home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1993 #3 / NN_1993_3.iso / spool / sci / math / 18574 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1993-01-21  |  48.0 KB

  1. Xref: sparky sci.math:18574 news.answers:5374
  2. Newsgroups: sci.math,news.answers
  3. Path: sparky!uunet!spool.mu.edu!uwm.edu!rpi!utcsri!torn!watserv2.uwaterloo.ca!watdragon.uwaterloo.ca!maytag.uwaterloo.ca!alopez-o
  4. From: alopez-o@maytag.uwaterloo.ca (Alex Lopez-Ortiz)
  5. Subject: sci.math: Frequently Asked Questions
  6. Message-ID: <C17J4M.JLq@watdragon.uwaterloo.ca>
  7. Followup-To: sci.math
  8. Summary: (version 3.8)
  9. Originator: alopez-o@maytag.uwaterloo.ca
  10. Sender: alopez-o@maytag.uwaterloo.ca
  11. Reply-To: alopez-o@maytag.uwaterloo.ca
  12. Organization: University of Waterloo
  13. Date: Thu, 21 Jan 1993 14:05:10 GMT
  14. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  15. Lines: 1183
  16.  
  17. Archive-Name: sci-math-faq
  18. Version: $Id: sci-math-faq,v 3.8 92/12/26 18:45:00 $
  19.  
  20. This is a list of Frequently Asked Questions for sci.math (version 3.8).
  21. Any contributions/suggestions/corrections are most welcome. Please use
  22. * e-mail * on any comment concerning the FAQ list.
  23.  
  24. Changes and additions are marked with a # on the table of contents.
  25. This FAQ list (and most others, for that matter) is available via anonymous
  26. ftp at rtfm.mit.edu (18.172.1.27).
  27.  
  28. The list of contributors to this FAQ list is too large to include here;
  29. but thanks are due to all of them (you know who you are folks).
  30.  
  31.              Table of Contents
  32.              -----------------
  33.  
  34.  1Q.- Fermat's Last Theorem, status of .. #
  35.  2Q.- Four Colour Theorem, proof of ..
  36.  3Q.- Values of Record Numbers      
  37.  4Q.- General Netiquette
  38.  5Q.- Computer Algebra Systems, application of ..
  39.  6Q.- Computer Algebra Systems, references to ..
  40.  7Q.- Fields Medal, general info ..
  41.  8Q.- 0^0=1. A comprehensive approach 
  42.  9Q.- 0.999... = 1. Properties of the real numbers ..
  43. 10Q.- Digits of Pi, computation and references 
  44. 11Q.- There are three doors, The Monty Hall problem, Master Mind and
  45.       other games .. #
  46. 12Q.- Surface and Volume of the n-ball  
  47. 13Q.- f(x)^f(x)=x, name of the function ..
  48. 14Q.- Projective plane of order 10 ..   
  49. 15Q.- How to compute day of week of a given date 
  50. 16Q.- Axiom of Choice and/or Continuum Hypothesis? 
  51. 17Q.- Cutting a sphere into pieces of larger volume  
  52. 18Q.- Pointers to Quaternions
  53. 19Q.- Erdos Number # 
  54. 20Q.- Odd Perfect Number #
  55. 21Q.- Why is there no Nobel in mathematics? #
  56. 22Q.- General References and textbooks... #
  57.  
  58.  
  59. 1Q:  What is the current status of Fermat's last theorem?
  60.     (There are no positive integers x,y,z, and n > 2 such that 
  61.     x^n + y^n = z^n)  
  62.     I heard that <insert name here> claimed to have proved it but later
  63.     on the proof was found to be wrong. ...
  64.     (wlog we assume x,y,z to be relatively prime)
  65.  
  66. A:  The status of FLT has remained remarkably constant.  Every few
  67.     years, someone claims to have a proof ... but oh, wait, not quite.
  68.     Meanwhile, it is proved true for ever greater values of the exponent
  69.     (but not all of them), and ties are shown between it and other
  70.     conjectures (if only we could prove one of them), and ... so it has
  71.     been for quite some time.  It has been proved that for each 
  72.     exponent, there are at most a finite number of counter-examples to
  73.     FLT.
  74.  
  75.     Here is a brief survey of the status of FLT. It is not intended to
  76.     be 'deep', but it is rather for non-specialists.
  77.  
  78.     The theorem is broken into 2 cases. The first case assumes 
  79.     (abc,n) = 1. The second case is the general case.
  80.  
  81.     What has been PROVED
  82.     --------------------
  83.  
  84.     First Case.
  85.  
  86.     It has been proven true up to 7.568x10^17 by the work of Wagstaff &
  87.     Tanner, Granville&Monagan, and Coppersmith. They all used extensions
  88.     of the Wiefrich criteria and improved upon work performed by 
  89.     Gunderson and Shanks&Williams.
  90.  
  91.     The first case has been proven to be true for an infinite number of 
  92.     exponents by Adelman, Frey, et. al. using a generalization of the
  93.     Sophie Germain criterion
  94.  
  95.   
  96.     Second Case:
  97.  
  98.     It has been proven true up to n = 150,000 by Tanner & Wagstaff. The
  99.     work used new techniques for computing Bernoulli numbers mod p and 
  100.     improved upon work of Vandiver. The work involved computing the
  101.     irregular primes up to 150,000. FLT is true for all regular primes 
  102.     by a theorem of Kummer. In the case of irregular primes, some
  103.     additional computations are needed.
  104.  
  105.     UPDATE : 
  106.  
  107.     Fermat's Last Theorem has been proved true up to exponent 4,000,000
  108.     in the general case. The method used was essentially that of Wagstaff:
  109.     enumerating and eliminating irregular primes by Bernoulli number
  110.     computations. The computations were performed on a set of NeXT
  111.     computers by Richard Crandall et al.
  112.  
  113.     Since the genus of the curve a^n + b^n = 1, is greater than or equal
  114.     to 2 for n > 3, it follows from Mordell's theorem [proved by
  115.     Faltings], that for any given n, there are at most a finite number
  116.     of solutions.
  117.  
  118.  
  119.     Conjectures
  120.     -----------
  121.  
  122.     There are many open conjectures that imply FLT. These conjectures
  123.     come from different directions, but can be basically broken into
  124.     several classes: (and there are interrelationships between the 
  125.     classes)
  126.     
