteisesti. Kun laskin näytti alueen pinta-alaksi vähän yli 3,5, vastaukseksi annettiin ”4”. Lienee opit- tu, että kun mittausdata, tässä siis uloimman ympy- rän säde, on kerrottu yhdellä merkitsevällä numerol- la, ei vastauksessakaan saisi olla enempää tarkkuutta.
Taulukkokirjan käyttö ja ilmeisesti muussa yhteydes- sä kuin matematiikassa annettava tieteellisen kirjoitta- mistavan opetus johti aika monet vastaajat hiukan koo- misenoloiseen esitystapaan: tasasivuisen kolmion alan laskemiseen käytetty menetelmä esitettiin lähdeviittei- neen ”MAOL, s. 30”.
Oma lukunsa on sitten oikeaksi vastaukseksi saatu
”tarkka arvo”. Pieni kokoelma tällaisia:
10 3 π−2√
12, 10π−12√ 3
3 , 20
6 π−4√ 3, 20π−24√
3
6 , 31
3π−8 sin 60◦, 6π−8 3π−2√
12, 8π−
3·42√ 3
2 −3·π·22
6 ,
60◦
360◦π62−4·√ 42−22
2 −
120◦ 360◦π22
·2, 2(5·π−6√
3)
3 , 2
3π−2√ 3−4
3π
, 20π−12√
12
6 , 6π−
4√
3−2π+14 3 π
, 2
3(5π−6√ 3).
”Sieventäminen” ei ole tarkkaan määritelty toimenpi- de, ja numeerisen likiarvon tuottamisen kannalta saat- taa olla aika yhdentekevääkin se, mihin muotoon täl- laisen ratkaisun saattaa.
Vielä muutama havainto: yllättävän moni kilpailija käytti tehtävän ympyröistä nimitystä pallo. Kolmion alan laskeminen oli usealle kilpailijalle ylivoimaista tai outoa. Aika monelle tasasivuisen kolmion ala oli sa- ma kuin sivun neliö. Muutama vastaaja oli onnistunut päättelemään näin: kuviossa on kahta ympyränkaari- monikulmiota, kumpaakin kuusi identtistä kappaletta.
Olkoon toisen, kysytyn kuvion alaxja toiseny. Silloin 6(x+y) = 36π−7·4π = 8π ja myös x+y = 4
3π.
Tämän jälkeen kilpailija ”ratkaisi” yhtälöryhmän (6x+ 6y = 8π
x+ y =4 3π arvaamallay:n arvon!
Tehtävä 2
Kilpailun toisessa tehtävässä oli ratkaistavana Diofan- toksen yhtälöksi nimetty yhtälö
x2+ (10y−y2)2+y6= 2011,
ja tehtävän tekstissä vielä täsmennettiin, että etsittä- vänä ovat yhtälön kokonaislukuratkaisut. Pistesaldol- la mitattuna tehtävä osoittautui sarjan toiseksi vai- keimmaksi. Ratkaisu on kuitenkin suoraviivainen. Yh- tälön vasen puoli on aina vähintääny6, ja jos |y| ≥4, y6 ≥ 46 = 212 > 4000. Ratkaisua varten riittää, kun käy läpiy:n kokonaislukuarvot väliltä [−3,3] ja toteaa, että kokonaislukuxtoteuttaa yhtälön vain tapaukses- sa y = 3; silloin voi olla x= 29 tai x=−29. Jos ha- luaa, niin laskutyötä voi hiukan lyhentää havainnolla
2011≡3 mod 4. Koska parillisten lukujen neliöt ovat neljällä jaollisia ja parittomien≡1 mod 4, on yhtälön vasemman puolen kolmen neliöluvun oltava parittomia, joten erityisestiy on pariton.
Ratkaisuissa esiintyi aika monta sellaista, joissa ratkai- su (x, y) = (29,3) annettiin ilman mitään selvityksiä siitä, miksi se on (melkein) ainoa ratkaisu. Tällaista arvauksenluontoista havaintoa ei kovin monin pistein palkittu. Tehtävän tekstin ilmaus ”Diofantoksen yhtä- lö” ja taulukkokirjan tunnollinen selaaminen johtivat sangen monen vastaajan kopioimaan vastauspaperiinsa MAOL-taulukot-kirjan (vuoden 2006 laitoksen) sivulla 57 esiintyvän lineaarisen eli ensimmäisen asteen Dio- fantoksen yhtälön yleisen ratkaisun, jolla ei ole mitään tekemistä tämän tehtävän kanssa. Taulukkokirjan kir- joittaja ei näytä muistaneen, että Diofantoksen yhtälö on laajempi käsite. Toinen ”käsitelaajennus” pilkahti aika monissa ratkaisuissa: perusteluksi y:n mahdollis- ten arvojen rajaamiselle esitti usea sitä, että yhtälön vasen puoli on (y:n suhteen) ”ylöspäin aukeava paraa- beli”. Paraabeli on kuitenkin kartioleikkaus ja sellaise- na toisen asteen käyrä. Joskushan kyllä puhutaan kuu- tioparaabelista tai semikuubisesta paraabelista.
