Thứ Ba, 31 tháng 3, 2015

Giải thưởng Field - giải Nobel toán học

Ai cũng biết rằng giải Nobel là giải thưởng danh giá nhất mà bất kỳ nhà khoa học nào trong các lĩnh vực vật lý, sinh học, y học, hoá học,... đều mơ ước như một sự công nhận tài năng và kết quả nghiên cứu của mình. Hơn nữa, giá trị giải thưởng cũng rất lớn (từ năm 2014 là khoảng 1,400,000 đô la Canada). Tiếc rằng, giải Nobel không được trao cho các nhà toán học. Có những giải thích khác nhau về nguyên do của chuyện này, trong đó có một giả thuyết là theo ý nguyện của chính Nobel, người có mối hận tình với một nhà toán học.

Dù sao, đó cũng là một thiệt thòi lớn cho các nhà toán học. Để bù đắp, giải thưởng Field được thành lập theo sáng kiến của nhà toán học người Canada John Charles Fields. Giải được trao lần đầu tiên vào năm 1936 cho hai nhà toán học: Lars Ahlfors (người Phần Lan) và Jesse Douglas (người Mỹ). Từ năm 1950, giải được trao 4 năm một lần cho từ 2-4 người mỗi lần trao.

Từ đó, đây là giải thưởng được coi là cao quý nhất dành cho các thành tựu toán học. Về mặt danh giá, giải Fields được đánh giá ngang bằng với giải Nobel, tuy nhiên số tiền thưởng thì nhỏ hơn nhiều. Điểm khác biệt căn bản là ở chỗ chỉ được trao cho các nhà toán học dưới 40 tuổi với mục tiêu tiêu là khuyến khích nghiên cứu toán học từ giới trẻ. Năm 2010, Giáo sư Ngô Bảo Châu (lúc đó 38 tuổi), trở thành người Việt Nam đầu tiên và duy nhất cho đến nay được nhận giải thưởng này.

GS Ngô Bảo Châu - Giải Fields năm 2010

Năm 2006, Grigori Perelman, nhà toán học thiên tài người Nga trở thành người duy nhất được trao giải nhưng không nhận! Ông còn từ chối giải Clay, cũng là một giải thưởng toán học danh giá, và nhiều giải thưởng khác với trị giá trên 1,000,000 USD. Lý do rất đơn giản: không muốn phân tâm vì những việc khác, không phải là nghiên cứu toán học.

Grigori Perelman - thiên tài toán học người Nga (sinh năm 1966)
Hiện ông sống với mẹ ở St Peterburg, trong một căn hộ nhỏ đầy gián! Grigori Perelman được coi là một trong số những tài năng lớn nhất của nhân loại còn sống.

Artur Ávila - Giải Fields 2014


Trong lần trao giải gần nhất (2014), Maryam Mirzakhani (sinh năm 1977) trở thành người Iran đầu tiên và cũng là phụ nữ đầu tiên được nhận giải thưởng này. Cũng trong năm đó, nhà toán học người Brazil là Artur Ávila (sinh năm 1979) trở thành chủ nhân đâu tiên của huy chương Fields đến từ châu Mỹ la tinh.

Bên cạnh giải Fields, giới toán học còn một số giải thưởng danh giá khác như: giải Clay, giải Chern với quỹ tiền thưởng lớn hơn. Nhưng về mặt danh tiếng, giải Fields vẫn là giải được coi là danh giá nhất.


Đồ thị hàm số và những đường cong hoàn hảo

Trên dãy Alps thuộc châu Âu có một loại tàu hoả chạy trên miền núi với tốc độ cao mà không dùng đến các bánh răng cưa. Để làm được điều này, các kỹ sư đã thiết kế và thi công các tuyến đường một cách vô cùng khoa học (đường núi nhưng độ dốc tối đa đạt 0,72%). Kết quả là không chỉ có những tuyến đường sắt thuận tiện, ở nhiều chỗ ta còn bắt gặp những công trình nghệ thuật thực sự, ảnh đoạn đường gần thị trấn Brusio (Thuỵ Sĩ) dưới đây:

Ảnh: @lifeandtravel.com
Có lẽ những người thiết kế cung đường này đã có những tính toán toán học hoàn hảo để các đoàn tàu có thể di chuyển an toàn. Cung đường cũng làm ta liên tưởng đến hình vẽ dưới đây:

