Matematiikkalehti 1/

Transkriptio

1 Matematiikkalehti 1/011

2 Solmu 1/011 Solmu 1/011 ISSN-L ISSN (Painettu) ISSN (Verkkolehti) Matematiikan ja tilastotieteen laitos PL 68 (Gustaf Hällströmin katu b) Helsingin yliopisto Päätoimittaja: Matti Lehtinen, dosentti, Helsingin yliopisto Toimitussihteeri: Juha Ruokolainen, FT, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Helsingin yliopisto Sähköposti: Toimituskunta: Pekka Alestalo, dosentti, Matematiikan laitos, Teknillinen korkeakoulu Heikki Apiola, dosentti, Matematiikan laitos, Teknillinen korkeakoulu Aapo Halko, FT, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Helsingin yliopisto Markku Halmetoja, lehtori, Mäntän lukio Ari Koistinen, FM, Metropolia Ammattikorkeakoulu Mika Koskenoja, yliopistonlehtori, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Helsingin yliopisto Marjatta Näätänen, dosentti, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Helsingin yliopisto Antti Rasila, tutkija, Matematiikan laitos, Teknillinen korkeakoulu Hilkka Taavitsainen, lehtori, Ressun lukio Graafinen avustaja: Marjaana Beddard Yliopistojen ja korkeakoulujen yhteyshenkilöt: Virpi Kauko, FT, matemaatikko, Jyväskylä Jorma K. Mattila, professori, Sovelletun matematiikan laitos, Lappeenrannan teknillinen yliopisto Jorma Merikoski, dosentti, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Tampereen yliopisto Petri Rosendahl, assistentti, Matematiikan laitos, Turun yliopisto Matti Nuortio, jatko-opiskelija, Matemaattisten tieteiden laitos, Oulun yliopisto Timo Tossavainen, lehtori, Savonlinnan opettajankoulutuslaitos, Joensuun yliopisto Numeroon /011 tarkoitetut kirjoitukset pyydämme lähettämään mennessä. Kiitämme taloudellisesta tuesta Jenny ja Antti Wihurin rahastoa. Huom! Solmun paperiversio postitetaan vain niihin kouluihin, jotka ovat sitä erikseen pyytäneet. Toivomme, että lehteä kopioidaan kouluissa kaikille halukkaille. Kansi: Neljän vuoden välein jaettavaan Rolf Nevanlinna -palkintoon kuuluva kultainen mitali.

3 Solmu 1/011 3 Sisällys Pääkirjoitus: Korutonta kertomaa (Matti Lehtinen)...4 Täydellisyyttä etsimässä (Anne-Maria Ernvall-Hytönen)...6 Vaikeita, jopa mahdottomia yhtälöitä (Matti Lehtinen)...9 Erehtyikö Douglas Adams? (Markku Halmetoja)...11 Suomen matematiikan tähtinimet (Matti Lehtinen)...14 Matematiikan valitsemisen vaikeudesta (Markku Halmetoja)...18 Kahdeksan tehtävää peruskoululaisille (Matti Lehtinen)...0 Riittääkö lämmitysöljy (Heikki Apiola)...4 Matematiikkakilpailuvuosi 010 (Matti Lehtinen)...8

4 4 Solmu 1/011 Korutonta kertomaa Syksyn 010 ylioppilaskirjoitusten tulokset olivat jälleen korutonta kertomaa. Pitkän matematiikan kokeen läpäisyraja oli seitsemän (7) pistettä 66 mahdollisesta. Seitsemän on noin 11 % 66:sta. Ylioppilaskirjoitusten vakiintunut tapa on asettaa hyväksymisraja niin, että noin 95 % kokelaista hyväksytään. Nyt tuon perin matalan rajan ylitti alle 90 % yrittäjistä. Koetta en ole huomannut mainitun vaikeaksi. Olen joskus sanonut, että panos-tuotosmielessä tarkasteltuna matematiikan opetus on valtakunnan onnettomimpia toimialoja. Nuori ihminen osallistuu opetukseen melkein päivittäin 1 vuoden ajan, mutta kovin monen kohdalla jää saavuttamatta edes se yhden yksinkertaisen koetehtävän ratkaisemisen taito. Abiturientti ei suinkaan joudu ylioppilaskirjoitukseen kylmiltään ja yllätettynä. Oletettavasti hän on suorittanut hyväksytysti säädetyn määrän lukion pakollisia kursseja. Niiden olisi kaiken järjen mukaan pitänyt tuottaa ainakin sellainen minimiosaaminen, jolla lähes maan tasolle asetetun riman yli olisi kevyesti astuttu. Tämä antaa aiheen kysyä opettajien ja koulujen moraalin perään. Miten niin monen oppilaan on mahdollista selvitä kurssikokeesta toisensa jälkeen ilman osaamista? Luokallehan ei luokattomassa lukiossa jää, mutta etenemisesteiden kaltaisin mekanismein on pyritty ehkäisemään oppilaan osaamattomuuden kasautuminen hallitsemattomaksi tilanteeksi. Painostavatko vanhemmat ja rehtorit matematiikan opettajia lipeämään kaikista osaamiskriteereistä? Vai kauheata sanoa onko opettajien ja opetushallinnon ammattitaito jotain muuta kuin mitä PISA-Suomen virallinen liturgia ja opettajien järjestöt hehkuttavat? Osallistuin marraskuussa lukion matematiikkakilpailun avoimen sarjan alkukilpailusuoritusten arviointiin. Pyrkimykset saada laajemmat joukot tietoisiksi matematiikkakilpailusta näyttävät tuottaneen tulosta, sillä kilpailusuorituksia oli arvioitaviksi lähetetty puolentuhatta. Vastausten lukeminen ei kuitenkaan ollut pelkästään iloinen tapahtuma. Tehtävät eivät olleet vaikeita ja kilpailusarjaan osallistujat olivat keskimäärin abiturientteja, joiden matematiikan osaamisen voi olettaa olevan paremmasta päästä. Silti pistejakauman aritmeettinen keskiarvo oli 4,8, kun maksimipisteet (joita toki jaettiin niitäkin, hienoista suorituksista) olivat 4. Jakauman moodi eli useimmin esiintynyt pistemäärä oli 0. Siihen summaan päätyi 16 % osallistujista. Ja vastauksissa aika tavallinen päättelyaskel oli seuraava: a 1 +b 1 +c 1 = 1 a+b+c = 1! Pitkän matematiikan osaamisvajeessa on aineksia kansalliseen katastrofiin. On aivan selvää ja hyväksyttävää, että varsinaista matematiikkaa, siis muuta kuin laskentoa, eivät kaikki tarvitse eivätkä kaikki opi. Mutta kun kuitenkin aika moni tarvitsee ja voisi oppia, ja heillä ei oikein muutakaan tietä matematiikkaan ole kuin tämä lukion oppimäärä! Mitä olisi tehtävä? Ehdotan seuraavaa. Ylioppilastutkinnon matematiikan kokeessa luovutaan suhteellisesta arvostelusta ja siirrytään selviin, mutta toki kohtuullisiin kriteereihin; vain ne täyttävä hyväksytään. Yksinkertaisin selvä kriteeri olisi se vanha ainakin kolmen tehtävän osaamisen vaatimus. Kun tilanne on luisunut Pääkirjoitus

