Inclassables Mathématiques 2.0

Martin Gardner est décédé en mai dernier et laisse derrière lui un nombre considérable de publications, principalement dans le domaine des jeux mathématiques. Il publia pour la première fois le problème des deux enfants dans les colonnes du Scientific American en 1959. Il le republia plus tard dans  The Second Scientific American Book of Mathematical Puzzles and Diversions. La première réponse que donna Martin Gardner était eronnée ou plutôt incomplète. Il rectifia sa réponse dans une autre  édition mais c'est la solution erronée qui est restée plus populaire que la correction. De plus, en 2010, une variante du problème des deux enfants, celle de l'enfant-mardi est apparue et est devenue un sujet "viral" dont la solution proposée présente le même défaut.

On peut certainement faire l'analogie de ce problème avec le paradoxe de Bertrand que j'avais abordé dans un billet précédent.

Le problème des deux enfants

Il s'énonce comme suit:

Mr. Smith has two children. At least one of them is a boy. What
is the probability that both children are boys?

Mr. Jones has two children. The older child is a girl. What is
the probability that both children are girls?

Imaginons une crémaillère presque verticale qui descend à vitesse régulière. Une bille est posée dessus. On appellera échec lorsque la bille arrive par exemple au sol et succès si elle arrive au plafond. Avec cette seule crémaillère la bille va descendre inexorablement vers le sol. la crémaillère descendante est donc un jeu perdant pour la bille.

Posons maintenant la bille sur une autre crémaillère qui globalement descend, mais fait des mouvements alternés de descente et de montée. Ce jeu est aussi perdant pour la bille qui descendra, comme dans le cas précédent, jusqu'au sol.

Supposons maintenant un système de couplage et de synchronisation des deux crémaillères, dans lequel la bille pourrait passer de l'une à l'autre. Parrondo a montré qu'il était possible sous certaines conditions de synchronisation de faire monter la bille jusqu'au plafond.

C'est ce que nous montre l'animation suivante décrivant en premier lieu les systèmes seuls, puis leur couplage.

Le paradoxe de Parrondo est utilisé en théorie des jeux, et ses applications en ingénierie, dynamique des populations, risques financiers font aussi l'objet de recherches. La plupart des chercheurs décrivent son utilité sur les marchés financiers comme la théorie le spécifie les 2 jeux A et B doivent être conçus pour copier un cliquet, ce qui signifie qu'ils doivent être en interaction.

Applets et article sur Cut the Knot

Les mathématiciens aiment colorier. Peut-être n'ont-ils pas eu le temps de le faire à l'école, alors ils rattrapent le temps perdu.

Dès 1852, l'un d'entre eux se demanda combien il fallait de couleurs pour colorier tous les pays de n'importe quelle carte sans que deux pays voisins n'aient la même couleur. Le problème est capital car dans le cas contraire on ne pourrait plus distinguer ces deux pays après coloriage. Il pensa que quatre devait être suffisant. Beaucoup de mathématiciens prirent aussi leurs crayons de couleurs et se mirent d'accord sur le nombre : 4 doit convenir mais ils ne s'accordèrent qu'à moitié sur la preuve car celle-ci faisait intervenir un bien étrange "personnage": un ordinateur. Bref après quelques guéguerres internes sur le style, l'incontournable boite aux quatre crayons nécessaire pour colorier toutes les cartes planes imaginables de l'univers s'appelle désormais "Théorème des quatre couleurs".

Malgré  la difficulté de la preuve et des conversations qui lui étaient associée, les mathématiciens s'ennuyaient un peu. C'est ainsi qu'en 1950, un certain Edward Nelson, agé de seulement 18 ans, lança un autre coloriage encore en vogue pour les occuper.

D'un air sans doute amusé, il soumit à la communauté, le petit problème suivant :

Combien faut-il de couleurs différentes pour colorier chaque point du plan, de façon que deux points distants d'une unité n'aient pas la même couleur?

Si les mathématiciens étaient troublés, ce n'était pas parce qu'ils se demandaient avec quel type de crayon ils allaient réaliser cet étrange travail mais plutôt pourquoi est-ce qu'ils avaient seulement réussi à démontrer qu'il fallait au moins 4 couleurs et au plus 7 pour réaliser cette activité presque manuelle? Ils ne parvenaient pas à donner le nombre exact de couleurs minimal dont ils avaient besoin pour colorier les points du plan avec cette contrainte: 4,5,6 ou 7?

