home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Danny Amor's Online Library / Danny Amor's Online Library - Volume 1.iso / html / faqs / faq / sci-math-faq / part2 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1995-07-25  |  38.0 KB  |  909 lines

  1. Subject: sci.math: Frequently Asked Questions [2/3]
  2. Newsgroups: sci.math,sci.answers,news.answers
  3. From: alopez-o@maytag.uwaterloo.ca (Alex Lopez-Ortiz)
  4. Date: Wed, 5 Oct 1994 15:36:42 GMT
  5.  
  6. Archive-Name: sci-math-faq/part2
  7. Last-modified: June 27, 1994    
  8. Version: 5.0
  9.  
  10.  
  11. This is a list of Frequently Asked Questions for sci.math (version 5.0).
  12. Any contributions/suggestions/corrections are most welcome. Please use
  13. * e-mail * on any comment concerning the FAQ list.
  14.  
  15. Section 2 of 3, questions 6Q to 18Q.
  16.  
  17.              Table of Contents
  18.              -----------------
  19.  1Q.- Fermat's Last Theorem, status of ..
  20.  2Q.- Values of Record Numbers
  21.  3Q.- Formula for prime numbers...
  22.  4Q.- Digits of Pi, computation and references
  23.  5Q.- Odd Perfect Number
  24.  6Q.- Computer Algebra Systems, application of ..
  25.  7Q.- Computer Algebra Systems, references to ..
  26.  8Q.- Fields Medal, general info ..
  27.  9Q.- Four Colour Theorem, proof of ..
  28. 10Q.- 0^0=1. A comprehensive approach
  29. 11Q.- 0.999... = 1. Properties of the real numbers ..
  30. 12Q.- There are three doors, The Monty Hall problem, Master Mind and
  31.       other games ..
  32. 13Q.- Surface and Volume of the n-ball
  33. 14Q.- f(x)^f(x)=x, name of the function ..
  34. 15Q.- Projective plane of order 10 ..
  35. 16Q.- How to compute day of week of a given date
  36. 17Q.- Axiom of Choice and/or Continuum Hypothesis?
  37. 18Q.- Cutting a sphere into pieces of larger volume
  38. 19Q.- Pointers to Quaternions
  39. 20Q.- Erdos Number
  40. 21Q.- Why is there no Nobel in mathematics?
  41. 22Q.- General References and textbooks...
  42. 23Q.- Interest Rate...
  43. 24Q.- Euler's formula e^(i Pi) = - 1 ...
  44.  
  45.  
  46.  
  47. 6Q:  I have this complicated symbolic problem (most likely
  48.     a symbolic integral or a DE system) that I can't solve.
  49.     What should I do?
  50.  
  51. A:  Find a friend with access to a computer algebra system
  52.     like MAPLE, MACSYMA or MATHEMATICA and ask her/him to solve it.
  53.     If packages cannot solve it, then (and only then) ask the net.
  54.  
  55.  
  56. 7Q:  Where can I get <Symbolic Computation Package>?
  57.  
  58.     THIS IS NOT A COMPREHENSIVE LIST. There are other Computer Algebra
  59.     packages available that may better suit your needs. There is also
  60.     a FAQ list in the group sci.math.symbolic. It includes a much larger
  61.     list of vendors and developers. (The FAQ list can be obtained from
  62.     math.berkeley.edu via anonymous ftp).
  63.  
  64.  
  65.  
  66. A: Maple
  67.         Purpose: Symbolic and numeric computation, mathematical
  68.         programming, and mathematical visualization.
  69.         Contact: Waterloo Maple Software,
  70.         450 Phillip Street
  71.         Waterloo, Ontario
  72.         N2L 5J2
  73.         Phone (519)747-2373
  74.         FAX   (519)747-5284
  75.         email:  info@maplesoft.on.ca
  76.  
  77.  
  78. A: DOE-Macsyma
  79.         Purpose: Symbolic and mathematical manipulations.
  80.         Contact: National Energy Software Center
  81.         Argonne National Laboratory 9700 South Cass Avenue
  82.         Argonne, Illinois 60439
  83.         Phone: (708) 972-7250
  84.  
  85.  
  86. A: Pari
  87.         Purpose: Number-theoretic computations and simple numerical
  88.         analysis.
  89.         Available for most 32-bit machines, including 386+387 and 486.
  90.         This is a copyrighted but free package, available by ftp from
  91.         math.ucla.edu (128.97.4.254) and ftp.inria.fr (128.93.1.26).
  92.         Contact: questions about pari can be sent to pari@ceremab.u-bordeaux.fr
  93.         and for the Macintosh versions to bernardi@mathp7.jussieu.fr
  94.  
  95.  
  96. A: Mathematica
  97.         Purpose: Mathematical computation and visualization,
  98.         symbolic programming.
  99.         Contact: Wolfram Research, Inc.
  100.         100 Trade Center Drive Champaign,
  101.         IL 61820-7237
  102.         Phone: 1-800-441-MATH
  103.         info@wri.com
  104.  
  105.  
  106. A: Macsyma
  107.         Purpose: Symbolic numerical and graphical mathematics.
  108.         Contact: Macsyma Inc.
  109.         20 Academy Street
  110.         Arlington, MA 02174
  111.         tel: 617-646-4550
  112.         fax: 617-646-3161
  113.         email: info-macsyma@macsyma.com
  114.  
  115.  
  116. A: Matlab
  117.         Purpose: `matrix laboratory' for tasks involving
  118.         matrices, graphics and general numerical computation.
  119.         Contact: The MathWorks, Inc.
  120.         21 Prime Park Way
  121.         Natick, MA 01760
  122.         508-653-1415
  123.         info@mathworks.com
  124.  
  125.  