5 Solmu 1/011 5 nykyiselleen, on annettava siirtymäaikaa. Voitaisiin lähteä siitä, että lukio-opiskelunsa ensi elokuussa alkavat tietävät järjestelmän olevan voimassa kolmen vuoden kuluttua. Minulle vastataan, että näin ei voi tehdä, koska seurauksena olisi oppilaskato pitkässä matematiikassa. Asetetut määrälliset tavoitteet jäisivät saavuttamatta ja opettajien työllisyyskin voisi vaarantua. Oppilasmäärät voisivat todellakin pienentyä. Mutta eikö laatu korvaisi määrää? Mitä ihmettä oikeastaan teemme sillä lumeopilla, jota nyt näytään jaettavan kovin monelle? Kolme Jyväskylän yliopistossa matematiikan opettajaksi opiskelevaa, Sami Hirvonen, Saku Koskinen ja Matti Koivuluoma, kirjoittivat Helsingin Sanomissa opinnoistaan. Heidän pääsanomansa oli, että matematiikan opettajan opintojen ei tulisi koostua niin pääpainoisesti samoista aineksista kuin varsinaisiksi matemaatikoiksi opiskelevien kuin mitä he kokevat tapahtuvan. Sen sijaan matematiikan opettajiksi koulutettavien pedagogisten tietojen ja taitojen kasvattamiseen opintojen kuluessa ei panosteta riittävästi. Kirjoittajat haluaisivat tutustua koulumatematiikan ja koulun ilmiöihin koko opiskeluaikansa ajan. Hyviä tavoitteita kaikki. Jyväskyläläisopiskelijat eivät varmaankaan ajattele, niin kuin monet matematiikkaa koulussa opiskelevat luonnostaan tekevät, että matematiikka olisi sama asia kuin se kokonaisuus, joka muodostuu koulukursseista. Mutta pitkä kokemukseni matematiikan opettajista on, että aika moni opettaja tuntuu näin ajattelevan. Tunneista selviää melkein kuka vain, ovathan oppikirjan tehtävien vastaukset kustantajan verkkosivuilta kopioitavissa. Totuus on kuitenkin toinen. Matematiikan opettajan ja vain hänen keskeistä ammattitaitoa on ymmärtää ja välittää tietoa siitä, että matematiikkaa riittää joka suuntaan koulukurssien rajaaman piirin ulkopuolella, että myös tämän tiedon välittäminen. Hän kykenee siihen vain, jos hän pystyy näkemään koulumatematiikan laajemmasta perspektiivistä. Sitä näkökulmaa tuskin löytää opiskelematta ja oppimatta matematiikkaa, erityisesti sitä matematiikkaan kuuluvaa tarkkaa, täsmällistä ja omaa ajattelua. Oikean matematiikanopettajan työ ja elämä ei ole oppikirjan vastausliitteen ja taulukkokirjan varassa. Ja mitä muita taitoja matematiikan opettajalta voikaan odottaa, niillä ei voi korvata itse matematiikan osaamista. Matti Lehtinen Pääkirjoitus

6 6 Solmu 1/011 Täydellisyyttä etsimässä Anne-Maria Ernvall-Hytönen Kungliga Tekniska Högskolan, Tukholma Johdanto Jatketaanpa Solmussa /010 aloitettuja tekijäfunktioon liittyviä harjoituksia. Tällä kertaa keskitytään hieman toisenlaiseen tekijäfunktioon kuin aikaisemmin, nimittäin luvun n kaikkien positiivisten tekijöiden summaan σ(n) = d. d n Tästä eteenpäin tämän tekstin aikana oletetaan sanan tekijä viittaavan vain positiivisiin tekijöihin. Jos luvun n alkutekijähajotelma on n = p α1 1 pα k k, niin σ(n) = (1+p 1 + +p α1 1 ) (1+p k + +p α k k ) 1 1 p 1 1 = pα1+1 pα k+1 k 1 p k 1. Tämän todistaminen jätetään harjoitustehtäväksi. Tavallisen tekijäfunktion d(n) = d n1 yläraja on varsin pieni: d(n) n ε millä tahansa positiivisella ε, mutta samaa ei funktiosta σ voi sanoa, sillä σ(n) = n+ d. d n, d<n Voimmekin nyt keskittyä aivan toiseen ongelmaan: Milloin luvun n sitä itseään pienempien positiivisten tekijöiden summa on sama kuin luku itse, eli milloin pätee σ(n) = n? Tällaisia lukuja kutsutaan täydellisiksi luvuiksi. Esimerkiksi luku 8 on täydellinen luku: Sen positiiviset tekijät ovat 1,, 4, 7, 14 ja 8, ja = 56 = 8. Selvästi siis täydellisiä lukuja on olemassa (ainakin yksi kappale). Seuraavat kysymykset ovatkin: Onko näitä enemmän? Onko näitä peräti paljon? Pilataan heti jännitys kertomalla loppuratkaisu: 1. Parillisia täydellisiä lukuja on olemassa, ja niiden muoto tunnetaan täysin. Sen sijaan ei tiedetä, onko niitä äärettömän vai äärellisen paljon.. Parittomia täydellisiä lukuja ei oleteta olevan olemassa. Valitettavasti tätä ei ole vielä todistettu (useista yrityksistä huolimatta ja vaikka jotkut itse uskovatkin tämän todistaneensa). Parilliset täydelliset luvut Kuten edellä todettiin, parillisten täydellisten lukujen tilanne on varsin selkeä. Selvennetään ensin parillisten täydellisten lukujen muoto ja jutustellaan sen jälkeen enemmän niiden etsimisestä. Lause 1. Jos p 1 on alkuluku, niin p 1 ( p 1) on parillinen täydellinen luku. Todistus. Tämän väitteen todistus on hyvin helppo lasku. Alkuluvun ainoat tekijät ovat luku 1 ja luku itse. Siispä σ ( p 1 ( p 1) ) = σ ( p 1) σ( p 1) = ( p 1) p, mikä todistaa väitteen.

7 Solmu 1/011 7 Toinen suunta on aavistuksen hankalampi kuin edellinen, mutta kuitenkin vielä varsin helppo: Lause. Kaikki parilliset täydelliset luvut ovat muotoa p 1 ( p 1), jossa p 1 on alkuluku. Todistus. Olkoon h d parillinen täydellinen luku, ja olkoon d pariton. Nyt σ( h d) = σ( h )σ(d) = ( h+1 1)σ(d). Jotta kyseinen luku voi olla täydellinen, on pädettävä h+1 d = ( h+1 1)σ(d). Siispä h+1 1 d. Kirjoitetaan d = ( h+1 1 ) k. Nyt σ(d) h+1 k, missä yhtäsuuruus vallitsee, jos ja vain jos k = 1 ja h+1 1 on alkuluku, eli h+1( h+1 1 ) k = h+1 d = ( h+1 1)σ(d) ( h+1 1) h+1 k, missä yhtäsuuruus vallitsee vain edellä mainituilla ehdoilla. Koska puolet kuitenkin ovat yhtäsuuret (helppo sievennys), niin yhtäsuuruuden on vallittava. Tämä todistaa väitteen. Nyt siis tiedämme millaisia parilliset täydelliset luvut ovat. Esimerkiksi aiemmin esimerkkinä käytetty luku 8 on tätä muotoa: 8 = 4 7 = 3 1 ( 3 1). Koska jokainen parillinen täydellinen luku vaatii ihan ikiomanalkuluvunmuotoa p 1,seuraavaluonnollinen kysymys on, miten paljon tällaisia alkulukuja, eli niin kutsuttuja Mersennen alkulukuja, on olemassa. Ensimmäiseksi todettakoon, että jotta tällainen luku voi olla alkuluku, on luvun p oltava alkuluku (helppo harjoitustehtävä). Aikoinaan jopa uskottiin tämän olevan riittäväkriteeri,mutta valitettavastim 11, eli luvun parvolla 11 saatava Mersennen luku ei ole alkuluku: M 11 = 047 = Lopulta Mersennen alkuluvut ovat varsin harvassa, eli läheskään kaikilla alkuluvuilla p ei luku M p ole alkuluku. Toisaalta ei kuitenkaan tiedetä, onko tällaisia alkulukuja äärettömän paljon vai ei. Yleinen otaksuma tuntuu olevan, että niitä on äärettömästi, mutta varsin harvassa. Parittomat täydelliset luvut Parittomille täydellisille luvuille voi todistaa kaikenlaisia lystikkäitä ominaisuuksia varsin alkeellisesti. Kyseenalaista tietenkin on, onko näillä ominaisuuksilla mitään todellista merkitystä, mutta kertovat ne ainakin siitä, että jos pariton täydellinen luku on olemassa, niin sen on oltava varsin jännittävän muotoinen. Aloitetaan hyvin yksinkertaisella väitteellä: Lause 3. Neliö ei voi olla pariton täydellinen luku. Todistus. Todistuskin on hyvin yksinkertainen. Jotta n voisi olla täydellinen luku, olisi kaikkien sen tekijöiden summan oltava parillinen (jotta σ(n) = n). Kuitenkin tekijöiden summa voidaan laskea esimerkiksi seuraavasti: σ(n) = n+ ( d+ n ) n 1 (mod ). d d< n Väite onkin nyt selvä. Osoitetaan nyt, että jossain mielessä luku ei kuitenkaan voi kovin paljon poiketa neliöstä: Lause 4. Jos pariton täydellinen luku on olemassa, niin se on muotoa qd, missä q on alkuluku (joka jakaa tai ei jaa lukua d). Todistus. Olkoon luvun n alkutekijähajotelma Nyt n = p α1 1 pα k k. σ(n) = (1+p 1 + +p α1 1 ) (1+p k + +p α k k ). Huomaamme, että jos α i on pariton, niin (1+p i + +p αi i ) on parillinen. Kuitenkin n on vain kerran jaollinen luvulla (eli se ei ole millään suuremmalla kakkosen potenssilla jaollinen), jolloin myös σ(n) saa olla vain kerran jaollinen luvulla. Täten vain yksi tekijöistä (1+p i + +p αi i ) voi olla parillinen. Väite on todistettu. Tarkennetaanpa nyt edellistä tulosta: Lause 5. Jos n = qd on pariton täydellinen luku, niin q 1 (mod 4). Todistus. Olkoon luvun n alkutekijähajotelma Nyt q β p α1 1 p α k k. σ(n) = σ ( q β) σ ( p α1 1 p α ) k k. Muistetaan nyt, että q 1 (mod 4). Jos olisi q 3 (mod 4), niin olisi σ ( q β) = 1+q+ q β 0 (mod 4), mikä ei ole mahdollista. Tämä todistaa väitteen. Todistetaan ihan lopuksi vielä pieni tulos alkutekijöiden lukumäärään liittyen, eli että niitä on oltava paljon: Lause 6. Parittomalla täydellisellä luvulla on oltava vähintään pienimmän alkutekijän verran erisuuria alkutekijöitä.

