المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
النقل البحري
2024-11-06
النظام الإقليمي العربي
2024-11-06
تربية الماشية في جمهورية كوريا الشعبية الديمقراطية
2024-11-06
تقييم الموارد المائية في الوطن العربي
2024-11-06
تقسيم الامطار في الوطن العربي
2024-11-06
تربية الماشية في الهند
2024-11-06

أشهر أنواع الأفلام
2023-03-25
في العجلة الندامة
24-10-2017
في إدراك الأبصار لله الذي هو رؤيتها
29-11-2015
المناخ في جزيرة بروكاي
14-6-2018
السلطة المختصة بتنظيم الحقوق والحريات
26-3-2017
شبهة المستشرقين حول الوحي ومناقشتها
24-09-2014

Hundred-Dollar, Hundred-Digit Challenge Problems  
  
545   04:32 مساءً   date: 18-4-2020
Author : Bailey, D. H. and Borwein, J. M.
Book or Source : Sample Problems of Experimental Mathematics." 22 Sept. 2003. https://crd.lbl.gov/~dhbailey/expmath/expmath-probs.pdf.
Page and Part : ...


Read More
Date: 30-10-2019 488
Date: 25-11-2020 498
Date: 7-11-2020 1460

Hundred-Dollar, Hundred-Digit Challenge Problems

 

The hundred-dollar, hundred-digits challenge problems are a set of ten problems in numerical analysis published in the January/February 2002 issue of SIAM News (https://www.siam.org/siamnews/01-02/challenge.pdf). Nick Trefethen, the proposer of the problems, offered a $100 prize to the person or group obtaining the largest number of correct digits (up to a maximum of 10) for these problems by May 20, 2002. Trefethen underestimated the ingenuity of problem solvers, and 20 independent teams obtained 10 correct digits for all 10 problems. After an anonymous donor stepped in to help defray the larger than anticipated payoffs, prize checks went out to all winners by December 2002.

The problems posed were the following.

HundredDollar1Plot

1. What is lim_(epsilon->0)int_epsilon^1x^(-1)cos(x^(-1)lnx)dx? This problem is difficult to integrate numerically in its original form because of the strong oscillations near the origin. However, by making the substitution u=-lnx/x, it can be transformed to the integral

 h_1=int_0^infty(cosu)/(u{1+[W(u)]^(-1)})du

(1)

which converges fairly rapidly using oscillatory numerical integration techniques.

Boersma and Jansen used contour integration to transform the problem into

 h_1=int_0^(pi/2)sin(tsint)e^(-tcost)dt+int_1^infty(cos(1/2piy))/(y^(y+1))dy,

(2)

each of which converge quite rapidly.

Laurie noted that the integral can be written

 h_1=R[int_Cz^(i/z-1)dz],

(3)

where C is any contour from 0 to 1 such that no singularities lie in the region defined by C and the line from 0 to 1 (Wagon 2004). For example, C=(0,1/2+i,1) is such a contour.

The problem can also be solved by writing the integrand as the asymptotic series

 xcos[xln(x^(-1))]=sum_(k=0)^infty((-1)^k)/((2k)!)(ln^(2k)x)x^(2k+1)

(4)

and integrating term by term to obtain the strongly oscillatory sum

 h_1=sum_(k=1)^infty(-1)^(k+1)(2k)^(2k-1).

(5)

Amazingly, this sum can be regularized using Wynn's epsilon method using a suitable number of terms and extrapolation degree to obtain around 7 correct digits.

2. A photon moving at speed 1 in the x-y plane starts at t=0 at (x,y)=(0.5,0.1) heading due east. Around every integer lattice point (i,j) in the plane, a circular mirror of radius 1/3 has been erected. How far from the origin is the photon at t=10?

3. The infinite matrix A with entries a_(11)=1a_(12)=1/2a_(21)=1/3a_(13)=1/4a_(22)=1/5a_(31)=1/6, etc., is a bounded operator on l^2. What is ||A||? This problem is equivalent to finding the largest singular value of the infinite matrix with entries

 a_(ij)=2/(2-i+i^2-3j+2ij+j^2),

(6)

i.e., the matrix

 A=[1 1/2 1/4 ...; 1/3 1/5 ... ...; 1/6 ... ... ...; ... ... ... ...; | | | ...].

(7)

HundredDollar4Plot

4. What is the global minimum of the function

 exp(sin(50x))+sin(60e^y)+sin(70sinx)+sin(sin(80y))-sin(10(x+y))+1/4(x^2+y^2)?