  127.     (a) conjectures arising from Diophantine approximation theory such 
  128.     as the ABC conjecture, the Szpiro conjecture, the Hall conjecture,
  129.     etc.
  130.  
  131.     For an excellent survey article on these subjects see the article
  132.     by Serge Lang in the Bulletin of the AMS, July 1990 entitled
  133.     "Old and new conjectured diophantine inequalities".
  134.  
  135.     Masser and Osterle formulated the following known as the ABC 
  136.     conjecture:
  137.  
  138.     Given epsilon > 0, there exists a number C(epsilon) such that for
  139.     any set of non-zero, relatively prime integers a,b,c such that 
  140.     a+b = c we have
  141.  
  142.     max( |a|, |b|, |c|) <= C(epsilon) N(abc)^(1 + epsilon)
  143.  
  144.     where N(x) is the product of the distinct primes dividing x.
  145.  
  146.     It is easy to see that it implies FLT asymptotically. The conjecture
  147.     was motivated by a theorem, due to Mason that essentially says the
  148.     ABC conjecture IS true for polynomials.
  149.  
  150.     The ABC conjecture also implies Szpiro's conjecture [and vice-versa]
  151.     and Hall's conjecture. These results are all generally believed to
  152.     be true. 
  153.  
  154.     There is a generalization of the ABC conjecture [by Vojta] which is
  155.     too technical to discuss but involves heights of points on
  156.     non-singular algebraic varieties . Vojta's conjecture also implies
  157.     Mordell's theorem [already known to be true]. There are also a
  158.     number of inter-twined conjectures involving heights on elliptic
  159.     curves that are related to much of this stuff. For a more complete 
  160.     discussion, see Lang's article.
  161.     
  162.     (b) conjectures arising from the study of elliptic curves and
  163.     modular forms. -- The Taniyama-Weil-Shmimura conjecture.
  164.  
  165.     There is a very important and well known conjecture known as the
  166.     Taniyama-Weil-Shimura conjecture that concerns elliptic curves.
  167.     This conjecture has been shown by the work of Frey, Serre, Ribet,
  168.     et. al. to imply FLT uniformly, not just asymptotically as with the
  169.     ABC conj.
  170.     
  171.     The conjecture basically states that all elliptic curves can be
  172.     parameterized in terms of modular forms. 
  173.  
  174.     There is new work on the arithmetic of elliptic curves. Sha, the
  175.     Tate-Shafarevich group on elliptic curves of rank 0 or 1. By the way
  176.     an interesting aspect of this work is that there is a close 
  177.     connection between Sha, and some of the classical work on FLT. For
  178.     example, there is a classical proof that uses infinite descent to
  179.     prove FLT for n = 4. It can be shown that there is an elliptic curve
  180.     associated with FLT and that for n=4, Sha is trivial. It can also be
  181.     shown that in the cases where Sha is non-trivial, that 
  182.     infinite-descent arguments do not work; that in some sense 'Sha
  183.     blocks the descent'. Somewhat more technically, Sha is an
  184.     obstruction to the local-global principle [e.g. the Hasse-Minkowski
  185.     theorem].
  186.     
  187.     
  188.  
  189.     (c) Conjectures arising from some conjectured inequalities involving
  190.     Chern classes and some other deep results/conjectures in arithmetic
  191.     algebraic geometry. 
  192.  
  193.     I can't describe these results since I don't know the math. Contact
  194.     Barry Mazur [or Serre, or Faltings, or Ribet, or ...]. Actually the
  195.     set of people who DO understand this stuff is fairly small.
  196.  
  197.  
  198.     The diophantine and elliptic curve conjectures all involve deep 
  199.     properties of integers. Until these conjecture were tied to FLT,
  200.     FLT had been regarded by most mathematicians as an isolated problem;
  201.     a curiosity. Now it can be seen that it follows from some deep and
  202.     fundamental properties of the integers. [not yet proven but
  203.     generally believed].
  204.  
  205.     This synopsis is quite brief. A full survey would run to many pages.
  206.  
  207.     References:
  208.  
  209.     [1] J.P.Butler, R.E.Crandall, & R.W.Sompolski
  210.     "Irregular Primes to One Million"
  211.      Math. Comp. 59 (October 1992) pp. 717-722
  212.  
  213.     H.M. Edwards, Fermat's Last Theorem, A Genetic Introduction to
  214.     Algebraic Number Theory, Springer Verlag, New York, 1977
  215.  
  216.     P. Ribenboim, Thirteen Lectures on Fermat's Last Theorem, 
  217.     Springer Verlag, New York, 1979
  218.  
  219.     Number Theory Related to Fermat's Last Theorem, Neal Koblitz, editor,
  220.     Birkh\"auser Boston, Inc., 1982, ISBN 3-7643-3104-6
  221.  
  222.  
  223.  
  224.  
  225. 2Q: Has the Four Colour Theorem been solved?
  226.     (Every planar map with regions of simple borders can be coloured 
  227.     with 4 colours in such a way that no two regions sharing a non-zero
  228.     length border have the same colour.)
  229.  
  230. A:  This theorem was proved with the aid of a computer in 1976.
  231.     The proof shows that if aprox. 1,936  basic forms of maps
  232.     can be coloured with four colours, then any given map can be
  233.     coloured with four colours. A computer program coloured this 
  234.     basic forms. So far nobody has been able to prove it without 
  235.     using a computer. In principle it is possible to emulate the 
  236.     computer proof by hand computations.
  237.  
  238.     References:
  239.  
  240.     K. Appel and W. Haken, Every planar map is four colourable,
  241.     Bulletin of the American Mathematical Society, vol. 82, 1976 
  242.     pp.711-712.
  243.  
  244.     K. Appel and W. Haken, Every planar map is four colourable,
  245.     Illinois Journal of Mathematics, vol. 21, 1977, pp. 429-567.
  246.  
  247.     T. Saaty and Paul Kainen, The Four Colour Theorem: Assault and
  248.     Conquest, McGraw-Hill, 1977. Reprinted by Dover Publications 1986. 
  249.  
  250.     K. Appel and W. Haken, Every Planar Map is Four Colorable,
  251.     Contemporary Mathematics, vol. 98, American Mathematical Society,
  252.     1989, pp.741.
  253.  
  254.     F. Bernhart, Math Reviews. 91m:05007, Dec. 1991. (Review of Appel
  255.     and Haken's book).
