Inclassables Mathématiques Le blog 2.0

Le cancer est l'une des causes majeures de décès dans le monde (en particulier dans les pays en développement), avec environ 11 millions de personnes diagnostiquées et environ 7 millions de personnes qui meurent chaque année. Les prévisons de l'Organisation mondiale de la santé  sont d'environ 9 millions de morts en 2015 et de  11,5 millions de décès en 2030 par cancer.

Le cancer est un sujet très important de la recherche médicale, mais de façon assez inattendue aussi de la recherche en mathématiques appliquées.

Le processus démarre avec la division incontrollée de quelques cellules. les déchets sont expulsés à la surface de la tumeur. Une fois que la tumeur atteint une certaine taille les propriétés des bords de la tumeur se modifie en raison de l'importance des déchets. Elle devient plus agressive.

Les mathématiques sont déjà utilisées pour modéliser la croissance de tumeurs cancéreuses dans la phase pré-invasive. Une équipe de l'université de Dundee est en train de concevoir un modèle global de croissance. Un tel modèle doit fonctionner sur plusieurs niveaux, sub-cellulaire, cellulaire et macroscopique. L'objectif de ce projet est de simuler un cancer virtuel afin d'améliorer les traitements.

La partie continue du modèle serait composée d'un système d'équations de réaction-diffusion modélisant les modifications de concentration des substances chimiques libérées dans les cellules de la tumeur et les tissus environnants  les changements qui en résultent pour les tissus et  la tumeur.

Ce sont visiblement des équations identiques à celles permettant de modéliser la diffusion des pigments donnant naissance aux tâches et rayures du pelage de certains animaux.

L'article complet ( en anglais) sur Plus magazine

Trois jours de stage et six heures de train pendant lesquelles j'ai dévoré ce livre. Gilles Dowek a reçu le Grand Prix de Philosophie 2007 décerné par l'Académie Française. Je ne connais pas les autres lauréats mais pour ce qui est de ce livre je pense que la philosophie a vraiment trouvé du grain à moudre pour quelques années dans ces métamorphoses numériques.

Au début du livre, j'étais en territoire connu mais j'ai déjà lu beaucoup de livres sur l'histoire des mathématiques alors j'ai pensé, tiens encore une histoire des maths. C'est vrai pour le tout début du livre mais la première partie est nécessaire à quiconque ne maîtrise par bien ce sujet afin d'introduire la logique des prédicats.

Et puis dès la cinquantième page, je vois apparaître mon copain Kant et ses jugements synthétiques à priori. Alors je commence à me dire que ça va cogner. On pourra d'ailleurs lire le documents suivant : La philosophie des mathématiques de Kant . Quel est le problème?

Kant propose deux types de jugements :

Analytique si une proposition est vraie par définition comme "un triangle à trois cotés".

Synthétique si la propostion est vraie sans que ce soit une définition. Par exemple "La terre a un satellite" . Ce jugement peut être a priori si on peut le concevoir dans la tête ou a poseriori s'il faut une intéraction avec la nature.

Les jugements analytiques semblent quant à eux exclusivement à priori.

Pour Kant le raisonnement se situe dans les jugements synthétiques à priori mais c'est là que ça coince par ce que ce n'est pas aussi simple que ça!

Le "simple", 2+2=4 pose problème. Frege va d'ailleurs montrer que 2+2=4 peut se déduire de la définition des nombres entiers et doit être classé parmi les jugements analytiques et non parmi les jugements synthétiques à priori.

On voit déjà poindre à l'horizon une problématique philosophique centrale concernant les mathématiques, leur constitution et leur évolution. Se constituent-elles au sein d'elles mêmes auquelles cas elles sont analytiques à partir des simples définitions. Relèvent-elles du jugement synthétique à priori ou doivent-elles aller chercher des éléments dans la nature pour se construire.

Il est inutile de vouloir répondre simplement à ces questions qui dépendent de l'évolution des mathématiques elles mêmes dont le pivot central est certainement la thèse de Church des années 30, affirmant l'identité entre la notion de calcul "informatique et la notion "commune " de calcul que nous avons.

En avançant encore un peu dans le livre on voit apparaitre l'idée selon laquelle Démonstration = Algorithme et puisque la thèse de Church nous donne Algorithme = Calcul, on a donc l'identité Démonstration = Calcul. Il devient donc nécessaire de distinguer les notions de démontrable et d'explicatif, ce qui est loin d'être facile pour les mathématiciens. La longueur des démonstrations est aussi abordée, avec par exemple la problèmatique suivante : Peut-on démontrer qu'un problème démontrable possède une démonstration "courte"?

