Transformationsmatrisen – del 1

De flesta matematik- och ingenjörsstudenter läser någon form av linjär algebra. Det är ett högst rimlig inslag i deras utbildning – vilken vuxen människa räknar inte med matriser :)?

Just beräkningar är dessutom det studenterna måste lära sig först. Efter att de behärskat teknikerna som Gauss-elimination och matrismultiplikation är det dags för nästa steg: räkna med olika baser.

Jag har som lärare på kursen Linjär algebra II fått överlägset mest frågor om avsnittet som handlar om transformationsmatriser. De frågorna var jag också sämst på att besvara, eftersom man alltid är tvungen att hålla tungan rätt i mun med transformationsmatriser. Olika beteckningar i olika böcker förbättrar inte situationen.

Så vad är en transformationsmatris?

Med en transformationsmatris från basen b till basen c menar jag en matris som omvandlar vektorer, uttryckta i basen b, till likadana vektorer, men uttryckta i basen c.

Eller snarare så här: tar man en vektor (föreställ er ett geometriskt objekt) och skriver upp dess koordinater i basen b och sedan multiplicerar med transformationsmatrisen från vänster (det vill säga tar produkten matris \cdot vektor), så kommer resultatet vara samma vektor (exakt samma geometriskt objekt), men koordinaterna kommer ändra sig. De kommer att vara uttryckta i basen c.

Därför kallas transformationsmatrisen också basbytesmatrisen. Det den gör är att byta vilken bas som för tillfället är den aktuella, i vilken bas vi just nu räknar saker.

Vissa begrepp kanske känns oklara i förklaringen ovan. Vi reder ut dem!

Vadå baser?

En bas kan ses som en sorts koordinatsystem. Om vi arbetar på det tvådimensionella planet så kan vi rita flera olika koordinatlinjer:

Som vi ser bestäms hela bilden alltid av två sorts linjer. Det är riktningarna på linjerna som är viktiga.

På samma sätt bestämmer två vektorer en bas i planet. De skall vara riktade åt olika håll (inte parallella). En bas är alltså ett par av vektorer. (Men i rum med högre dimension ska en bas bestå av fler vektorer, antalet är lika med dimensionen.)

Så exempel på baser (som vi ska jobba med) är:

bas b

bas c

bas d

Om vi lägger på koordinater på rutnätet kan vi läsa av vad de här basvektorerna har för koordinater (i standardbasen):

Nämligen b_1=(2,0), b_2=(0,2), c_1=(2,0), c_2=(1,2), d_1=(1,-1), d_2=(1,1)

Eller, skrivna på kollonform: b_1=\left(\begin{array}{c}2 \\0\end{array} \right), b_2=\left(\begin{array}{c}0 \\2\end{array} \right), c_1=\left(\begin{array}{c}2 \\0\end{array} \right), c_2=\left(\begin{array}{c}1 \\2\end{array} \right), d_1=\left(\begin{array}{c}1 \\-1\end{array} \right), d_2=\left(\begin{array}{c}1 \\1\end{array} \right)

Det är egentligen ingen väsentlig skillnad mellan radform och kolonnform, men oftast skriver man vektorerna på kolonnform. Om man gör det, så skall matrisen skrivas till vänster om vektorn vid multiplikation.

I nästa del reder vi ut hur man beräknar och skriver vektorer i olika baser.

Hur använder människor matte i vardagen?

