Математические байки – Telegram
Математические байки
4.3K subscribers
1.44K photos
15 videos
27 files
914 links
Рассказы про разную математику.

Архив: http://dev.mccme.ru/~merzon/mirror/mathtabletalks/
Download Telegram
Третий способ рисовать диаграммы Юнга называется русским: это французский способ, повёрнутый на 45 градусов в положительном направлении и растянутый в корень из 2 раз — так, что диаграмма оказывается состоящей из квадратов с вершинами с целыми координатами, а каждый отрезок её внешней границы имеет наклон плюс или минус 1.
На скриншоте — иллюстрация из статьи Дэна Ромика (Dan Romik) и Петра Сняды (Piotr Sniady), Jeu de taquin dynamics on infinite Young tableaux and second class particles, Ann. Probab. 43:2 (2015), pp. 682-737.
Математические байки
Третий способ рисовать диаграммы Юнга называется русским: это французский способ, повёрнутый на 45 градусов в положительном направлении и растянутый в корень из 2 раз — так, что диаграмма оказывается состоящей из квадратов с вершинами с целыми координатами…
Этот способ, хоть сначала и кажется странным (зачем на 45 градусов поворачивать, рисовать же неудобно!), оказывается очень полезным. А именно — можно продолжить внешнюю границу диаграммы графиком y=|x| (как на рисунке у Ромика-Сняды и сделано). И получить график непрерывной кусочно-линейной функции на всей прямой.
А этот график можно задавать плюсами и минусами — в зависимости от того, её наклон на очередном отрезке [n,n+1] равен +1 или -1. Или — поместить по чёрному камушку в середину каждого отрезка графика, идущего с коэффициентом наклона -1, и по белому — с коэффициентом наклона +1, а потом спроецировать эту конфигурацию на ось абсцисс и получить расстановку чёрных и белых камушков на прямой.
Можно, кстати, белые камушки не ставить, а считать, что во всех полуцелых точках прямой выкопаны лунки — только некоторые из них заняты камнями, а некоторые нет.
Да, для того, чтобы мы восстановили диаграмму, "вписанную" в график y=|x|, нужно, чтобы:
*) в минус бесконечности, начиная с некоторого момента все лунки были бы заняты;
*) в плюс бесконечности, начиная с некоторого момента все лунки были бы свободны;
*) число свободных лунок левее нуля совпадало бы с числом занятых лунок правее нуля.
Если последнее не выполнено, то при попытке восстановить мы получим диаграмму, у которой смещено "начало" — вписанную в какой-то другой угол y=|x-k|, где k целое (это разность занятых левее нуля и свободных правее нуля).

Получающаяся расстановка называется диаграммой майя для данной диаграммы Юнга; её замечательное свойство в том, что добавление одной клетки к диаграмме Юнга это в точности перемещение одного камня на один шаг вперёд.

Вот один такой пример (рисунок из препринта A. Gordenko, Limit shapes of large skew Young tableaux and a modification of the TASEP process).
===
Давайте я сделаю небольшую паузу — хотя история про пентагональную теорему не закончена! — и поделюсь замечательным видео, которое выложили организаторы ICM-2022 как анонс их конкурса.

Группа SL(2,Z) действует на верхней полуплоскости дробно-линейными преобразованиями — матрица (a, b \\ c, d) действует преобразованием
z-> (az+b)/(cz+d);
при этом минус тождественная матрица действует тоже тождественно, поэтому на самом деле действует группа
PSL(2,Z)=SL(2,Z)/{Id, -Id}.

Фактор верхней полуплоскости по её действию это модулярная кривая, на которой есть две конические особенности (i и e^{πi/3}, "отвечающие" квадратной и треугольной решёткам, если думать об этом действии в терминах решёток на плоскости) и один касп = "проколотая точка", отвечающий направлению "вверх на бесконечность" (или, что то же самое, вырождению решётки).

У этого действия есть стандартная фундаментальная область (склейкой границ которой модулярная кривая и получается) — вот так она выглядит в верхней полуплоскости.
Но верхняя полуплоскость переводится в единичный диск дробно-линейным преобразованием
z -> (z-i)/(z+i)
(переводящим вещественную прямую в единичную окружность), так что PSL(2,Z) действует и на единичном диске, и можно рисовать фундаментальную область и там. И вот она, на первых кадрах ролика. (Кстати, дуга единичной окружности при таком преобразовании действительно переходит в вертикальный отрезок!)

(Image credit: ICM 2022)
Рассмотрим теперь подгруппу Г(5), состоящую из матриц, сравнимых с плюс или минус тождественной по модулю 5. Иными словами — ядро (сюръективного) отображения "приведения по модулю 5"
PSL(2,Z) -> PSL(2, Z/5Z).

Эта подгруппа имеет индекс, равный порядку PSL(2,Z/5Z); каковой, в свою очередь, равен
(5^2-1)*5/2=24*5/2 = 12*5=60:
если мы строим матрицу из SL(2,Z/5Z), то первый столбец может быть любым ненулевым вектором из (Z/5Z)^2, поэтому там 24 варианта, а у второго всегда ровно 5, чтобы определитель был единичным. Ну и пополам, потому что факторизуем по плюс-минус единице.