Philosophiquement le sujet est dense!

D'autant qu'à la fin de l'histoire une surprise de taille nous attend avec un retour nécessaire à la nature... Mais je n'en dis pas plus.

Ce qui m'a aussi passioné dans le livre est le traitement du rapport du mathématicien et de la machine, de ce nouvel outil qui lui est maintenant indispensable. L'auteur s'interroge aussi sur le fait que l'ordinateur du mathématicien est le même que celui de Mme Michu, sauf bien sûr si les calculs sont vraiment très très longs et demandent un super-calculateur pour pouvoir être faits  en un temps "raisonnable". Il est intreressant de comprendre quelles est la place de l'ordinateur-machine à coté du mathématicien-humain.

J'ai extrait quelques courtes citations vers la fin du livre qui me semblent assez explicites sur les métamorphoses du calcul qui est le sujet du livre et donc des mathématiques elles-mêmes:

En 1976, les mathématiques sont entrées dans la période instrumentée de leur histoire. Les instruments utilisés par les mathématiciens, ne sont pas des instruments qui prolongent les facultés de nos sens, mais qui prolongent les capacités de notre entendement: notre faculté de raisonner et surtout, de calculer. ( p 182 )

L'utilisation d'instruments commence, de même à changer, les mathématiques. ( p 182 )

La maquette sur laquelle on fait l'essai est donc une machine à résoudre un problème mathématique,[...] (p 188)

L'entrée des mathématiques dans leur ère instrumentée incite donc, non à accorder une confiance excessive dans les instruments utilisés, mais à restreindre prudemment la confiance parfois exagérée, que nous avons en nous-mêmes: nous aussi nous pouvons faire des erreurs. (  p 191 )

Podcast de Gille Dowek sur le livre et sur Canal-Académie

Pour compléter :

Des p'tits problèmes de coloriage ( autour du théorème des quatre couleurs)

Alors que les problématiques environnementales liées aux espèces invasives prennent de plus en plus d'ampleur aux Etats-Unis, notamment en raison des dégâts occasionnés sur les espaces boisés des rocheuses et des Appalaches, des chercheurs de l'université californienne UC Davis ont tenté d'évaluer avec plus de précisions les facteurs influençant la propagation d'une espèce animale. Alan Hasting (chercheur à l'université UC Davis) et Brett Melbourne (maître de conférence à l'université du Colorado) ont rendu public les résultats de leur recherche portant sur la difficulté d'évaluer le potentiel invasif d'une espèce donnée.

Si la détermination de la vitesse moyenne de dispersion d'espèces invasives a fait l'objet de nombreuses études, peu de recherches portent actuellement sur l'évaluation du potentiel invasif d'espèces données. Publiés dans la revue Science du 18 septembre 2009 et financés par la "National Science Foundation" [3], ces récents travaux soulignent la difficulté de prédire les comportements malgré la prise en compte d'incertitudes telles que la variabilité environnementale, démographique ou génétique.

Deux méthodes existent actuellement pour déterminer le potentiel invasif d'une espèce et tenter d'anticiper les invasions. La première consiste à faire appel à la modélisation en évaluant les paramètres d'entrée. La seconde vise à extrapoler les résultats obtenus à partir d'observations et de données de terrain. Les chercheurs ont utilisé ces deux outils pour évaluer le degré d'incertitude du potentiel invasif du coléoptère "Tribolium Castaneum". Recréant 30 écosystèmes d'accueil identiques, ils ont étudié les déplacements et comportements de 600 coléoptères sur 13 générations. Ces expériences de laboratoire, couplées à un modèle mathématique, ont mis en évidence un degré de déplacement différent selon les générations, certaines se déplaçant sur l'ensemble du terrain d'étude alors que d'autres se contentaient d'occuper le tiers de l'espace.

Ces résultats soulignent donc la difficulté de cataloguer l'ensemble des facteurs influençant le comportement invasif d'une espèce. En effet, la variabilité intrinsèque à chaque espèce aurait une influence non négligeable sur sa propagation dans un écosystème d'accueil.