  126. A: Cayley
  127.         Purpose: Computation in algebraic and combinatorial structures
  128.         such as groups, rings, fields, modules and graphs.
  129.         Available for: SUN 3, SUN 4, IBM running AIX or VM, DEC VMS, others
  130.         Contact: Computational Algebra Group
  131.         University of Sydney
  132.         NSW 2006
  133.         Australia
  134.         Phone:  (61) (02) 692 3338
  135.         Fax: (61) (02) 692 4534
  136.         cayley@maths.su.oz.au
  137.  
  138.  
  139. 8Q:  Let P be a property about the Fields Medal. Is P(x) true?
  140.  
  141. A:  Institution is meant to be the Institution to which the researcher
  142.     in question was associated to at the time the medal was awarded.
  143.  
  144.  
  145. Year Name               Birthplace              Age Institution
  146. ---- ----               ----------              --- -----------
  147. 1936 Ahlfors, Lars      Helsinki       Finland   29 Harvard U         USA
  148. 1936 Douglas, Jesse     New York NY    USA       39 MIT               USA
  149. 1950 Schwartz, Laurent  Paris          France    35 U of Nancy        France
  150. 1950 Selberg, Atle      Langesund      Norway    33 Adv.Std.Princeton USA
  151. 1954 Kodaira, Kunihiko  Tokyo          Japan     39 Princeton U       USA
  152. 1954 Serre, Jean-Pierre Bages          France    27 College de France France
  153. 1958 Roth, Klaus        Breslau        Germany   32 U of London       UK
  154. 1958 Thom, Rene         Montbeliard    France    35 U of Strasbourg   France
  155. 1962 Hormander, Lars    Mjallby        Sweden    31 U of Stockholm    Sweden
  156. 1962 Milnor, John       Orange NJ      USA       31 Princeton U       USA
  157. 1966 Atiyah, Michael    London         UK        37 Oxford U          UK
  158. 1966 Cohen, Paul        Long Branch NJ USA       32 Stanford U        USA
  159. 1966 Grothendieck, Alexander Berlin    Germany   38 U of Paris        France
  160. 1966 Smale, Stephen     Flint MI       USA       36 UC Berkeley       USA
  161. 1970 Baker, Alan        London         UK        31 Cambridge U       UK
  162. 1970 Hironaka, Heisuke  Yamaguchi-ken  Japan     39 Harvard U         USA
  163. 1970 Novikov, Serge     Gorki          USSR      32 Moscow U          USSR
  164. 1970 Thompson, John     Ottawa KA      USA       37 U of Chicago      USA
  165. 1974 Bombieri, Enrico   Milan          Italy     33 U of Pisa         Italy
  166. 1974 Mumford, David     Worth, Sussex  UK        37 Harvard U         USA
  167. 1978 Deligne, Pierre    Brussels       Belgium   33 IHES              France
  168. 1978 Fefferman, Charles Washington DC  USA       29 Princeton U       USA
  169. 1978 Margulis, Gregori  Moscow         USSR      32 InstPrblmInfTrans USSR
  170. 1978 Quillen, Daniel    Orange NJ      USA       38 MIT               USA
  171. 1982 Connes, Alain      Draguignan     France    35 IHES              France
  172. 1982 Thurston, William  Washington DC  USA       35 Princeton U       USA
  173. 1982 Yau, Shing-Tung    Kwuntung       China     33 IAS               USA
  174. 1986 Donaldson, Simon   Cambridge      UK        27 Oxford U          UK
  175. 1986 Faltings, Gerd     1954           Germany   32 Princeton U       USA
  176. 1986 Freedman, Michael  Los Angeles CA USA       35 UC San Diego      USA
  177. 1990 Drinfeld, Vladimir Kharkov        USSR      36 Phys.Inst.Kharkov USSR
  178. 1990 Jones, Vaughan     Gisborne       N Zealand 38 UC Berkeley       USA
  179. 1990 Mori, Shigefumi    Nagoya         Japan     39 U of Kyoto?       Japan
  180. 1990 Witten, Edward     Baltimore      USA       38 Princeton U/IAS   USA
  181.  
  182. References :
  183.  
  184. International Mathematical Congresses, An Illustrated History 1893-1986,
  185. Revised Edition, Including 1986, by Donald J.Alberts, G. L. Alexanderson
  186. and Constance Reid, Springer Verlag, 1987.
  187.  
  188. Tropp, Henry S., ``The origins and history of the Fields Medal,''
  189. Historia Mathematica, 3(1976), 167-181.
  190.  
  191.  
  192. 9Q:  Has the Four Colour Theorem been proved?
  193.  
  194.     Four Color Theorem:
  195.  
  196.     Every planar map with regions of simple borders can be coloured
  197.     with 4 colours in such a way that no two regions sharing a non-zero
  198.     length border have the same colour.
  199.  
  200. A:  This theorem was proved with the aid of a computer in 1976.
  201.     The proof shows that if aprox. 1,936  basic forms of maps
  202.     can be coloured with four colours, then any given map can be
  203.     coloured with four colours. A computer program coloured this
  204.     basic forms. So far nobody has been able to prove it without
  205.     using a computer. In principle it is possible to emulate the
  206.     computer proof by hand computations.
  207.  
  208.     References:
  209.  
  210.     K. Appel and W. Haken, Every planar map is four colourable,
  211.     Bulletin of the American Mathematical Society, vol. 82, 1976
  212.     pp.711-712.
  213.  
  214.     K. Appel and W. Haken, Every planar map is four colourable,
  215.     Illinois Journal of Mathematics, vol. 21, 1977, pp. 429-567.
  216.  
  217.     T. Saaty and Paul Kainen, The Four Colour Theorem: Assault and
  218.     Conquest, McGraw-Hill, 1977. Reprinted by Dover Publications 1986.
  219.  