För ett tag sedan åkte jag tåg från Stockholm till Köpenhamn och i sätena bredvid fick jag trevliga medpassagerare. Så småningom nämnde jag att jag höll på med matte, varpå kvinnan jag satt med berättade att hon faktiskt använde sig av matte i sitt jobb.
Det var inga jätteavancerade uträkningar, jag gissar att de involverade för det mesta division. Men det var viktigt att räkna rätt, eftersom människornas hälsa hängde på det.
Jag har tidigare inte riktigt tänk över hur mycket matte folk verkligen använder i sitt jobb- och privatliv (nu menar jag förstås dem som inte är matematiker, fysiker, statistiker etc.). Hur mycket matematik använder en ingenjör egentligen? Vad är viktigare för detta yrke: att räkna rätt eller att tänka djupt?
Sådant tål att funderas på när vi lär ut matten till barn, ungdomar och studenter. Människor lär sig själva det de själva vill förstås, men man kan styra deras förståelse något beroende på vilket utlärningssätt man väljer. Vi styr också i hög grad människornas förhållningssätt till matematiken.
Säg att vi vill lära ut addition av flersiffriga tal till någon elev E. Det finns några olika scenarion:
1. E får mändgder med liknande uppgifter att räkna igenom. Han lär sig en metod: hur man ställer upp additionen och sedan utför den. Till slut utför algoritmen mekaniskt, utan att E tänker särskilt noga, räkning kan bli till en meditativ process.
På så sätt lär barnen sig addition i Kina. Matteproven i de lägre årskurserna består av långa spaltar med räkningsuppgifter, som ska utföras på väldigt kort tid. Där måste eleverna lära sig att räkna hypersnabbt.
Hur kul detta är för E, beror lite på hur E lagt. Jag skulle tippa på att E tycker att det är kul i början (barn i allmänhet tycker om repetativa uppgifter ett tag), men kan bli uttråkad i längden, om samma sak händer lektion efter lektion.
2. E:s lektioner i addition är lite av en lek. Läraren förklarar något spännande sätt att utföra addition på. Exempelvis får eleverna se att
398+345 = 398+2+345-2 = 400+343 = 743
(inte just de stegen skrifligt, utan just idén om att lägga över delar av ena talet till det andra).
E får räkna några få uppgifter under de lektionerna, kanske tillsammans med kompisar. Varje uppgift är intressant och varje resultat uppmuntras eller belönas. E har väldigt kul under den lektionen. Men i fortsättningen räknar han ganska ofta fel, eftersom han inte fick öva så jättemycket själv när han lärde sig.
3. Läraren är hardcore och visar eleverna det teoretiska bakom addition, det vill säga att alla tal är uppbyggda av ental, tiotal, hundratal och så vidare. Eleverna får se flera olika sätt att addera på, samt får förklaringen på varför additionen ställs upp som den gör.
E fattar inte riktigt allt, men hans klasskompis F gör. Detta resulterar i att F blir mycket bättre än alla andra på att räkna och E blir lite förvirrad. Så småningom lär sig alla i klassen räkna hyfsat bra och en del av klassen får en mycket bra känsla för siffror, som gör deras fortsatta inlärning lättare.
De flesta lärare i grundskolan kör på någon blandning ut av de scenarion. Och de är fullt befogat, olika sätt passar ju olika individer.
Men kan det vara så att olika sätt passar olika yrken också? Om man tar integralkalkylen och försöker resonera som i exemplet ovan, så ser man att det finns ännu fler scenarion. Den skall absolut läras ut olika, beroende på hur den skall användas. Vissa kommer att behöva en djupare förståelse för funktioner och grafer i deras arbete och vissa kommer bara att behöva räkna femtioelva integraler om dagen i sitt yrke.
Tyvärr så har Bolognaprocessen en nackdel där. Alla möjliga utbildningar får ta sig igenom en och samma kurs med en och samma kursplan. Det betyder att folk, som behöver lite olika kunskaper och färdigheter alla dras över samma kam.
Men allt är inte kört än, eftersom lärarna oftast har större makt över studenternas inlärning än kursplanen!

För ett tag sedan åkte jag tåg från Stockholm till Köpenhamn och i sätena bredvid fick jag trevliga medpassagerare. Så småningom nämnde jag att jag höll på med matte, varpå kvinnan jag satt med berättade att hon faktiskt använde sig av matte i sitt jobb.

Det var inga jätteavancerade uträkningar, jag gissar att de involverade för det mesta division. Men det var viktigt att räkna rätt, eftersom människornas hälsa hängde på det.

Jag har tidigare inte riktigt tänk över hur mycket matte folk verkligen använder i sitt jobb- och privatliv (nu menar jag förstås dem som inte är matematiker, fysiker, statistiker etc.). Hur mycket matematik använder en ingenjör egentligen? Vad är viktigare för detta yrke: att räkna rätt eller att tänka djupt?

Sådant tål att funderas på när vi lär ut matten till barn, ungdomar och studenter. Människor lär sig själva det de själva vill förstås, men man kan styra deras förståelse något beroende på vilket utlärningssätt man väljer. Vi styr också i hög grad människornas förhållningssätt till matematiken.

Säg att vi vill lära ut addition av flersiffriga tal till någon elev E. Det finns några olika scenarion:

1. E får mändgder med liknande uppgifter att räkna igenom. Han lär sig en metod: hur man ställer upp additionen och sedan utför den. Till slut utför algoritmen mekaniskt, utan att E tänker särskilt noga, räkning kan bli till en meditativ process.

På så sätt lär barnen sig addition i Kina. Matteproven i de lägre årskurserna består av långa spaltar med räkningsuppgifter, som ska utföras på väldigt kort tid. Där måste eleverna lära sig att räkna hypersnabbt.

Hur kul detta är för E, beror lite på hur E lagt. Jag skulle tippa på att E tycker att det är kul i början (barn i allmänhet tycker om repetativa uppgifter ett tag), men kan bli uttråkad i längden, om samma sak händer lektion efter lektion.

2. E:s lektioner i addition är lite av en lek. Läraren förklarar något spännande sätt att utföra addition på. Exempelvis får eleverna se att

398+345 = 398+2+345-2 = 400+343 = 743

(inte just de stegen skrifligt, utan just idén om att lägga över delar av ena talet till det andra).

E får räkna några få uppgifter under de lektionerna, kanske tillsammans med kompisar. Varje uppgift är intressant och varje resultat uppmuntras eller belönas. E har väldigt kul under den lektionen. Men i fortsättningen räknar han ganska ofta fel, eftersom han inte fick öva så jättemycket själv när han lärde sig.