Tehtävä 3
Kolmas kilpailutehtävä tuotti pisteitä noin neljännek- sen enemmän kuin toinen. Tehtävänä oli osoittaa, että kaavalla
f(x) =x2−2011x+ 1 x2+ 1
määritelty funktio f toteuttaa epäyhtälön |f(x) − f(y)| ≤2011 kaikilla reaaliluvuillaxjay.
Yksinkertaisin todistus lienee se, jossa lasketaan kol- mioepäyhtälöä käyttäen
|f(x)−f(y)|= 2011
y
y2+ 1− x x2+ 1
≤2011 |y|
|y|2+ 1 + |x|
|x|2+ 1
ja sitten sovelletaan molempiin yhteenlaskettaviin re- laatiosta (a−1)2≥0 välittömästi seuraavaa epäyhtä-
löä a
a2+ 1 ≤ 1 2.
Muutamat kilpailijat olivat tämän huomanneet. Useim- mat oikeat ratkaisut perustuivat havaintoon |f(x)− f(y)| ≤max
t∈R f(t)−min
t∈Rf(t). Maksimin ja minimin mää- rittäminen sujuu normaalia rataansa. Funktionf deri- vaatalla osoittautuu olevan tasan kaksi nollakohtaa eli potentiaalista f:n ääriarvokohtaa, jotka ovat −1 ja 1, f(−1) = 1
2·2013 jaf(1) =−1
2·2009. Kun vielä otetaan huomioon, että lim
x→±∞f(x) = 1, havaitaan, ettäf(−1) onf:n globaali maksimi jaf(1) globaali minimi. Lisäk- sif(−1)−f(1) = 2011. – Tämä ratkaisu, joka esiintyi
hyvinkin monessa paperissa selkeänä ja täsmällisenä, pani olettamaan, että jokseenkin samanlainen tehtävä lienee jossain suositussa oppikirjassa. Kolmannessa teh- tävässä oli kaikkiaan eniten täysin pistein arvosteltuja vastauksia, melko tasan 10 % kaikista.
Kun funktioista ja niiden kuvaajista puhutaan, ovat tyyppiä y = f(x) olevat yhtälöt tavallisia. Tämä lie- nee harhauttanut muutamat kilpailijat selvittelemään
|f(x)−f(y)|:n sijasta lauseketta|f(x)−f(f(x))|. Siitä muodostuu tehtävän funktion tapauksessa aika näyttä- vä murtolauseke.
Tehtävä 4
Viimeinen tehtävä tuotti pisteitä vähiten. Tehtävän teksti meni näin:Taso laatoitetaan valkoisilla ja mustil- la yksikköneliöillä niin, että toisiaan koskettavilla laa- toilla on joko kokonainen yhteinen sivu tai vain yhtei- nen kärki. Tasoon piirretyn janan sanotaan olevan val- koinen, jos on olemassa sellaiset valkoiset laatat, että jana pysyy näiden sisäpuolella lukuun ottamatta koh- tia, joissa se leikkaa sivuja; vastaavasti määritellään musta jana. Osoita, että taso voidaan laatoittaa niin, ettei minkään valkoisen tai mustan janan pituus ole suurempi kuin 5.
Laatoitustehtävät ovat yksi suosittu matemaattisen kil- patehtävän laji. Vaikka tehtävän teksti oli pitkähkö, se jätti muutamia väärintulkintamahdollisuuksia, sel- laisia, jotka eivät heti tule laatoitustehtäviä enemmän nähneen mieleen. Jotkin kilpailijat tulkitsivat valkean ja mustan janan ehdossa esiintyvän sanan sivu niin, et- tä se ei sisällä neliön kärkeä. Näin ei olisi mahdollista asettaa valkoista janaa kulkemaan kahden toisiaan kär- jessä koskettavan valkoisen laatan kautta. Vielä anka- ramman eston loivat kilpailijat, joille taso ei ollut joka suuntaan äärettömiin jatkuva, vaan esimerkiksi 4×4- levy.
Tehtävän ratkaisuiksi tarjottiin aika monenlaisia laa- toitusjärjestelmiä. Monesta saattoi heti nähdä, ettei ol- tu ajateltu loppuun asti, mutta pisteitä jaettiin myös yrityksistä, joiden puutteellisuus ei heti ollut aivan il- meinen. Kelvollisiksi ratkaisuiksi osoittautuivat aina- kin oheisten kuvien mukaiset laatoitukset. Kummasta- kin löytää enintään sellaisen yksivärisen janan, jonka pituus on √
42+ 22 = √
20 < 5. Tehtävä arvosteltiin aika lievästi. Oikeanlainen kuvio ilman enempiä perus- teluja tuotti jo runsaasti pisteitä.