  220.     K. Appel and W. Haken, Every Planar Map is Four Colourable,
  221.     Contemporary Mathematics, vol. 98, American Mathematical Society,
  222.     1989, pp.741.
  223.  
  224.     F. Bernhart, Math Reviews. 91m:05007, Dec. 1991. (Review of Appel
  225.     and Haken's book).
  226.  
  227.  
  228. 10Q:  What is 0^0 ?
  229.  
  230. A:  According to some Calculus textbooks, 0^0 is an "indeterminate
  231.     form". When evaluating a limit of the form 0^0, then you need
  232.     to know that limits of that form are called "indeterminate forms",
  233.     and that you need to use a special technique such as L'Hopital's
  234.     rule to evaluate them. Otherwise, 0^0=1 seems to be the most
  235.     useful choice for 0^0. This convention allows us to extend
  236.     definitions in different areas of mathematics that otherwise would
  237.     require treating 0 as a special case. Notice that 0^0 is a
  238.     discontinuity of the function x^y.
  239.  
  240.     Rotando & Korn show that if f and g are real functions that vanish
  241.     at the origin and are _analytic_ at 0 (infinitely differentiable is
  242.     not sufficient), then f(x)^g(x) approaches 1 as x approaches 0 from
  243.     the right.
  244.  
  245.     From Concrete Mathematics p.162 (R. Graham, D. Knuth, O. Patashnik):
  246.  
  247.     "Some textbooks leave the quantity 0^0 undefined, because the
  248.     functions x^0 and 0^x have different limiting values when x
  249.     decreases to 0. But this is a mistake. We must define
  250.  
  251.        x^0 = 1 for all x,
  252.  
  253.     if the binomial theorem is to be valid when x=0, y=0, and/or x=-y.
  254.     The theorem is too important to be arbitrarily restricted! By
  255.     contrast, the function 0^x is quite unimportant."
  256.    Published by Addison-Wesley, 2nd printing Dec, 1988.
  257.  
  258.  
  259.     See also Knuth "Two notes on notation" (AMM 99 no. 5 (May 1992), 
  260.     403--422).
  261.  
  262.     On a discussion of the use of the function 0^{0^x} by an Italian 
  263.     mathematician named Guglielmo Libri.
  264.  
  265.     [T]he paper [33] did produce several ripples in mathematical waters when
  266.     it originally appeared, because it stirred up a controversy about whether 
  267.     0^0 is defined.  Most mathematicians agreed that 0^0 = 1, but Cauchy [5, 
  268.     page 70] had listed 0^0 together with other expressions like 0/0 and 
  269.     \infty-\infty in a table of undefined forms.  Libri's justification for 
  270.     the equation 0^0 = 1 was far from convincing, and a commentator who signed
  271.     his name simply ``S'' rose to the attack [45].  August M\"obius [36] 
  272.     defended Libri, by presenting his former professor's reason for believing 
  273.     that 0^0 = 1 (basically a proof that lim_{x->0+} x^x = 1).  M\"obius also 
  274.     went further and presented a supposed proof that lim_{x->0+} f(x)^{g(x)} 
  275.     whenever lim_{x->0+} f(x) = lim_{x->0+} g(x) = 0.  Of course ``S'' then 
  276.     asked [3] whether M\"obius knew about functions such as f(x) = e^{-1/x} 
  277.     and g(x) = x.  (And paper [36] was quietly omitted from the historical 
  278.     record when the collected words of M\"obius were ultimately published.)  
  279.     The debate stopped there, apparently with the conclusion that 0^0 should 
  280.     be undefined.
  281.  
  282.     But no, no, ten thousand times no!  Anybody who wants the binomial theorem
  283.              (x+y)^n = \sum_{k=0}^n {n\choose k} x^k y^{n-k}
  284.     to hold for at least one nonnegative integer n {\it must} believe that
  285.     0^0 = 1, for we can plug in x = 0 and y = 1 to get 1 on the left and 0^0 on
  286.     the right.
  287.  
  288.     The number of mappings from the empty set to the empty set is 0^0.
  289.     It {\it has} to be 1.
  290.  
  291.     On the other hand, Cauchy had good reason to consider 0^0 as an undefined
  292.     {\it limiting form}, in the sense that the limiting value of f(x)^{g(x)} is
  293.     not known {\it a priori} when f(x) and g(x) approach 0 independently.  In
  294.     this much stronger sense, the value of 0^0 is less defined than, say, the
  295.     value of 0+0.  Both Cauchy and Libri were right, but Libri and his 
  296.     defenders did not understand why truth was on their side.
  297.  
  298.     [3] Anonymous and S . . ., Bemerkungen zu den Aufsatze \"uberschrieben,
  299.     `Beweis der Gleichung 0^0 = 1, nach J. F. Pfaff,' im zweiten Hefte dieses
  300.     Bandes, S. 134, Journal f\"ur die reine und angewandte Mathematik, 12 
  301.     (1834), 292--294.
  302.  
  303.     [5] Augustin-Louis Cauchy, Cours d'Analyse de l'Ecole Royale Polytechnique
  304.     (1821).  In his \OEuvres Compl\`etes, series 2, volume 3.
  305.  
  306.     [33]  Guillaume Libri, M\'emoire sur les fonctions discontinues, Journal
  307.     f\"ur die reine und angewandte Mathematik, 10 (1833), 303--316.
  308.  
  309.     [36] A. F. M\"obius, Beweis der Gleichung 0^0 = 1, nach J. F. Pfaff, 
  310.     Journal f\"ur die reine und angewandte Mathematik, 12 (1834), 134--136.
  311.  
  312.     [45] S . . ., Sur la valeur de 0^0, Journal f\"ur die reine und angewandte
  313.     Mathematik 11, (1834), 272--273.
  314.  