Hình: đồ thị hàm số y = a * sqrt(b*x) với a = -3; b = -1;

Đồ thị là cách thể hiện hàm số trên hình vẽ 2 hoặc nhiều chiều. Hình xoắn ốc trên đây là đồ thị của hàm số y = a * sqrt(b * x) với a = -3 & b = -1; Đồ thị giúp ta hình dung rất nhiều khía cạnh của một hàm số. Một vài điểm có thể dễ dàng nhận biết trên đồ thị:

  • Tính liên tục: khi đồ thị được biểu diễn bằng đường liền, không ngắt quãng
  • Sự biến thiên: khi nào giá trị của hàm tăng, hay giảm phụ thuộc vào giá trị tăng của biến số
  • Nghiệm số: khi nào hàm số có giá trị là 0
  • Dương/âm: khi nào hàm số có giá trị dương (hoặc âm)
  • Giới hạn: giá trị hàm số sẽ tiến đến đâu nếu biến số tiến đến một giá trị nào đó?
  • Tốc độ thay đổi: hàm số sẽ thay đổi nhanh hay chậm nếu biến số thay đổi?
  • Giá trị cực đại/cực tiểu: ở đâu thì giá trị hàm số là lớn nhất so với các điểm xung quanh?  

.... Có thể có những điểm khác nữa, chúng ta sẽ bàn cụ thể từng vấn đề liên quan sau. Trở lại với một câu hỏi trong bài viết trước: "có cách biểu diễn toán học nào cho hình ảnh rất ấn tượng của lá cây anh túc như trong ảnh dưới đây không"?

Hình: lá cây anh túc

Câu trả lời là có! Có một đồ thị hàm số thể hiện chính xác hình lá cây trên, đến nỗi đồ thị đó đã được đặt tên là: "marijuana leaf curve" theo tên của loài cây khét tiếng này:

Hình: Marijuana leaf curve
Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm thì đây là hàm số:

r = 1.5 * (1.0 + 0.9 * cos(8t)) * (1.0 + 0.1 * cos(24t)) * (0.9 + 0.05 * cos(200t)) * (1.0 + sin(t)) + 0.1

Liệu bạn có muốn tự mình kiểm tra xem đồ thị trên được vẽ chính xác hay không? :)) Có thể nghi ngờ, bạn hãy thử vẽ lại đồ thị của hàm số trên xem sao!






Hình học phẳng và trí tưởng tượng

Toán học là khoa học chính xác của trí tưởng tượng và cái đẹp! :) Không nhất thiết phải trở thành học sinh giỏi toán hay trở thành nhà toán học mới cần quan tâm hay cảm nhận điều đó. Một ví dụ đơn giản khi vẽ hình thang ABCD (AB//CD):

Hình thang ABCD

Nhìn vào đây bạn sẽ thấy điều gì? Một hình vẽ khá đơn giản. Thế nhưng khi học toán thì trong đầu bạn sẽ có ít nhất các hình dung sau đây:
  1. Hai đường chéo AC và BD và điểm O
  2. Các đường cao AH, BI, CJ, DK
  3. Trung điểm M của AD, N của BC, R của AB, S của CD
  4. Đường trung bình MN
  5. Giao điểm P của hai cạnh bên AD và BC
Hình thang ABCD trong trí tưởng tượng toán học

Nếu thêm một yếu tố, chẳng hạn ABCD là hình thang cân. Khi đó trong hình dung của bạn sẽ có thêm đường tròn ngoại tiếp hình thang và tâm của nó! Chưa kể các quan hệ logics giữa các yếu tố đó:
  • Diện tích hình thang = (AB+CD) x AH / 2
  • MN = (AB + CD)/2
  • AH = BI = CJ = DK
  • Bạn có nghĩ là P, R, O, S thẳng hàng?

Khá ấn tượng phải không? Việc học toán, giải toán ở trường phổ thông với yêu cầu bình thường nếu được quan tâm đúng mức có thể giúp phát triển trí tưởng tượng phong phú một cách tự nhiên! Trí tưởng tượng không chỉ dùng trong việc học toán, nó là đặc tính cần thiết chủ đạo trong tư duy của con người khi tham gia bất kỳ hoạt động nào có tính sáng tạo và nó còn làm cho cuộc sống phong phú và tốt đẹp hơn.