3. Läraren är hardcore och visar eleverna det teoretiska bakom addition, det vill säga att alla tal är uppbyggda av ental, tiotal, hundratal och så vidare. Eleverna får se flera olika sätt att addera på, samt får förklaringen på varför additionen ställs upp som den gör.

E fattar inte riktigt allt, men hans klasskompis F gör. Detta resulterar i att F blir mycket bättre än alla andra på att räkna och E blir lite förvirrad. Så småningom lär sig alla i klassen räkna hyfsat bra och en del av klassen får en mycket bra känsla för siffror, som gör deras fortsatta inlärning lättare.

De flesta lärare i grundskolan kör på någon blandning ut av de scenarion. Och de är fullt befogat, olika sätt passar ju olika individer.

Men kan det vara så att olika sätt passar olika yrken också? Om man tar integralkalkylen och försöker resonera som i exemplet ovan, så ser man att det finns ännu fler scenarion. Den skall absolut läras ut olika, beroende på hur den skall användas. Vissa kommer att behöva en djupare förståelse för funktioner och grafer i deras arbete och vissa kommer bara att behöva räkna femtioelva integraler om dagen i sitt yrke.

Tyvärr så har Bolognaprocessen en nackdel där. Alla möjliga utbildningar får ta sig igenom en och samma kurs med en och samma kursplan. Det betyder att folk, som behöver lite olika kunskaper och färdigheter alla dras över samma kam.

Men allt är inte kört än, eftersom lärarna oftast har större makt över studenternas inlärning än kursplanen!

Minnesregler för trigonometri – del 2

Det finns mängder med formler med sinus och cosinus att minnas, men inlärningsprocessen blir mycket lättare om man vet att de flesta utav formlerna är ganska lika.
Och så är det bra att komma ihåg att sinus är “snäll” och cosinus är “elak” (eller som min pappa säger: “sinus är flicka, cosinus är pojke”). Varför då?
Kolla på formeln för “dubbla vinkeln”:
$!\text{sin}(2x)=2\text{sin}x\text{cos}x!$
$cos2x=cos^2x-sin^2x$
Som syns är sinus rättvis och står sida vid sida med cosinus, ingen är prioriterad och det blir exakta samma sak, om vi byter ut all sin till cos och all cos till sin (2sinxcosx=2cosxsinx). Men cosinus är inte alls rättvis! Den ställer sig själv i kvadrat på första plats, medan hans vän sinus får nöja sig med andra platsen och ett minustecken.
Den mer generella formeln är den för summan av två vinklar, det vill säga:
sin(x+y)=sinxcosy+cosxsiny
cos(x+y)=cosxcosy-sinxsiny
Här är förstås sinus snäll och rättvis igen, medan cosinus busar och ändrar tecken och sätter sig själv på första plats.
Jämför med formlerna för skillnad mellan två vinklar:
sin(x-y)=sinxcosy-cosxsiny
cos(x-y)=cosxcosy+sinxsiny
Eftersom det nu är minus, är sinus lydig och bevarar det tecknet. Nu måste sinus prioritera någon utav termerna. Han väljer att ta sinxcosy först, för att x är det som står först (och av sinus och cosinus måste ju sinus prioritera sig själv lite före). Cosinus busar igen och ändrar tecknet till plus.
Om du absolut har svårt för de här krångliga formlera (och de är krångliga, jag erkänner att det tog mig flera år att lära mig dem utantill), så räcker det att komma ihåg dem ungefär.
Varför räcker det med ungefär? Jo, för om du minns cosinus och sinus för de vanliga vinklarna (länk bild från del 1), så kan du kolla huruvida den formeln du typ minns stämmer eller ej.

Det finns mängder med formler med sinus och cosinus att minnas, men inlärningsprocessen blir mycket lättare om man vet att de flesta utav formlerna är ganska lika.

Och så är det bra att komma ihåg att sinus är “snäll” och cosinus är “elak” (eller som min pappa säger: “sinus är flicka, cosinus är pojke”). Varför då?

Kolla på formeln för “dubbla vinkeln”:

sin(2x)=2 sinx\cdot cosx\ \ \ (=sinx\cdot cosx+cosx\cdot sinx)

cos(2x)=cos^2x-sin^2x\ \ \ (=cosx\cdot cosx-sinx\cdot sinx)

Som syns är sinus rättvis och står sida vid sida med cosinus, ingen är prioriterad och det blir exakt samma sak, om vi byter ut all sin till cos och all cos till sin: (2\cdot sinx\cdot cosx=2\cdot cosx\cdot sinx). Men cosinus är inte alls rättvis! Den ställer sig själv i kvadrat på första plats, medan hans vän sinus får nöja sig med andra platsen och ett minustecken.