Lopuksi
Kilpailun tulokset ovat melko karut. Sen yksi ilmei- nen tarkoitus, matematiikan pariin kannustaminen, ei varmaan toteudu ainakaan niiden kilpailijoiden koh- dalla, joille kaikki tehtävät osoittautuivat ylivoimai- siksi. Lukion matematiikkakilpailun perus- ja välisar- joissa on ryhdytty käyttämään monivalintatehtäviä, joista useampi kilpailija luultavasti aina jonkin pis- teen saa. Riman laskemisella ei kuitenkaan olisi pel- kästään myönteisiä seurauksia. Kun matematiikkakil- pailua markkinoidaan väylänä esimerkiksi kansainvä- lisiin matematiikkaolympialaisiin, ei ylioppilastutkin- tolautakunnan ratkaisu, vaikeuksien kiertäminen mah- dollisimman kaukaa, voi olla tervettä politiikkaa. Lä- hes kaikkialla maailmassa vastaavien kilpailujen tehtä- vät ovat selvästi suomalaisia vaativampia. Kilpailun on voitava seuloa esiin niitäkin, jotka todella osaavat ja ajattelevat.
Yksi organisatorinen muutos voisi olla hyväksi. Jos kilpailu olisi kolmiportainen, niin että koulutason al- kukierroksen ja valtakunnallisen loppukilpailun väliin asettuisi alueellinen kilpailu, voisi ensimmäinen kier- ros olla helpompi ja samalla kannustavampi. Alueel- lisen kierroksen järjestämiseen tulisi voida rekrytoida Matemaattisten aineiden opettajien alueellinen kerho- organisaatio ja eri puolilla maata sijaitsevat yliopistot ja korkeakoulut. Tämän vision Suomessa olisi kyllä ny- kyistä enemmän matematiikasta oikeasti kiinnostunei- ta opettajia, ja heillä innostuneita oppilaita.
Solmun Matematiikkadiplomit
Marjatta Näätänen Dosentti, Helsingin yliopisto
Lukudiplomilla on jo vuosia kannustettu oppilaiden lu- kemisharrastusta, niinpä opettajien taholta tuli toive saada myös matematiikkadiplomi. Solmun etusivulta http://solmu.math.helsinki.fi on nyt suora reit- ti matematiikkadiplomisivulle. Siellä on ohjeet ja en- simmäiset kuusi diplomia tehtävineen. Diplomit eivät ole tiukasti sidottuja vuosiluokkiin, vaikkakin niiden numerointi kertoo etenemisestä suunnilleen vuosiluok- kien mukaisesti. Myös ylempien luokkien oppilaat voi- vat kokeilla näitä ja diplomisivuilta löytyviä lukiollekin sopivia tehtäviä.
Diplomien käyttö ja palaute
Diplomeihin voi pyytää vastaukset koulun sähköpos- tiin, samalla saadaan käsitystä diplomien leviämisestä.
Esimerkiksi seuraavilla paikkakunnilla on kouluja, jois- sa diplomitehtäviä lasketaan: Helsinki, Espoo, Vantaa, Sastamala, Ristiina, Ilmajoki, Nurmijärvi, Hollola, My- nämäki, Laukaa, Lumijoki, Oulainen, Joroinen, Seinä- joki, Oulu, Karstula, Lohja, Kuopio, Nousiainen, Rii- himäki, Huittinen, Kokkola, Oulunsalo, Vehmaa, Jy- väskylä, Haukipudas, Joensuu, Kankaanpää, Mäntsä- lä, Loimaa, Kolari, Vihti, Hartola, Haapavesi, Tuusula, Kokkola, Ähtäri, Kurikka, Lahti, Lappeenranta.
Jotkut opettajat antavat vastauksia pyytäessään myös palautetta. Tässä on otteita:
- Olette tehneet hienoa työtä!
- Lapset ottivat tehtävät innolla vastaan.
- Hienoa, että tällainen matikkadiplomi on toteutettu kaikkien käytettäväksi, kiitos siitä!
- Olemme useamman luokan kanssa ottamassa käyt- töön kehittelemänne matematiikkadiplomit. Yritän saada koko koulumme innostumaan diplomista; vink- kasin myös muille kuntamme alakouluille.
- Kiitos aivan ihanasta matikkadiplomista. Oppilaani ovat aivan innoissaan siitä.
- Koulumme oppilaita on innostettu ja kannustettu ma- tikkadiplomien tekemiseen ja monet oppilaista ovat sii- hen tosissaan perehtyneet.
- Meillä on ollut diplomeja jaossa joka luokka-asteella (eli kaikki kolme eri diplomityöpakettia), joten vas- tauksia kaivataan jokaiselle diplomitasolle.
- Käytin diplomeja 2. luokan kanssa viime keväänä.
Tehtävät tehtiin kotona, palautus opelle ja seuraava tehtävä mukaan. Oppilaista (18) aloitti diplomin teon aika moni, mutta kokonaan kaikki sai tehtyä noin 6-8 oppilasta. Poikia enemmän. Mielestäni he tekivät in- noissaan ja vanhemmatkin. Mukavaa puuhaa kai se oli kaikille, en saanut ainakaan kielteistä palautetta.
- Diplomin ulkonäkö oli mieluinen ja tärkeä oppilaille.
Yksi oppilas sairastui joulun jälkeen ja lähetin hänelle diplomitehtävät sairaalakouluun. Kyseessä oli lahjakas oppilas, hänelle se oli hyvää tekemistä.
- Olen mainostanut diplomeja koulussani ja monet opet ovat ottaneet/ovat ottamassa tehtävät käyttöön. Itse sain tiedon Luokanopettaja-lehdestä. Tiedotusta diplo- mista voisi lisätä. En tiedä löytyykö siitä linkkiä ophal- lituksen sivuilta.