8 8 Solmu 1/011 Todistus. Olkoon luvun n alkutekijähajotelma p α1 1 pα k. Jos pätee k p α1 1 pα k 1 1 p 1 1 k = pα1+1 pα k+1 k 1 p k 1, niin arvioimalla ylöspäin oikeaa puolta saadaan eli p α1 1 pα k k < pα1+1 1 p 1 1 pαk+1 k p k 1, < p 1 p 1 1 p k p k 1. Huomatkaamme nyt, että funktio g(x) = x x 1 on laskeva, kun x > 1 (epäileväiset lukijat voivat derivoida ja päätyä samaan johtopäätökseen). Voimme myös päättää, että Siispä < p 1 p 1 1 p k p k 1 p 1 < p < < p k. < p 1 p 1 1 p1 +1 p1 +k 1 p 1 p 1 +k = p 1 +k 1. p 1 1 Loppu onkin varsin helppo lasku: (p 1 1) < p 1 +k 1, joten p 1 1 < k, mikä todistaakin väitteen. Tulosta koulusi ilmoitustaululle Solmun etusivulta Solmun juliste Monikielisen matematiikkaverkkosanakirjan juliste

9 Solmu 1/011 9 Vaikeita, jopa mahdottomia yhtälöitä Matti Lehtinen Helsingin yliopisto Kielen aineksiin kuuluvat paitsi yksiselitteisesti tarkoitettaan vastaavat sanat, myös kielikuvat ja vertaukset. Kuvia ei kovin usein löydetä matematiikan käsitteistöstä. Joskus kuitenkin näkee kirjoitettavan yhteisestä nimittäjästä, toisinaan reunaehdosta. Yksi matematiikkalähtöinen sana tuntuu nykyään päässeen varsinaiseksi suosikiksi. Se on yhtälö, joka monen kirjoittajan tekstissä edustaa milloin minkäkinlaista yhdistelmää. Taannoinen suomen kielen normien perusteos, puolen vuosisadan takainen Nykysuomen Sanakirja, pitää sanaa yksiselitteisen matemaattisena: yhtälö s. mat. kahden yhtä suureksi merkityn lausekkeen kokonaisuus, ekvaatio; vrt. kaava 4.a. Identtinen, ehdollinen y. Ensimmäisen, toisen asteen y. Y:n vasen ja oikea puoli. Y:n juuri. Ratkaista y. Vuoden 010 tiedotusvälineissä yhtälö on kuitenkin aivan muuta. Katsotaanpa jokunen esimerkki. Aamulehden pääkirjoituksen otsikko on Venäläinen yhtälö. Lihan Venäjän-vientiä käsittelevän kirjoituksen mukaan Tähän yhtälöön on nyt alkanut ilmestyä konkreettisia lukuja. Venäläisten kerrotaan esimerkiksi löytäneen Atrian sianlihasta aknelääkettä ja muita antibiootteja. Olavi Uusivirta pohti Helsingin Sanomissa kulttuurin ilmaisjakelua verkossa ajatuksin Lienee suhteellisen loogista, että jos tästä yhtälöstä poistetaan ostaja, joudutaan kojuihin laittamaan laput luukulle, kuten Atso Almila jo ehdottikin. Ilta-Sanomien Plus-liite teoretisoi sukupuolirooleista kesänvietossa : Mökillä ollaan tilanteessa, jossa tervettä tekemistä molemmille sukupuolille riittää, ja yhtälöstä on karsittu lasikatosta jaarittelevat naisdosentit. Kimmo Siira ihmetteli yleisurheilun MM-kisojen keihäskarsinnan tuloksia Kalevassa : Andreas Thorkildsen ja perjantaiaamun keihäskarsinnan tulos 78,8 eivät sovi samaan yhtälöön, vaikka kuinka pyörittelisi. Pekka Vahvanen pohtii Sudanin poliittista tilannetta Kalevassa : Tämän argumentin mukaan al-bashrin poistaminen yhtälöstä veisi maan yhä pahempaan anarkiaan. Tiedotusvälineiden yhtälöön liittyy tavallisesti lisämääreitä, yleensä jotenkin kielteisiä. Yhtälö voi olla mahdoton: Islam ja uskonnonvapaus, mahdoton yhtälö (Tiede-lehden keskustelupalstan aiheotsikko), yllättävän vaikea: Hirvenmetsästys on yllättävän vaikea yhtälö (Timo Myllykoski, Kaleva ), toimimaton: Kyseessä on toimimaton yhtälö, jossa valtio siirtää hätäkeskusuudistusten riskit kuntien ja kansalaisten harteille (Petri Lindh, Helsingin Sanomat ), päätön: Mielestäni tämä on päätön yhtälö: teet itse työt, talletuksille maksetaan onnetonta korkoa, ja siitä hyvästä maksat yhä kalliimpia palvelumaksuja (Mari Niemi-Saari, Helsingin Sanomat ), onneton ja absurdi: Yhtälö on siis onneton ja absurdi: otamme kuluttamalla ekologista velkaa tulevilta sukupolvilta ilman että se edes lisää onnellisuuttamme (Katri Merikallio, Suomen Kuvalehti 18/010), kaupallinen ja mahdoton: Suosittua ulkomaista tv-draamaa voi saada eurolla tunti. Vastaava suomalainen saattaa maksaa euroa tunti. Kaupallinen yhtälö on mahdoton. (Mikael Jungner, Kana-

