2016年10月31日 星期一

[翻譯]Arthur Cayley,矩陣理論紀要(A Memoir on the Theory of Matrices),part: 1

----------說明開始----------

說明:

從今日開始,我會開始著手翻譯偉大的英國數學家Arthur Cayley所撰寫的關於矩陣論的著名論文A Memoir on the Theory of Matrices(矩陣理論紀要)。因為我個人的壞習慣,沒辦法有條理的安排教學工作、研究以及生活,所以無法承諾更新進度。不過這篇論文總共24頁,我想今年現在到十二月底還有兩個月,應該是有希望在2106年完成翻譯。

我的英文程度沒有很好,翻譯也只是出自個人興趣,希望想多了解一下偉大天才的思考邏輯,從而可以稍稍學習一點。如果有任何翻譯問題,還請讀者不吝賜教。

基本上我每次更新都是一小段,中英對照,先英文再中文,部分數學符號會更改為現代通用符號。翻譯行文盡量做到信、達由於英文和中文兩語種之間不存在雙射(bijection),所以翻譯時實際多採意譯,努力做到行文流暢而不失原意的程度。

----------說明結束----------

----------翻譯開始----------

A Memoir on the Theory of Matrices


By Arthur Cayley, Esq., F.R.S.


Received Decembed 10, 1857,-Read January 14, 1858.

The term matrix might be used in a more general sense, but in the present memoir I consider only square and rectangular matrices, and the term matrix used without qualification is to be understood as meaning a square matrix; in this restricted sense, a set of quantities arranged in the form of a square, e.g.
$$
\left |
\begin{array}{ccc}
a & b & c \\
a' & b' & c' \\
a'' & b'' & c'' \\
\end{array}
\right |
$$
is said to be a matrix.

矩陣理論紀要


Arthur Cayley先生, 皇家學會會士 撰

1857年12月10日收稿,1858年1月14日宣讀

「矩陣(Matrix)」一詞應可在更多方面有更加廣泛的運用,然而在本紀要中,我只考慮方陣(square matrices)與長方陣(rectangle matrices),此外若無特別說明,以下所提及的矩陣應理解為方陣;按此限制,將一組量(quantity)排成正方形格式,例如
$$
\left |
\begin{array}{ccc}
a & b & c \\
a' & b' & c' \\
a'' & b'' & c'' \\
\end{array}
\right |
$$
就稱為「矩陣」。

----------翻譯結束----------

----------註記開始----------

「Esq.」是什麼?

查閱劍橋網路辭典(Cambridge Dictionary),得到如下資訊

原來Esq.其實是Esquire的縮寫,有兩種意思:英式用法大概可以翻譯成「先生」、「閣下」;美式用法大概就是「律師」。

雖然Arthur Cayley曾經擔任過相當長一段時間的律師,但本篇論文發表於1857年,而Cayley是英國人,皇家學會應該不會使用美式用法去敬稱Cayley律師為「Arthur Cayley, Esq」,所以我這裡決定翻譯成「先生」。

----------註記結束----------

2016年10月24日 星期一

樂透,$n$顆球,取$r$顆球,完全沒有連號/有部分連號

近來為準備機率教材,翻閱了張振華先生所著《機率好好玩》[1]。目前讀到第9章,覺得難度不高,每一章都引用了真實新聞報導來討論機率概念,我覺得相當有趣,希望年底可以把整本書消化完畢,把精華部份寫到講義裡,讓學生在學習機率時,不是只面對虛假的人為情境,而認識到真實世界中處處充滿數學問題,尤其機率與每個人的生活具有相當大的關聯性。

若是要批評這本書(前9章)的缺點,我想在於對部分數學公式解釋的不夠清晰,多數只是點到為止,例如在介紹組合數$C^n_r=\frac{n!}{r!(n-r)!}$時,僅僅給一個例子,太薄弱了。對我這樣的行內人來說沒什麼,但對於一般讀者,可能還是讀完例子仍無法體會該公式的內涵。

在第9章,張振華先生介紹了樂透相關機率的計算,其中「所開獎號中,有連號現象(部分連號/完全連號)的機率」一段,張先生雖然在注釋給出了計算公式$P=1-\frac{C^{n-r+1}_r}{C^n_r}$,但卻說推導繁雜,所以就略去推導過程。

我自2016/10/22的晚上開始思考這個公式的由來,一時沒想出來,隔天上班繼續想,仍然沒有頭緒(題外話,雖然我以教數學為業,不過自身的數學屬性似乎偏向幾何方面,組合學一直以來不算相當拿手)。上網查了查資料,看到黃文璋教授發表在《數學傳播》期刊上的文章〈隨機與密碼〉[2],其中的例題4也談到此公式,然而也沒給出推導。