Alors d'où vient la difficulté? Certainement de la théorie des ensembles à laquelle on peut adjoindre différentes versions de l'axiome du choix ou au contraire  l'en priver.

L'axiome du choix dit qu'il est possible de prélever des éléments d'ensembles différents et de construire un autre ensemble. Si l'idée parait simpliste lorsque les ensembles sont finis, elle ne l'est pas lorsqu'ils deviennent infinis.

Bertrand Russel, nous donne une vague idée de ce que peut-être l'axiome du choix au quotidien :

Pour choisir une chaussette plutôt que l'autre pour chaque paire d'une collection infinie, on a besoin de l'axiome du choix. Mais pour les chaussures, ce n'est pas la peine.

Explication :

• Quand on dispose d'une paire de chaussettes quelconque, on n'a aucun moyen a priori de distinguer une chaussette de l'autre, ce sont des objets a priori identiques et même si chaque matin on arrive à choisir laquelle on va mettre en premier, on serait bien en peine de trouver un procédé général qui nous permette de renouveler l'exploit éternellement.
• Pour les chaussures, il existe un moyen de choisir qui marche tout le temps (une fonction de choix naturelle) : choisir toujours la chaussure gauche (ou droite) puisqu'il y a toujours une chaussure gauche et une chaussure droite.

Cet axiome du choix est vraiment un élement trouble-fête. Il avait déjà permis à un étrange mathématicien peu scrupuleux de s'enrichir.

Il s'est aussi mis sur le chemin de deux mathématiciens Soifer et Shelah qui parvinrent à démontrer qu'en utilisant deux versions différentes de cet axiome, il fallait pour résoudre le même problème de coloriage, soit 2 couleurs, soit une infinité! C'est le grand écart.

Tout cela pour vous dire que les mathématiciens ont vraiment des "gros problèmes de coloriage"!

Inspiré de - Coloriages irréels - Complexités de Jean-Paul Delahaye aux éditions Pour la Science

Pour compléter sur l'axiome du choix :

Du choix dans la dissection -  sur le blog Choux romanesco et intégrale curviligne

Aurait-on pu confier le théorème de Fermat à un groupe d'Enarques qui nous auraient fait des directives, des super-directives ? Y seraient-ils arrivés en 300 ans? C'est impossible, il faut des idées!

Jean-Yves Girard (au sujet du formalisme en mathématiques - 19.45)

Une excellente conférence pleine d'humour.

• Introduction
• 10:10L'arithmétique de Peano
• 06:34Mathématique v.s informatique
• 12:20Paradoxes
• 04:40Les formalistes
• 10:58Imcomplétude
• 08:28Intuitionnismes
• 11:08Questions

Qu'est-ce que le problème de Monty Hall ? Il est issu d'un jeu télévisé.

Il y a trois cartes devant vous face cachée. L'une des trois est gagnate et vous devez la trouver.

Vous en choisissez une des trois sans la regarder.

Quelqu'un qui connait les cartes, en retourne, une des deux que vous n'avez pas choisie et qui est perdante.

Que devez vous faire? Retourner la carte que vous avez chosie initialement ou retourner l'autre ?

Les probabilités sont formelles, vous devez impérativement changer votre choix pour augmenter vos chances de gagner.

Essayez par vous même:

En 1980, le philosophe John Searle décrit une expérience théorique qu'il a nommé "Le paradoxe de la chambre chinoise" :

Une personne qui ne parle pas le chinois est enfermée dans une chambre fermée. Elle reçoit des messages glissés sous la porte d'une personne située à l'extérieur écrits en chinois.

La personne située dans la chambre dispose cependant d'un livre (code) très utile qui lui permet de reconnaître un groupe de traits et de donner en réponse un groupe de traits correspondant. Il s'agit en fait d'une réponse possible et adapté au message chinois. Elle glisse en retour ce message sous la porte.

La question est : que va penser la personne qui est à l'extérieur de la chambre puisque tout laisse supposer que quelqu'un d'intelligent connaissant sa langue est de l'autre coté de la porte, ce qui n'est pas le cas?