10 10 Solmu 1/011 va 5/010) tai hengenvaarallinen: kotihitsaaja parsii tee-se-itse perävaunun ja laittaa paksun maalikerroksen päälle. Tuloksena on hengenvaarallinen yhtälö muille tielläliikkujille. (Eero Saarikylä, Helsingin Sanomat ). Negatiivinen yhtälö- ja matematiikkakokemus yleensäkin lienee myös Jonnalla Anna-lehdessä : Ihan samat ongelmat kuin edellisessä avioliitossani. Eipä ole monta yhteistä nimittäjää tässä yhtälössäni. Sen sijaan Jorma Styngillä Kalevassa on myönteisempi näkemys: Tieteen ja taiteen yhtälö on ihan mielenkiintoinen. Eihän kielikuvan käytössä mitään pahaa ole. Jotenkin vain tuntuu, että yhtälö-sanaa tarjotaan yleensä yhdistelmä-sanan tilalle nimenomaan sellaisiin kohteisiin, joissa yhdistelmä on epätoivottava tai hankala. Samalla heijastellaan ehkä matematiikkaan kohdistuvaa varmaan yleensä tiedostamatonta negatiivista perusasennetta. Äärimmäisyyteen tämän taitaa viedä Markku Jokisipilä Helsingin Sanomissa , kun holokaustista syntyy yhtälö: Hän pohtii vakuuttavasti teollisen joukkomurhan mahdollistaneiden tekijöiden kokonaisuutta. Hitlerin ja muiden natsijohtajien antisemitismi ja rotuajattelu olivat yhtälössä tärkeitä, mutta toteutus vaati tuhansien uratietoisten keskitason virkamiesten oma-aloitteisuutta ja kymmenien tuhansien kuuliaisten rivimiesten (ja -naisten) panosta. Yhtälökielikuvaa voi toki käyttää matemaattisesti epäilyttävällä tavalla myös positiivisessa hengessä. Voittamisvalmentaja Cristina Anderssonin blogikirjoitus hehkuttaa Olen aikaisemmin käyttänyt yhtälöä win+win(+win) kuvatessani todellisen voittamisen olemusta. Yhtälössä molemmat osapuolet voittavat win+win ja tuottavat voittavia vaikutuksia myös kolmansille osapuolille, jotka eivät välttämättä ole mukana prosessissa (+win). ja Pentti Harinen kommentoi kirjoitusta kaksi päivää myöhemmin Nyt tarvitaan uusia, luovia yhtälöitä! Dekkaristi Ari Paulow filosofoi sukupuolisen häirinnän epätasa-arvoisuutta kirjassaan Itämaista rakkautta (009): Kuinka moni miespuolinen baarimikko ja portsari oli työaikana joutunut naisasiakkaiden ehdotusten ja takapuolesta nipistelyjen kohteeksi ja kuinka moni heistä oli siitä valittanut? Edellä mainittu yhtälö oli naurettavan helppo ratkaista: ääretön x nolla = nolla. Rikastuisikohan kielenkäyttö edelleen, jos laajempaan tietoisuuteen leviäisi matematiikan käsite epäyhtälö? Neuvoni nykypäivän kaksikymppiselle on lyhyt: mitään ei tarvita tulevaisuudessa yhtä paljon kuin ihmisiä, jotka osaavat matemaattis-loogisin työkaluin analysoida suuria aineistoja. Se pätee alasta riippumatta. Näin kertoo Samuli Ripatti Ajassa-lehdessä 3/010. Ripatti väitteli Tukholmassa tohtoriksi 001 lääketieteellisiä ongelmia selvitettäessä syntyneistä tilastotieteellisistä haasteista ja on nykyisin geenitutkija.

11 Solmu 1/ Erehtyikö Douglas Adams? Markku Halmetoja Mäntän lukio Osmo Pekonen luo artikkelissaan [1] mielenkiintoiselta näyttävän yleiskatsauksen uusimman matemaattisen fysiikan erääseen tutkimuskohteeseen ja sen edellyttämään matematiikkaan. Maallikko ei tosin ymmärrä kummastakaan juuri muuta kuin sen, että kokonaisluku 6 näyttää sukeutuvan esiin mitä yllättävimmistä yhteyksistä. Moni asia näyttäisi viittaavan siihen, että maailmankaikkeus on 6 ulotteinen, mutta meille tuntemattomat ulottuvuudet ovat käpertyneet Planckin mittakaavaan pienemmiksi kuin m. Pekonen lisää loistavalla tyylillään lukua 6 puoltavaan todistetaakkaan myös matemaattisen vitsin, joka on käsillä olevan kirjoituksen varsinainen aihe: n=1 n 3 n = 6. Tällä summalla ei tietenkään ole mitään tunnettua yhteyttä korkeampaan fysiikkaan, mutta se on omana itsenään kiinnostava. Miten se voidaan todistaa? Miksi se ylimalkaan on kokonaisluku? Ovatko mahdollisesti kaikki summat S k = n=1 n k n, k N, kokonaislukuja? Riittääkö koulumatematiikka näiden asioiden selvittämiseen? Vastaus löytyy hieman epätodennäköisestä suunnasta, nimittäin todennäköisyyslaskennasta. Olkoon X diskreetti satunnaismuuttuja, jonka todennäköisyysjakauma on X x 1 x x 3... x ı... p p 1 p p 3... p ı... Todennäköisyyslaskennan perusteiden mukaan jakauman kaikkien todennäköisyyksien summa on P(X = x ı ) = p ı = 1. ı ı Sovelletaan tätä eräiden kolikonheittoon liittyvien satunnaisilmiöiden yhteydessä. Heitetään aluksi kolikkoa, kunnes saadaan klaava. Olkoon satunnaismuuttuja X 0 tähän tarvittavien heittojen lukumäärä. Selvästi X 0 :n arvojoukko on Z +, ja koska heitot ovat toisistaan riippumattomia, on P(X 0 = n) = ( ) 1 } {{ } (n 1) kpl 1 = ( 1 ) n. Kaikkien todennäköisyyksien summa on ( P(X 0 = n) = 1 ) n = 1. Siis n=1 S 0 = n=1 n=1 n 0 n = n=1 ( 1 ) n = 1. Tämä on tietenkin tavallinen geometrinen sarja. (Summia, joissa on ääretön määrä yhteenlaskettavia, kutsutaan sarjoiksi.) Sen suppeneminen ja summa on nyt

12 1 Solmu 1/011 todistettu todennäköisyyslaskennan kautta. Aktiivinen lukija voi pohtia, voisiko jotakin vinkuraista kolikkoa heittämällä laskea yleisemmän summan S(x) = x n, x ]0,1[. n=0 Uusitaan koe heittämällä kolikkoa, kunnes saadaan toinen klaava. Olkoon satunnaismuuttuja X 1 tarvittavien heittojen lukumäärä. Tämä muuttuja saa arvon n, jos (n 1):llä heitolla saadaan tasan yksi klaava ja viimeisellä heitolla toinen klaava. Klaavojen määrä tietyssä heittosarjassa on binomijakautunut, joten ( ) n 1 P(X 1 = n) = 1 ( ( 1 1 ) n 1 n 1 = 1 ) (1 ) n. Kahden klaavan saamiseen tarvitaan vähintään kaksi heittoa. Merkitsemällä todennäköisyyksien summa ykköseksi saadaan ( ) n 1 (1 ) n 1 = 1 = n= n= (n 1) ( 1 ) n = n=1 (n 1) ( 1 ) n. Tästä seuraa (soveltamalla raja-arvon laskusääntöjä äärellisiin osasummiin) ja edelleen 1 = n n ( 1 )n = S 1 S 0, n=1 k=1 S 1 = 1+S 0 = 1+1 =. Jatketaan samalla tavalla. Heitetään kolikkoa, kunnes saadaan kolmas klaava. Satunnaismuuttuja X on tähän tarvittavien heittojen lukumäärä. Vähintään kolme heittoa tarvitaan, ja todennäköisyys, että X saa arvon n, on ( n 1 P(X = n) = ( n 1 = ) (1 ( 1 ) ) (1 n. ) n=1 ) n 3 1 Kuten edellisessäkin tapauksessa ( ) n 1 (1 ) n (n 1)(n ) ( 1 = 1 = 1 n ) n=3 n=3 (n 1)(n ) ( = 1 ) n. Tästä seuraa ( = n 3n+ )( 1 n ) = S 3S 1 +S 0, n=1 ja edelleen S = +3S 1 S 0 = +3 1 = 6. Tämä maistuu varmaan jo puulta, mutta heitetään edelleen kolikkoa, kunnes saadaan neljäs klaava. Satunnaismuuttuja X 3 olkoon tähän tarvittavien heittojen lukumäärä. Vähintään neljä heittoa tarvitaan. Kuten edellä ja ( n 1 P(X 3 = n) = 3 ( n 1 = 3 1 = = ( n 1 n=4 n=4 3 ) (1 ) (1 ) n ) 3 ( 1 ) (1 ) n (n 1)(n )(n 3) 3! ) n 4 1 ( 1 ) n. Summaus voidaan aloittaa arvosta n = 1 alkaen, sillä kolme ensimmäistä termiä ovat nollia. Siis 1 = = mistä seuraa ja lopulta 6 = n=4 n=1 n=1 (n 1)(n )(n 3) 3! (n 1)(n )(n 3) 3! ( 1 ) n ( 1 ) n, (n 1)(n )(n 3) ( ) 1 n = S 3 6S +11S 1 6S 0, S 3 = n=1 n 3 n = 6. Summan S k laskemiseksi saadaan samantapainen yhtälö kuin yllä nähdyt. Jos edeltävät summat ovat kokonaislukuja, niin myös S k on kokonaisluku. Koska alkupään summat ovat kokonaislukuja, seuraa induktioperiaatteesta, että kaikki nämä summat ovat kokonaislukuja. Aktiivinen lukija voi siis täydentää taulukkoa S 0 S 1 S S