- Nyt 3. luokan kanssa otan keväällä diplomien suo-
rittamisen esille. Vapaaehtoinenhan se on; pikkuisen porkkanaa ja kehumista, niin oppilaat innostuu. Toi- von, että diplomitehtäviä löytyy jatkoonkin ja, että niissä olisi myös helpohkoja tehtäviä, ehkä joku taso- ryhmitys olisi hyvä open kannalta.
- Oppilaani ovat tehneet näitä hieman oman tasonsa mukaan.
- Koulussa suunnitellaan matikkakerhoa, hyvää aineis- toa siihen!
- Löysin Facebookin kautta linkin tänne Matikkadiplo- miin ja innostuin heti. Aion ottaa oman luokkani kans- sa ”ohjelmistoon” ja suosittelen kollegoillekin, joten voisitko lähettää samalla vastaukset kaikkiin diplomei- hin eli I - VI (mahtaako viimeinen olla liian haastava kuudes luokkalaisillekin, mutta jospa joku osaisi)?
- Meillä innostuttiin tänä syksynä suorittamaan diplo- meja (IV, V ja VI). Suorittajina tällä hetkellä kahdek- sas- ja yhdeksäsluokkalaisia oppilaita. Ahkerimmilla al- kaa jo olla ensimmäiset diplomit laskettuna, joten oli- sinkin oikeita vastauksia vailla.
- Olen luokanopettajana Helsingissä, ja olen nykyis- ten 3. luokkalaisteni kanssa aloittanut Solmun matik- kadiplomit tänä syksynä – oppilaat ovat olleet innos- tuneita.
- Kerroin diplomista opettajakokouksessa ja useampi opettaja kiinnostui diplomista.
- Käytämme kehittämiänne Matematiikkadiplomeita eriyttämiseen koulussamme. Haluaisimme saada tehtä- vien (kaikki diplomit) vastaukset koulumme käyttöön.
- Olen ensimmäisen luokan opettaja. Luokassani on in- nokkaita oppilaita, jotka ovat erityisen motivoituneita matematiikan tehtäviin. Olenkin tarjonnut heille pal- jon lisämateriaalia ja matikkadiplomi, josta kollegani vinkkasi, oli myös oiva lisä! Oppilaat ovat tehneet teh- täviä innoissaan kotona vanhempiensa kanssa.
- Meillä on kovasti innostuttu matikkadiplomien teke- misestä. Sain teiltä vastaukset ykköseen ja kakkoseen.
Nyt nopeimmat ovat jo nelosessa. Laittaisitko minulle vastaukset kolmosesta eteenpäin.
- Luokassani on matemaattisesti erittäin lahjakas op- pilas ja haluaisin tarjota hänelle lisää haastetta, kun oppikirjan tehtävistä ei niihin ole.
- Huomasin sivuillanne matematiikkadiplomit ja toivoi- sin saavani tästä lisää potkua lahjakkaan oppilaan ma- tematiikkaharrastukselle. Voisinkohan saada vastauk- set näihin I–VI tehtäviin? Samalla tulevaa ajatellen oli- si käytössä pankki myös muille luokka-asteille.
- Kiitokset loistavista diplomeista. Niistä on saanut mm. oppilaille motivoivaa eriyttämismateriaalia.
- Matematiikkadiplomi on kiva juttu ja iloinen ulko- näöltään – kiitos!
- Alakoulun toisluokkalainen oppilaani ratkaisi diplomi I:n viikonlopun aikana. Nyt hän odottaa jatkoa.
- Luin tässä taannoin Opettaja lehdestä mukavasta ma- tematiikkadiplomi toiminnasta. Hienoa, että innokkai- ta kehittäjiä riittää! Onko toimintaa tarkoitus vielä li- sätä muillekin luokille?
- Käynnistelimme tänä vuonna ensimmäistä kertaa
Matematiikkadiplomin suorittamista. Neljäsluokkalai- set innostuivat asiasta kovasti. Tarvitsemme nyt diplo- mitehtävien ratkaisuja helpottamaan korjaamista. Op- pilaat suorittavat tehtäviä IV ja V. Kiitos tästä innos- tavasta tavasta tukea oppilaiden matematiikan harras- tamista!
Käsin vai koneella?
Moderni aivotutkimus vahvistaa vanhat uskomukset, etteivät lapsen aivot kehity kunnolla ilman sormilla harjoitettavaa hienomotoriikkaa. Käsillä ja erityisesti joka sormella on aivoissa oma alueensa. Tarttumaote mahdollisti aikanaan työkalujen käytön, jolle ihmisen ylivalta lajina suureksi osaksi perustuu. Yleisesti pä- tee, että aivot muokkautuvat koko elämän ajan. Käyt- tämättä jäävät aivojen alueet pienenevät ja harjoitetut kehittyvät. Esimerkiksi sokeilla kuuloaisti ottaa käyt- töön toimettomaksi jääneitä näköalueita. Muusikoil- la kehittyvät erityisesti oman soittimen käyttöön tar- vittavat hienomotoriikan aivoalueet ja tuotetun musii- kin prosessointiin tarvittavat kuuloalueet. Mahdolli- simman monipuolinen toiminta ylläpitää aivoja, tämä koskee sekä fyysistä että henkistä puolta. Esimerkiksi vanhenemisen mukana supistuneita aivoalueita on saa- tu korjaantumaan liikuntaa lisäämällä. Sanonta ”use it or lose it” pitäisi ottaa käyttöön Suomessakin.