(8)

(Cf. Bailey et al. 2007, pp. 12 and 219; Kampas and Pintér 2006). This problem can be solved in a one-liner in the Wolfram Language.

  NMinimize[f[x, y], {x, y}, Method -> {"RandomSearch",
    "SearchPoints" -> 700}, WorkingPrecision -> 20]

5. Let f(z)=1/Gamma(z), where Gamma(z) is the gamma function, and let p(z) be the cubic polynomial that best approximates f(z) on the unit disk in the supremum norm ||·||_infty. What is ||f-p||_infty?

6. A flea starts at (0,0) on the infinite two-dimensional integer lattice and executes a biased random walk: At each step it hops north or south with probability 1/4, east with probability 1/4+epsilon, and west with probability 1/4-epsilon. The probability that the flea returns to (0, 0) sometime during its wanderings is 1/2. What is epsilon?

The solution is given by solving

 (pisqrt(2+16epsilon^2-2sqrt(1-16epsilon^2)))/(K(sqrt((2sqrt(1-16epsilon^2))/(sqrt(1-16epsilon^2)-1-8epsilon^2))))=2,

(9)

where K(k) is a complete elliptic integral of the first kind, Equivalently, it is given by the root of

 sqrt(2)AGM(sqrt(1+8epsilon^2-sqrt(1-16epsilon^2)),sqrt(1+8epsilon^2+sqrt(1-16epsilon^2))=1,

(10)

where AGM(a,b) is the arithmetic-geometric mean.

It is also given by solving u(epsilon)=2, where

u(epsilon) = 2/piint_0^pi(dphi)/(sqrt(3-4cosphi+cos^2phi+16epsilon^2))

(11)

= 2/piint_(-1)^1(dt)/(sqrt(1-t^2)sqrt(3-4t+t^2+14epsilon^2))

(12)

= (2sqrt(2))/(pisqrt(1+8epsilon^2sqrt(1-16epsilon^2)))×K(sqrt(1-(1+8epsilon^2-sqrt(1-16epsilon^2))/(1+8epsilon^2+sqrt(1-16epsilon^2)))),

(13)

(Bornemann 2002).

7. Let A be the 20000×20000 matrix whose entries are zero everywhere except for the primes 2, 3, 5, 7, ..., 224737 along the main diagonal and the number 1 in all the positions a_(ij) with |i-j|=1, 2, 4, 8, ..., 16384. What is the (1, 1) entry of A^(-1)?

This problem can be solved exactly, yielding a rational number in which the numerator and denominator each have 97389 digits:

 h_3=(31016407491...417983612357075)/(42776629106...013006012935182)

(14)

(Wagon 2004).

8. A square plate [-1,1]×[-1,1] is at temperature u=0. At time t=0, the temperature is increased to u=5 along one of the four sides while being held at u=0 along the other three sides, and heat then flows into the plate according to u_t=Deltau. When does the temperature reach u=1 at the center of the plate?

An expression that gives 10 correct digits is given by

 h_8=-1/(pi^2)ln(-81pi^4+518400x-691200x^3+345600x^5 
 -76800x^7+6400x^9)_1,

(15)

where (P(x))_n is a polynomial root. Getting higher accuracy requires using more terms of the series.

HundredDollar9Plot

9. The integral I(alpha)=int_0^2[2+sin(10alpha)]x^alphasin(alpha/(2-x))dx depends on the parameter alpha. What is the value alpha in [0,5] at which I(alpha) achieves its maximum?

By making the change of variables u=1/(2-x), the integral can be transformed to

 I(alpha)=4sqrt(pi)Gamma(alpha)G_(2,4)^(3,0)((alpha^2)/(16)|(alpha+2)/2,(alpha+3)/2; 1/2,1/2,1,0)[sin(10alpha)+2].

(16)

By plotting, the maximum can be seen to occur near alpha=0.78, and standard root-finding techniques can be used to determine it to high-precision.

10. A particle at the center of a 10×1 rectangle undergoes Brownian motion (i.e., 2D random walk with infinitesimal step lengths) till it hits the boundary. What is the probability that it hits at one of the ends rather than at one of the sides? Amazingly, this problem has a closed-form solution, given by

h_(10) = 4/pisum_(k=0)^(infty)((-1)^k)/(2k+1)sech[5pi(2k+1)]

(17)

= 8/pisum_(k=0)^(infty)(-1)^ktan^(-1)[e^(-5pi(2k-1))]

(18)

= 2/picos^(-1)sqrt(lambda(1/(10)i))

(19)

= 2/pisin^(-1)[(3-2sqrt(2))^2(2+sqrt(5))^2×(sqrt(10)-3)^2(5^(1/4)-sqrt(2))^4],

(20)

where lambda(tau) is the elliptic lambda function (cf. Bailey et al. 2007, p. 48).