13 Solmu 1/ kokonaisluvuilla kuinka pitkälle tahansa, tai ainakin vastata Mensa-tyyppiseen kysymykseen: Mikä on lukujonon 1,, 6, 6,... seuraava termi? Miten tämä kaikki liittyy Douglas Adamsiin? Hänen mainio teoksensa [] huipentuu lukuun 4 tavalla, jota ei tässä ole tarpeen lähemmin selittää, jotta lukukokemus olisi täydellinen niille, jotka eivät vielä ole tätä kirjaa lukeneet. Luku 4 edustaa monille humoristista pakotietä ahdistuksesta, jota kaatuvat tietokoneet ja päättömästi toimivat ohjelmistot aiheuttavat. Jos Adams olisi sattumoisin valinnut maagiseksi luvukseen 6, niin hän olisi saanut satiiriinsa ripauksen maailmankaikkeuden syvimmästä olemuksesta. Mutta onnistuiko hän tässä sittenkin? Jos korostetaan lukujen esittämisen paikkamerkintää hakasuluilla, esimerkiksi 35 = [3][5], niin lukujen 6 ja 4 välille löytyy yhteys: 6 = [][6] = [4 ][4+]. Kiitos dosentti Osmo Pekoselle artikkelin [1] erillispainoksesta. Viitteet [1] Osmo Pekonen, Miksi maailmankaikkeutta on väitetty 6 ulotteiseksi?, Arkhimedes 1, 199. [] Douglas Adams, Linnunradan käsikirja liftareille, WSOY Matematiikkalehti Solmusta löytyy myös oppimateriaaleja: Algebra (Tauno Metsänkylä ja Marjatta Näätänen) Matematiikan peruskäsitteiden historia (Erkki Luoma-aho) Matemaattista fysiikkaa lukiolaiselle (Markku Halmetoja ja Jorma Merikoski) Lukuteorian helmiä lukiolaisille (Jukka Pihko) Algebra (K. Väisälä) Matematiikan historia (Matti Lehtinen)

14 14 Solmu 1/011 Suomen matematiikan tähtinimet 1 Matti Lehtinen Helsingin yliopisto Kaikenlaisen toiminnan tuloksellisuuden arviointia pidetään aina vain tärkeämpänä. Ja suomalaiset ovat aina kovin kiinnostuneita tietämään, mikä on meidän rankingimme erilaisilla listoilla. Suomen matematiikanopetuksen kärkimaaksi tehnyt PISA-tutkimus on antanut ilonaiheita poliitikoille ja opetushallinnolle. Suomen matematiikan tutkimuksen nykytilaakin ovat asiantuntevat kansainväliset arvosteluraadit käyneet tarkastelemassa. Otetaan nyt vielä rohkeampi tavoite ja yritetään selvittää suomalaisten matemaatikkojen panosta maailman matematiikalle historiallisestakin perspektiivistä. Jotta arvio ei olisi aivan subjektiivinen, olisi hyödynnettävä jonkinlaista kansainvälistä arvosteluraatia. Mistä sellainen? Yksi huokea tapa poimia kansainvälistä arvostusta nauttivat suomalaismatemaatikot on katsella arvostettujen matematiikan historian monografioiden ja matemaattisten hakuteosten henkilöhakemistoja. Keitä ovat tällaisen kansainvälisen raadin tunnustamat suomalaismatemaatikot ja millä ansioilla he ovat listoille päässeet? Matematiikan yleishistorioiden osalta tulos on laiha. Tavallisimmissa matematiikan historian oppikirjoissa ei esiinny suomalaisnimiä juuri ollenkaan. Muutama poikkeus toki on. Florian Cajorin History of Mathematics mainitsee 1919 ilmestyneessä toisessa painoksessaan Lorenz Lindelöfin ja Jarl Lindebergin, ja Leonhard Euleria käsittelevät teokset tuntevat yleensä Anders Lexellin. Vuonna 191 ilmestynyt Sir Thomas Heathin monumentaalinen A History of Greek Mathematics tietää kertoa, että toisin kuin yleensä uskotaan, suomalainen, Turun Akatemian matematiikan professori Martin Johan Wallenius ( ) saattoi vuonna 1766 päätökseen erään matematiikan historian tärkeimpiin kehityslinjoihin kuuluneen ongelman selvittelyn. Kyseessä on ongelma euklidisin keinoin neliöitävistä ympyräkaksikulmiokuvioista luvulla ekr. elänyt Hippokrates Khioslainen osoitti, että se kahta kuunsirppiä muistuttava kuvio, jota rajoittavat ne puoliympyrät, joiden halkaisijat ovat suorakulmaisen kolmion hypotenuusa ja kateetit, on pintaalaltaan sama kuin sen pohjana oleva suorakulmainen kolmio. Juuri tämä tieto kannusti tutkimaan ympyrän neliöimisen mahdollisuutta, kysymystä, joka oli avoin aina 1870-luvulle asti. Wallenius osoitti, että Hippokrateen kuunsirpeille analogisia olennaisesti erilaisia neliöitäviä sirppikuvioita on kaikkiaan viisi erilaista. Anders Lexell ( ) on ensimmäinen kansainväliseen maineeseen noussut matematiikan suomalainen. Varsinaissuomalainen Lexell opiskeli ensin Turun Akatemiassa mutta siirtyi pian Pietariin, jonka tiedeakatemian jättihahmo oli sokeutuva Leonhard Euler. Euler tarvitsi huikean laajan tuotantonsa kirjuriksi assistentteja, joista yksi oli Lexell. Lexell ei kuitenkaan ollut vain puhtaaksikirjoittaja, vaan hänen omat ansionsa sekä differentiaaliyhtälöiden tutkimuksessa et- 1 Muokattu vuonna 001 ilmestyneeseen SMFL:n 40-vuotisjulkaisuun Työvälineitä tietoyhteiskuntaan kirjoitetusta artikkelista.