Aivojen tarvitsemaa harjoitusta ei saada, jos lapset siir- tyvät suoraan tietokoneen ääreen käymättä ensin lä- pi perinteistä hienomotoriikkavaihetta. Jo nykynuorten käsialoja katsomalla näkee, että on vähennetty liikaa luontaista hienomotoriikan käyttöä ja harjoitusta siir- tymällä liian varhain koneen käyttöön. On vältetty kä- denhallinnan opettelun vaivaa, mutta samalla menetet- ty aivojen tarvitsemaa harjoittelua. Lapsuudessa aivot muokkautuvat huomattavan nopeasti, joten on erityi- sen tärkeää harjoittaa lapsuusaikana mahdollisimman monipuolista toimintaa. Pohja koko elämää varten luo- daan silloin. Niinpä diplomitehtävissä internetiä käy- tetään vain jakeluun, tehtäväpaperit tulostetaan ja al- kuvaiheen tehtävät ratkotaan käsin. Perusteluna käsil- lä eikä koneella työskentelyyn on siis aivotutkimuksen vahvistama ja jo vuosituhansia eri puolilla maailmaa käytetty tieto aivojen kehittymisen ja hienomotoriikan yhteydestä. Myöhemmin käytetään myös koneita apu- na.
Monipuolista toimintaa
Lukudiplomin tavoin myös matematiikkadiplomi antaa mahdollisuuden hauskalle ja hyödylliselle harrastuksel- le, tarjoaa haasteita ja hauskaa ja monipuolista toi- mintaa lapsille; niissä pääsee vaikka säveltämään ja lei- pomaan. Arviointia ja tulosten tarkistamista harjoite- taan, jotta suuruusluokat tulevat tutuiksi – viime ai-
koina on ylioppilaskirjoituksissakin annettu mielettö- miä vastauksia suuruusluokkatehtäviin. Oppilaille pai- notetaan keskittynyttä itsenäistä työskentelyä ja jous- tavaa mutta perusteltua loogista ajattelua. Matematii- kan talon rakentamisessa on alkuperustus erittäin tär- keää. Silloin syntyvät perustiedot ja asenteet. Diplomi- toiminta ei ole oppilaiden välistä kilpailua, vaan niil- lä oppilas voi ottaa mittaa itsestään. Tehtäviä ratkais- taessa on toivottavaa keskustella toisten kanssa, jotta myös matematiikan kielen käyttö kehittyy ja itse ku- kin joutuu pukemaan sanoiksi ajattelunsa. Oppilas voi kysyä neuvoa ja tehdä yhteistyötä. Tärkeintä on, että innostus herää ja oppilaat huomaavat oppivansa ma- tematiikkaa. Diplomi palkitsee harrastuksen ja antaa ponnistelun jälkeisen tuloksen ilon. Tehtävillä tarjo- taan lapsille kokemuksia matematiikan käsitteistä, jot- ka tarkentuvat myöhemmin noustaessa portaita kon- kreettisesta abstraktiin. Matematiikan oman rakenteen käyttö pohjana on tärkeää.
Diplomien käyttö koulussa ja kotona
Diplomitehtäviä voi tehdä yksin, kaverien kanssa, per- heen yhteisenä harrastuksena, oppitunnilla. Diplomi- tehtävät sopivat myös kerhotoimintaan, matematiikka- kummitoimintaan, eriyttämiseen ja kertaukseen. Joka tapauksessa on toivottavaa, että vanhemmat osallistu- vat lastensa harrastukseen ainakin tukemalla sitä. Suo- malaisille oudoimpien tehtävätyyppien johdattelua on yleisissä ohjeissa Solmun Diplomisivuilla, sieltä löytyy myös oheislukemistoa.
Opettajien palautteen mukaan intoa tehtävien tekoon on ollut. Niitä on tehty kotona yksin, perheen tai ystä- vien kanssa. Matematiikan oppitunneilla on annettu li-
säohjeita ja aina on voinut tulla kysymään apua, jos on ollut tarvis. Diplomin ulkonäkö oli mieluinen ja tärkeä oppilaille. Myös sivujen kaunista ja ilmavaa ulkonäköä on kiitelty. Kiitosta on tullut tehtävien monipuolisuu- desta ja siitä, että ovat haastavia ja erilaisia kuin oppi- kirjoissa. Ajanpuute on ongelma, ellei ole mahdollista järjestää kerhoa tai muuta ylimääräistä tukea koulus- sa. Usein oppilaat saivat tehtävät kotitehtävien tapaan osissa aina sitä mukaa, kun oli käsitelty vastaavia teh- täviä tunneilla. Tunnilla käytiin lyhyesti läpi, mitä pi- täisi tehdä ja seuraavalla tunnilla tehtävät palautettiin.
Yhteiseen palautekeskusteluun ei useinkaan ollut riit- tävästi aikaa.