Den mer generella formeln är den för summan av två vinklar, det vill säga:

sin(x+y)=sinx\cdot cosy+cosx\cdot siny

cos(x+y)=cosx\cdot cosy-sinx\cdot siny

Här är förstås sinus snäll och rättvis igen, medan cosinus busar och ändrar tecken och sätter sig själv på första plats.

Jämför med formlerna för skillnaden mellan två vinklar:

sin(x-y)=sinx\cdot cosy-cosx\cdot siny

cos(x-y)=cosx\cdot cosy+sinx\cdot siny

Eftersom det nu är minus, är sinus lydig och bevarar det tecknet. Nu måste sinus prioritera någon utav termerna. Han väljer att ta sinx\cdot cosy först, för att x är det som står först (och av sinus och cosinus måste ju sinus prioritera sig själv lite före). Cosinus busar igen och ändrar tecknet till plus.

Om du absolut har svårt för de här krångliga formlera (och de är krångliga, jag erkänner att det tog mig flera år att lära mig dem utantill), så räcker det att komma ihåg dem ungefär.

Varför räcker det med ungefär? Jo, för om du minns cosinus och sinus för de vanliga vinklarna, så kan du kolla huruvida den formeln du typ minns stämmer eller ej.

sincostabell

För sin90^\circ=sin(30^\circ+60^\circ), så 1=sin(30^\circ+60^\circ), så 1 ska bli resultat av några operationer mellan sin30^\circ, cos30^\circ, sin60^\circ och cos60^\circ som är \frac{1}{2}, \frac{\sqrt 3}{2}, \frac{\sqrt 3}{2} och \frac{1}{2} respektive. Då känns det ganska rimligt att det ska bli \frac{1}{2}\cdot \frac{1}{2}+\frac{\sqrt 3}{2}\cdot \frac{\sqrt 3}{2}. Så förmodligen är sin(x+y)=sinx\cdot cosy+cosx\cdot siny, men för att vara helt säkra, kan vi kolla att t.ex. likheten

sin90^\circ=sin(45^\circ+45^\circ)=sin45^\circ\cdot cos45^\circ+cos45^\circ\cdot sin45^\circ stämmer. Stämmer det så är det hög chans att vi använde rätt formel.

Mer tecken på sinus är snäll och rättvis:

sin(-x)=-sinx, minus är med på båda sidorna lika mycket. Detta innebär att sinus är en så kallad udda funktion.

Och att cosinus är skum och dum:

cos(-x)=cosx, tecknet försvinner bara sådär. Det betyder att cosinus är en jämn funktion.

Minnesregler för trigonometri – del 1

Det finns vissa saker som man bara måste lära sig utantill. Det kan tyckas att det är det enda som gäller i matten, men det kan räcka ganska långt att kunna bara några få formler.

Till exempel så kan vi prata om trigonometri. Jag tänkte dela med mig lite tips om hur man bäst kommer ihåg det essetiella och hur det går att härleda allt det viktiga därifrån.

För det första måste man lära sig vad sinus och cosinus är för någonting.

Båda två är funktioner som ger ut ett tal, när man stoppar in en vinkel. Men vad är det för tal? När vinkeln är känd (och mindre än 90 grader), så kan vi rita en rätvinklig triangel med den vinkeln. Låt oss säga att vår vinkel kallas för x. Det går förstås att rita flera olika stora rätvinkliga trianglar med x, men det kommer inte spela någon roll.

Vi mäter sidorna på vår uppritade triangel och konstateterar att kateterna är a och b långa och hypotenusans längd betecknar vi c. Då är sinus värde lika med den motstående kateten genom hypotenusan och cosinus är den närliggande kateten genom hypotenusan. Alla likformiga trianglar har samma förhållande mellan sidorna, därför spelar det ingen roll vilken storlek på triangeln vi väljer.

ratvinklig_sin_cos

ratvinklig_kossaMen hur ska man komma ihåg vilken funktion som är vilken om man nyss har lärt sig dem? Tänk på att cos (cosinus) låter lite som “kossa” och kossan den är lat, därför vill den vara nära sin vinkel (orkar inte gå till motstående sidan). Och sin är då den andra funktionen.

Ett annat sätt att komma ihåg det är att sinus är snäll och cosinus är elak. Så sinus offrar sig och går till den motstående sidan. Fler tecken på sinus snällhet och cosinus elakhet kommer vi se i del 2.

Om du nu kan lite vanlig geometri är det inga problem att räkna ut sinus och cosinus för flera kända vinklar! Här väljer jag att mäta vinklarna i grader.

De saker som du behöver kunna är:

– Pythagoras sats

– vad vinkelsumman i en triangel är

– att likbenta trianglar har basvinklarna lika

– att trianglar med lika basvinklar är likbenta

Vi kan då räkna ut vad sinus för vinkeln 30° är, om man inte minns det. Rita såklart först en rätvinklig triangel med en vinkel lika med 30°. Och eftersom vinkelsumman för vilken triangel som helst är 180°, så är den sista vinkeln lika med 180°-90°-30° = 60°.