Объединив соответствующие образы фундаментальной области (по одному на класс смежности), можно получить фундаментальную область для действия Г(5).
Если фактор полуплоскости по действию PSL(2,Z) был сферой с одним каспом (и двумя коническими особенностями) — то фактор по действию Г(5) оказывается сферой с 12 каспами.

Раньше, при факторизации по PSL(2,Z), у нас была точка "на бесконечности i∞", с координатой q=exp(2πi z) в её окрестности (сдвиг z на 1 значения q не меняет, чем больше мнимая часть z, тем меньше модуль q, но нулём он никогда не будет — так что там фактор устроен, как проколотая окрестность нуля).

Теперь в группе Г(5) нет отображения z->z+1, зато есть отображение z->z+5. Поэтому в один из таких каспов собирается идущая "на i∞" полоса шириной 5 (с помощью отображения z-> q=exp(2πi z/5) ).

А жорданова клетка
(1 1)
(0 1),
соответствующая преобразованию z->z+1, этот касп оставляет на месте, поворачивая q на (1/5) оборота — и порождённая ей подгруппа порядка 5 это и есть стабилизатор этого каспа.
Image credit: ICM 2022
И теперь на сфере-факторе появляется замечательная картина: 12 точек-каспов, окружённых пятиугольниками, которые факторгруппа
PSL(2,Z)/Г(5)=PSL(2,Z/5Z)
умеет поворачивать и переставлять друг в друга. Конечно, это вершины икосаэдра — а пятиугольники, их содержащие, образуют двойственный додекаэр!
В частности — группа PSL(2,Z/5Z) это группа движений додекаэдра, то есть A_5 !

Image credit: ICM 2022
По-моему, очень красиво!
https://arxiv.org/abs/1010.3465
(G.Blekherman. Nonnegative Polynomials and Sums of Squares)

«It is a central question in real algebraic geometry, whether a non-negative polynomial can be written in a way that makes its nonnegativity apparent, i.e. as a sum of squares of polynomials (or more general objects). Algorithms to obtain such representations, when they are known, have many applications in polynomial optimization [9],[10],[11].

The investigation of the relation between nonnegativity and sums of squares began in the seminal paper of Hilbert from 1888. Hilbert showed that every nonnegative polynomial is a sum of squares of polynomials only in the following 3 cases: univariate polynomials, quadratic polynomials and bivariate polynomials of degree 4. In all other cases Hilbert showed existence of nonnegative polynomials that are not sums of squares. Hilbert’s proof used the fact that polynomials of degree d satisfy linear relations, known as the Cayley-Bacharach relations, which are not satisfied by polynomials of full degree 2d [14],[15].

Hilbert then showed that every bivariate nonnegative polynomial is a sum of squares of rational functions and Hilbert’s 17th problem asked whether this is true in general. In 1920’a Artin and Schreier solved Hilbert’s 17th problem in the affirmative. However, there is no known algorithm to obtain this representation. In particular we may need to use numerators and denominators of very large degree, thus representing a simple object (the polynomial) as a sum of squares of significantly more complex objects [3].

It should be noted that Hilbert did not provide an explicit nonnegative polynomial that is not a sum of squares of polynomials, he only proved its existence. The first explicit example appeared only eighty years later and is due to Motzkin. Since then many explicit examples of nonnegative polynomials that are not sums of squares have appeared [14].»
и вот еще такой текст
https://www.math.ens.fr/~benoist/articles/CarresEMS.pdf
(Oliver Benoist. Writing Positive Polynomials as Sums of (Few) Squares)

«In 1927, Artin proved that a real polynomial that is positive semidefinite is a sum of squares of rational functions, thus solving Hilbert’s 17th problem. We review Artin’s Theorem and its posterity, browsing through basic examples, classical results and recent developments. We focus on a question first considered by Pfister: can one write a positive semidefinite polynomial as a sum of few squares?
16 мая 2021 года — 200 лет Чебышеву (произносится ЧебышЁв, пишется — Чебышев)

Самая крутая лекция (Этьена Жиса, по английски, тут по французски, см. также sine Gordon) про Чебышёва, геометрию, поверхности, как сшить форму для сферического солдата (а что человек имеет форму шара [по воскресении], то было анафематствовано поместным собором в Константинополе в 543 году в числе заблуждений оригенистов).

и лекция Коли Андреева о механизмах Чебышева
4 мая по старому стилю в 1821 году родился великий российский математик Пафнутий Львович Чебышев. Сегодня, 4 мая 2021 года запущена новая современная версия интернет-музея «Механизмы П.Л. Чебышева» https://tcheb.ru/. Обновление проекта приурочено к 200-летнему юбилею великого математика, который будет отмечаться в день его рождения по новому стилю – 16 мая и в последующие дни.