Matematiikkakummitoimintaa
Kummi, joka on ohjannut lasta matematiikan kaunii- seen maailmaan Solmu-lehden tehtävien avulla, kertoi kokemuksiaan: Jo ensimmäisen diplomin tehtävät oli- vat erilaisia kuin oppikirjan tehtävät ja lapsen innostus ja mielenkiinto tehtävien suorittamiseen ylitti kaikki odotukset. Tehtävät vaikeutuivat sopivasti ja aihepii- rejä oli monta, joten mielenkiinto säilyi. Erityisen kiin- nostavilta ja hauskoilta tuntuivat tehtävät, joihin liittyi mittaamista tai tilastollisia koesarjoja. Noppaa innos- tuttiin heittämään 600 kertaa ja lanttia noin 100 ker- taa. Oli suuri ilo saada seurata lasta, joka kokee oival- tavansa uusia asioita ja saa tyydytystä osaamisestaan ja onnistumisestaan ja täten oppii tärkeitä asioita kou- lua ja elämää varten. Kummi tulosti diplomin värillise- nä oikein valokuvapaperille ja kehysti sen kivaa juhlaa varten. Yhteinen hauska harrastus jatkuu.
Taloudellisen tuen Solmun toiminnalle on antanut Jen- ny ja Antti Wihurin säätiö.
Verkko-Solmusta http://solmu.math.helsinki.fi löytyviä oppimateriaaleja
Lukualueiden laajentamisesta (Tuomas Korppi)
Jaksolliset desimaaliesitykset algebrallisesta näkökulmasta (Jaska Poranen ja Pentti Haukkanen) Geometrian perusteita (Matti Lehtinen)
Geometria (K. Väisälä)
Algebra (Tauno Metsänkylä ja Marjatta Näätänen)
Matematiikan peruskäsitteiden historia (Erkki Luoma-aho)
Matemaattista fysiikkaa lukiolaiselle (Markku Halmetoja ja Jorma Merikoski) Lukuteorian helmiä lukiolaisille (Jukka Pihko)
Algebra (K. Väisälä)
Matematiikan historia (Matti Lehtinen)
Matematiikka kiehtoo taas
Matti Lehtinen Helsingin yliopisto
Alex Bellos: Kiehtova matematiikka. Seikkailu numeroiden ihmemaassa.Suomentanut Eero Sark- kinen. Docendo 2011. 448 s. Pehmeäkantinen, 37,90 eu- roa.
Matematiikka kiehtoo. Ellen tietäisi sitä, voisin kat- soa kirjahyllyäni, josta löytyvät sekäCarol Vorderma- nin Kiehtova matematiikka(WSOY 1997) ettäLea
ja Tiit Lepmanin Kiehtovaa matematiikkaa (MF- KA 1997). WSOY-yhtymään kuluva Docendo on nyt julkaissut lähes samannimisen teoksen. (Alkuteoksen nimi on Isossa-Britanniassa Lewis Carroll -vaikutteiset Alex’s Adventures in Numberlandja YhdysvalloissaHe- re’s Looking at Euclid; klassikon Liisan seikkailuista Ihmemaassa kirjoittaja Carroll oli matemaatikko ja oi- kealta nimeltäänCharles Dodgson).
Kirjailija Alex Bellosin parinkymmenen vuoden ta- kaisen yliopistotutkinnon pääaineet ovat olleet mate- matiikka ja filosofia. Hän on kuitenkin toiminut pit- kään lehtimiehenä, englantilaisten lehtien Brasilian- kirjeenvaihtajana. Matematiikan parissakin hän sanoo olevansa tavallaan ulkomaankirjeenvaihtaja. Itse asias- sa kirjan taustalla onkin ollut matkoja, ainakin Japa- niin, Intiaan, Yhdysvaltoihin ja Saksaan. Mutta mistä Bellos raportoi matematiikan maailmassa matkailtu- aan?
Bellosin kirjassa on 12 lukua, numeroituna nollasta yh- teentoista, kukin noin 30 sivun mittainen. Kunkin lu- vun teemana on jokin laskentoa tai matematiikkaa si- vuava kuriositeetti. Kirja ei ole matematiikan yleisesi- tys suurelle yleisölle.
Nollannen luvun teemana on primitiivinen lukukäsit- teen muodostuminen. Viitteitä siitä, miten lukukäsite on voinut muodostua, Bellos saa Amazonin alueen al- kukantaisten heimojen parissa tehdyistä havainnoista ja pienillä vauvoilla sekä simpansseilla tehdyistä ko- keista. Toisessa luvussa ollaan sitten 10-järjestelmän
parissa ja esitellään eksoottinen liike, joka tähtää lu- vun 12 ottamiseksi lukujärjestelmän kantaluvuksi. Lu- kuun on sisällytetty myös japanilaiset pikkulasten hel- mitaulukilpailut. Seuraava luku lähtee liikkeelle nume- rologiasta, josta siirrytään Pythagoraan lauseeseen ja sitten origami-taitteluihin. Ylen suuresti Bellos ihaste- lee japanilaisen origamitaiteilijaKazuo Hagan havain- toja neliönmuotoisen paperin taitteiden ominaisuuksis- ta, jotka kyllä ovat aika triviaaleja euklidisen geomet- rian kannalta tarkasteltuina. Alussa mainittu Lepma- nin pariskunnan kirja, jota kustantajankaan varastosta ei enää yhtään kappaletta löydy, sisältää muuten kat- tavan selvityksen geometrian rakentamisesta paperin- taittelun avulla.