15 Solmu 1/ tä tähtitieteellisten laskujen suorittamisessa olivat niin suuret, että hän peri Eulerin aseman Pietarin tiedeakatemian matemaatikkona tämän kuoltua. Lexellillä oli oma sivuroolinsa eräässä tärkeässä luonnontieteen maailmankuvaa muovanneessa tapahtumaketjussa. Hän oli ensimmäinen, joka osoitti laskelmillaan, että William Herschelin taivaalta löytämä himmeä liikkuva kohde ei ollut komeetta vaan planeetta, Uranus. Antiikin ajoista vallinnut käsitys maata kiertävistä seitsemästä taivaankappaleesta kumoutui. Lorenz Leonard Lindelöf ( ) oli monipuolinen mies. Matematiikassa hänen alansa oli variaatiolaskenta, yksi matemaattisen analyysin päätutkimuskohteita 1700-luvulla ja 1800-luvun alkupuolella. Lindelöfin tieteellisistä tuloksista muistettavin on saksalaisen Jakob Steinerin tietyn tilavuuksisista monitahokkaista pintaalaltaan pienintä koskeneen olettaman todistus. Lindelöf julkaisi Pariisissa ranskankielisen variaatiolaskennan oppikirjan, joka oli pitkään käytössä monissa Euroopan yliopistoissa. Lindelöf siirtyi Helsingin yliopiston matematiikan professuurista Kouluylihallituksen, nykyisen Opetushallituksen edeltäjän, johtajaksi. Hän ehti olla edustajana säätyvaltiopäivillä kolmessa eri säädyssä: yliopiston edustajan pappissäädyssä, sitten porvaristossaja viimein aateloituna aatelissäädyssä,vieläpä säädyn puheenjohtajana eli maamarsalkkana. Pysyvän aseman matematiikan nimistössä on saanut monipuolinen Jarl Lindeberg ( ). Cajori mainitsee Lindebergin variaatiolaskennan yhteydessä, mutta varsinaisen maineensa Lindeberg on saanut toisaalta. Helsingin yliopiston matematiikan apulaisena 3 toimineen Lindebergin tehtäväksi tuli 190-luvun alussa opettaa todennäköisyyslaskennan kurssia. Perusteellisena henkilönä hän ei luottanut lähteisiinsä, vaan pyrki selvittämään asiat itsenäisesti. Tämä perusteellisuus tuotti tulosta todennäköisyyslaskennan keskeisen raja-arvolauseen kohdalla. Kauan on ollut yleisesti tunnettu ja hyväksytty käsitys, jonka mukaan usean satunnaismuuttujan summa on likimain normaalijakautunut. Lindeberg todisti tämän täsmällisesti hyvin yleisin oletuksin. Tulos julkaistiin Mathematische Zeitschriftissä. Eräs 1900-luvun nerokkaimpia ja kuuluisimpia matemaatikkoja, englantilainen Alan Turing (191 54), oli 1930-luvulla Cambridgessä saanut opinnäytetyökseen todennäköisyyslaskennan keskeisen raja-arvolauseen. Turing, joka ei myöskään juuri harrastanut lähdetutkimusta, löysi itsekseen Lindebergin todistuksen ja laati työnsä. Vasta ollessaan jättämässä sitä professori Abram Besicovitchille hän sai kuulla, että todistuksen on jo julkaissut joku Lindeberg, niin kuin Turingin suomennetunkin elämäkerran kirjoittaja Andrew Hodges mainitsee. Turingin työ kelpuutettiin kuitenkin. Hakuteosten nimistöä Kun historiankirjoista ei ole apua Suomen matematiikan arviointiin, voi lähteä tarkastelemaan tietoverkkoa ja hakuteoksia. Internetin merkittävin matematiikan historian aineistokooste, ainakin mitä matematiikan henkilöihin tulee, on skotlantilaisen St. Andrews -yliopiston sivusto Sivustolta voi katsoa suoraan sinne kirjatut matemaatikot syntymäpaikan mukaan. Sivustolta löytyy (joulukuussa 010) seitsemän sellaista matemaatikkoa, jonka syntymämaaksi on merkitty Suomi: Anders Lexellin lisäksi Ernst Lindelöf, Lars Ahlfors, Hjalmar Mellin, Rolf Nevanlinna, Karl Sundman ja Juha Heinonen. Vertailun vuoksi: sivustolla on 15 norjalaisen, 17 ruotsalaisen ja 3 tanskalaisen matemaatikon elämäkerrat. Vuonna 1987 Reidel-kustantamon julkaiseman alunperin neuvostoliittolaisen moniosaisen ja arvostetun Encyclopedia of Mathematicsin henkilöluettelo tuntee seuraavat suomalaiset: Lars Ahlfors, Felix Iversen, Kustaa Inkeri, Jarl Lindeberg, Ernst Lindelöf, Lorenz Lindelöf, Hjalmar Mellin, E. J. Nyström, Rolf Nevanlinna ja P. J. Myrberg. (Hakusanojen tarkastelu osoittaa kuitenkin, että viittaus Lorenz Lindelöfiin tarkoittaa itse asiassa Ernst Lindelöfiä). MIT Pressin ja American Mathematical Societyn kaksiosaisen, alkuaan japanilaisen Encyclopedic Dictionary of Mathematicsin(1977) hakemisto puolestaan mainitsee nimet Lars Ahlfors, Felix Iversen, Matti Jutilla, Olli Lehto, Y. W. Lindeberg 4, Ernst Lindelöf, Hjalmar Mellin, Rolf Nevanlinna, Leo Sario, Aimo Tietäväinen ja K. I. Virtanen. Integraalimuunnokset ovat tärkeä analyysin työkalu. Fourierin ja Laplacen transformaatioiden ohella tunnetuimpia integraalimuunnoksia on Mellinin muunnos. Sen esitti Hjalmar Mellin ( ). Mellinin uran funktioteoreetikkona käynnisti Helsingissä Lorenz Lindelöfin jälkeen nelisen vuotta professorina toiminut ruotsalainen Gösta Mittag-Leffler, sittemmin osin suomalaisen vaimonsa kautta hankkimansa varallisuuden turvin merkittävän uran matematiikan kansainvälisenä organisaattorina luonut ruotsalainen. Mellin itse teki virkauransa teknillisen opetuksen parissa, Polyteknillisestä opistosta Teknilliseksi korkeakouluksi muuttuneen oppilaitoksen matematiikan opettajana ja professorina. Olli Lehto on kirjoittanut Lorenz ja Ernst Lindelöfistä kaksoiselämäkerran Tieteen aatelia (Otava 008). 3 Virkanimike apulainen muuttui aikanaan apulaisprofessoriksi ja sitten professoriksi. 4 Tekstin siirtyminen japanin kielen kautta selittänee Jarl Lindebergin oudon etunimen alkukirjaimen ja Matti Jutilan nimen italialaisvaikutteisuuden. Samalla nähdään, että herrat eivät ole olleet kääntäjille ja toimittajille tuttuja.