Академик Императорской Санкт-Петербургской академии наук, основатель Санкт-Петербургской математической школы доказал фундаментальные результаты во многих областях математики. Это и теория чисел, и теория вероятности, и теория функций. Совмещение результатов по теории приближения функций, основоположником которой общепризнано является Чебышев, и метрическому синтезу механизмов привело к созданию более 30 интересных механизмов Они выставлялись на всемирных выставках, некоторые до сих пор хранятся в Политехническом музее г. Москвы, в музеях Санкт-Петербурга, Парижа и Лондона.

В годы Великой отечественной войны к исследованию механизмов и теорем Чебышева по метрическому синтезу механизмов академика И.И. Артоболевского подтолкнули практические задачи. Это была «вторая жизнь» механизмов. А «третья жизнь» началась уже в XXI веке, с появления фильма о движении «Стопоходящей машины», созданной Чебышевым. В 2007 году в первые «премьерные дни» его посмотрели более 100 тысяч человек и сейчас уже на ютубе можно встретить много моделей, сделанных школьниками. С этого фильма и начался проект «Механизмы П.Л. Чебышёва».

В проекте реконструированы все механизмы, созданные великим математиком. Среди них — первая в мире шагающая машина («стопоходящая»), «сортировалка», «самокатное кресло», «гребной» механизм и многие другие изобретения. Были тщательно измерены все параметры оригиналов и точно реконструированы механизмы, хранящиеся в музеях. Утраченные предметы восстанавливались по архивным документам. В фильмах проекта демонстрируется как принцип действия механизмов, так и их математическая основа – приближение заданной линии (отрезок, дуга окружности, полная окружность и др.) шатунной кривой.

Новая версия проекта стала более современной: обновлена и основанная, и мобильная версии. Все фильмы теперь представлены в 4K-разрешении. Дополнена и ещё будет дополняться информация, появившаяся уже после создания первой версии.
Математические байки
Да, для того, чтобы мы восстановили диаграмму, "вписанную" в график y=|x|, нужно, чтобы: *) в минус бесконечности, начиная с некоторого момента все лунки были бы заняты; *) в плюс бесконечности, начиная с некоторого момента все лунки были бы свободны; *) число…
Давайте продолжим про тройное произведение?

У его доказательства, которое мы сейчас проведём, есть физическая мотивация, которая сама по себе интересна. Но прежде, чем её рассказывать, я хочу предупредить, что уровень аккуратности моего рассказа этой физической части — рыбацкая байка. А, как известно, рыбацким рассказам о том, как в озере Глубоком у деревни Новодарьино попался воот такенный сомище — стоит верить в том, что озеро Глубокое и впрямь существует. Ну, если рассказчик и впрямь заслуживающий доверия — ещё что рыба в том озере есть. Хоть какая-то.

И для этой физической части мы вернёмся чуть меньше, чем на сотню лет назад. Уже написано уравнение Шрёдингера — но оно не дружит с теорией относительности. А ещё в поле притяжения точечного заряда (читай, атома) оно без доработки напильником предсказывает в два раза меньше состояний электронов, чем надо бы: тот самый спин, стрелочки вверх и вниз, которые на уроках химии рисуют в клеточках, приходится "вручную" добавлять отдельно. (Или "двухместность" комнат в статье "Дом для электронов" Валерии Сироты в "Квантике" — снимаю шляпу и пользуюсь случаем порекламировать, ибо рассказ совершенно замечательный.)

И Поль Дирак в 1928-м выводит "дружащее с преобразованиями Лоренца" уравнение, уравнение Дирака.
Первые полтора абзаца статьи Дирака "The Quantum Theory of the Electron" (Proceedings of the Royal Society of London. Series A, vol. 117, issue 778, 01 February 1928).
(Кстати — интересно, насколько легко текст читается!)
Сейчас неважно, как именно оно устроено — а важно то, что у него оказался, на первый взгляд, большой дефект: даже просто в вакууме в дополнение к куче [обобщённых] состояний со сколь угодно большой положительной энергией (что логично — кинетическая энергия может быть сколь угодно большой, берём да разгоняем) у него оказывались состояния с такой же, но отрицательной энергией.

А это уже создавало проблему: точно так же, как электрон у атома из возбуждённого состояния "проваливается" обратно, излучая фотон — так вот, точно так же электрон мог и должен был бы проваливаться всё глубже и глубже в эти отрицательные состояния. А этого мы не видим.
Ещё один абзац из статьи Дирака, на этот раз, присланной 6 декабря 1929 года и вышедшей 1 января 1930 года —
Dirac Paul Adrien Maurice, Theory of electrons and protons, Proc. R. Soc. Lond. A, 126, pp. 360--365.
Да, про излучение фотонов перепрыгивающими на более низкую орбиталь возбуждёнными электронами — мне хочется вспомнить вот эту серию из "Нобелевского сезона" "Смешариков" про фейерверки и цвет пламени; да, конечно, электроны "на орбитах" это ещё не квантовая механика, но для детей очень приятно сделано!