Source: Bulletins électroniques

Photo: JR Guillaumin

Voir aussi les très belles photos de coléoptères de Paula FJ

Je viens de trouver un document de 8 pages très intéressant de Dominic Forest et de Jean-Guy Meunier (UQUAM) sur le sujet de l'utilisation des mathématiques en vue de la classification du contenu d'un texte. Une expérimentation sur le Discours de la Méthode de Descartes est donnée en exemple.

C'est ICI

Il était une fois...

Au XVIIIème siècle, un homme fut le maître de la mise en scène de la "démonstration", il s'appelait l'Abbé Nollet, il rendit la physique visuelle en construisant des instruments permettant sa "démonstration", en fournissant des livres d'expérience et en publiant des cours très clairement rédigés. Le commerce des instruments et des expériences de Nollet se généralisa dans toute l'Europe et les labos de physique-chimie de nos lycées témoignent encore de cette tradition scolaire de la physique expérimentale, bien marquée malgré sa mathématisation qui n'a cessé de croître.

Au XXIème siècle...

Il est encore un peu tôt pour le dire, mais je pense que le XXIème siècle aura son Nollet à lui. Certes il ne s'agit plus de physique mais de mathématiques, d'instruments mais d'ordinateurs, la diffusion ne se fait plus au travers des livres mais  les moteurs de recherches, le buzz, les codes préétablis.

Alors que je consultais paisiblement mon Google Reader, je fus interpelé par un article intitulé "Fast inverse square root", partagé par un internaute du Monde. Je connaissais bien la traduction en français de tous les mots du titre: "Racine carrée inverse rapide". Chacun d'entre eux faisait sens mais lorsqu'ils étaient placés ensemble, je me retrouvais dans l'incapacité de prédire un contenu possible de l'article en question. J'imaginais bien sûr qu'il devait s'agir d'une méthode, exotique ,ça je ne le savais pas, mais certainement numérique pour calculer l'inverse d'une racine carrée de façon rapide.

Ma curiosité ne fit qu'un seul tour de mon attracteur étrange psychique, ce qui me poussa de façon compulsive à cliquer sur le lien en question. Et que vis-je en premier? L'image suivante...

Waouh, ça parle de maths et de jeux vidéos dans l'article !

Lighting and reflection calculations (shown here in the free and open source first-person shooter, OpenArena) use the fast inverse square root code to compute angles of incidence and reflection.

Je ne suis pas encore trop dépassé par le texte précédent et j'arrive à comprendre en gros que l'article traite d'une méthode utilisée dans les codes de jeux vidéos, le premier étant certainement OpenArena, et qui permettrait de calculer plus rapidement les angles d'incidence des rayons lumineux sur les surfaces éclairées, et pour cela il faut estimer de façon assez précise et quasi-instantannée l'inverse de la racine carrée de nombreux nombres afin d'offrir un rendu réaliste.

En parcourant en diagonale le texte, je lis quelques bribes en passant :

The magic number 0x5f3759df

En plus il y a quelque chose de magique dans ce texte. Il faut que je le lise... mais c'est en anglais, alors je le bookmarque sur Diigo dans la catégorie "non lu" qui augmente à vue d'oeil et je procrastine, remettant la fastidieuse traduction au lendemain avant de me lancer dans l'écriture d'un billet dont le sujet s'avérait prometteur.

Au début l'histoire commençait bien, la Terre, plate puis sphérique, était au centre du monde que les Dieux tout-puissants ou le Dieu Horloger avaient créé. Les planètes et le soleil tournaient autour d'elle sur des sphères parfaites séparées par l'éther, et sur la sphère des fixes étaient accrochées les étoiles. Les relevés se sont multipliés et puis d'étranges mouvements de retour arrière de quelques planètes ont été découverts. Pas grave puisqu'il suffit de deux cercles qui roulent l'un dans l'autre pour produire cet effet. A moins que la terre ne soit pas au centre du monde, peut-être serait-ce le soleil... Le mouvement des planètes vu de la terre serait relatif et apparent mais pas absolu comme s'eût été le cas si la terre avait été fixe. On s'aperçut aussi que les trajectoires des planètes étaient bien  allongées pour être des cercles, les ellipses conviendraient mieux et c'est ce que découvrit Kepler en interprétant les nombreux relevés de Tycho Brahé. La face est sauve puisque l'on peut même construire une ellipse à l'aide de cercles, mais cela ne devait plus tellement être un sujet d'actualité tellement les croyances anciennes avaient déjà du être balayées. Le système solaire, retiré dans un coin de la voie lactée, s'est ensuite un peu endormi sur ses belles orbites elliptiques et régulières jusqu'à ce qu'un jour un mathématicien du nom de Poincaré vienne un peu le réveiller et lui souffler dans l'oreille qu'il n'était pas éternel. Les trajectoires de 3 corps en mouvement peuvent devenir très instables et leur avenir dépendre énormément des conditions initiales et donc de très faibles variations de trajectoires. Même si l'un d'entre eux est immobile, le système peut toujours être chaotique et soumis à de très fortes variations, en rendant toute tentative de lecture de l'avenir impossible. Si le système simplifié de 3  corps dont le plus massif est immobile est déjà complexe, nous pouvons imaginer ce qu'il en est avec plus de 3 corps, ce qui est le cas du système solaire actuel.