Pour compléter : ICI

Le podcast 79 Math pen pals en anglais de MathMutation et le texte associé : ICI

Langage, conscience, rationalité : une philosophie naturelle, entretien avec John SEARLE, PDF de14 pages

Searle pense que c'est une erreur de croire qu'on peut créer un esprit avec une machine de Türing, le cerveau est certes une machine mais il n'est pas implémenté par un processsus mathématique abstrait qui le ferait fonctionner comme une machine de Türing.

Gödel pensait un peu l'inverse: le cerveau est une machine de Türing.
Si le cerveau est une machine de Türing, comme le pensait Gödel, l'hypothèse philosophique matérialiste s'évanouissait puisque il n'y avait que deux issues possibles après cette hypothèse, soit d'avancer le théorème d'incomplétude qu'il venait d'énoncer, c'est à dire qu'il restera à tout jamais des propositions inaccessibles à l'esprit humain-machine de Türing, soit l'esprit humain est capable d'écrire des mathématiques complètes, il ne peut donc pas se réduire à une machine de Türing et possède une dimension qui dépasse la simple matérialité. Cette nouvelle dimension est celle d'un autre monde peuplé d'êtres bienveillants ou malveillants comme le précise lui-même le logicien :
"Mon théorème montre seulement que la mécanisation des mathématiques, i.e l'élimination de l'esprit et des entités abstraites, est impossible, si l'on veut obtenir une fondation et un système satisfaisants des mathématiques". Les démons de Gödel de Pierre Cassou-Noguès.

Gödel vs Searle, faites votre marché...

Accromαth est une revue semi-annuelle produite par l'Institut des sciences mathématiques et le Centre de recherches mathématiques. S'adressant surtout aux étudiants et enseignants d'école secondaire et de cégep, la revue est distribuée gratuitement dans toutes les écoles secondaires et tous les cégeps du Québec.

En avril 2007, Accromαth a remporté une médaille de bronze en graphisme dans la prestigieuse compétition mondiale des Summit Creative Awards où étaient présentées des milliers d’oeuvres en provenance de 23 pays.

Le site Accromath pour télécharger la revue : ICI

Le sommaire des deux revues précédentes : ICI

Le Sommaire du numéro 3

• Dossier Applications des mathématiques
  • Les mathématiques du coeur
  • Exercice: Simulations avec Excel
  • Fullerènes et polyèdres, Errata
    
• Dossier Grands mathématiciens
  • Simon Stevin
    
• Dossier Nombres
  • Les nombres complexes: quand l'imaginaire transcende le réel
  • Les nombres: des créations successives
    
• Dossier Probabilités et statistique
  • Au-delà des espérances de vie
    
• Rubrique des Paradoxes
  • Bien ranger son argent
    
• Section problèmes
  
• Solutions

La gifle

Beaucoup de commentaires sur ce fait d'"Hiver scolaire". On retrouve sur le Net un dessin qui en dit long , un sketch de Jean Dell associé à une analyse franche dont la conclusion ne laisse aucun doute sur la pensée de son auteur Eric :  

Triste société, tout de même, qui en est arrivée à propulser la taloche d’un adulte sur la joue d’un morpion de 11 ans, à la une de tous les journaux nationaux !
Si toutes celles que j’ai ramassées avaient subi le même traitement, j’aurai probablement mon nom placardé sur tous les murs.