  315.  
  316.  
  317.     References:
  318.  
  319.     H. E. Vaughan, The expression '0^0', Mathematics Teacher 63 (1970),
  320.     pp.111-112.
  321.  
  322.     Louis M. Rotando & Henry Korn, "The Indeterminate Form 0^0",
  323.     Mathematics Magazine, Vol. 50, No. 1 (January 1977), pp. 41-42.
  324.  
  325.     L. J. Paige, A note on indeterminate forms, American Mathematical
  326.     Monthly, 61 (1954), 189-190; reprinted in the Mathematical
  327.     Association of America's 1969 volume, Selected Papers on Calculus,
  328.     pp. 210-211.
  329.  
  330.  
  331. 11Q:  Why is 0.9999... = 1?
  332.  
  333. A:  In modern mathematics, the string of symbols "0.9999..." is
  334.     understood to be a shorthand for "the infinite sum  9/10 + 9/100
  335.     + 9/1000 + ...." This in turn is shorthand for "the limit of the
  336.     sequence of real numbers 9/10, 9/10 + 9/100, 9/10 + 9/100 + 9/1000,
  337.     ..."  Using the well-known epsilon-delta definition of limit, one
  338.     can easily show that this limit is 1.  The statement that
  339.     0.9999...  = 1 is simply an abbreviation of this fact.
  340.  
  341.                     oo              m
  342.                    ---   9         ---   9
  343.         0.999... = >   ---- = lim  >   ----
  344.                    --- 10^n  m->oo --- 10^n
  345.                    n=1             n=1
  346.  
  347.  
  348.         Choose epsilon > 0. Suppose delta = 1/-log_10 epsilon, thus
  349.         epsilon = 10^(-1/delta). For every m>1/delta we have that
  350.  
  351.         |  m           |
  352.         | ---   9      |     1          1
  353.         | >   ---- - 1 | = ---- < ------------ = epsilon
  354.         | --- 10^n     |   10^m   10^(1/delta)
  355.         | n=1          |
  356.  
  357.         So by the (epsilon-delta) definition of the limit we have
  358.  
  359.                m
  360.               ---   9
  361.          lim  >   ---- = 1
  362.         m->oo --- 10^n
  363.               n=1
  364.  
  365.  
  366.     An *informal* argument could be given by noticing that the following
  367.     sequence of "natural" operations has as a consequence 1 = 0.9999....
  368.     Therefore it's "natural" to assume 1 = 0.9999.....
  369.  
  370.              x = 0.99999....
  371.            10x = 9.99999....
  372.        10x - x = 9
  373.             9x = 9
  374.              x = 1
  375.     Thus
  376.              1 = 0.99999....
  377.  
  378.     References:
  379.  
  380.     E. Hewitt & K. Stromberg, Real and Abstract Analysis,
  381.     Springer-Verlag, Berlin, 1965.
  382.  
  383.     W. Rudin, Principles of Mathematical Analysis, McGraw-Hill, 1976.
  384.  
  385.  
  386. 12Q:  There are three doors, and there is a car hidden behind one
  387.     of them, Master Mind and other games ..
  388.  
  389. A:  Read frequently asked questions from rec.puzzles, as well as
  390.     their ``archive file'' where the problem is solved and carefully 
  391.     explained. (The Monty Hall problem). 
  392.  
  393.     MANY OTHER MATHEMATICAL GAMES ARE EXPLAINED IN THE REC.PUZZLES 
  394.     FAQ AND ARCHIVES. READ IT BEFORE ASKING IN SCI.MATH.
  395.  
  396.     Your chance of winning is 2/3 if you switch and 1/3 if you don't.
  397.     For a full explanation from the rec.puzzles' archive, send to the
  398.     address archive-request@questrel.com an email message consisting 
  399.     of the text
  400.  
  401.                send monty.hall
  402.  
  403.  
  404.     Also any other FAQ list can be obtained through anonymous ftp from
  405.     rtfm.mit.edu.
  406.  
  407.     References
  408.  
  409.     American Mathematical Monthly, January 1992.
  410.  
  411.  
  412.     For the game of Master Mind it has been proven that no more than
  413.     five moves are required in the worst case. For references look at
  414.  
  415.     One such algorithm was published in the Journal of Recreational
  416.     Mathematics; in '70 or '71 (I think), which always solved the
  417.     4 peg problem in 5 moves. Knuth later published an algorithm which
  418.     solves the problem in a shorter # of moves - on average - but can
  419.     take six guesses on certain combinations.
  420.  
  421.     In 1994, Kenji Koyama and Tomy W. Lai found, by exhaustive search
  422.     that $5625/1296~=4.340$ is the optimal strategy in the expected
  423.     case. This strategy may take six guesses in the worst case.
  424.     A strategy that uses at most five guesses in the worst case
  425.     is also shown. This strategy requires $5626/1296~=4.341$ guesses.
  426.  
  427.  
  428.     Donald E. Knuth, The Computer as Master Mind, J. Recreational Mathematics
  429.     9 (1976-77), 1-6.
  430.  
  431.     Kenji Koyama, Tony W. Lai, An optimal Mastermind Strategy. J. Recreational
  432.     Mathematics, 1994.
  433.  
  434. 13Q:  What is the formula for the "Surface Area" of a sphere in
  435.     Euclidean N-Space.  That is, of course, the volume of the N-1
  436.     solid which comprises the boundary of an N-Sphere.
  437.  
  438. A:  The volume of a ball is the easiest formula to remember:  It's r^N
  439.     times pi^(N/2)/(N/2)!.  The only hard part is taking the factorial
  440.     of a half-integer.  The real definition is that x! = Gamma(x+1), but
  441.     if you want a formula, it's:
  442.  
