domenica 7 settembre 2008

[Matematica nella storia] Il Caso

Il nostro amico Paolo, ci parla in questo periodo di probabilità, trattando di Elementi del calcolo delle probabilità.
Per "spezzare" un po', voglio proporre da un testo di Bruno Rosaia, la storia di

Uno strano personaggio: il Caso.
Il Caso esiste oppure no?
Vi sembrerà forse una strana domanda, ma un quesito di questo genere è proprio uno di quelli sui quali, da centinaia e centinaia di anni, scienziati e filosofi si interrogano, trovando risposte molteplici a seconda delle epoche e dei punti di vista.
Cerchiamo di capire, con un esempio.
"Perché, lasciando cadere questa moneta, essa è atterrata proprio con la "testa" rivolta verso l'alto?"
Sappiamo che: i casi possibili sono due, hanno la stessa probabilità ed è uscita la faccia "testa" "per puro caso".
Ma sentite come si esprimeva il filosofo D'Holbach, nel 1770:
"Quello che chiamiamo caso sono eventi le cui cause ci sono sconosciute e che non siamo in grado di indovinare per via della mancanza di conoscenza e di esperienza pratica... Ma la natura non è una causa cieca: non agisce per caso. Tutto ciò che essa produce non apparirebbe fortuito a chi conoscesse i modi in cui essa agisce, le sue possibilità, le strade che essa intraprende. Tutto quello che la natura produce è necessario, ed è una conseguenza delle sue leggi costanti e immutabili".

Possiamo concludere brevemente che, secondo questo punto vista, il caso non esiste.
Con il progredire delle scienze, e in particolare della matematica, questa idea di Natura completamente "prevedibile" è entrata in crisi; ecco come si esprime al riguardo Henri Poincaré, alla fine del XIX secolo:
"Se conoscessimo con esattezza le leggi della natura e lo stato dell'Universo all'istante iniziale, potremmo prevedere quale sarà lo stato di questo stesso Universo all'istante successivo. Ma quand'anche le leggi naturali non avessero per noi più segreti, potremmo conoscere lo stato iniziale soltanto approssimativamente... (inoltre) piccole differenze nelle condizioni iniziali possono generare differenze grandissime nei fenomeni finali (così che) la previsione diventa impossibile; siamo di fronte al fenomeno fortuito".

Secondo questo punto di vista qualunque conoscenza della realtà è comunque approssimata, e non è possibile eliminare la presenza del Caso.
Il dibattito scientifico e filosofico sull'argomento è
ancora aperto. Quello che può comunque affermarsi con certezza è che, malgrado il progresso delle conoscenze umane, la piena prevedibilità dei fenomeni naturali è ben lungi dall'essere raggiunta.

Le regole del gioco

Ogni gioco ha le sue regole: pensate ad esempio agli scacchi, oppure al calcio. Le regole prescrivono come ci si deve comportare nelle diverse situazioni, ma nonostante questo, nel momento del gioco il Caso si presenta di nuovo e ci consente di fare previsioni soltanto in forma di calcoli dì probabilità: se muovo il pedone in un certo modo, allora potrebbe accadere che..., se passo la palla a quel compagno, potrebbe succedere che.., e il nostro comportamento di gioco consiste nel mettere in atto le strategie più convenienti, cercando di padroneggiare il caso, misterioso e inconoscibile.
Il desiderio di sfidare il caso è vecchio come l'uomo. Gli antichi Greci e i Romani, ad esempio, giocavano a un gioco simile ai dadi, utilizzando gli astragali
(Figura), ossicini della zampa del montone.
Gli astragali venivano lanciati in terra e in base alle "facce" rivolte verso l'alto era possibile "leggere" un risultato.
Sappiamo, che ad ognuna delle 4 "facce" era attribuito un punteggio: 1 (Monas), 3 (Trias), 4 (Tetras), 6 (Hexas) e che i lati contrapposti davano come totale 7, proprio come avviene con i tradizionali dadi cubici. Ogni lato aveva anche un nome così come le varie combinazioni ottenibili lanciando tre o quattro astragali....
Ancora oggi i giochi d'azzardo attirano le folle.
Possiamo concludere che il "caso" è uno degli argomenti al centro del ragionamento scientifico e filosofico, ma anche al centro della quotidiana esperienza di vita di tutti noi, e il continuo progresso delle conoscenze umane non è ancora riuscito a domare completamente questo strano personaggio.