Que faire avec cette gifle ? Et que faire avec cette qualification juridique: "Violence aggravée sur mineur" ? La classe à l'espace et au temps complexes devient petit à petit la scène théâtrale d'une société qui peine à réguler les frontières qu'elle a, voulu elle-même plus floues. Est-ce le lieu où doivent se trancher les débats dont la société fait l'économie? Philippe Perrenoux est là pour nous rappeler que la classe est un lieu de paradoxes dans lequel, dans une situation "normale", le professeur est confronté dans l'instant et la durée à pas moins de 11 dilemmes: prise de parole et silence, justice, norme langagière, mensonge, sphère privée, conflit, pouvoir pédagogique, bavardage, erreur, rigueur et objectivité, efficacité et temps didactique, métacommunication et sens. N'est-il pas urgent de redéfinir les contours de ce lieu de socialisation, à défaut de pouvoir être pour certains élèves, uniquement un lieu de savoir, qu'est la classe et plus généralement l'établissement scolaire dont il devient aussi courant que les WC ne soient pas utilisés par peur ou manque d'hygiène?  Si la gifle d'un enseignant sur un élève est (sur?)médiatisée, les actes et insultes des élèves à l'encontre des professeurs doit l'être tout autant puisque qu'ils sont en hausse constante. Il est maintenant possible de voir ce qui se passe à l'intérieur de certaines classes, et heureusement pas toutes, en regardant les vidéos volées par téléphones portables dans cette enceinte sur YouTube ou sur Dailymotion, allez y jeter un coup d'oeil, c'est impressionnant. Philippe Watrelot, qui rédige la revue de presse des Cahiers Pédagogiques s'est posé la question vendredi: J'en parle, je n'en parle pas ? : Je n’avais pas souhaité hier et avant-hier commenter l’ « affaire de la gifle » où un professeur de technologie avait giflé un élève de 6ème qui l’avait traité de « connard » après que l’enseignant ait mis par terre toutes ses affaires d’une table qu’il estimait mal rangée. En effet, je ne voulais pas monter en épingle un fait divers auquel on veut faire dire plus que ce qu’il signifie. Alors, je répondrai, bien sûr que oui il faut en parler, non pas pour bavarder indéfiniment autour de cette gifle mais pour permettre d'élever un vrai débat de société autour du statut de la violence verbale et physique et de son éclatement polymorphe, dont l'école ne peut-être qu'un révélateur et non un acteur. Cette difficulté d'agir, légitimement, avec suffisamment de reconnaissance politique et sociale, dans un cadre clairement défini rentre, à mon avis, pour une part importante dans le malaise enseignant, alors que dans un même temps on passe dans les discours d'une obligation de moyens à une obligation de réussite, formulée, sans intermédiaire, sans médiation, envers le professeur, indépendamment de l'état du système et de la société dans lequel il doit oeuvrer. Le professeur serait donc le seul "en responsabilité" dans ce système dont l'organisation temporelle, spatiale et sociétale lui échappe totalement! Historiquement la classe s'est constituée autour de la seule légitimité de l'enseignant et de son savoir qui lui donnait autorité. Les missions et les prérogatives de l'enseignant se sont modifiées au cours du temps pour s'adapter à la massification de l'enseignement et à sa modernisation. Arrive peut-être maintenant le moment, si l'on veut conserver ce "métier" sous cette forme traditionnelle et laisser certains jeunes en contact avec une formation intellectuelle et physique satisfaisantes, que la société toute entière réfléchisse sur la "classe", l'établissement scolaire et plus généralement sur la place de l'enfant-adolescent face à l'adulte présent et le futur adulte qu'il deviendra, en n'acceptant  le sacrifice d'aucun d'entre eux sur l'Autel National de l'Education. La formule de "L'enfant au centre du système scolaire", au milieu de tous les non-dits et des contradictions d'une société aux demandes excessives qui les révèlent, prend ici toute sa dimension  qui se résume à ce simple mot: "la gifle", celle d'un prof sur un élève mais aussi celle que toute une société d'adultes se prend sur la figure. C'est cette méta-gifle qui sera au centre du procès à venir.

J'ajouterai pour conclure,  que le plus grand mépris est l'indifférence et j'ai peur que nos écoles, collèges et lycées deviennent de plus en plus ( à moins qu'ils ne le soient déjà ), comme suite à une longue usure, ces lieux d'indifférence à la place des lieux d'action qu'ils devraient être, ... Le réveil sera d'autant plus difficile et certainement trop tardif. A moins que nous soyons en chemin vers une école 2.0 et que nous ne le voyions pas encore très clairement.

Lorsque la moyenne n'est pas la médiane....