Hàm số - trong nhà trường và trong cuộc sống!

Nói đến khái niệm hàm số, hiển nhiên ai cũng sẽ nghĩ đến môn toán học trong nhà trường, (khá là kinh khủng với đa số học sinh!), xa hơn nữa là những khái niệm cao siêu liên quan đến vấn đề vẽ quỹ đạo của những ngôi sao đã tắt, hình thù của các vũ trụ hay việc đưa người lên sao hoả!

Việc sử dụng những ký hiệu, khái niệm và công thức toán học, cùng với việc ít liên hệ và gắn liền với những khái niệm và hiện tượng thông thường khiến cho hàm số trở thành khái niệm hàn lâm và khiến mọi người liên tưởng đến những lĩnh việc cao siêu.

Tuy nhiên, hàm số lại là khái niệm rất thiết thực, rất gần với cuộc sống hàng ngày. Thậm chí rất nhiều người chưa từng quan tâm đến môn toán cao hơn lớp 5, vẫn có thể sử dụng hàm số hàng ngày. Có thể kể đến một số ví dụ:

Số tiền mà một bà đi chợ bán rau kiếm được hàng ngày (doanh thu, hoặc lợi nhuận, hoặc cả hai) là một hàm số khá phức tạp. Phụ thuộc vào ít nhất là các biến sau đây:
  • Các loại ra mà bà ấy bán (giả sử ta ký hiệu là các loại r1, r2, ... rn)
  • Số lượng bán được: (ký hiệu là v1, v2,... vn)
  • Giá cả mỗi loại: (ký hiệu là x1, x2,... xn)

Giả sử bà ấy bán 5 loại rau (n = 5), rõ ràng như vậy doanh thu bán hàng hàng ngày là một giá trị (ký kiệu là f) phụ thuộc vào các biến số r1, r2,... r5, v1, v2,...,v5, x1, x2,...,x5 (có 15 biến số cả thảy).

Bà đi chợ này có thể chưa học toán cấp 3, hoặc có học nhưng không hiểu mấy, nhưng lại thường xuyên tính toán giá trị của hàm số có ... 15 biến số! Điều mà chắc không mấy GSTS thường làm!

Vẫn là ví dụ trên, ta xét theo chiều khác: doanh thu theo từng ngày. Bà ấy sẽ quan tâm trong tháng thì những ngày nào bán được nhiều? ngày nào bán được ít? những ngày nào hoặc điều kiện nào thì bán được nhiều hơn? (Để tính toán khối lượng mua đầu vào sao cho chuẩn). Ở đây bà ấy đang giải quyết các vấn đề liên quan đến điểm cực đại, điểm cực tiểu, vùng cực đại, bài toán tối ưu,... Và đấy là những bài toán thiết thực, liên quan trực tiếp đến cuộc sống của mình và gia đình.

Toán học hoàn toàn không phải trên mây hay trong tưởng tượng phải không? Vấn đề không phải là có nên học hay không hay học đến đâu? Mà điều quan trọng có lẽ là ở chỗ những cái gì là căn bản, là cơ sở và hình thức như thế nào là phù hợp. Để kết thúc bài viết nhỏ này, hãy nhìn vào hình dưới đây:


Bạn có thể tưởng tượng ra điều gì? Một con ốc? Một cái dây cót trong đồng hồ? (Loại lên dây cót). Tất nhiên là đúng rồi. Ngoài ra nó còn là hình biểu diễn của một hàm số đơn giản: r(t) = a * t (là hàm số biểu diễn vị trí của một điểm cách gốc toạ độ một khoảng là a * t với t là góc quay quanh gốc toạ độ)

Và trong hình dưới đây, bạn có biết đó là lá cây gì? (Hình ảnh từ Internet)



Đó là lá cây anh túc (cây thuốc phiện). Nhưng chúng ta không bàn về cây thuốc phiện. Câu hỏi đặt ra là: có cách nào mô tả cái lá rất đẹp đó dưới dạng toán học hay không? Câu trả lời sẽ có trong bài viết tiếp theo.