  443.     (1/2+n)! = sqrt(pi)*(2n+2)!/(n+1)!/4^(n+1)
  444.  
  445.     To get the surface area, you just differentiate to get
  446.     N*pi^(N/2)/(N/2)!*r^(N-1).
  447.  
  448.     There is a clever way to obtain this formula using Gaussian
  449.     integrals. First, we note that the integral over the line of
  450.     e^(-x^2) is sqrt(pi).  Therefore the integral over N-space of
  451.     e^(-x_1^2-x_2^2-...-x_N^2) is sqrt(pi)^n.  Now we change to
  452.     spherical coordinates.  We get the integral from 0 to infinity
  453.     of V*r^(N-1)*e^(-r^2), where V is the surface volume of a sphere.
  454.     Integrate by parts repeatedly to get the desired formula.
  455.  
  456.     It is possible to derive the volume of the sphere from ``first 
  457.     principles''.
  458.  
  459.  
  460. 14Q:  Does anyone know a name (or a closed form) for
  461.  
  462.       f(x)^f(x)=x
  463.  
  464.  
  465.     Solving for f one finds a "continued fraction"-like answer
  466.  
  467.  
  468.                f(x) = log x
  469.                       -----
  470.                       log (log x
  471.                           ------
  472.                               ...........
  473.  
  474. A:  This question has been repeated here from time to time over the
  475.     years, and no one seems to have heard of any published work on it,
  476.     nor a published name for it (D. Merrit proposes "lx" due to its
  477.     (very) faint resemblance to log). It's not an analytic function.
  478.  
  479.     The "continued fraction" form for its numeric solution is highly
  480.     unstable in the region of its minimum at 1/e (because the graph is
  481.     quite flat there yet logarithmic approximation oscillates wildly),
  482.     although it converges fairly quickly elsewhere. To compute its value
  483.     near 1/e, use the bisection method which gives good results. Bisection
  484.     in other regions converges much more slowly than the "logarithmic
  485.     continued fraction" form, so a hybrid of the two seems suitable.
  486.     Note that it's dual valued for the reals (and many valued complex
  487.     for negative reals).
  488.  
  489.     A similar function is a "built-in" function in MAPLE called W(x).
  490.     MAPLE considers a solution in terms of W(x) as a closed form (like
  491.     the erf function). W is defined as W(x)*exp(W(x))=x.
  492.  
  493.     An extensive treatise on the known facts of Lambert's W function
  494.     is available for anonymous ftp at dragon.uwaterloo.ca at  
  495.     /cs-archive/CS-93-03/W.ps.Z 
  496.  
  497.  
  498.  
  499. 15Q: Does there exist a projective plane of order 10?
  500.  
  501.     More precisely:
  502.  
  503.     Is it possible to define 111 sets (lines) of 11 points each
  504.     such that:
  505.     
  506.       For any pair of points there is precisely one line containing them
  507.       both and for any pair of lines there is only one point common to
  508.       them both?
  509.  
  510.  
  511. A:  Analogous questions with n^2 + n + 1 and n + 1 instead of 111 and 11
  512.     have been positively answered only in case n is a prime power.
  513.     For n=6 it is not possible, more generally if n is congruent to 1
  514.     or 2 mod 4 and can not be written as a sum of two squares, then an
  515.     FPP of order n does not exist.  The n=10 case has been settled as not
  516.     possible either by Clement Lam. As the "proof" took several years of
  517.     computer search (the equivalent of 2000 hours on a Cray-1) it can be 
  518.     called the most time-intensive computer assisted single proof. The
  519.     final steps were ready in January 1989.
  520.  
  521.     References
  522.  
  523.     R. H. Bruck and H. J. Ryser, "The nonexistence of certain finite
  524.     projective planes," Canadian Journal of Mathematics, vol. 1 (1949),
  525.     pp 88-93.
  526.  
  527.     C. Lam, Amer.Math.Monthly 98 (1991), 305-318.
  528.  
  529.  
  530. 16Q:  Is there a formula to determine the day of the week, given
  531.     the month, day and year?
  532.  
  533. A:  First a brief explanation: In the Gregorian Calendar, over a period
  534.     of four hundred years, there are 97 leap years and 303 normal years.
  535.     Each normal year, the day of January 1 advances by one; for each leap
  536.     year it advances by two.
  537.  
  538.         303 + 97 + 97 = 497 = 7 * 71
  539.  
  540.     As a result, January 1 year N occurs on the same day of the week as
  541.     January 1 year N + 400.  Because the leap year pattern also recurs
  542.     with a four hundred year cycle, a simple table of four hundred
  543.     elements, and single modulus, suffices to determine the day of the
  544.     week (in the Gregorian Calendar), and does it much faster than all the
  545.     other algorithms proposed.  Also, each element takes (in principle)
  546.     only three bits; the entire table thus takes only 1200 bits, or 300
  547.     bytes; on many computers this will be less than the instructions to do
  548.     all the complicated calculations proposed for the other algorithms.
  549.  
  550.     Incidental note: Because 7 does not divide 400, January 1 occurs more
  551.     frequently on some days than others!  Trick your friends!  In a cycle
  552.     of 400 years, January 1 and March 1 occur on the following days with
  553.     the following frequencies:
  554.  
  555.            Sun      Mon     Tue     Wed     Thu     Fri     Sat
  556.     Jan 1: 58       56      58      57      57      58      56
  557.     Mar 1: 58       56      58      56      58      57      57
  558.  
  559.     Of interest is that (contrary to most initial guesses) the occurrence
  560.     is not maximally flat.
  561.  
  562.     The Gregorian calendar was introduced in 1582 in parts of Europe; it was
  563.     adopted in 1752 in Great Britain and its colonies, and on various dates
  564.     in other countries.  It replaced the Julian Calendar which has a four-year
  565.     cycle of leap years; after four years January 1 has advanced by five days.