16 16 Solmu 1/011 Ajallisesti seuraava kansainvälisiltä listoilta löytyvä suomalaismatemaatikko on Ernst Lindelöf ( ). Ernst oli Lorenzin poika ja tämän tavoin haki kansainväliset oppinsa Pariisista. Ernstkin julkaisi Pariisissa ranskankielisen oppikirjan, jonka aiheena oli residylaskenta, kompleksifunktioiden teorian tarjoama keino reaalisten integraalien määrittämiseksi. Mittag- Lefflerin Suomeen lanseeraama funktioteoria oli Lindelöfin merkittävimpien tieteellisten saavutusten alue. Lindelöfin tutkimukset kohdistuivat mm. analyyttisten funktioiden kasvuun. Erityisen usein mainitaan Lindelöfin yhdessä ruotsalaisen Lars Edvard Phragménin ( ) kanssa todistamaa lausetta analyyttisen funktion kasvusta sektorinmuotoisessa alueessa. Lindelöfin nimi on saanut pysyvän sijan myös pistejoukkojen topologiassa: ns. avoimen peitteen numeroituvaa osapeitettä koskeva tulos on antanut aiheen kutsua tietynlaisia topologisia avaruuksia Lindelöf-avaruuksiksi. Jotkut topologit ovat alkaneet pitää käsitettä siinä määrin tuttuna, että kirjoittavat sanan Lindelöf pienellä alkukirjaimella. Funktioteoria suomalaista matematiikkaa Suomen matematiikan kansainvälisenä tavaramerkkinä oli pitkään funktioteoria. Arviointipaneelimme nimistä funktioteoreetikkoja on epäilemättä Felix Iversen ( ), jonka tieteellinen tuotanto ei ole kovin laaja, mutta jonka analyyttisten funktioiden asymptoottisia arvoja koskeva tulos omaa pysyvää arvoa. Iversen oli vakaumuksellinen pasifisti, ja hänen toimintansa tämä puoli tuotti harvinaislaatuisen tunnustuksen luvun alussa Iversen sai vastaanottaa ns. Stalinin palkinnon. Suomen funktioteorian suurmies on Rolf Nevanlinna 5 ( ), Ernst Lindelöfin oppilas. Rolf Nevanlinna kehitti paljolti yhdessä veljensä Frithiofin ( ) kanssa analyyttisten funktioiden kasvua koskevan teorian olennaisesti yleisemmäksi ja tarkemmaksi meromorfifunktioiden arvojenjakautumisopiksi. Nevanlinnan keskeiset työt ilmestyivät 190-luvun puolivälissä. Nevanlinnan ideoita on sittemmin yleistetty eri tavoin, ja funktioteorian kansainvälisissä jaotteluissa arvojenjakautumisoppi tai sille lähes synonyyminen Nevanlinnan teoria on edelleen tärkeä ja aktiivinen tutkimuskohde. Nevanlinnan aikalaisen Pekka Myrbergin ( ) maininnat kansainvälisillä listoilla eivät niinkään perustu hänen sinänsä ansiokkaisiin töihinsä vuosisadan vaihteen molemmin puolin ajankohtaisen automorfifunktioiden teorian alalla, vaan hänen itsensä hiukan sivutuotteina pitämiinsä toisen asteen polynomien iterointia koskeviin töihinsä, joita hän julkaisi luvulla ollessaan vahvasti hallintotehtävien kuormittamana. Myrbergin työt ennakoivat parina viime vuosikymmenenä kovasti muodissa ollutta fraktaalien teoriaa. Myrberg oli nopea: hän sai tiedon saksalaisen Jablonowski-seuran julistamasta nelivuotisesta kilpailusta viimeisen kilpailuvuoden aikana vuonna 19 ja voitti kilpailun. Göttingenissä vieraillessaan hän kuului järjestäneen matemaatikoille 100 m juoksukilpailun, jonka hän myös itse voitti. Matematiikka ei välttämättä periydy isältä pojalle, kuten Lindelöfien tapauksessa, mutta kylläkin opettajalta oppilaalle. Rolf Nevanlinna oli Ernst Lindelöfin tohtorioppilas, ja Rolf Nevanlinnan ensimmäinen ja merkittävin tohtorioppilas oli Lars Ahlfors ( ). Ahlfors löi itsensä läpi varsin nuorena ratkaistuaan hämmästyttävän lyhyessä ajassa ranskalaisen Arnaud Denjoyn ( ) esittämän pitkään avoinna olleen ongelman. Ahlfors kilpailee Nevanlinnan kanssa kansainvälisesti tunnetuimman suomalaismatemaatikon asemasta. Hän oli vuodesta 1946 Harvardin yliopiston matematiikan professori seikka joka tuntui unohtuneen vuoden 000 keväällä Harvardia päivänkohtaisten syiden vuoksi esitelleiltä journalisteilta 6. Ahlfors tullaan muistamaan monia funktioteorian puolia käsitelleiden tutkimusten ja suositun funktioteorian oppikirjan lisäksi ensimmäisenä Fieldsin mitalin saajana. Tätä matemaatikkojen piirissä Nobelin palkinnon tavoin arvostettavaa tunnustusta on jaettu vuodesta 1936 alkaen joka neljäs vuosi yleensä kahdelle alle 40-vuotiaalle matemaatikolle. Lars Ahlfors on ainoa palkinnon saanut suomalainen. Funktioteorian piiriin liittyy myös Leo Sarion ( ), Olli Lehdon (s. 195), K. I. Virtasen ( ) ja huomattavasti nuorempaan ikäpolveen kuuluvan Juha Heinosen ( ) työ. Pitkään Kalifornian yliopistossa vaikuttaneen Sarion tutkimusten pääkohteena olivat Riemannin pinnat. Lehdon ja Virtasen vuonna 1965 saksankielisenä ilmestynyt kvasikonformikuvauksia käsitellyt monografia oli pitkään tämän funktioteorian osa-alueen perusteos. Olli Lehto on myös ollut merkittävä hallintomies, Helsingin yliopiston rehtori ja kansleri, ja näkyvä vaikuttaja matemaatikkojen kansainvälisissä organisaatioissa. Helsingissä vuonna 1978 pidetty Kansainvälinen matemaatikkokongressi, aikanaan suurin Suomessa pidetty kansainvälinen tieteellinen tapahtuma, oli olennaisesti Olli Lehdon aikaansaannosta. 5 Myös Nevanlinnasta löytyy Olli Lehdon kirjoittama elämäkerta Korkeat maailmat (Otava 001). 6 Tuolloin tasavallan presidentin vaalissa toiselle sijalle tullut Esko Aho poistui Suomesta opiskelemaan Harvardiin ja esimerkiksi Suomen Kuvalehti kirjoitti laajan artikkelin suomalaisista Harvardissa. Lars Ahlforsia ei mainittu ollenkaan.

17 Solmu 1/ Soveltajia ja lukuteoreetikkoja Kaikki listoillemme päässeet suomalaiset eivät toki ole funktioteoreetikkoja. Ahlforsin tapaan myös Karl V. Sundman ( ) saavutti myös kansainvälisen maineensa kuuluisaan ongelmaan liittyvillä töillä. Kyse oli tähtitieteestä, taivaanmekaniikasta. Newtonin lakien perusteella ei ole kovin vaikeaa laskea täsmällisesti kahden toisiinsa painovoimalla vaikuttavan taivaankappaleen radat, mutta asia mutkistuu olennaisesti heti, kun mukaan otetaan kolmas kappale. Sundman pystyi esittämään tälle kolmen kappaleen ongelmalle, jota mm luvun taitteen etevimpiin matemaatikkoihin kuulunut Henri Poincaré ( ) oli suuremmatta menestyksettä yrittänyt ratkaista, suppeneviin sarjoihin pohjautuvan ratkaisun. Sundman esitti myös jo 1910-luvulla suunnitelmia tähtitieteellisiä laskuja suorittavasta analogisesta tietokoneesta. E. J. Nyström ( ) oli Teknillisen korkeakoulun professori, jonka monet insinööripolvet muistavat deskriptiivisen geometrian opetuksesta ja lempinimestä Tonttu. Nyströmin maininta kansainvälisillä listoillamme perustuu kuitenkin hänen oivallukseensa numeerisen analyysin piirissä. Nyströmin algoritmi differentiaaliyhtälön numeeriseksi ratkaisemiseksi on hämmästyttävän yksinkertainen ja silti tarkka sen ainoa puute on approksimaatioratkaisun ensimmäinen askel, joka on laskettava muusta algoritmista poikkeavalla tavalla. Turkulainen Kustaa Inkeri ( ) oli lukuteoreetikko. Hän on listoilla töiden vuoksi, jotka liittyvät hiljattain lopullisen ratkaisun saaneeseen kuuluisaan Fermat n hypoteesiin. Inkeri laajensi aikanaan olennaisesti sitä aluetta, josta ainakaan Fermat n hypoteesin yhtälön ratkaisuja ei voi löytää. Turun yliopistossa ovat työskennelleet myös listoillemme nousseet lukuteoreetikko Matti Jutila (s. 1943) ja koodausteorian tutkija Aimo Tietäväinen (s. 1937). Suomi on ollut maantieteellisesti ja henkisesti syrjäinen. On varsin ymmärrettävää, että suomalaisten osuus tämän kirjoituksen pohjana olleissa hakemistoissa on varsin vähäinen. Tilastollisesti on odotettavissa, että aivan ensimmäisen suuruusluokan matemaattisia tähtiä ei ole Suomessa syttynyt. Norjalaisilla on Niels Henrik Abel, ruotsalaisilla ehkä muutama korkeammalle arvostuva tutkija, mutta Suomen matematiikkakin on hyvin puolustanut paikkaansa, kuten Ernst Lindelöf kuului sanoneen hyvää työtä kiittäessään.