90-60-30x2

Rita sedan upp en likadan triangel, fast spegelvänd, och för ihop halvorna. Det som bildas är förstås en ny triangel, eftersom vinklarna på 90° passar ihop och bildar en linje. Men notera att den stora triangeln har alla vinklarna lika med 60°, därför är den liksidig. Alltså är c = 2a.

Nu är det lätt att räkna ut sinus av vinkeln 30°.

sin 30^\circ = \frac{a}{c}=\frac{a}{2a}=\frac{1}{2}

På så sätt är det rätt enkelt att lista ut vad cos 60° är för någonting. Det är nämligen samma som sinus 30°, eftersom om vi kollar på de två olika spetsiga vinklarna i en rätvinklig triangel, så blir enas motstående sida den andras närliggande och tvärtom. Hypotenusen är densamma.

Men hur tar vi reda på sin 60° (och samtidigt cos 30°)? För det måste vi bestämma förhållandet b/c. Men eftersom a^2+b^2=c^2 (Pythagoras sats), så kan vi i vårt fall skriva:

(\frac{1}{2}c)^2+b^2=c^2
b^2=c^2-\frac{1}{4}c^2=\frac{3}{4}c^2

Eftersom alla längder är positiva har vi b=\frac{\sqrt{3}}{2}c och då är

sin 60^\circ = cos 30^\circ = \frac{b}{c} = \frac{\frac{\sqrt{3}}{2}c}{c} = \frac{\sqrt{3}}{2}.

Och hur gör vi nu med vinklarna 0°, 45°, 90° grader? Det går faktiskt att rita upp motsvarande triangel och “triangel”. Fundera på vad sinus och cosinus för de respektive viklarna blir. Faciten kommer i nästa del.

Om man minns de här trianglarna är det möjligt att alltid räkna ut sinus eller cosinus som man behöver. Men om det är lite svårt med geometrin, finns det en rätt bra minnestabell.

Skriv upp alla “kända” vinklar: 0°, 30°, 45°, 60° och 90°. Deras sinus och cosinus följer då ett intressant mönster:

sincostabell

Klassiska bevis: Cevas sats, del 2

Detta inlägg är fortsättning på del 1 om Cevas sats. Första delen förklarar satsens formulering och ger tips för hur man skulle kunna bevisa den. Den här delen innehåller själva beviset.

Cevas sats

Given är en triangel ABC. Tre cevianer AMBL och CK skär varandra i samma punkt om och endast om \frac{AL}{LC}\cdot\frac{CM}{MB}\cdot\frac{BK}{KA}=1

Bevis:

Antag först att cevianerna skär varandra i en och samma punkt O. Vi skall visa att värdet av uttrycket verkligen är 1.

Notera till exempel att trianglarna COM och MOB har lika stora höjder utgående från punkten O, eftersom deras baser ligger på samma linje. Låt höjderna ha längden h. Därför kan vi enkelt uttrycka förhållandet mellan dessa två areor:

\frac{S_{COM}}{S_{MOB}}=\frac{\frac{CM\cdot  h}{2}}{\frac{MB\cdot h}{2}} = \frac{CM}{MB}

Eftersom trianglarna CAM och MAB också har lika långa höjder, utgående från A, så kommer deras areor också att förhålla sig som  \frac{CM}{MB}.

COM_MOB CAM_MAB

Låt  \frac{CM}{MB} = k (något reellt tal). Men om S_{CAM} är k gånger större än S_{MAB} och S_{COM} är k gånger större än S_{MOB}, så är differensen, S_{COA}, också k gånger större än S_{AOB}

Det vill säga \frac{S_{COA}}{S_{AOB}}=\frac{CM}{MB}

Med analogiska resonemang får vi förhållanden mellan de andra par av de färgade trianglarna:

\frac{S_{AOB}}{S_{BOC}}=\frac{AL}{LC}
\frac{S_{BOC}}{S_{COA}}=\frac{BK}{KA}

Därför kan vi skriva om uttrycket:

\frac{AL}{LC}\cdot\frac{CM}{MB}\cdot\frac{BK}{KA}=\frac{S_{AO B}}{S_{BOC}}\cdot\frac{S_{COA}}{S_{AOB}}\cdot\frac{S_{BOC}}{S_{COA }}=1

eftersom allt förkortas i det omskrivna uttrycket.

Nu har vi kvar att bevisa att värdet på uttrycket inte kan vara 1 utan att cevianerna skär varandra. Vi antar motsatsen, det vill säga att värdet är 1, men cevianerna råkade inte skära varandra i samma punkt:

trefulacevianerNu är vi så smarta som möjligt och använder oss av del 1, som vi redan har bevisat. Precis som i följande berättelse:

En matematiker och en fysiker löser praktiska uppgifter. De blev tillsagda att koka upp 1 liter vatten med hjälp av en vattenkran och en vattenkokare. Båda fyller förstås sin vattenkokare med vatten och sätter på den.

Nästa uppgift är annorlunda: de får en vattenkokare full med vatten och ska nu igen koka upp 1 liter vatten.