  566.     Since 5 is relatively prime to 7, a table of 4 * 7 = 28 elements is
  567.     necessary for the Julian Calendar.
  568.  
  569.  
  570.     There is still a 3 day / 10,000 year error which the Gregorian calendar
  571.     does not take.  into account.  At some time such a correction will have
  572.     to be done but your software will probably not last that long :-)   !
  573.  
  574.     Here is a standard method suitable for mental computation:
  575.  
  576.         A. Take the last two digits of the year.
  577.         B. Divide by 4, discarding any fraction.
  578.         C. Add the day of the month.
  579.         D. Add the month's key value: JFM AMJ JAS OND
  580.                                       144 025 036 146
  581.         E. Subtract 1 for January or February of a leap year.
  582.         F. For a Gregorian date, add 0 for 1900's, 6 for 2000's, 4 for 1700's,
  583.            2 for 1800's; for other years, add or subtract multiples of 400.
  584.         G. For a Julian date, add 1 for 1700's, and 1 for every additional
  585.            century you go back.
  586.         H. Add the last two digits of the year.
  587.         I. Divide by 7 and take the remainder.
  588.  
  589.         Now 1 is Sunday, the first day of the week, 2 is Monday, and so on.
  590.  
  591.     The following formula, which is for the Gregorian calendar only, may be
  592.     more convenient for computer programming.  Note that in some programming
  593.     languages the remainder operation can yield a negative result if given
  594.     a negative operand, so "mod 7" may not translate to a simple remainder.
  595.  
  596.         W == (k + [2.6m - 0.2] - 2C + Y + [Y/4] + [C/4]) mod 7
  597.            where [] denotes the integer floor function (round down),
  598.            k is day (1 to 31)
  599.            m is month (1 = March, ..., 10 = December, 11 = Jan, 12 = Feb)
  600.                          Treat Jan & Feb as months of the preceding year
  601.            C is century (1987 has C = 19)
  602.            Y is year    (1987 has Y = 87 except Y = 86 for Jan & Feb)
  603.            W is week day (0 = Sunday, ..., 6 = Saturday)
  604.  
  605.     Here the century & 400 year corrections are built into the formula.
  606.     The [2.6m-0.2] term relates to the repetitive pattern that the 30-day
  607.     months show when March is taken as the first month.
  608.  
  609.     The following short C program works for a restricted range
  610.     
  611.     dow(m,d,y){y-=m<3;return(y+y/4-y/100+y/400+"-bed=pen+mad."[m]+d)%7;}
  612.  
  613.     The program appeared  was posted by sakamoto@sm.sony.co.jp (Tomohiko 
  614.     Sakamoto) on comp.lang.c on March 10th, 1993.
  615.  
  616.  
  617.  
  618.     References:
  619.  
  620.     Winning Ways  by Conway, Guy, Berlekamp is supposed to have it.
  621.  
  622.     Martin Gardner in "Mathematical Carnival".
  623.  
  624.     Michael Keith and Tom Craver, "The Ultimate Perpetual Calendar?",
  625.     Journal of Recreational Mathematics, 22:4, pp. 280-282, 19
  626.  
  627.     K. Rosen, "Elementary Number Theory",  p. 156.
  628.  
  629.  
  630.  
  631. 17Q:  What is the Axiom of Choice?  Why is it important? Why some articles
  632.     say "such and such is provable, if you accept the axiom of choice."?
  633.     What are the arguments for and against the axiom of choice?
  634.  
  635.  
  636. A:  There are several equivalent formulations:
  637.  
  638.     -The Cartesian product of nonempty sets is nonempty, even
  639.     if the product is of an infinite family of sets.
  640.  
  641.     -Given any set S of mutually disjoint nonempty sets, there is a set C
  642.     containing a single member from each element of S.  C can thus be
  643.     thought of as the result of "choosing" a representative from each
  644.     set in S. Hence the name.
  645.  
  646.     >Why is it important?
  647.  
  648.     All kinds of important theorems in analysis require it.  Tychonoff's
  649.     theorem and the Hahn-Banach theorem are examples. Indeed,
  650.     Tychonoff's theorem is equivalent to AC. Similarly, AC is equivalent
  651.     to the thesis that every set can be well-ordered.  Zermelo's first
  652.     proof of this in 1904 I believe was the first proof in which AC was
  653.     made explicit.  AC is especially handy for doing infinite cardinal
  654.     arithmetic, as without it the most you get is a *partial* ordering
  655.     on the cardinal numbers.  It also enables you to prove such
  656.     interesting general facts as that n^2 = n for all infinite cardinal
  657.     numbers.
  658.  
  659.     > What are the arguments for and against the axiom of choice?
  660.  
  661.     The axiom of choice is independent of the other axioms of set theory
  662.     and can be assumed or not as one chooses.
  663.  
  664.     (For) All ordinary mathematics uses it.
  665.  
  666.     There are a number of arguments for AC, ranging from a priori to
  667.     pragmatic.  The pragmatic argument (Zermelo's original approach) is
  668.     that it allows you to do a lot of interesting mathematics.  The more
  669.     conceptual argument derives from the "iterative" conception of set
  670.     according to which sets are "built up" in layers, each layer consisting
  671.     of all possible sets that can be constructed out of elements in the
  672.     previous layers.  (The building up is of course metaphorical, and is
  673.     suggested only by the idea of sets in some sense consisting of their
  674.     members; you can't have a set of things without the things it's a set
  675.     of).  If then we consider the first layer containing a given set S of
  676.     pairwise disjoint nonempty sets, the argument runs, all the elements
  677.     of all the sets in S must exist at previous levels "below" the level
  678.     of S.  But then since each new level contains *all* the sets that can
  679.     be formed from stuff in previous levels, it must be that at least by
  680.     S's level all possible choice sets have already been *formed*. This
  681.     is more in the spirit of Zermelo's later views (c. 1930).