Seuraavaksi Bellos käy esittelemään intialaista ”veda- aritmetiikkaa”. Saamme hämmästellä mm. kertolaskua 8×9, jonka voikin tehdä niin, että tulon viimeiseksi numeroksi kertoo luvut 10−8 eli 2 ja 10−9 eli 1 ja ensimmäiseksi numeroksi ottaa jälkimmäisen numeron summasta 8+9 eli numeron 7. Bellos ei selitä tätä mys- tistä ”temppua” ja muita vastaavia esittämiään, vaik- ka ne ovat yksinkertaisesti ymmärrettävissä vähällä al- gebralla. Seuraava luku vie tarkastelemaan päässälas- kutaiturien ja numeronmuistajien hämmästyttäviä ky- kyjä sekäπ:n desimaalien laskemista. Seuraavassa lu- vussa teemana on sitten algebra. Logaritmin määritel- mästä edetään laskuviivaimeen ja muihin laskulaittei- siin.
Kirjan luku 6 on omistettu ajanvietematematiikalle.
Sudokut esitellään, samoin tangramit. Seuraavan luvun inspiraationa on toiminut kokonaislukujonojen verkko- tietosanakirja, mainioOn-Line Encyclopedia of Integer Sequences. Luvussa esitellään myös suurten alkuluku- jen etsimistä ja joitakin sarjojen suppenemiseen liit- tyviä hauskoja totuuksia kuten se, että jos harmoni- sesta sarjasta poistetaan ne termit, joiden nimittäjäs- sä esiintyy yhdeksäinen, jäljelle jää suppeneva sarja.
Oman lukunsa on saanut kultaisen leikkauksen suhde eli luku ϕ (jota kutsutaan kaiken aikaa fiiksi) ja sii- hen liittyenFibonaccin jono. Kirjan pisin luku on nu- mero 9. Siinä käsitellään todennäköisyyttä, uhkapelejä ja peliautomaatteja. Tilastotiedettä käsittelevän luvun jälkeen siirrytään päätökseen, jossa lukijalle tarjoil- laan epäeuklidista geometriaa latvialais-amerikkalaisen Daina Taiminanvirkkausmallien kautta. Viimein pää- dytäänGeorg Cantorin joukko-oppiin ja äärettömyyk- sien luokitteluun.
Bellos esittelee aiheitaan todella lehtimiehen tapaan.
Melkein aina teksti rakentuu henkilökuvan ja haastat- telun pohjalle. Kirjoittajan kiinnostuksen kohteet ovat usein alueilta, joiden kytkös matematiikkaan on löy- hähkö.π:n desimaalien ulkoa opettelu, kilpailevien ja-
panilaislasten näppäryys helmitaulun käytössä, oppi- vaiset simpanssit tai hedelmäpeliautomaattien ohjel- mointi eivät ehkä ole sitä, mitä itse haluaisin ma- tematiikan populaariesityksestä ensimmäiseksi lukea.
Esimerkiksi maailmanlaajuinen matematiikkakilpailu- liike olympialaisineen on jäänyt Bellosilta huomaamat- ta, vaikka helmitaulu- ja päässälaskukilpailuista saam- mekin tietoja. Mutta paljon relevanttiakin Bellos on katsaukseensa koonnut, eikä näytä siltä, että kirjan lu- kija juuri esitietoja kaipaisi.
Siellä täällä pistää esiin kirjoittajan lievä ulkopuolisuus ja asiantuntemattomuuskin.Keskihajonta ei olejakau- man leveys,Diofantosei elänyt ”joskus 00−200-lukujen välillä eaa.” (vaan ”jaa.”),David Hilbert ei todistanut, että ”oli mahdotonta esittää hyperbolinen pinta kaava- na”, vaan suunnilleen sen, että hyperbolista pintaa ei voi upottaa isometrisesti, pituuden säilyttäen, kolmi- ulotteiseen avaruuteen. Ja kaikki historian lähteet ker- tovat antiikin kuution kahdentamisongelman,Deloksen ongelman, tarinan ihan toisin kuin Bellos. Mutta sehän on joka tapauksessa tarina.