Vad gör en fysiker? Han ställer vattenkokaren på plattan och sätter på den förstås.

Vad gör en matematiker? Han häller ut vattnet och därmed ska han lösa praktisk uppgift nummer ett, vilket han redan kan.

I detta fall är det förstås inga onödigheter vi sysslar med. Men på samma sätt som i berättelsen ska vi göra någonting, för att kunna använda oss av tidigare kunskaper. Vi drar en ny linje, för att få samma situation som förut. Dra linjen CK’, som går igenom skärningspunkten för cevianerna AM och BL.

fyracevianer

Från del 1 vet vi att följande måste gälla:

\frac{AL}{LC}\cdot\frac{CM}{MB}\cdot\frac{BK'}{K'A}=1

Men enligt antagandet har vi också

\frac{AL}{LC}\cdot\frac{CM}{MB}\cdot\frac{BK}{KA}=1

Bland annat är uttrycken lika med varandra och på så sätt får vi  \frac{BK'}{K'A}=\frac{BK}{KA}, vilket i sin tur implicerar att BK'\cdot KA=K'A\cdot BK, vilket är omöjligt, eftersom BK<BK’ och K’A<KA. Motsägelse, alltså var situationen omöjlig!

Således så fort uttrycket är lika med 1, så måste cevianerna skära varandra i en punkt.

Användningar för satsen

På så sätt har vi i princip bevisat flera satser på en gång, till exempel att medianerna i en triangel skär varandra i en och samma punkt. Samma sak gäller för bisektriserna, samma för linjer som förbinder hörn och tangeringspunkter för den inskrivna cirkeln. Det lämnas åt läsaren att komma på hur man ska använda Cevas sats för att visa de egenskaperna.

Klassiska bevis: Cevas sats, del 1

Cevas sats är ett av de vackraste geometriska faktum för trianglar. Men för att kunna formulera satsen lättare, ska vi först definiera vad en cevian är för något.

Cevianer

Medianen är ju en ganska känd sträcka, det är den som går ut från ett hörn på en triangel och slutar på motstående sidan på så sätt, att den delas mitt itu. Notera att en triangel har tre olika medianer.

Bisektrisen är också en kändis. Den är den sträckan i triangeln som delar vinkel mitt itu. Även bisektriserna är tre i en triangel.

median
median

bisektris
bisektris

Även om vi drar en sträcka från hörn till sida, som inte alls är speciell, så vill vi kalla det för något. Vi säger att det är en cevian. Cevianer är alltså ett samlingsnamn för medianer, bisektriser, höjder osv. Notera att mittpunktsnormaler inte är cevianer.

cevian
cevian

Cevas sats

Given är en triangel ABC. Tre cevianer AM, BL och CK skär varandra i samma punkt om och endast om \frac{AL}{LC}\cdot\frac{CM}{MB}\cdot\frac{BK}{KA}=1

“Om och endast om”:

Detta är en väldigt vanlig förkortning i matematiken. Istället för att skriva att man ska bevisa två saker (“om” och “endast om”), sätter man ihop dem i en och samma mening. I detta fall är de två sakerna man ska visa:

1. Om AM, BL och CK skär varandra i samma punkt , så gäller \frac{AL}{LC}\cdot\frac{CM}{MB}\cdot\frac{BK}{KA}=1

2. Om \frac{AL}{LC}\cdot\frac{CM}{MB}\cdot\frac{BK}{KA}=1, så skär cevianerna AM, BL och CK varandra i samma punkt.

Tankegång:

Som vanligt finns det många sätt att bevisa satsen. Ett av de mest kända använder areabegreppet. Det enda vi behöver är areaformeln för en triangel: arean är lika med basen gånger höjden delat på två. Vi betecknar i fortsättningen arean av triangeln ABC med S_{ABC}.

areanaventriangel

För att använda detta i vårt problem gäller att komma på att beteckna (den eventuella) skärningspunkten med O och dela upp triangeln i tre mindre: AOB, BOC och AOC.

cevaareor

Det är förstås omöjligt att veta de exakta areorna hos de olikafärgade trianglarna. Men vi kan uttrycka hur areorna förhåller sig med hjälp av sträckorna, som förekommer i uttrycket.

Nu finns det nog med tips för att bevisa satsen på egen hand. Försök själv eller vänta på nästa inlägg!

Sommaruppehåll

semester Äntligen har sommaren intagit Sverige och för de flesta av oss innebär detta upphåll från matten.

Inte dock för de som läser sommarkurser och faktiskt inte för mig heller! Min semester spenderar jag på ett mattekollo i Ryssland.

Det innebär för min del att spendera en månad ute i ingenstans i en skog tillsammans med några vuxna och några hundra barn som vi ska lära någon sorts matte. Och samtidigt ansvara för att de mår bra och har skoj. Justja, några miljoner myggor kommer finnas där också.