  682.  
  683.     (Against) It has some supposedly counterintuitive consequences,
  684.     such as the Banach-Tarski paradox. (See next question)
  685.  
  686.     Arguments against AC typically target its nonconstructive character:
  687.     it is a cheat because it conjures up a set without providing any
  688.     sort of *procedure* for its construction--note that no *method* is
  689.     assumed for picking out the members of a choice set.  It is thus the
  690.     platonic axiom par excellence, boldly asserting that a given set
  691.     will always exist under certain circumstances in utter disregard of
  692.     our ability to conceive or construct it.  The axiom thus can be seen
  693.     as marking a divide between two opposing camps in the philosophy of
  694.     mathematics:  those for whom mathematics is essentially tied to our
  695.     conceptual capacities, and hence is something we in some sense
  696.     *create*, and those for whom mathematics is independent of any such
  697.     capacities and hence is something we *discover*.  AC is thus of
  698.     philosophical as well as mathematical significance.
  699.  
  700.  
  701.     It should be noted that some interesting mathematics has come out of an
  702.     incompatible axiom, the Axiom of Determinacy (AD).  AD asserts that
  703.     any two-person game without ties has a winning strategy for the first or
  704.     second player.  For finite games, this is an easy theorem; for infinite
  705.     games with duration less than \omega and move chosen from a countable set,
  706.     you can prove the existence of a counter-example using AC.  Jech's book
  707.     "The Axiom of Choice" has a discussion.
  708.  
  709.     An example of such a game goes as follows.
  710.  
  711.        Choose in advance a set of infinite sequences of integers; call it A.
  712.        Then I pick an integer, then you do, then I do, and so on forever
  713.        (i.e. length \omega).  When we're done, if the sequence of integers
  714.        we've chosen is in A, I win; otherwise you win.  AD says that one of
  715.        us must have a winning strategy.  Of course the strategy, and which
  716.        of us has it, will depend upon A.
  717.  
  718.  
  719.     From a philosophical/intuitive/pedagogical standpoint, I think Bertrand
  720.     Russell's shoe/sock analogy has a lot to recommend it.  Suppose you have an
  721.     infinite collection of pairs of shoes.  You want to form a set with one
  722.     shoe from each pair.  AC is not necessary, since you can define the set as
  723.     "the set of all left shoes". (Technically, we're using the axiom of
  724.     replacement, one of the basic axioms of Zermelo-Fraenkel (ZF) set theory.)
  725.     If instead you want to form a set containing one sock from each pair of an
  726.     infinite collection of pairs of socks, you now need AC.
  727.  
  728.  
  729.     References:
  730.  
  731.     Maddy, "Believing the Axioms, I", J. Symb. Logic, v. 53, no. 2, June 1988,
  732.     pp. 490-500, and "Believing the Axioms II" in v.53, no. 3.
  733.  
  734.     Gregory H. Moore, Zermelo's Axiom of Choice, New York, Springer-Verlag,
  735.     1982.
  736.  
  737.     H. Rubin and J. E. Rubin, Equivalents of the Axiom of Choice II,
  738.     North-Holland/Elsevier Science, 1985.
  739.  
  740.     A. Fraenkel, Y.  Bar-Hillel, and A. Levy, Foundations of Set Theory,
  741.     Amsterdam, North-Holland, 1984 (2nd edition, 2nd printing), pp. 53-86.
  742.  
  743.  
  744. 18Q:  Cutting a sphere into pieces of larger volume. Is it possible
  745.     to cut a sphere into a finite number of pieces and reassemble
  746.     into a solid of twice the volume?
  747.  
  748. A:  This question has many variants and it is best answered explicitly.
  749.     Given two polygons of the same area, is it always possible to
  750.     dissect one into a finite number of pieces which can be reassembled
  751.     into a replica of the other?
  752.  
  753.     Dissection theory is extensive.  In such questions one needs to
  754.     specify
  755.  
  756.      (A) what a "piece" is,  (polygon?  Topological disk?  Borel-set?
  757.          Lebesgue-measurable set?  Arbitrary?)
  758.  
  759.      (B) how many pieces are permitted (finitely many? countably? uncountably?)
  760.  
  761.      (C) what motions are allowed in "reassembling" (translations?
  762.          rotations?  orientation-reversing maps?  isometries?
  763.          affine maps?  homotheties?  arbitrary continuous images?  etc.)
  764.  
  765.      (D) how the pieces are permitted to be glued together.  The
  766.          simplest notion is that they must be disjoint.  If the pieces
  767.          are polygons [or any piece with a nice boundary] you can permit
  768.          them to be glued along their boundaries, ie the interiors of the
  769.          pieces disjoint, and their union is the desired figure.
  770.  
  771.  
  772.     Some dissection results
  773.  
  774.      1) We are permitted to cut into FINITELY MANY polygons, to TRANSLATE
  775.         and ROTATE the pieces, and to glue ALONG BOUNDARIES;
  776.         then Yes, any two equal-area polygons are equi-decomposable.
  777.  
  778.         This theorem was proven by Bolyai and Gerwien independently, and has
  779.         undoubtedly been independently rediscovered many times.  I would not
  780.         be surprised if the Greeks knew this.
  781.  
  782.         The Hadwiger-Glur theorem implies that any two equal-area polygons are
  783.         equi-decomposable using only TRANSLATIONS and ROTATIONS BY 180
  784.         DEGREES.
  785.  