  256.  
  257.  
  258.  
  259.  
  260. 3Q:  What are the values of:
  261.  
  262. largest known Mersenne prime?
  263.  
  264. A:  It is 2^756839-1. It was discovered by a Cray-2 in England in 1992.
  265.     It has 227,832 digits.
  266.  
  267.     
  268. largest known prime?
  269.  
  270. A:  The largest known prime is the Mersenne prime described above.
  271.     The previous record holder, and the largest known non-Mersenne prime,
  272.     is 391581*2^216193-1. See Brown, Noll, Parady, Smith, Smith, and
  273.     Zarantonello, Letter to the editor, American Mathematical Monthly,
  274.     vol. 97, 1990, p. 214. Throughout history, the largest known prime
  275.     has almost always been a Mersenne prime; the period between Brown
  276.     et al's discovery in Aug 1989 and Slowinski & Gage's in March 1992
  277.     is one of the few exceptions.
  278.  
  279.     
  280. largest known twin primes?
  281.     
  282. A:  The largest known twin primes are 1706595*2^11235 +- 1.
  283.     See B. K. Parady and J. F. Smith and S. E. Zarantonello,
  284.     Smith, Noll and Brown.
  285.     Largest known twin primes, Mathematics of Computation,
  286.     vol.55, 1990, pp. 381-382. 
  287.  
  288.  
  289. largest Fermat number with known factorization?
  290.  
  291. A:  F_11 = (2^(2^11)) + 1 which was  factored by Brent & Morain in
  292.     1988. F9 = (2^(2^9)) + 1 = 2^512 + 1 was factored by 
  293.     A.K. Lenstra, H.W. Lenstra Jr., M.S. Manasse & J.M. Pollard
  294.     in 1990. The factorization for F10 is NOT known.
  295.  
  296.  
  297. Are there good algorithms to factor a given integer?
  298.  
  299. A:  There are several that have subexponential estimated 
  300.     running time, to mention just a few:
  301.  
  302.         Continued fraction algorithm,
  303.         Class group method,
  304.         Quadratic sieve algorithm,
  305.         Elliptic curve algorithm,
  306.         Number field sieve,
  307.         Dixon's random squares algorithm,
  308.         Valle's two-thirds algorithm,
  309.         Seysen's class group algorithm,
  310.  
  311.     A.K. Lenstra, H.W. Lenstra Jr., "Algorithms in Number Theory",
  312.     in: J. van Leeuwen (ed.), Handbook of Theoretical Computer 
  313.     Science, Volume A: Algorithms and Complexity, Elsevier, pp. 
  314.     673-715, 1990.
  315.  
  316.  
  317. List of record numbers?
  318.  
  319. A:  Chris Caldwell maintains "THE LARGEST KNOWN PRIMES (ALL KNOWN
  320.     PRIMES WITH 2000 OR MORE DIGITS)"-list. Send him mail to  
  321.     bf04@UTMartn.bitnet (preferred) or kvax@utkvx.UTK.edu, on any new 
  322.     gigantic primes (greater than 10,000 digits), titanic primes
  323.     (greater than 1000 digits).
  324.  
  325.  
  326. What is the current status on Mersenne primes?
  327.  
  328. A:  Mersenne primes are primes of the form 2^p-1. For 2^p-1 to be prime 
  329.     we must have that p is prime. The following Mersenne primes are
  330.     known.
  331.  
  332.     nr            p                                 year  by
  333.     -----------------------------------------------------------------
  334.      1-5   2,3,5,7,13                    in or before the middle ages
  335.      6-7       17,19                     1588  Cataldi
  336.      8          31                       1750  Euler
  337.      9          61                       1883  Pervouchine
  338.     10          89                       1911  Powers
  339.     11          107                      1914  Powers
  340.     12          127                      1876  Lucas
  341.     13-14       521,607                  1952  Robinson
  342.     15-17       1279,2203,2281           1952  Lehmer
  343.     18          3217                     1957  Riesel
  344.     19-20       4253,4423                1961  Hurwitz & Selfridge
  345.     21-23       9689,9941,11213          1963  Gillies
  346.     24          19937                    1971  Tuckerman
  347.     25          21701                    1978  Noll & Nickel
  348.     26          23209                    1979  Noll
  349.     27          44497                    1979  Slowinski & Nelson
  350.     28          86243                    1982  Slowinski
  351.     29          110503                   1988  Colquitt & Welsh jr.
  352.     30          132049                   1983  Slowinski
  353.     31          216091                   1985  Slowinski
  354.     32?         756839                   1992  Slowinski & Gage
  355.  
  356.     The way to determine if 2^p-1 is prime is to use the Lucas-Lehmer 
  357.     test:
  358.       Lucas_Lehmer_Test(p):
  359.          u := 4
  360.          for i from 3 to p do
  361.             u := u^2-2 mod 2^p-1
  362.          od
  363.          if u == 0 then
  364.             2^p-1 is prime
  365.          else
  366.             2^p-1 is composite
  367.          fi
  368.  
  369.    The following ranges have been checked completely:
  370.     2 - 355K and  430K - 520K
  371.  
  372.    More on Mersenne primes and the Lucas-Lehmer test can be found in:
  373.       G.H. Hardy, E.M. Wright, An introduction to the theory of numbers,
  374.       fifth edition, 1979, pp. 16, 223-225.
  375.  
  376.  
  377. (Please send updates to alopez-o@maytag.UWaterloo.ca)
  378.  
  379.  
  380.  
  381.  
  382. 4Q:  I think I proved <insert big conjecture>.    OR
  383.     I think I have a bright new idea.
  384.  
  385.     What should I do?
  386.  
  387. A:  Are you an expert in the area? If not, please ask first local
  388.     gurus for pointers to related work (the "distribution" field
  389.     may serve well for this purposes). If after reading them you still
  390.     think your *proof is correct*/*idea is new* then send it to the net.
  391.  
  392.  
  393. 5Q:  I have this complicated symbolic problem (most likely
  394.     a symbolic integral or a DE system) that I can't solve.
  395.     What should I do?
  396.  
  397. A:  Find a friend with access to a computer algebra system
  398.     like MAPLE, MACSYMA or MATHEMATICA and ask her/him to solve it.
  399.     If packages cannot solve it, then (and only then) ask the net. 
  400.  
  401.  