- Papa, papa, j'ai eu 10 au contrôle de Maths , la moyenne de classe est 8, c'est bien non ?
- Donne-moi les notes de tes camarades, s'il te plaît mon petit chéri..
- Ben euh, c'est à dire que euh..... 0,0,1,1,2,10,11,11,11,12,12,12,13.
- Ah, oui je vois, tu as raison sur un point, la moyenne de classe obtenue en additionnant ces notes et en divisant par leur nombre est bien de 8 mais tu dois sans doute confondre l'interprétation de ce résultat avec celui de la médiane car, je vois bien que tu es dans la première moitié de la classe, mais pas la bonne ! Il y a 13 notes , il y a donc une valeur centrale, c'est la 7 ème note et c'est un 11. Tu as bien omis de me dire que tu étais en dessous de la médiane de la classe , qui partage l'effectif en deux ! La moyenne c'est la note que devraient avoir tous les élèves de la classe pour que la somme soit la même que celle de la série de notes précédentes soit  96 : 13 élèves qui devraient tous avoir 8. La médiane quant a elle partage l'effectif en 2 , ici il s'agit de 11 ( la 7 ème note de la série classée par ordre croissant ). On peut dire qu'au moins la moitié des élèves ont au dessus de 11. Il peut y avoir des différences importantes entre ces deux indicateurs, c'est par exemple le cas lorsque quelques valeurs très faibles ou très fortes tirent la moyenne dans un sens ou dans un autre alors que la médiane n'y est pas sensible. Par exemple, dans notre série de notes, remplacer les 12 par des 20 va augmenter fortement la moyenne alors que la médiane va rester inchangée. La confusion entre la médiane et la moyenne est courante, elle est volontaire ou non suivant que l'on veuille parfois préférer faire "parler" un indicateur plus favorable que l'autre comme notre élève avec son papa. Cette confusion intervient par exemple lors de l'utilisation de ces termes au sujet du revenu des français, le salaire moyen des français est plutôt confortable mais le salaire médian est médiocre, c'est un des éléments de la chronique "Français, vous gagnez plus que vous ne le pensez" de Philippe Jurgensen sur Canal Académie.

Mathématiques, pouvoir 

Les élections politiques démocratiques sous une apparente simplicité sont d'une complexité assez redoutable. Qui est réeelement élu à la présidence ?

Lorsque les scores des deux parties avoisinent 50% peut-on encore appeler cela un vote démocratique, tellement  les options des deux candidats sont trop proches pour pouvoir être clairement séparées. Serait-ce une nouvelle forme de dictature comme l'affirme cet article d'Agora-Vox intitulé de façon provocatrice "Dictature et mathématiques" ou un symptôme évident du bipartisme où les deux partis en concurrence placent la lutte au centre, ce qui ne permet pas de distinguer de façon très tranchée leurs positions respectives. On peut aussi se demander  à juste titre, à partir de quels résultats les chiffres donnés par des sondages ne permettent plus de les interpréter. J'avais rédigé l'article "Mensonges, mensonges" sur ce sujet à l'approche des élections présidentielles. Et pour couronner le tout, indépendamment des programmes et des résultats des sondages, les mathématiques mettent leur grain de sel pour ajouter quelques paradoxes fort peu "démocratiques"?. Kenneth Arrow prix Nobel d'économie a démontré que : les préférences de la majorité des électeurs peuvent être subverties par des élections opposant plus de deux candidats. Le marquis de Condorcet avait présenté ce problème qui s'est longtemps appelé "paradoxe de Condorcet". Sur le site de Thérèse Eveilleau, vous pourrez touver au choix "Une minorité gagnante ou Gagne qui veut" et en partie  à cause de la non-transitivité de ce type de "jeu" ! Sylvain Allemand nous rappelle l'historique du vote jusqu'à la situation actuelle, dont l'abstentionnisme est une composante importante. Dans l'article PDF de 11 pages destiné à un large public " Votes et paradoxes: les élections ne sont pas monotones " Olivier Hudry recense les principaux paradoxes en théorie du vote. Il nous rappelle la méthode que Borda opposa à Condorcet comme alternative, chacun présentant sa méthode comme la plus équitable. Rappelons au passage que c'est le même Borda, qui avec Delambre et Méchain, se chargea de la mesure de la longueur d'un arc de méridien juste après la révolution française en 1792, alors que Condorcet mettait fin à ses jours par empoisonnement en 1794. Il créa un appareil bien utile le cercle répétiteur, pour mener a bien cette mission dans un climat post-révolutionnaire tendu.