The solutions are summarized in the following table.

# OEIS h_n
1. A117231 0.3233674316
2. A117232 0.9952629194
3. A117233 1.274224152
4. A117234 -3.306868647
5. A117235 0.2143352345
6. A117236 0.06191395447
7. A117237 0.7250783462
8. A117238 0.4240113870
9. A117239 0.7859336743
10. A117240 3.837587979×10^(-7)

 


REFERENCES:

Bailey, D. H. and Borwein, J. M. "Sample Problems of Experimental Mathematics." 22 Sept. 2003. https://crd.lbl.gov/~dhbailey/expmath/expmath-probs.pdf.

Bailey, D. H.; Borwein, J. M.; Calkin, N. J.; Girgensohn, R.; Luke, D. R.; and Moll, V. H. Experimental Mathematics in Action. Wellesley, MA: A K Peters, 2007.

Beard, B. B.; Medley, B.; and van Gans, M. "The 2002 SIAM Challenge." https://www.maxwellian.demon.co.uk/~marijke/SIAM2002/.

Boersma, J.; Jansen, J.; Simons, S.; and Steutel, F. "The SIAM 100-Dollar 100-Digit Challenge." https://www.win.tue.nl/scg/siamcontest/.

Bornemann, F. "Short Remarks on the Solution of Trefethen's Hundred-Digit Challenge." Nov. 5, 2002. https://www-m3.ma.tum.de/m3old/ftp/Bornemann/pdf/short.pdf.

Bornemann, F.; Lauire, D.; Wagon, S.; and Waldvogel, J. The SIAM 100-Digit Challenge: A Study in High-Accuracy Numerical Computing. Philadelphia, PA: SIAM, 2004. Additional material available at https://www-m8.ma.tum.de/m3/bornemann/challengebook/.

Borwein, J. M. "The 100 Digit Challenge: An Extended Review." Math. Intelligencer 27, 40-48, 2005.

Borwein, J. and Bailey, D. Mathematics by Experiment: Plausible Reasoning in the 21st Century. Wellesley, MA: A K Peters, pp. 22-24, 2003.

Briggs, K. "Hundred-Dollar, Hundred-Digit Challenge." https://keithbriggs.info/solutions.html.

Kampas, F. J. and Pintér, J. D. "Configuration Analysis and Design Using Optimization Tools in Mathematica." Mathematica J. 10, 128-154, 2006.

Kern, M. "Solution to the SIAM 'Hundred-Dollar, Hundred-Digit Challenge'." Report. May 2002. https://www-rocq.inria.fr/~kern/Challenge/RR-challenge.pdf.

Laurie, D. "Trefethen Challenge Problems." https://dip.sun.ac.za/~laurie/trefethen-challenge/.

Leslie, M. (Ed.). "NetWatch: Decimal Decathlon." Science 295, 1431, 2002.

Sloane, N. J. A. Sequences A117231, A117232, A117233, A117234, A117235, A117236, A117237, A117238, A117239, and A117240 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

Trefethen, N. "A Hundred-Dollar, Hundred-Digit Challenge." SIAM News 35, No. 1, Jan./Feb. 2002. https://www.siam.org/siamnews/01-02/challenge.pdf.

Trefethen, N. "The SIAM 100-Dollar, 100-Digit Challenge." https://web.comlab.ox.ac.uk/oucl/work/nick.trefethen/hundred.html.

Trefethen, N. L. "Chastened Challenge Sponsor: "I Misjudged." SIAM News 35, No. 6, 1-3, July/Aug. 2002.

Trott, M. The Mathematica GuideBook for Programming. New York: Springer-Verlag, p. 109, 2004. https://www.mathematicaguidebooks.org/.

Weisstein, E. W. "A Hundred-Dollar Challenge." MathWorld Headline News, Feb. 4, 2002. https://mathworld.wolfram.com/news/2002-02-04/challenge/.

Weisstein, E. W. "Hundred-Dollar Challenge Winners Announced." MathWorld Headline News, May 25, 2002. https://mathworld.wolfram.com/news/2002-05-25/challenge/.

Wagon, S. "Solutions." https://stanwagon.com/wagon/Misc/Links/SIAMchallenge_lnk_2.html.

Wagon, S. "The SIAM 100-Digit Challenge." Wolfram Technology Conference, Champaign IL, 2004. https://library.wolfram.com/infocenter/Conferences/5353/.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.