  402. 6Q:  Where can I get <Symbolic Computation Package>?
  403.     This is not a comprehensive list. There are other Computer Algebra
  404.     packages available that may better suit your needs. There is also
  405.     a FAQ list in the group sci.math.symbolics. It includes a much larger
  406.     list of vendors and developers. (The FAQ list can be obtained from
  407.     rtfm.mit.edu via anonymous ftp).
  408.  
  409. A: Maple 
  410.         Purpose: Symbolic and numeric computation, mathematical
  411.         programming, and mathematical visualization. 
  412.         Contact: Waterloo Maple Software,
  413.         160 Columbia Street West,
  414.         Waterloo, Ontario, Canada     N2L 3L3
  415.         Phone: (519) 747-2373 
  416.         wmsi@daisy.uwaterloo.ca wmsi@daisy.waterloo.edu
  417.  
  418. A: DOE-Macsyma  
  419.         Purpose: Symbolic and mathematical manipulations.
  420.         Contact: National Energy Software Center
  421.         Argonne National Laboratory 9700 South Cass Avenue
  422.         Argonne, Illinois 60439 
  423.         Phone: (708) 972-7250
  424.  
  425. A: Pari    
  426.         Purpose: Number-theoretic computations and simple numerical
  427.         analysis.
  428.         Available for Sun 3, Sun 4, generic 32-bit Unix, and
  429.         Macintosh II. This is a free package, available by ftp from
  430.         math.ucla.edu (128.97.64.16).
  431.         Contact: questions about pari can be sent to pari@mizar.greco-prog.fr
  432.  
  433. A: Mathematica
  434.         Purpose: Mathematical computation and visualization,
  435.         symbolic programming. 
  436.         Contact: Wolfram Research, Inc. 
  437.         100 Trade Center Drive Champaign,
  438.         IL 61820-7237
  439.         Phone: 1-800-441-MATH
  440.  
  441. A: Macsyma
  442.         Purpose: Symbolic and mathematical manipulations.
  443.     Contact: Symbolics, Inc.
  444.     8 New England Executive Park East
  445.     Burlington, Massachusetts 01803
  446.     United States of America
  447.     (617) 221-1250
  448.     macsyma@Symbolics.COM
  449.  
  450. A: Matlab
  451.         Purpose: `matrix laboratory' for tasks involving 
  452.     matrices, graphics and general numerical computation.
  453.     Contact: The MathWorks, Inc.
  454.          21 Eliot Street
  455.          South Natick, MA 01760
  456.          508-653-1415
  457.          info@mathworks.com
  458.  
  459. A: Cayley
  460.         Purpose: Computation in algebraic and combinatorial structures
  461.         such as groups, rings, fields, modules and graphs.
  462.         Available for: SUN 3, SUN 4, IBM running AIX or VM, DEC VMS, others
  463.         Contact: Computational Algebra Group
  464.         University of Sydney
  465.         NSW 2006
  466.         Australia
  467.         Phone:  (61) (02) 692 3338
  468.         Fax: (61) (02) 692 4534
  469.         cayley@maths.su.oz.au
  470.  
  471.  
  472.  
  473. 7Q:  Let P be a property about the Fields Medal. Is P(x) true?
  474.  
  475. A:  There are a few gaps in the list. If you know any of the
  476.     missing information (or if you notice any mistakes), 
  477.     please send me e-mail.
  478.  
  479. Year Name               Birthplace              Age Institution
  480. ---- ----               ----------              --- -----------
  481. 1936 Ahlfors, Lars      Helsinki       Finland   29 Harvard U         USA
  482. 1936 Douglas, Jesse     New York NY    USA       39 MIT               USA
  483. 1950 Schwartz, Laurent  Paris          France    35 U of Nancy        France
  484. 1950 Selberg, Atle      Langesund      Norway    33 Adv.Std.Princeton USA 
  485. 1954 Kodaira, Kunihiko  Tokyo          Japan     39 Princeton U       USA
  486. 1954 Serre, Jean-Pierre Bages          France    27 College de France France
  487. 1958 Roth, Klaus        Breslau        Germany   32 U of London       UK
  488. 1958 Thom, Rene         Montbeliard    France    35 U of Strasbourg   France
  489. 1962 Hormander, Lars    Mjallby        Sweden    31 U of Stockholm    Sweden
  490. 1962 Milnor, John       Orange NJ      USA       31 Princeton U       USA
  491. 1966 Atiyah, Michael    London         UK        37 Oxford U          UK
  492. 1966 Cohen, Paul        Long Branch NJ USA       32 Stanford U        USA
  493. 1966 Grothendieck, Alexander Berlin    Germany   38 U of Paris        France
  494. 1966 Smale, Stephen     Flint MI       USA       36 UC Berkeley       USA
  495. 1970 Baker, Alan        London         UK        31 Cambridge U       UK
  496. 1970 Hironaka, Heisuke  Yamaguchi-ken  Japan     39 Harvard U         USA
  497. 1970 Novikov, Serge     Gorki          USSR      32 Moscow U          USSR
  498. 1970 Thompson, John     Ottawa KA      USA       37 U of Chicago      USA
  499. 1974 Bombieri, Enrico   Milan          Italy     33 U of Pisa         Italy
  500. 1974 Mumford, David     Worth, Sussex  UK        37 Harvard U         USA
  501. 1978 Deligne, Pierre    Brussels       Belgium   33 IHES              France
  502. 1978 Fefferman, Charles Washington DC  USA       29 Princeton U       USA
  503. 1978 Margulis, Gregori  Moscow         USSR      32 InstPrblmInfTrans USSR
  504. 1978 Quillen, Daniel    Orange NJ      USA       38 MIT               USA
  505. 1982 Connes, Alain      Draguignan     France    35 IHES              France
  506. 1982 Thurston, William  Washington DC  USA       35 Princeton U       USA
  507. 1982 Yau, Shing-Tung    Kwuntung       China     33 IAS               USA
  508. 1986 Donaldson, Simon   Cambridge      UK        27 Oxford U          UK
  509. 1986 Faltings, Gerd     1954           Germany   32 Princeton U       USA
  510. 1986 Freedman, Michael  Los Angeles CA USA       35 UC San Diego      USA
  511. 1990 Drinfeld, Vladimir Kharkov        USSR      36 Phys.Inst.Kharkov USSR
  512. 1990 Jones, Vaughan     Gisbourne      N Zealand 38 UC Berkeley       USA
  513. 1990 Mori, Shigefumi    Nagoya         Japan     39 U of Kyoto?       Japan
  514. 1990 Witten, Edward     Baltimore      USA       38 Princeton U/IAS   USA
  515.  