Förhoppningsvis kommer jag uppdatera lösningarna på de senaste mattegåtorna. Det går fortfarande bra att skicka in lösningsförslag på de sista två. Efter det är den inoficiella tävlingen slut för terminen.

Redan nu kan man konstatera att Johan har vunnit tävlingen och det är kanske inte så konstigt, ty han är doktorand!

Bloggen återkommer till liv den 1 augusti och tills dess, ha en kanonsommar!

Ljug när du föreläser

Bra fysikföreläsare på Uppsala universitet lyser med sin frånvaro, men nyligen hörde jag talas om ett undantag. Jag vet inte vem det är och kommer inte ihåg varför han var bra, men ett undervisningsknep tänker jag någon gång låna från honom.

Innan varje föreläsning försäkrar han om att någon gång under föreläsningen kommer han att ljuga. Det kan vara allt från ett litet faktafel och felräkning på tavlan till dåligt resonemang gällande någon komplicerad förklaring. Poängen är att studenterna då skall reagera och säga åt läraren eller ställa en fråga om det som känns felaktigt.

Tänk er en morgontidning den 1:a april. De flesta stora tidningarna har garanterat någon skämtartikel den dagen och det gäller att komma på vilken. Men det är inte så lätt att komma på!

Jag brukar snabbt bli misstänksam över någon nyhet och tänker “näää, det där kunde väl aldrig ha hänt”, men sedan vänder jag sidan och har en exakt samma tanke för nästa nyhet. Nästa dag visar det sig att båda nyheterna var riktiga och det var en helt annan grej som var på skämt. Detta visar på att min förmåga att kritisk tänka över nyheter är näst intill obefintlig.

Men samma princip om kritiskt tänkande kan tillämpas på matematiken. Om man inte riktigt kan skilja på sanning och lögn under en föreläsning så accepterar man istället allting godtroget. Även om läraren gör något uppenbart räknefel är det många som inte vågar påpeka det. De litar inte på sin förmåga att urskilja matematiskt sanning från lögn och det kan bero på flera saker. Kanske tränar man inte förmågan särskilt ofta eller så kan man inte tillräckligt om ämnet, som i fallet med mig och nyheter.

“Ljuga på varje föreläsning”-strategin skulle passa utmärkt på matematikföreläsningar. Frågan är ifall den lämpar sig bäst för “äldre” studenter, som har fått lite kött på benen när det gäller matte, men jag anser inte det. På samma sätt som att man lär ett barn att simma genom att kasta det i vattnet så lär man nya studenter att orientera sig i matte genom att tvinga dem till att göra det.

Den här strategin får elever att lyssna nogrannt, ställa frågor så fort det finns någonting oklart och hindrar dem från att fastna i ett transliknande tillstånd “skriv av allt från tavlan” (för något kan ju vara fel och då får man skriva om). Varje föreläsning får de en ny intellektuell utmaning, varje gång kommer de “läsa tidningen” lika noggrant som 1 april!

Så du som har undervisning, prova att ljuga för dina studenter (berätta om det först för dem såklart) och skriv hur det gick!

Ska man plugga matte själv eller i grupp?

Studierna på universitetet skiljer sig mycket ifrån gymnasiestudier. Det kan verka först att det enda som förändrats är mängden arbete man måste utföra för att klara sig bra, men så enkelt är det inte.

Mängden “plugg” som måste ske är lika stor som på gymnasiet egentligen, men all planering lämnas nu åt dig själv. Det viktigaste under din första termin är att utveckla din studieteknik, det vill säga när, hur och var du pluggar för att lära dig bäst. Själv insåg jag detta så sent som mitt andra år på universitetet. Sedan dess har jag provat med olika sätt att plugga och bara nyligen (femte år på universitetet) kommit fram till hur jag pluggar bäst. Så sätt igång och utveckla din studieteknik nu!

Här är ett länktips:

Min favoritblogg i studieteknik (på engelska)

Ditt sätt att studera måste förstås anpassas efter ämne, låt oss anta att ämnet du skall studera är matematik. Du kanske redan har testat att öppna matteboken själv och upplevt hur långsamt det går att ta sig igenom texten. Det går att räkna några uppgifter själv men man fastnar alltid så småningom!

Annat är det om man har kompisar att plugga med! Alla hjälps åt att första det svåra i boken och om alla räknar samma uppgift så går det att jämföra svaren.

Det kan ofta avgöra dina studieresultat ifall du hittar någon person som det passar bra att plugga med. Hittar du någon som ligger på ungefär samma nivå som du, ungefär lika snabb på att räkna och som inser saker du inte gör och vice versa, blir det plötsligt mycket roligare att även tentaplugga. Kan personen passa tider, så kan det knappast bli bättre.

Men akta dig från att fastna i tankesättet “det viktigaste är att klara tentor”. Det är inget fel med att tycka så egentligen och då rekommenderar jag delvis gruppräkning. Men vill du ha garanti på att du verkligen har lärt dig sakerna i en viss kurs, så måste du plugga huvuddelen av tiden på egen hand. Problemet med att vara i en grupp är att bilden av vad du egentligen förstår kan bli ganska skev. Kompisarna kommer inte vara där på tentan och kan inte fylla i dina luckor!