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sabato 6 settembre 2008

[Unità di apprendimento] Le 4 operazioni nell'insieme N dei naturali

Condivido per i colleghi eventualmente interessati, una mia Unità di apprendimento sulle 4 operazioni fondamentali nell'insieme N dei numeri naturali.
Cliccare qui per scaricare il file word.
Qualche immagine in anteprima (clic sulle immagini per ingrandire).
Mappa degli Obiettivi formativi e Obiettivi Specifici di Apprendimento


Scheda di espansione disciplinare (Matematica)

Scheda di espansione disciplinare (Informatica)

Buon lavoro!

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venerdì 5 settembre 2008

[Contributi] Elementi di Calcolo delle probabilità_3

Ecco il terzo contributo di Paolo sul calcolo delle probabilità.

Frequenza e Postulato empirico del Caso
La differenza sostanziale fra la misura della Frequenza e quella della Probabilità consiste nel fatto che la prima è sperimentale mentre la seconda è teorica.
Più precisamente, la prima misura un esperimento avvenuto (estraggo palline da un'urna che contiene un certo numero rispettivamente di palline bianche e nere e misuro quante bianche e quante nere sono state estratte), mentre la seconda un evento ipotetico date certe condizioni (con che probabilità posso estrarre una pallina bianca da un'urna che ne contiene anche di nere, in un certo numero su un totale complessivo).
Ciò premesso, si dice frequenza (relativa) di un evento E, F(E), il rapporto fra il numero delle volte che l'evento si è presentato ed il numero delle prove fatte.
La formula che l'esprime è la seguente: F(E) = M/N
dove M è il numero di volte che si presenta l'evento e N il numero delle prove fatte.
Nota: il termine prove va inteso in senso lato. Nelle Scienze sperimentali e statistiche è equivalente, più propriamente, a osservazioni.

Nel presupposto che l'evento E si presenti in tutti i casi egualmente possibili ed è quindi determinabile la sua probabilità P(E), l'esperienza ha dimostrato che in una sequenza di prove F(E) assume valori molto prossimi a P(E), in genere tanto più vicini quanto maggiore è il numero delle prove.
Questa asserzione introduce un concetto, il Postulato (o legge) empirico del caso che può essere così formulato:
"In una sequenza di prove, eseguite tutte nelle identiche condizioni, ciascuno degli eventi possibili si presenta con una frequenza che non si discosta molto dalla sua probabilità. In genere l'approssimazione cresce aumentando il numero delle prove."
Un dimostrazione significativa del postulato è data dalla seguente tabella, che mostra la frequenza di uscita dei numeri del lotto in un arco di tempo sufficientemente ampio (dal 7/1/1939 al 30/8/2008 per un totale di 44.396 estrazioni):


N.B.: per rendere paragonabile la Frequenza relativa con la Probabilità, si è moltiplicato il valore per 5 in quanto 5 sono le estrazioni per ogni giocata.
Analizzando la tabella si posso desumere due importanti osservazioni:
• la convergenza del valore della Media della Frequenza relativa (5,556%) con la Probabilità di presentarsi dell'evento (1/90+1/89+1/88+1/87+1/86 = 5,683%).
N.B. il metodo utilizzato per il calcolo della probabilità verrà precisato in un successivo articolo;
• la Media della Frequenza assoluta si discosta dalla Frequenza Assoluta minima e dalla massima rispettivamente di sole 121 e 132 estrazioni. Su 44.396 estrazioni è uno scostamento del tutto insignificante (circa lo 0,272%)
Alla prossima.
Grazie Paolo!

- Stavolta mi piace integrare l'articolo di Paolo (Paolo concorda pienamente) con un esempio riguardante la relazione tra probabilità e frequenza relativa, forse di più facile comprensione per gli studenti di una scuola media.
Per fare questo confronto utilizziamo il piano cartesiano riferendoci al diagramma che rappresenta l'andamento delle frequenze.
Ci proponiamo ad es, di calcolare la frequenza con la quale escono le diverse somme dei punteggi di due dadi, dalla più piccola, 1+1=2, alla più grande, 6+6=12, nella sequenza di un certo numero di lanci.

Supponiamo di aver lanciato effettivamente due dadi e di aver eseguito tre sequenze di lanci, una di 50 lanci, una di 200 e una di 500.
Le tabelle di frequenza in figura, riportano i risultati ottenuti nei tre casi, cioè le frequenze con cui sono uscite le somme da 2 a 12.