  516. References :
  517.  
  518. International Mathematical Congresses, An Illustrated History 1893-1986,
  519. Revised Edition, Including 1986, by Donald J.Alberts, G. L. Alexanderson 
  520. and Constance Reid, Springer Verlag, 1987.
  521.  
  522. Tropp, Henry S., ``The origins and history of the Fields Medal,''
  523. Historia Mathematica, 3(1976), 167-181.  
  524.  
  525.  
  526. 8Q:  What is 0^0 ?
  527.  
  528. A:  According to some Calculus textbooks, 0^0 is an "indeterminate
  529.     form". When evaluating a limit of the form 0^0, then you need
  530.     to know that limits of that form are called "indeterminate forms",
  531.     and that you need to use a special technique such as L'Hopital's
  532.     rule to evaluate them. Otherwise, 0^0=1 seems to be the most
  533.     useful choice for 0^0. This convention allows us to extend 
  534.     definitions in different areas of mathematics that otherwise would
  535.     require treating 0 as a special case. Notice that 0^0 is a
  536.     discontinuity of the function x^y. 
  537.    
  538.     Rotando & Korn show that if f and g are real functions that vanish
  539.     at the origin and are _analytic_ at 0 (infinitely differentiable is
  540.     not sufficient), then f(x)^g(x) approaches 1 as x approaches 0 from
  541.     the right.
  542.  
  543.     From Concrete Mathematics p.162 (R. Graham, D. Knuth, O. Patashnik):
  544.  
  545.     "Some textbooks leave the quantity 0^0 undefined, because the
  546.     functions x^0 and 0^x have different limiting values when x 
  547.     decreases to 0. But this is a mistake. We must define
  548.  
  549.        x^0 = 1 for all x,
  550.  
  551.     if the binomial theorem is to be valid when x=0, y=0, and/or x=-y.
  552.     The theorem is too important to be arbitrarily restricted! By
  553.     contrast, the function 0^x is quite unimportant." 
  554.  
  555.     Published by Addison-Wesley, 2nd printing Dec, 1988.
  556.  
  557.     References:
  558.  
  559.     H. E. Vaughan, The expression '0^0', Mathematics Teacher 63 (1970),
  560.     pp.111-112.
  561.  
  562.     Louis M. Rotando & Henry Korn, "The Indeterminate Form 0^0",
  563.     Mathematics Magazine, Vol. 50, No. 1 (January 1977), pp. 41-42.
  564.  
  565.     L. J. Paige, A note on indeterminate forms, American Mathematical 
  566.     Monthly, 61 (1954), 189-190; reprinted in the Mathematical 
  567.     Association of America's 1969 volume, Selected Papers on Calculus,
  568.     pp. 210-211.
  569.  
  570.  
  571.  
  572. 9Q:  Why is 0.9999... = 1?
  573.  
  574. A:  In modern mathematics, the string of symbols "0.9999..." is
  575.     understood to be a shorthand for "the infinite sum  9/10 + 9/100
  576.     + 9/1000 + ...." This in turn is shorthand for "the limit of the
  577.     sequence of real numbers 9/10, 9/10 + 9/100, 9/10 + 9/100 + 9/1000,
  578.     ..."  Using the well-known epsilon-delta definition of limit, one
  579.     can easily show that this limit is 1.  The statement that 
  580.     0.9999...  = 1 is simply an abbreviation of this fact.
  581.  
  582.                     oo              m
  583.                    ---   9         ---   9
  584.         0.999... = >   ---- = lim  >   ----
  585.                    --- 10^n  m->oo --- 10^n
  586.                    n=1             n=1
  587.         Choose epsilon > 0. Suppose delta = 1/-log_10 epsilon, thus
  588.         epsilon = 10^(-1/delta). For every m>1/delta we have that
  589.  
  590.         |  m           |
  591.         | ---   9      |     1          1
  592.         | >   ---- - 1 | = ---- < ------------ = epsilon
  593.         | --- 10^n     |   10^m   10^(1/delta)
  594.         | n=1          |
  595.  
  596.         So by the (epsilon-delta) definition of the limit we have
  597.                m
  598.               ---   9
  599.          lim  >   ---- = 1
  600.         m->oo --- 10^n
  601.               n=1
  602.  
  603.  
  604.     An *informal* argument could be given by noticing that the following
  605.     sequence of "natural" operations has as a consequence 1 = 0.9999....
  606.     Therefore it's "natural" to assume 1 = 0.9999.....
  607.  
  608.              x = 0.99999....
  609.            10x = 9.99999....
  610.        10x - x = 9 
  611.             9x = 9                
  612.              x = 1
  613.     Thus
  614.              1 = 0.99999....
  615.  
  616.     References:
  617.  
  618.     E. Hewitt & K. Stromberg, Real and Abstract Analysis, 
  619.     Springer-Verlag, Berlin, 1965.
  620.  
  621.     W. Rudin, Principles of Mathematical Analysis, McGraw-Hill, 1976.
  622.  
  623.  
  624.  
  625. 10Q:  Where I can get pi up to a few hundred thousand digits of pi? 
  626.     Does anyone have an algorithm to compute pi to those zillion 
  627.     decimal places?
  628.  
  629.  
  630. A:  MAPLE or MATHEMATICA can give you 10,000 digits of Pi in a blink,
  631.     and they can compute another 20,000-500,000 overnight (range depends
  632.     on hardware platform).
  633.  
  634.     It is possible to retrieve 1.25+ million digits of pi via anonymous
  635.     ftp from the site wuarchive.wustl.edu, in the files pi.doc.Z and
  636.     pi.dat.Z which reside in subdirectory doc/misc/pi.
  637.  
  638.     References :
  639.     (This is a short version for a more comprhensive list contact
  640.     Juhana Kouhia at jk87377@cc.tut.fi)
  641.  
  642.     J. M. Borwein, P. B. Borwein, and D. H. Bailey, "Ramanujan,
  643.     Modular Equations, and Approximations to Pi", American Mathematical
  644.     Monthly, vol. 96, no. 3 (March 1989), p. 201 - 220.
  645.  