I matten finns ingen “delförståelse”. Antingen förstår man en teori eller en metod eller så gör man inte det, vilket kan både vara nackdel och fördel. Visst, du kanske kan utföra en metod utan att förstå det och det ger absolut poäng på tentan, men du kommer inte minnas metoden sen. Poängen med kurser förutom faktakunskaper är framförallt att du ska ha sett strukturer och metoder, fått en känsla för dem och ska kunna känna igen liknande saker senare.

Det är precis på samma sätt med saker som vi lär oss i grundskolan. “Vem bryr sig om spansk grammatik?” tänker man kanske, och har en helt berättigad fråga. Spansk grammatik är säkert inte så viktigt just för dig, men övar du på att förstå grammatiska strukturer kommer du ha det lättare när du lär dig nya språk, programmeringsspråk och andra saker senare i livet.

De senare åren på högskolan blir det för det mesta eget arbete. Kurserna har få deltagare, projekten blir fler. Därmed är det viktigt att du redan vet hur du testar dina kunskaper på egen hand, hur du tar dig igenom en svår bok eller uppgift. Glöm inte att föreläsarna och deras medhjälpare finns till för att svara på dina frågor, men tänk någon minut själv på frågan innan du ställer den. Tyvärr så är inte alla föreläsare perfekta, så det är bra att ha backup-planen “studera själv” om du råkar få en dålig lärare, eller kursare som du inte vill plugga med för den delen.

Så plugga själv och diskutera frågor om du måste, och gör det helst med någon som kan ämnet. Pluggar du med kompisar är det bäst för dig själv att lära ut saker du redan kan för att minnas dem, men kom ihåg att någon annans förklaring implicerar inte din förståelse.

För svåra lektioner

Eleverna stirrar i tomma intet, läraren kan inte komma på tillräckliga förklaringar, alla lyssnar intensivt men ingen tar emot vad som sägs. Vad ska man göra när lektionen har blivit för svår? Och finns det någon poäng med att ha svåra lektioner?

För några få människor kan det vara väldigt stimulerande att gå på obegripliga föreläsningar. “Tänk att det finns så mycket kvar att lära sig” inser de och blir stimulerade till att jobba mer för att ha chansen att första sådana framtida föredrag. Sådana människor har oftast inga problem att lära sig nya saker själva, eller i alla fall har lätt för stimulans för inlärning. Men för de flesta är det tyvärr inte så.

Sådana tillfällen då deltagarna tar till sig alldeles för lite för att kalla det hela “förståelse” hör inte hemma i den vanliga undervisningen. Antalet träffar är mycket begränsat både i grundskolan och högskolan och man måste utnyttja dem maximalt. Det finns sätt att få i både stimulans, utmaning och förståelse i lektionen utan att göra det för svårt.

Hur gör man då som lektionsledare? Ofast har man (förhoppningsvis) större kunskaper än eleverna och därför också överskattar vad de har koll på och hur lätt det är för dem att förstå någonting nytt. Jag håller därför lektionerna på enklaste möjliga nivån, vilket innebär att jag alltid påminner om vad begrepp innebär. Som man säger på ryska “Repetitionen är lärandets moder”. Ingen vågar ju ställa frågor om de enklaste sakerna, eller sakerna man gick igenom förra gången, för att inte verka dum. Men det är ju egentligen konstigt att förvänta sig att alla ska kunna allt man gått igenom. Men tyvärr tror de flesta att det är kravet för att vara duktig i skolan.

Det är ungefär som att förvänta sig att när en matematiker definierar någonting, så ska vi genast förstå det. Vadå, han har ju definierat det, det måste vara nu universiellt vedertaget :)

De bästa lektionerna jag har haft har varit interaktiva, där eleverna är så mycket som möjligt involverade i diskussioner och problemlösning men samtidigt bara då lektionen började på ganska enkel nivå. Det gäller att få igång dem och sedan öka svårighetsgraden långsamt.

En hel del svåra lektioner har jag haft också. Även om man gör det hela så enkelt som möjligt är det ingen chans att man gör det för enkelt men fortfarande stor chans att man gör det för svårt. Det är inte lätt att bryta mitt i lektionen och börja om, men det ger mer för klassen om man går igenom få saker ordentligt och begripligt än att man hinner igenom all tänkt material men tar sig igenpm det för fort.

Vad ska man gör som elev då? Om du upptäcker att du knappt förstår någonting på din lektion eller föreläsning, fråga om den första saken du inte förstod. Om svaret inte klargjorde något, gå därifrån. Antingen kunde inte läraren anpassa sig till din nivå eller så är du inte redo för att förstå ämnet eller så fungerar inte lärar-elev-relationen just på den lektionen. Hur som helst kommer du inte få ut särskilt mycket av att stanna kvar och det är då bättre att studera timmen ut på egen hand.