到了晚上為高三再興模擬考班檢討模擬考的時候,題目之中有一題:
某個數學測驗有10題是非題,若題目敘述正確則寫O;若敘述錯誤則寫X。小明作答完成後發現他的答案中沒有連續2題出現O,請問小明的答案有多少種可能情況?(可能10題都是X) 
其實本題出自於2011年台北區公立高中數學甲模擬考第一次(http://web.tcfsh.tc.edu.tw/jflai/rab/RA569.swf),非選題第1題。解析是考慮小明寫O的個數來分類討論。例如小明完全沒寫O,這樣是1種。小明只寫1個O,那這樣有10種。但接下來的情況比較困難一點點。當小明寫了2個O,此時不能讓這2個O在一起,所以在這2個O之間必須插入至少1個的X。2個O會分出3段空間(假定寫出來的格式為一橫排,由左而右書寫),我們要拿8個X去填入這3段空間,而且中間的空間至少要填1個X,不難思考這樣的方法數計算應該利用「重複組合」。我們可以假設(由左而右)第1段空間要填入$x_1$個X,第2段空間要填入$x_2$個X,第3段空間要填入$x_3$個X。於是乎就得到方程式
$$
x_1+x_2+x_3=8
$$
但注意其中$x_2 \geq 1$,所以不能直接套用非負整數解個數公式。我們先塞1個X給$x_2$,於是方程式變成
$$
x_1+x_2'+x_3=7
$$
這下就可以直接套用公式了。這個情況(小明寫了2個O,不連續出現)的方法數有$H^3_7=C^{3+7-1}_7=C^9_7=36$種。至於其他情形,想法是類似的,我在此就不一一細談,只再說一句,該題的答案是144種。答案可參考台中一中退休老師賴瑞楓老師的網站:http://web.tcfsh.tc.edu.tw/jflai/ans/ans110415.swf

那麼這題跟我們原先談的樂透連號機率有什麼關係呢?事實上,我們原先所討論的題目,若是搬到這題,就變成
某個數學測驗有$n$題是非題,若題目敘述正確則寫O;若敘述錯誤則寫X。小明作答完成後發現他的答案中寫了$r$個O,但沒有連續2題出現O,請問小明的答案有多少種可能情況?
這裡,測驗=樂透,$n$題是非題=$n$顆球,$r$題寫O=選$r$顆球,沒有連續2題出現O=沒有連號。那這樣我們就有機會推出「樂透開獎完全不連號的機率」。

$r$顆球排成一橫排,可以製造出$r+1$個空間,我們拿$n-r$個X填入這$r+1$個空間。假設第1個空間填入$x_1$個X,第2個空間填入$x_2$個X,...,第$r+1$個空間填入$x_{r+1}$個X,那麼就得到方程式:
$$
x_1+x_2+\cdots+x_{r+1}=n-r
$$
但注意因為不連號,所以從第2個空間(第1顆球與第2顆球所夾住的空間)到第$r$個空間(第$r-1$顆球與第$r$顆球所夾住的空間),每個都要填入至少1個X,因此就有$x_1 \geq 0, x_2 \geq 1, \cdots, x_r \geq 1, x_{r+1} \geq 0$。因此為了能使用非負整數解個數公式,我們便先對$x_2$到$x_r$這$r-1$個變數各個先給1,於是方程式變為
\begin{eqnarray*}
&x_1+x_2'+\cdots+x_r'+x_{r+1}&=n-r-(r-1)\\
&x_1+x_2'+\cdots+x_r'+x_{r+1}&=n-2r+1
\end{eqnarray*}
其中$x_1 \geq 0, x_2' \geq 0, \cdots, x_r' \geq 0, x_{r+1} \geq 0$,所以利用非負整數解個數公式得到解數$=H^{r+1}_{n-2r+1}=C^{(r+1)+(n-2r+1)-1}_{n-2r+1}=C^{n-r+1}_{n-2r+1}=C^{n-r+1}_{(n-r+1)-(n-2r+1)}=C^{n-r+1}_{r}$種。

結論是,$n$號選$r$號的樂透,開獎號碼完全不連號的情況共有$C^{n-r+1}_{r}$種;$r$號中有部分號碼連號(包含完全連號)的情況共有$C^n_r-C^{n-r+1}_{r}$種。因此,無論是張振華先生的著作,還是黃文璋教授的文章中的公式,我們都可以推導出來:
$$
P(\text{開獎號碼中有連號})=1-P(\text{開獎號碼完全不連號})=1-\frac{C^{n-r+1}_{r}}{C^n_r}
$$

參考資料:

[1] 張振華,機率好好玩(3版),2014年,台北:五南
網路書店博客來http://www.books.com.tw/products/0010647152
[2]黃文璋,隨機與密碼,數學傳播,第28卷第2期,pp.1-15
http://web.math.sinica.edu.tw/math_media/d282/28201.pdf
亦可見黃教授在國立高雄大學統計研究所的網頁「追求明牌」
http://www.stat.nuk.edu.tw/prost/lottery/nameplate/nameplate.htm

2016年10月6日 星期四

中垂線判別法

=中垂線判別法=

考慮$\overline{AB}$及一點$P$,若有$\overline{PA}=\overline{PB}$,則$P$必在$\overline{AB}$的中垂線上。

換句話說,若是某點與某線段的兩端點等距,則該線段的中垂線必定穿過某點。

=證明=

若$P$在$\overline{AB}$上,那麼$P$顯然是$\overline{AB}$的中點,當然也就會在$\overline{AB}$的中垂線上。這是一個極端trivial的情況。

以下討論$P$在$\overline{AB}$上的情況。

取$\overline{AB}$的中點為$M$,考慮$\triangle PAM$及$\triangle PBM$。由於$\overline{PA}=\overline{PB}, \overline{PM}=\overline{PM}, \overline{AM}=\overline{BM}$,所以$\triangle PAM \cong \triangle PBM$(SSS全等)。又$\overline{AM}$與$\overline{BM}$同在$\overline{AB}$上,所以有

\begin{eqnarray*}
90^{\circ}
&=& \frac{1}{2} \times 180^{\circ} \\
&=& \frac{1}{2} \times (\angle PMA + \angle PMB) \\
&=& \frac{1}{2} \times (\angle PMA + \angle PMA) \\
&=& \frac{1}{2} \times 2 \angle PMA \\
&=& \angle PMA
\end{eqnarray*}

所以$P, M$所決定之直線為$\overline{AB}$的中垂線(通過$\overline{AB}$的中點M,且與$\overline{AB}$垂直)。

(證明終了)

中垂線性質

=中垂線性質=

考慮線段$\overline{AB}$,設$L$為其中垂線。若$P$為$L$上任一點,則$\overline{PA}=\overline{PB}$。

換句話說,中垂線上任一點到線段兩端點等距。

=證明=

假設$\overline{AB}$的中點為$M$。顯然有$\overline{MA}=\overline{MB}$。所以以下討論$P \neq M$之情況。

考慮$\triangle PMA$與$\triangle PMB$,皆為直角三角形,其中$\overline{MA}=\overline{MB}$且$\overline{PM}$為共用邊。應用商高定理(Pythagoras' theorem),得

\begin{eqnarray*}
\overline{PA}
&=& \sqrt{\overline{MA}^2 + \overline{PM}^2} \\
&=& \sqrt{\overline{MB}^2 + \overline{PM}^2} \\
&=& \overline{PB}
\end{eqnarray*}

(證明終了)

等線段作圖(複製線段)的檢討

摘要


本文先簡述尺規作圖中關於直尺與圓規的基本限制,而後對《幾何原本》(Euclid's Element)第1卷性質2「一直線,線或內、或外有一㸃,求以㸃為界,作直線與元線等。」回顧傳統作法,並給出我的一個作圖法。

1. 尺規作圖公理

本節內容主要引自維基百科Compass-and-straightedge construction條目。譯文與評註由我給出。

1.1 直尺的限制

[條目原文]
The straightedge is infinitely long, but it has no markings on it and has only one straight edge, unlike ordinary rulers. It can only be used to draw a line segment between two points or to extend an existing segment.

[譯文]
作圖的直尺具有無限長度,尺上並無任何刻度,而且整把尺只有一側是平整的,迥異於一般所見到的直尺。作圖的直尺只能畫出相異兩點之間的直線,或是延長已給線段。

[評註]
「整把尺只有一側是平整的」乍看有點奇怪,何必特意加上這個條件呢?事實上,我們一般所見到的直尺,長端的兩側是平行的!這個條件避免了作圖者利用一般直尺所具有的特徵來作出平行線。

1.2 圓規的限制

[條目原文]
The compass can be opened arbitrarily wide, but (unlike some real compasses) it has no markings on it. Circles can only be drawn starting from two given points: the centre and a point on the circle. The compass may or may not collapse when it's not drawing a circle.