Le chaînon manquant enfin retrouvé.

Nulle part la nouvelle n'a été annoncée, pourtant, c'est bien vrai. On vient de retrouver le chaînon manquant entre l'Homo-Sapiens  et l'Homo-Honetus-Numericus ( cf An@Chronique - number wane ) . Il s'agit de l'Homo-Thétie dont on voit une représentation ci-après. Le caractère très dynamique de l'Homo-Thétie empèche pour l'instant d'en dire plus. L'un des problèmes les plus importants du moment étant de savoir qui de l'Homo-Sapiens ou de l'Homo-Honetus-Numéricus marche sur la tête et quel est le rapport, de et avec, l'Homo-Thétie. Une question centrale !

La question semble saugrenue, on se demande même comment une telle idée est concevable . Mais à y regarder de plus près, l'évacuer d'un revers de main serait un peu léger car quelques arguments tirés d'un raisonnement solide militent en la faveur du fait que nous ne le soyons pas!

Jean-Paul Delahaye nous les explique dans son excellent livre "Complexités", recueil d'articles qu'il a publié dans la revue "Pour la science".

Comme à l'accoutumée, je vais reprendre les éléments principaux sans détailler le fond de l'article auquel je vous renvoie si le sujet vous intéresse.

Nick Bostrom propose trois arguments dont la réfutation de deux d'entre eux entraîne nécessairement l'acceptation du troisième. Ces arguments s'appuient sur la notion de "société technologique arrivée à maturité".

Une société technologique parvient inéluctablement à l'idée de "simulation" et de "modélisation". Cette idée semble naturelle, comme nous pouvons par exemple le constater en ce qui concerne le climat. Une fois l'idée de simulation acceptée, il semble aussi naturel d'accepter la notion de progrès de cette simulation dont l'horizon final serait d'être capable de simuler le comportement du cerveau de façon suffisamment fine pour arriver à ce qu'il coïncide avec le nôtre et que la simulation soit suffisamment autonome et bonne pour la rendre incapable de réaliser que s'en est une.

Une société technologique arrivée à maturité est donc une société qui est parvenue au résultat précédent. Dans ce cas, le nombre de cerveaux simulés serait incomparablement plus grand que le nombre de "vrais cerveaux" qui les auraient simulés, une telle société utilisant très certainement tous les avantages de la simulation pour en tirer des conclusions sociologiques, historiques, économiques....


Les 3 arguments de Nick Bostrom sont les suivants :

Argument 1 : Toute civilisation technologique disparaît avant d'arriver à maturité.

Argument 2 : Les sociétés technologiques arrivées à maturité abandonnent les simulations de grande précision incluant le cerveau humain.

Argument 3 : Ma vie et mon environnement sont des illusions car je vis dans une simulation.

L'argument 1 est difficilement acceptable et l'est d'autant moins que les progrès dans ce domaine avancent et que l'humanité n'a pas encore disparu.

Accepter l'argument 2 va aussi à l'encontre du constat de ce qui est fait par l'homme jusqu'à maintenant et on a bien du mal à accepter l'idée d'un arrêt complet, brutal et arbitraire des progrès dans ce domaine!

Il reste donc l'argument 3....

L'article de Jean-Paul Delahaye est beaucoup plus dense et plus fouillé, il fait intervenir deux autres arguments ( que j'ai synthétisés et donc réduits).

Argument 4 : La simulation d'un cerveau ne créé pas l'équivalent d'un cerveau.

Argument 5: Il est impossible de créer une simulation si parfaite qu'aucun indice extérieur ne permettrait aux cerveaux simulés de s'apercevoir que s'en est une ( bug).

L'argument 4 est contredit usuellement et naturellement par les religions, sa réfutation demandant de nécessairement de se placer dans le champ des arguments religieux. L'argument 5 peut être contredit si l'on considère que tous les comportement irrationnels et inexplicables des humains et des sociétés entières peuvent être considérés comme des bugs.

Si vous refusez les arguments 4 et 5, il vous faut encore accepter l'argument 3....

Ajout du 10/02/2010

Avec l'aimable autorisation de JP Delahaye

Sommes-nous réels ?

Et pourtant, ils tournent......

La note de Christelle : ICI