  646.     P. Beckman
  647.     A history of pi
  648.     Golem Press, CO, 1971 (fourth edition 1977)
  649.  
  650.     J.M. Borwein and P.B. Borwein
  651.     The arithmetic-geometric mean and fast computation of elementary
  652.     functions
  653.     SIAM Review, Vol. 26, 1984, pp. 351-366
  654.  
  655.     J.M. Borwein and P.B. Borwein
  656.     More quadratically converging algorithms for pi
  657.     Mathematics of Computation, Vol. 46, 1986, pp. 247-253
  658.  
  659.     J.M. Borwein and P.B. Borwein
  660.     Pi and the AGM - a study in analytic number theory and
  661.     computational complexity
  662.     Wiley, New York, 1987
  663.  
  664.     Shlomo Breuer and Gideon Zwas
  665.     Mathematical-educational aspects of the computation of pi
  666.     Int. J. Math. Educ. Sci. Technol., Vol. 15, No. 2, 1984,
  667.     pp. 231-244
  668.  
  669.     Y. Kanada and Y. Tamura
  670.     Calculation of pi to 10,013,395 decimal places based on the
  671.     Gauss-Legendre algorithm and Gauss arctangent relation
  672.     Computer Centre, University of Tokyo, 1983
  673.  
  674.     Morris Newman and Daniel Shanks
  675.     On a sequence arising in series for pi
  676.     Mathematics of computation, Vol. 42, No. 165, Jan 1984,
  677.     pp. 199-217
  678.  
  679.     E. Salamin
  680.     Computation of pi using arithmetic-geometric mean
  681.     Mathematics of Computation, Vol. 30, 1976, pp. 565-570
  682.  
  683.     D. Shanks and J.W. Wrench, Jr.
  684.     Calculation of pi to 100,000 decimals
  685.     Mathematics of Computation, Vol. 16, 1962, pp. 76-99
  686.  
  687.     Daniel Shanks
  688.     Dihedral quartic approximations and series for pi
  689.     J. Number Theory, Vol. 14, 1982, pp.397-423
  690.  
  691.     David Singmaster
  692.     The legal values of pi
  693.     The Mathematical Intelligencer, Vol. 7, No. 2, 1985
  694.  
  695.     Stan Wagon
  696.     Is pi normal?
  697.     The Mathematical Intelligencer, Vol. 7, No. 3, 1985
  698.  
  699.     J.W. Wrench, Jr.
  700.     The evolution of extended decimal approximations to pi
  701.     The Mathematics Teacher, Vol. 53, 1960, pp. 644-650
  702.  
  703.  
  704.  
  705.  
  706. 11Q:  There are three doors, and there is a car hidden behind one
  707.     of them, Master Mind and other games ..
  708.  
  709. A:  Read frequently asked questions from rec.puzzles, where the
  710.     problem is solved and carefully explained. (The Monty
  711.     Hall problem). MANY OTHER "MATHEMATICAL" GAMES ARE EXPLAINED
  712.     IN THE REC.PUZZLES FAQ. READ IT BEFORE ASKING IN SCI.MATH.
  713.  
  714.     Your chance of winning is 2/3 if you switch and 1/3 if you don't.
  715.     For a full explanation from the frequently asked questions list
  716.     for rec.puzzles, send to the address archive-request@questrel.com
  717.     an email message consisting of the text
  718.  
  719.                send switch
  720.  
  721.  
  722.     Also any other FAQ list can be obtained through anonymous ftp from
  723.     rtfm.mit.edu.
  724.  
  725.     References
  726.     
  727.     American Mathematical Monthly, January 1992.
  728.  
  729.  
  730.     For the game of Master Mind it has been proven that no more than
  731.     five moves are required in the worst case. For references look at
  732.  
  733.     One such algorithm was published in the Journal of Recreational
  734.     Mathematics; in '70 or '71 (I think), which always solved the
  735.     4 peg problem in 5 moves. Knuth later published an algorithm which
  736.     solves the problem in a shorter # of moves - on average - but can
  737.     take six guesses on certain combinations.
  738.  
  739.  
  740.  
  741.     Donald E. Knuth, The Computer as Master Mind, J. Recreational Mathematics
  742.     9 (1976-77), 1-6.
  743.  
  744.  
  745.  
  746. 12Q:  What is the formula for the "Surface Area" of a sphere in
  747.     Euclidean N-Space.  That is, of course, the volume of the N-1
  748.     solid which comprises the boundary of an N-Sphere.  
  749.  
  750. A:  The volume of a ball is the easiest formula to remember:  It's r^N
  751.     times pi^(N/2)/(N/2)!.  The only hard part is taking the factorial
  752.     of a half-integer.  The real definition is that x! = Gamma(x+1), but
  753.     if you want a formula, it's:
  754.  
  755.     (1/2+n)! = sqrt(pi)*(2n+2)!/(n+1)!/4^(n+1)
  756.  
  757.     To get the surface area, you just differentiate to get
  758.     N*pi^(N/2)/(N/2)!*r^(N-1).
  759.  
  760.     There is a clever way to obtain this formula using Gaussian
  761.     integrals. First, we note that the integral over the line of
  762.     e^(-x^2) is sqrt(pi).  Therefore the integral over N-space of
  763.     e^(-x_1^2-x_2^2-...-x_N^2) is sqrt(pi)^n.  Now we change to
  764.     spherical coordinates.  We get the integral from 0 to infinity 
  765.     of V*r^(N-1)*e^(-r^2), where V is the surface volume of a sphere.
  766.     Integrate by parts repeatedly to get the desired formula.
  767.  
  768. 13Q:  Anyone knows a name (or a closed form) for
  769.   
  770.       f(x)^f(x)=x
  771.  
  772.  
  773.     Solving for f one finds a "continued fraction"-like answer
  774.  
  775.  
  776.                f(x) = log x
  777.                       -----
  778.                       log (log x
  779.                           ------
  780.                               ...........
  781.  
  782. A:  This question has been repeated here from time to time over the 
  783.     years, and no one seems to have heard of any published work on it,
  784.     nor a published name for it (D. Merrit proposes "lx" due to its
  785.     (very) faint resemblence to log). It's not an analytic function.
  786.  