[譯文]
圓規兩腳可以任意幅度張開,然而,在圓規上頭並無任何刻度(不若一些實際的圓規)。對於任給相異兩點,可以其中任意一點為圓心,而另一點為圓周上的一點來作出圓形。當作圖者未拿著用圓規作圖之時,圓規可能會收合起來,也有可能維持原狀而未收合。

[評註]
「當作圖者未拿著用圓規作圖之時,圓規可能會收合起來,也有可能維持原狀而未收合。」是一個重要的立論基礎。在原條目中,又有一段文字補充此句話:
The modern compass generally does not collapse and several modern constructions use this feature. It would appear that the modern compass is a "more powerful" instrument than the ancient collapsing compass. However, by Proposition 2 of Book 1 of Euclid's Elements, no power is lost by using a collapsing compass. Although the proposition is correct, its proofs have a long and checkered history.
(譯文:現代的圓規一般來說在未作圖的時候不會收合起來,所以有些現代的作圖法會利用此特性來作圖。事實上,相較於古代無法維持開合幅度而會收合起來的圓規,現代圓規是更具方便性的作圖工具。不過,根據Euclid《幾何原本》第1卷性質2,作圖時使用無法維持開合幅度而會收合起來的圓規並不會有任何影響,這一點的證明已在歷史上有著長久的討論與驗證) 
在單維彰教授寫給高中學生的補充教材〈尺規作圖複製長度〉[1]一文中,強調了「尺規作圖中所利用的圓規無法維持開合幅度而會收合起來」這樣的特性!單教授寫道:
有些教科書,要人張開圓規,將腳和筆分別對準一根直線段$\overline{AB}$的兩端點,把腳移去$C$點,畫出一點$D$,則得到與$\overline{AB}$等長的$\overline{CD}$線段。這就是所謂的『複製線段』。以今日製造圓規的技術,的確可以這樣複製線段。但是,這卻不是所謂的『尺規作圖』。尺規作圖是古希臘人定的規矩,你也可以將它視為一種智力上的遊戲規則。在實用上,當然不必固守古人的規矩。不過,如果要認真執行所謂的『尺規作圖』,當然就要認真地服從當初定下的遊戲規則。否則,就別說自己是在尺規作圖。
這樣的批評自然有其道理。我認為,從兩方面來看。若是考慮嚴格的數學論證,當然這樣的批評擲地有聲。然而,換個角度來看,就教育實務來說,有無必要在課堂上對這樣的細節進行討論,可能要視學生程度(興趣、數學成熟度)以及課程時數來決定。另外,由於大家都活在現代,打小長大,所見到的圓規都是「可以固定開合幅度」,強調「尺規作圖所用圓規無法維持開合幅度」或許對學生來說反而感覺怪異。所以數學嚴格性無法與教學現場相調和?我想未必。至少,在編輯教材之際,強調數學史,讓學生穿越時空回到古希臘時代,想像自己拿個古代鱉腳的圓規在雅典學院前討論數學,或許這樣浪漫的想像可以讓學生對尺規作圖這樣的「怪異限制」有所體會。更具體來說,我們或許可以考慮編寫兩種版本的教材,一種是詳盡的引導,如前所述,引入數學史,細緻而平緩的討論各種數學概念。另一種則是速食性質的教材,所謂食譜類型的,適用於對數學興趣不高或是理解力較弱的學生。

1.3 作圖公法

本小節引自中文維基百科【尺規作圖】。

以下是尺規作圖中可用的基本方法,也稱為作圖公法,任何尺規作圖的步驟均可分解為以下五種方法:

  • 通過兩個已知點可作一直線。
  • 已知圓心和半徑可作一個圓。
  • 若兩已知直線相交,可求其交點。
  • 若已知直線和一已知圓相交,可求其交點。
  • 若兩已知圓相交,可求其交點。


2. 等線段作圖

2.1 傳統作法

以下引自單維彰教授的文章。




2.2 我的作法

我認為傳統的做法相當不容易想到,至少對我來說是如此。我看完整個證明,可以理解邏輯的正確性,然而,還是無法完全掌握其中的思考流程,尤其是一開始畫出正三角形,實在費解。

因此我個人構思了一個做法,自己認為比較直觀,而且符合教學現場中學生的預備知識。


 




2.3 檢討

我的想法,主要還是利用對稱性。至於要產生對稱性,自然就會想到作中垂線。這裡可能會被詬病的一點在於中垂線作圖在《幾何原本》中是後面的命題。但我是認為啦,在中學階段所學到的幾何,到底公理之中涵蓋了哪幾條,也就是我們到底可以從那些公理出發,才是問題的癥結點。畢竟學尺規作圖的時候,現行課綱還沒談到三角形全等。如果先已知三角形全等公理(SSS),那麼我的這個做法也就大概沒什麼問題。

有任何問題歡迎各位朋友留言或寫信給我。

參考文獻

[1] 單維彰,尺規作圖複製長度,http://www.sanmin.com.tw/learning/science/highschool/math_text/p6.pdf





2016年10月2日 星期日