Questo il diagramma di frequenza

in ascissa le somme che si possono ottenere,
in ordinata le frequenze in percentuale.
I punti sono uniti per meglio visualizzare l'andamento del fenomeno
Ora in maniera analoga rappresentiamo le probabilità delle diverse somme e costruiamo il diagramma di probabilità.
Come calcoliamo le probabilità delle diverse somme?
Possiamo aiutarci con una piccola tabella dell'addizione:

Lascio a voi il calcolo della probabilità delle diverse somme!
Ricordate: P(E)=m/n
m= casi favorevoli
(ad es., quante volte può uscire la somma 3 ?)
n= casi possibili
Ecco il diagramma di probabilità:

in ascissa le somme possibili,
in ordinata il numero di casi favorevoli.
I punti rappresentano il numero di casi favorevoli per ciascun punteggio.
I punti sono anche qui uniti, possiamo
così confrontare l'andamento della probabilità con quello della frequenza.
Osservate e rispondete:
Il diagramma di probabilità è simmetrico rispetto alla retta r. Perché?
Presenta inoltre, una "punta" in corrispondenza del valore 7. Perché?
Il confronto grafico
Confrontando il grafico delle frequenze con quello delle probabilità, si può osservare che il diagramma della frequenza, all'aumentare del numero di lanci, si avvicina sempre di più al diagramma della probabilità.
Il diagramma relativo a 50 lanci presenta più punte, quello relativo a 200 lanci presenta una punta e una maggiore simmetria, quello relativo a 500 lanci presenta una sola punta e una forma che è abbastanza simile al diagramma della probabilità.
Dunque,
la frequenza tende alla probabilità: aumentando il numero di prove, la frequenza relativa si avvicina sempre di più alla probabilità.

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martedì 2 settembre 2008

I numeri di Fibonacci e la formula di Binet

Mario Livio ne "La sezione aurea", parla di esigenza di una formula maneggevole per calcolare, per qualsiasi valore di n, l'nesimo numero di Fibonacci Fn, poiché la sequenza di Fibonacci è definita in maniera ricorsiva, ovvero per trovare un numero della serie, basta conoscere tutti quelli precedenti.
Ma, è possibile calcolare direttamente il termine nesimo, senza compiere gli n passaggi di ricorsione?
Es. sappiamo che per n= 24, F24= F23+F22
ma occorre costruire l'intera successione da F1 a F23!
Ecco perché occorre una formula maneggevole!
"A metà del XIX secolo, il matematico francese Jacques Philippe Marie Binet (1786-1856) riscoprì una formula che a quanto pare era già nota nel XVIII secolo al più prolifico matematico di ogni tempo, Leonhard Euler o Eulero (1707-1783), nonché al suo collega francese Abraham de Moivre (1667-1754). La formula permette di calcolare qualunque numero di Fibonacci, purché sia noto il suo posto nella successione."

La formula di Binet
$Fn= \frac{ 1 }{ \sqrt{ 5 } } [( \frac{ 1+ \sqrt{ 5 } }{ 2} ) ^n-( \frac{ 1- \sqrt{ 5 } }{2 } ) ^n]$
Sorprende constatare che una formula di questo genere, contenente addirittura termini irrazionali, possa fornire al variare di n solo numeri naturali.
Eppure è così: svolgendo i calcoli si scopre che tutte le radici si eliminano, e la frazione si semplifica fino a fornire esattamente il numero di Fibonacci corrispondente al valore di n.
Il valore [1+radq(5)]/2 che compare nella formula, corrisponde alla famosa "sezione aurea", il numero a cui tende il rapporto fra due numeri di Fibonacci consecutivi: 1.6180339..., il numero Φ
"Per valori piuttosto grandi di n, il secondo termine in parentesi quadra diventa molto piccolo, cosicché Fn è semplicemente l'intero più vicino a Φ^n/radq(5). Per esempio, per n=10, Φ^n/radq(5)=55,0036 e il 10° numero di Fibonacci è 55"
"Per pura curiosità, potreste chiedervi se ci sia un numero di F. con 666 cifre. Il matematico e scrittore Clifford A. Pickover chiama "apocalittici" i numeri collegati al 666, e ha trovato che il 3184esimo numero di F. può essere assegnato a questa categoria, avendo 666 cifre."
"Una volta scoperti, i numeri di Fibonacci sembrano saltar fuori dappertutto, non solo nella matematica astratta ma in quella applicata e nella natura in genere. "
Ne parleremo, promesso!:-)

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