  787.     The "continued fraction" form for its numeric solution is highly 
  788.     unstable in the region of its minimum at 1/e (because the graph is
  789.     quite flat there yet logarithmic approximation oscillates wildly),
  790.     although it converges fairly quickly elsewhere. To compute its value
  791.     near 1/e, I used the bisection method with good results. Bisection
  792.     in other regions converges much more slowly than the "logarithmic 
  793.     continued fraction" form, so a hybrid of the two seems suitable.
  794.     Note that it's dual valued for the reals (and many valued complex
  795.     for negative reals).
  796.  
  797.     A similar function is a "built-in" function in MAPLE called W(x).
  798.     MAPLE considers a solution in terms of W(x) as a closed form (like
  799.     the erf function). W is defined as W(x)*exp(W(x))=x.
  800.  
  801.     If anyone ever runs across something published on the subject,
  802.     please post.
  803.  
  804.  
  805. 14Q:  The existence of a projective plane of order 10 has long been
  806.     an outstanding problem in discrete mathematics and finite geometry.
  807.  
  808. A:  More precisely, the question is: is it possible to define 111 sets
  809.     (lines) of 11 points each such that:
  810.     for any pair of points there is precisely one line containing them
  811.     both and for any pair of lines there is only one point common to
  812.     them both.
  813.     Analogous questions with n^2 + n + 1 and n + 1 instead of 111 and 11
  814.     have been positively answered only in case n is a prime power.
  815.     For n=6 it is not possible.  The n=10 case has been settled as
  816.     not possible either by Clement Lam. See Am. Math. Monthly,
  817.     recent issue. As the "proof" took several years of computer search
  818.     (the equivalent of 2000 hours on a Cray-1) it can be called the most
  819.     time-intensive computer assisted single proof.
  820.     The final steps were ready in January 1989.
  821.  
  822.  
  823. 15Q:  Is there a formula to determine the day of the week, given
  824.     the month, day and year? 
  825.  
  826. A:  Here is the standard method.
  827.  
  828.      A. Take the last two digits of the year.
  829.      B. Divide by 4, discarding any fraction.
  830.      C. Add the day of the month.
  831.      D. Add the month's key value: JFM AMJ JAS OND
  832.                                    144 025 036 146
  833.      E. Subtract 1 for January or February of a non-leap year.
  834.      F. For a Gregorian date, add 0 for 1900's, 6 for 2000's, 4 for 1700's, 2
  835.            for 1800's; for other years, add or subtract multiples of 400.
  836.      G. For a Julian date, add 1 for 1700's, and 1 for every additional
  837.       century you go back.
  838.      H. Add the year.
  839.  
  840.     Now take the remainder when you divide by 7; 0 is Sunday, the first day
  841.     of the week, 1 is Monday, and so on.
  842.  
  843.     Another formula is:
  844.  
  845.     W == k + [2.6m - 0.2] - 2C + Y + [Y/4] + [C/4]     mod 7
  846.        where [] denotes the integer floor function (round down),
  847.        k is day (1 to 31)
  848.        m is month (1 = March, ..., 10 = December, 11 = Jan, 12 = Feb)
  849.                      Treat Jan & Feb as months of the preceding year
  850.        C is century ( 1987 has C = 19)
  851.        Y is year    ( 1987 has Y = 87 except Y = 86 for jan & feb)
  852.        W is week day (0 = Sunday, ..., 6 = Saturday)
  853.  
  854.     This formula is good for the Gregorian calendar
  855.     (introduced 1582 in parts of Europe, adopted in 1752 in Great Britain
  856.     and its colonies, and on various dates in other countries).
  857.  
  858.     It handles century & 400 year corrections, but there is still a 
  859.     3 day / 10,000 year error which the Gregorian calendar does not take.
  860.     into account.  At some time such a correction will have to be 
  861.     done but your software will probably not last that long :-)   !
  862.  
  863.  
  864.     References:
  865.  
  866.     Winning Ways  by Conway, Guy, Berlekamp is supposed to have it.
  867.  
  868.     Martin Gardner in "Mathematical Carnaval".
  869.  
  870.     Michael Keith and Tom Craver, "The Ultimate Perpetual Calendar?",
  871.     Journal of Recreational Mathematics, 22:4, pp. 280-282, 1990.
  872.     
  873.     K. Rosen, "Elementary Number Theory",  p. 156.
  874.  
  875.  
  876.  
  877. 16Q:  What is the Axiom of Choice?  Why is it important? Why some articles
  878.     say "such and such is provable, if you accept the axiom of choice."?
  879.     What are the arguments for and against the axiom of choice?  
  880.  
  881.  
  882. A:  There are several equivalent formulations:
  883.  
  884.     -The Cartesian product of nonempty sets is nonempty, even
  885.     if the product is of an infinite family of sets.
  886.  
  887.     -Given any set S of mutually disjoint nonempty sets, there is a set C
  888.     containing a single member from each element of S.  C can thus be
  889.     thought of as the result of "choosing" a representative from each
  890.     set in S. Hence the name. 
  891.  
  892.     >Why is it important? 
  893.  
  894.     All kinds of important theorems in analysis require it.  Tychonoff's
  895.     theorem and the Hahn-Banach theorem are examples. AC is equivalent
  896.     to the thesis that every set can be well-ordered.  Zermelo's first
  897.     proof of this in 1904 I believe was the first proof in which AC was
  898.     made explicit.  AC is especially handy for doing infinite cardinal
  899.     arithmetic, as without it the most you get is a *partial* ordering
  900.     on the cardinal numbers.  It also enables you to prove such 
  901.     interesting general facts as that n^2 = n for all infinite cardinal 
  902.     numbers.
  903.  
  904.     > What are the arguments for and against the axiom of choice?
  905.  
  906.     The axiom of choice is independent of the other axioms of set theory
  907.     and can be assumed or not as one chooses.
  908.  
  909.     (For) All ordinary mathematics uses it.
  910.  
  911.     There are a number of arguments for AC, ranging from a priori to 
  912.     pragmatic.  The pragmatic argument (Zermelo's original approach) is
  913.     that it allows you to do a lot of interesting mathematics.  The more
  914.     conceptual argument derives from the "iterative" conception of set
  915.     according to which sets are "built up" in layers, each layer consisting
  916.     of all possible sets that can be constructed out of elements in the
  917.     previous layers.  (The building up is of course metaphorical, and is
  918.     suggested only by the idea of sets in some sense consisting of their 
  919.     members; you can't have a set of things without the things it's a set
  920.     of).  If then we consider the first layer containing a given set S of
  921.     pairwise disjoint nonempty sets, the argument runs, all the elements 
  922.     of all the sets in S must exist at previous levels "below" the level
  923.     of S.  But then since each new level contains *all* the sets that can
  924.     be formed from stuff in previous levels, it must be that at least by
  925.     S's level all possible choice sets have already been *formed*. This
  926.     is more in the spirit of Zermelo's later views (c. 1930). 