18 18 Solmu 1/011 Matematiikan valitsemisen vaikeudesta Markku Halmetoja Mäntän lukio Professori Maija Aksela analysoi kirjoituksessaan [1] matematiikan ja luonnontieteiden asemaa peruskoulussa ja lukiossa. Hän esittää huolensa näiden oppiaineiden asemasta tulevissa tuntijakoratkaisuissa, ja erityisesti matematiikan osaajien vähäisestä määrästä. Lukion pitkän matematiikan yo-kokeeseen osallistuvien lukumäärä onkin jäänyt kauas tavoitteista. Vuosittain sen kirjoittaa noin 1000 kokelasta, ja näistä kolmisen tuhatta ymmärtää jotakin kirjoittamastaan. Yksin Aalto-yliopisto ottaa tuon määrän opiskelijoita. Todellisista osaajista on siis huutava puute kaikissa yliopistoissa ja korkeakouluissa. Miten tähän tilanteeseen on tultu? Eikö kansainvälistä arvonantoa nauttiva yleissivistävä koululaitoksemme olekaan tehtäviensä tasalla? Tuleeko asiaan parannusta uusien tuntijakojen ja opetussuunnitelmien myötä? Tiedostavatko päättäjät ongelman todellisen syvyyden? Aksela ei puutu ongelman varsinaiseen ytimeen, eli siihen, että matematiikan kouluopiskelu on keskittynyt kokonaan lukioon. Peruskoulussa opiskellaan matematiikan nimellä pelkkää laskentoa. Esimerkiksi Pythagoraan lause annetaan ilman perustelua laskukaavana, jota sovelletaan vain numeerisilla arvoilla laskinta käyttäen. Matemaattisen ajattelun oppimisen kannalta tärkeintä olisi kuitenkin pohtia, miksi tämä kaava toimii. Vastaavia esimerkkejä on lukemattomia. Yläkoulussa oppilaat saavat vääristyneen kuvan matematiikasta, kun lähes mitään ei yritetäkään perustella. Tällainen epä-älyllisyys ei voi herättää lahjakkaan oppilaan kiinnostusta alaa kohtaan, ja näin jää kolme vuotta parasta oppimisaikaa käyttämättä. Seuraus on, että lukion pitkän matematiikan opiskelun aloittaa yläkoulusta kiitettävin arvosanoin tulevia oppilaita, joille kaikki osoita-sanalla alkavat tehtävät ovat käsittämättömiä, ja joille jopa perusalgebra laskutoimitusten suoritusjärjestyksestä alkaen on tuntematonta. On selvää, että tavallinen yleislahjakaskaan oppilas ei lukiossa,5 vuoden aikana kykene paikkaamaan tällaista osaamisvajetta ja opiskelemaan samalla vielä laajempaa oppimäärää kuin mihin vanhan oppikoulun aikana pääsykokein valittu ikäluokan parhaimmisto sai käyttää 5,5 vuotta. Matematiikan oppiminen on älytauluista ja muista teknisistä vimpaimista huolimatta edelleen henkilökohtaista vaivannäköä vaativaa kovaa työtä. Mitään oikotietä siihen ei ole. Varsinkaan ei ole varaa pitää kolmea välivuotta yläkouluiässä. Koko ikäluokka ei luonnollisestikaan pysty oppimaan algebran alkeita ja deduktiivista geometriaa. Siksi opetus on eriytettävä niin, että keskittymishäiriöiset ja muut oppimaan kykenemättömät opiskelevat ehkä vielä nykyisestäkin kevennettyä kansalaistaito-pisa-matematiikkaa ja muut algebraa ja geometriaa samaan tyyliin kuin entisessä keskikoulussa ja peruskoulussakin vielä tasokurssien aikaan. Eriyttämisen voisi suorittaa seiskaluokalla syyslukukauden aikana toteutettavan valtakunnallisten koesarjan perusteella. Peruskoulun alkuperäinen tehtävä oli taata kaikille taloudellisesta asemasta riippumatta mahdollisuus koulutukseen. Tämä tavoite on toteutunut hyvin, mutta todellinen koulutuksellinen tasa-arvo saavutetaan vas-

19 Solmu 1/ ta sitten, kun kaikille taataan edellytyksiensä mukainen koulutus. Viimeksi mainitun voi sisällyttää osaksi sivistysvaltion määritelmää. Viitteet [1] Maija Aksela, Liian harva valitsee matematiikan, Suomen Kuvalehti 50/010. Diplomitehtävien oheislukemistoa Osoitteessa on diplomitehtäville oheislukemistoa, joka varmaan kiinnostaa muitakin kuin diplomien tekijöitä: Desimaaliluvut, mitä ne oikeastaan ovat? Murtolukujen laskutoimituksia Negatiivisista luvuista Hiukan osittelulaista Lausekkeet, kaavat ja yhtälöt Äärettömistä joukoista Erkki Luoma-aho: Matematiikan peruskäsitteiden historia Gaussin jalanjäljissä K. Väisälä: Algebra

20 0 Solmu 1/011 Kahdeksan tehtävää peruskoululaisille Matemaattisten aineiden opettajien liiton Peruskoulun matematiikkakilpailun ensimmäinen kierros Matti Lehtinen Helsingin yliopisto Matemaattisten aineiden opettajien liitto MAOLin vuotuiset koululaiskilpailut ovat kaksikierroksisia. Lukuvuoden alkukilpailut pidettiin kouluissa marraskuun alussa. Kilpailuja on kaksi, peruskoulun ja lukion, ja lukion kilpailu käydään kolmessa sarjassa. Sarjat perustuvat kilpailijoiden ikään, mutta halutessaan voi kilpailla omaa ikää vanhempienkin sarjassa. Peruskoulukilpailun osallistujat ovat yleensä yhdeksäsluokkalaisia. Tässä kirjoituksessa esitellään Peruskoulun matematiikkakilpailun alkukierroksen tehtävät ja yritetään myös ratkaista niitä. Kirjoittaja ei ole itse ollut tekemisissä tehtävien laadinnan tai tulosten arvioinnin kanssa, joten esitetyt ratkaisuehdotukset ovat luonteeltaan epävirallisia. Peruskoulukilpailussa oli kahdeksan tehtävää. Ratkaisemiseen oli aikaa vain 50 minuuttia. Kilpailuun osallistui noin oppilasta. Pisteitä oli jaossa 48. Parhaat pisteet, 45, sai Urjalan Huhdin koulun Jenna Koivu. Sadan parhaan joukkoon pääsi pistemäärällä 9 eli noin viiden tehtävän ratkaisemisella. Kilpailu alkoi perinteisellä kellon osoittimien välistä kulmaa koskevalla tehtävällä. 1. Kuinka suuri on kellon viisarien välinen kulma, kun kello on a) 8.00, b) 1.45? Kun tuntiosoitin kiertää kellotaulun tunnissa, niinyhdessätunnissasekiertyy30.kello8.00minuuttiosoitin osoittaa kohti 1:ta ja tuntiosoittimella olisi neljä 30 jaksoa minuuttiosoittimen luo: a-kohdassa vastaus on siis 10. Kello 1.45 minuuttiosoitin osoittaa kohti yhdeksää, joten sen ja kello 1:n suunnan välinen kulma on 90. Tuntiosoitin on kuitenkin siirtynyt 3/41:n ja yhden välisestäkulmastaeli =,5. Osoittimien välissä on siis kulmaa 11,5 = Toisessa kilpailutehtävässä oli pääteltävä kahden joukon yhteisen osan eli leikkausjoukon koko, kun osajoukkojen ja joukkojen yhdisteen komplementtijoukon koot tunnettiin.. Koululaisten harrastuksia tutkittiin. Viidenkymmenen koululaisen joukosta 33 koululaista harrasti jääkiekkoa, 4 koululaista harrasti sählyä ja 8 koululaista ei harrastanut jääkiekkoa eikä sählyä. Kuinka moni koululainen harrasti sekä jääkiekkoa että sählyä? Vastaus selviää, kun ensin huomataan, että vähintään jommankumman lajin harrastajia oli 50 8 = 4. Kun tästä vähennetään 4, saadaan pelkän jääkiekon harrastajien lukumäärä 18. Kun jääkiekkoilijoita oli kaikkiaan 33, on sekä jääkiekkoa että sählyä harrastavia = 15. Varmuuden vuoksi voi vielä laskea vain sählyä harrastavien määräksi 4 33 = 9 ja sählyn ohella jääkiekkoakin pelaavien määrän 4 9 = 15.