La validité éternelle d'une loi n'entraîne pas la stabilité des trajectoires, qu'on se le dise!

Lancement d'un nouvel outil de débat sur Internet : "Opinion Space"

The Berkeley Center for New Media à l'University of California, Berkeley, a lancé un nouveau système de cartographie permettant de visualiser de façon claire et représentative un ensemble d'opinion sur des sujets d'actualité. Selon .C. Berkeley Professor Ken Goldberg, membre de l'équipe qui a développé ce projet "Les nouveaux outils ont besoin d'engager activement les groupes sur Internet sur des sujets allant de l'art à la politique publique". Ceci devrait encourager le dialogue et la confrontation des idées entre les utilisateurs d'Internet. Le nom du nouvel outil : "Opinion Space".

Le concept : chaque utilisateur est interrogé à propos de cinq affirmations et code son degré d'approbation ou désapprobation. En plus il peut ajouter un commentaire libre. Ainsi recueillies, les opinions de chacun apparaissent sous la forme d'étoiles dans une constellation. Plus des opinions sont similaires et plus leurs étoiles sont proches. Le système s'appuie sur les méthodes mathématiques appelées Analyse en Composantes Principales (ou PCA en anglais). Cette solution mathématique a été choisie car elle permet de représenter plus fidèlement l'ensemble de l'opinion d'une population qu'une méthode linéaire, comme l'explique Howard Rheingold auteur de Smart Mobs "les listes linéaires sont souvent dominées par des interventions extrêmes qui peuvent simplifier à l'excès et cacher une grande variété de points de vue". Les utilisateurs peuvent manipuler une échelle pour accréditer ou discréditer une déclaration. Sur une question qui change toutes les 2 semaines, ils peuvent également entrer leurs propres réponses écrites. Il est également possible de faire évoluer sa propre opinion et de changer le placement de l'étoile dans la constellation au fil du débat. Enfin chacun peut également lire les commentaires des autres et les évaluer. Selon Jay Walsh le directeur du service de la communication de Wikimedia "Une collaboration massive est conduite par les personnes passionnées, avec des points de vue différents provenant d'expériences différentes. "Opinion Space" est un nouvel outil de visualisation excitant qui aide les personnes à apprendre et à interagir entre eux. Cette prise de conscience mutuelle pourrait avoir des implications profondes".

La première constellation, et les premières questions d'"Opinion Space" portent sur la politique américaine. Plus largement, elles couvrent l'économie, l'éducation et l'environnement. Les chercheurs de Berkeley ont également prévus d'affiner le système en ajoutant de nouvelles fonctions et de nouvelles caractéristiques. D'autre part l'outil inclut des marques spéciales sous forme de points bleus qui représentent les opinions de personnes importantes qui ont été extrapolées en fonction des convictions qu'ils affichent. Par exemple dans cette première série de questions on peut trouver l'opinion de Rush Limbaugh, Arnold Schwarzenegger, Nancy Pelosi et Ralph Nader.

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/59079.h...

Le prochain moteur de recherche sémantique WolframAlpha développé par le géant Wolfram, sera lancé le 18 mai. Il permettra directement de poser des problèmes de type mathématique. Ce sera peut-être le début de la visibilité des mathématiques pour le plus grand nombre.

Source: Le blog WolframAlpha

L'équipe de Stanislas Dehaene de l'Inserm/Cea a mis un lien assez inattendu en évidence dans le cerveau, celui de la représentation des nombres et de l'espace. Comme activité cérébrale, le calcul mental ressemblerait à un déplacement spacial. Additionner des nombres serait comme déplacer ses yeux suivant une ligne, de la gauche vers la droite, comme si les nombres y étaient représentés.

Sources : CEA, Scientific American, Libération

Photo: urbanmkr