  786.      2) THM (Hadwiger-Glur, 1951) Two equal-area polygons P,Q are
  787.         equi-decomposable by TRANSLATIONS only, iff we have equality of these
  788.         two functions:     PHI_P() = PHI_Q()
  789.         Here, for each direction v (ie, each vector on the unit circle in the
  790.         plane), let PHI_P(v) be the sum of the lengths of the edges of P which
  791.         are perpendicular to v, where for such an edge, its length is positive
  792.         if v is an outward normal to the edge and is negative if v is an
  793.         inward normal to the edge.
  794.  
  795.  
  796.      3) In dimension 3, the famous "Hilbert's third problem" is:
  797.  
  798.        "If P and Q are two polyhedra of equal volume, are they
  799.         equi-decomposable by means of translations and rotations, by
  800.         cutting into finitely many sub-polyhedra, and gluing along
  801.         boundaries?"
  802.  
  803.         The answer is "NO" and was proven by Dehn in 1900, just a few months
  804.         after the problem was posed. (Ueber raumgleiche polyeder, Goettinger
  805.         Nachrichten 1900, 345-354). It was the first of Hilbert's problems
  806.         to be solved. The proof is nontrivial but does *not* use the axiom
  807.         of choice.
  808.  
  809.         "Hilbert's Third Problem", by V.G.Boltianskii, Wiley 1978.
  810.  
  811.  
  812.      4) Using the axiom of choice on non-countable sets, you can prove
  813.         that a solid sphere can be dissected into a finite number of
  814.         pieces that can be reassembled to two solid spheres, each of
  815.         same volume of the original. No more than nine pieces are needed.
  816.  
  817.         The minimum possible number of pieces is FIVE.  (It's quite easy
  818.         to show that four will not suffice).  There is a particular
  819.         dissection in which one of the five pieces is the single center
  820.         point of the original sphere, and the other four pieces  A, A',
  821.         B, B'  are such that A is congruent to A' and B is congruent to B'.
  822.         [See Wagon's book].
  823.  
  824.         This construction is known as the "Banach-Tarski" paradox or the
  825.         "Banach-Tarski-Hausdorff" paradox (Hausdorff did an early version of
  826.         it).  The "pieces" here are non-measurable sets, and they are
  827.         assembled *disjointly* (they are not glued together along a boundary,
  828.         unlike the situation in Bolyai's thm.)
  829.          An excellent book on Banach-Tarski is:
  830.  
  831.         "The Banach-Tarski Paradox", by Stan Wagon, 1985, Cambridge
  832.         University Press.
  833.  
  834.         Robert M. French, The Banach-Tarski theorem, The Mathematical 
  835.         Intelligencer 10 (1988) 21-28.
  836.  
  837.  
  838.         The pieces are not (Lebesgue) measurable, since measure is preserved
  839.         by rigid motion. Since the pieces are non-measurable, they do not
  840.         have reasonable boundaries. For example, it is likely that each piece's
  841.         topological-boundary is the entire ball.
  842.  
  843.         The full Banach-Tarski paradox is stronger than just doubling the
  844.         ball.  It states:
  845.  
  846.      5) Any two bounded subsets (of 3-space) with non-empty interior, are
  847.         equi-decomposable by translations and rotations.
  848.  
  849.         This is usually illustrated by observing that a pea can be cut up
  850.         into finitely pieces and reassembled into the Earth.
  851.  
  852.         The easiest decomposition "paradox" was observed first by Hausdorff:
  853.  
  854.      6) The unit interval can be cut up into COUNTABLY many pieces which,
  855.         by *translation* only, can be reassembled into the interval of
  856.         length 2.
  857.  
  858.         This result is, nowadays, trivial, and is the standard example of a
  859.         non-measurable set, taught in a beginning graduate class on measure
  860.         theory.
  861.  
  862.  
  863.         References:
  864.  
  865.         In addition to Wagon's book above, Boltyanskii has written at least
  866.         two works on this subject.  An elementary one is:
  867.  
  868.           "Equivalent and equidecomposable figures"
  869.  
  870.         in Topics in Mathematics published by D.C. HEATH AND CO., Boston.  It
  871.         is a translation from the 1956 work in Russian.
  872.  
  873.           Also, the article "Scissor Congruence" by Dubins, Hirsch and ?,
  874.         which appeared about 20 years ago in the Math Monthly, has a pretty
  875.         theorem on decomposition by Jordan arcs.
  876.  
  877.  
  878.         ``Banach and Tarski had hoped that the physical absurdity of this
  879.         theorem would encourage mathematicians to discard AC. They were
  880.         dismayed when the response of the math community was `Isn't AC great?
  881.         How else could we get such counterintuitive results?' ''
  882.  
  883.  
  884.  
  885. Copyright Notice
  886.  
  887. Copyright (c) 1993   A. Lopez-Ortiz
  888.  
  889.   This FAQ is Copyright (C) 1994 by Alex Lopez-Ortiz. This text,
  890.   in whole or in part, may not be sold in any medium, including,
  891.   but not limited to electronic, CD-ROM, or published in print,
  892.   without the explicit, written permission of Alex Lopez-Ortiz.
  893.  
  894.  
  895.  
  896.  
  897. --------------------------------------------------------------------------
  898. Questions and Answers Edited and Compiled by:
  899.  
  900. Alex Lopez-Ortiz                              alopez-o@maytag.UWaterloo.ca
  901. Department of Computer Science                      University of Waterloo
  902. Waterloo, Ontario                                                   Canada
  903. -- 
  904. Alex Lopez-Ortiz                             alopez-o@neumann.UWaterloo.ca
  905. Department of Computer Science                      University of Waterloo
  906. Waterloo, Ontario                                                   Canada
  907. http://daisy.uwaterloo.ca/~alopez-o/home.html
  908.  
  909.