Kirjansa kiitossivulla Bellos ilmaisee kiitollisuudenvel- kansa peräti 89:lle nimetylle henkilölle.Kiehtova mate- matiikka on pääosin suomennettu sujuvasti ja termit- kin ovat melkein poikkeuksetta kohdallaan (vaikka ku- vionverteksi on kylläkärki, suora,jana javiiva väliin sekoittuvat ja alaotsikossa muutamassa muussakin pai- kassa saattaisi sana luku paremmin vastata kirjailijan tarkoitusta kuinnumero). Hyvä oivallus suomentajalta on kirjassa usein esiintyvän ”epäintuitiivisen” suomen- taminen sanallavaistonvastainen. Kirjan painotekniik- ka ei tee oikeutta valokuville. Tätä korvaa 16-sivuinen värivalokuvaliite, josta saamme nähdä monet Bellosin haastattelemista henkilöistä ja mm. jäljennöksen 1847 Englannissa julkaistusta Eukleideen Alkeiden väriku- vaversiosta. Kiitosta annan myös kattavalle hakemis- tolle. Sen sijaan kirjan lopun sanaston selityksistä ei kaikin osin oikein saa selvää. Esimerkiksi: ”Monikul- mio:kaksiulotteinen suljettu muoto, joka koostuu ää- rellisestä määrästä suoria viivoja”. ”Luonnollinen lu- ku: kokonaisluku, joka voidaan saavuttaa laskemalla ykkösestä ylöspäin 1”. ”Kokonaisluku: luku joka on joko luonnollinen luku, negatiivinen luonnollinen luku tai nolla”.
Miksi en kaikkiaan oikein osaa innostua Bellosin kirjas- ta? Mielestäni matematiikka on perusolemukseltaan ai- ka lailla muuta kuin kokoelma pelejä ja vaistonvastaisia temppuja. Matematiikan erityisominaisuuteen, sen to- tuudellisuuteen ja tietynlaiseen absoluuttisuuteen Bel- los ei kajoa. Mutta kyllä kirja on kaikkiaan hyvä lisä jo nyt sentään aika laajaan suomenkieliseen matemaatti- seen populaarikirjallisuuteen.
Wolfram|Alphasta, parametriesityksistä ja hiukan muustakin
Ari Koistinen
Lehtori, Metropolia ammattikorkeakoulu
Alkanut vuosi on tietokoneen isänä pidetyn 23.6.1912 syntyneen matemaatikko Alan Turingin juhlavuosi.
Matematiikka on nykyisen informaatioteknologian pe- rusta. Tietojenkäsittelytiede kehittyi alunperin mate- matiikan eräänä osa-alueena, ja toisaalta tietokoneiden rakentaminen edellytti matemaattisiin lainalaisuuksiin nojaavaa pitkälle kehitettyä teknologiaa. Voidaan siis sanoa, että matematiikka on sekä ”softan” että ”rau- dan” takana.
Nyt informaatioteknologia maksaa velkaansa matema- tiikalle kahdellakin eri tavalla. Ensimmäinen näistä on se, että nopeasti kehittyvän IT:n tarpeet, kuten vaik- kapa valtavien tietomassojen käsittely ja hallinta sekä ns. tiedon louhinta, edellyttävät aivan uudenlaista ma- tematiikkaa ja saavat aikaan uusia matematiikan osa- alueita, vieden näin matematiikan kehitystä eteenpäin.
Samalla löytyy uusia sovellusmahdollisuuksia jo kauan sitten luodulle matematiikalle.
Toinen IT:n velanmaksumuoto ovat sen tarjoamat mahdollisuudet suorittaa rutiininomaisia matemaatti- sia operaatioita nopeasti ja vaivattomasti. Numeeriseen ja symboliseen laskentaan kehitettyjä tietokoneohjel- mia on ollut jo kymmeniä vuosia, ja niiden ansiosta matemaattisten menetelmien sovellusmahdollisuuksien määrä on kasvanut räjähdysmäisesti. Esimerkiksi suur- ten matriisien käsittely ilman tietokoneiden apua olisi
toivottoman työläs tehtävä.
Ennen tehokkaiden PC-koneiden aikakautta oli tyypil- listä, että vähänkään vaativampi laskenta tehtiin kes- kustietokoneella, johon otettiin yhteys päätteeltä, ja supertietokoneita käytetään tähän tapaan edelleenkin.
Paljon uudempi asia on, että matemaattisten ohjelmis- tojen mahdollisuudet ovat kenen tahansa käytettävissä internetissä. Tunnetuimpia esimerkkejä tästä on Wol- fram|Alpha,www.wolframalpha.com.
Wolfram|Alpha on eräänlainen internet-hakukoneen ja matematiikkaohjelman yhdistelmä. Jälkimmäisestä osasta vastaa Wolfram|Alphan taustalla toimiva sa- man yhtiön, Wolfram Researchin, jo 1980-luvulla ke- hittämä ohjelma Mathematica. Suuri osa Mathema- tican käskyistä toimii Wolfram|Alphassa sellaisenaan, mutta erityistä Wolfram|Alphassa on se, että käskyillä ei ole tiukkaa syntaksia, vaan ohjelma pyrkii heuris- tisesti tulkitsemaan käyttäjän syötettä, ja tulkitsemi- sen onnistuessa se varsinaisten internet-hakukoneiden tapaan tulostaa ruudulle paljon aiheeseen liittyvää in- formaatiota. Syntaksin vapaus merkitsee esimerkiksi Mathematica-ohjelmaan verrattuna sitä, että käyttä- jän ei tarvitse tietää, milloin käytetään aaltosulkuja, milloin hakasulkuja ja milloin tavallisia sulkumerkke- jä, joilla kaikilla on Mathematicassa oma tarkoituksen- sa. Tällaisen vapauden ja heuristisen tulkinnan kään- töpuolena on kuitenkin riski vääriin tulkintoihin.