  927.  
  928.     (Against) It has some supposedly counterintuitive consequences,
  929.     such as the Banach-Tarski paradox. (See next question)
  930.  
  931.     Arguments against AC typically target its nonconstructive character:
  932.     it is a cheat because it conjures up a set without providing any
  933.     sort of *procedure* for its construction--note that no *method* is
  934.     assumed for picking out the members of a choice set.  It is thus the
  935.     platonic axiom par excellence, boldly asserting that a given set
  936.     will always exist under certain circumstances in utter disregard of
  937.     our ability to conceive or construct it.  The axiom thus can be seen
  938.     as marking a divide between two opposing camps in the philosophy of
  939.     mathematics:  those for whom mathematics is essentially tied to our
  940.     conceptual capacities, and hence is something we in some sense
  941.     *create*, and those for whom mathematics is independent of any such
  942.     capacities and hence is something we *discover*.  AC is thus of 
  943.     philosophical as well as mathematical significance.
  944.  
  945.  
  946.     It should be noted that some interesting mathematics has come out of an
  947.     incompatible axiom, the Axiom of Determinacy (AD).  AD asserts that
  948.     any two-person game without ties has a winning strategy for the first or
  949.     second player.  For finite games, this is an easy theorem; for infinite
  950.     games with duration less than \omega and move chosen from a countable set,
  951.     you can prove the existence of a counter-example using AC.  Jech's book
  952.     "The Axiom of Choice" has a discussion.  
  953.  
  954.     An example of such a game goes as follows.  
  955.  
  956.        Choose in advance a set of infinite sequences of integers; call it A.
  957.        Then I pick an integer, then you do, then I do, and so on forever 
  958.        (i.e. length \omega).  When we're done, if the sequence of integers
  959.        we've chosen is in A, I win; otherwise you win.  AD says that one of
  960.        us must have a winning strategy.  Of course the strategy, and which
  961.        of us has it, will depend upon A.
  962.  
  963.  
  964.     From a philosophical/intuitive/pedagogical standpoint, I think Bertrand
  965.     Russell's shoe/sock analogy has a lot to recommend it.  Suppose you have an
  966.     infinite collection of pairs of shoes.  You want to form a set with one
  967.     shoe from each pair.  AC is not necessary, since you can define the set as
  968.     "the set of all left shoes". (Technically, we're using the axiom of
  969.     replacement, one of the basic axioms of Zermelo-Fraenkel (ZF) set theory.)
  970.     If instead you want to form a set containing one sock from each pair of an
  971.     infinite collection of pairs of socks, you now need AC.
  972.  
  973.  
  974.     References:
  975.  
  976.     Maddy, "Believing the Axioms, I", J. Symb. Logic, v. 53, no. 2, June 1988,
  977.     pp. 490-500, and "Believing the Axioms II" in v.53, no. 3.  
  978.  
  979.     Gregory H. Moore, Zermelo's Axiom of Choice, New York, Springer-Verlag,
  980.     1982.
  981.  
  982.     H. Rubin and J. E. Rubin, Equivalents of the Axiom of Choice, Amsterdam,
  983.      North-Holland, 1963.
  984.  
  985.     A. Fraenkel, Y.  Bar-Hillel, and A. Levy, Foundations of Set Theory, 
  986.     Amsterdam, North-Holland, 1984 (2nd edition, 2nd printing), pp. 53-86.
  987.  
  988.  
  989.  
  990. 17Q:  Cutting a sphere into pieces of larger volume. Is it possible
  991.     to cut a sphere into a finite number of pieces and reassemble 
  992.     into a solid of twice the volume?
  993.  
  994. A:  This question has many variants and it is best answered explicitly.
  995.     Given two polygons of the same area, is it always possible to
  996.     dissect one into a finite number of pieces which can be reassembled
  997.     into a replica of the other?
  998.  
  999.     Dissection theory is extensive.  In such questions one needs to
  1000.     specify
  1001.  
  1002.      (A) what a "piece" is,  (polygon?  Topological disk?  Borel-set? 
  1003.          Lebesgue-measurable set?  Arbitrary?)
  1004.  
  1005.      (B) how many pieces are permitted (finitely many? countably? uncountably?)
  1006.  
  1007.      (C) what motions are allowed in "reassembling" (translations?
  1008.          rotations?  orientation-reversing maps?  isometries?  
  1009.          affine maps?  homotheties?  arbitrary continuous images?  etc.)
  1010.  
  1011.      (D) how the pieces are permitted to be glued together.  The
  1012.          simplest notion is that they must be disjoint.  If the pieces
  1013.          are polygons [or any piece with a nice boundary] you can permit
  1014.          them to be glued along their boundaries, ie the interiors of the
  1015.          pieces disjoint, and their union is the desired figure.
  1016.  
  1017.  
  1018.     Some dissection results
  1019.  
  1020.      1) We are permitted to cut into FINITELY MANY polygons, to TRANSLATE
  1021.         and ROTATE the pieces, and to glue ALONG BOUNDARIES;
  1022.         then Yes, any two equal-area polygons are equi-decomposable.
  1023.  
  1024.         This theorem was proven by Bolyai and Gerwien independently, and has
  1025.         undoubtedly been independently rediscovered many times.  I would not
  1026.         be surprised if the Greeks knew this.
  1027.  
  1028.         The Hadwiger-Glur theorem implies that any two equal-area polygons are
  1029.         equi-decomposable using only TRANSLATIONS and ROTATIONS BY 180
  1030.         DEGREES. 
  1031.  
  1032.      2) THM (Hadwiger-Glur, 1951) Two equal-area polygons P,Q are
  1033.         equi-decomposable by TRANSLATIONS only, iff we have equality of these
  1034.         two functions:     PHI_P() = PHI_Q()
  1035.         Here, for each direction v (ie, each vector on the unit circle in the
  1036.         plane), let PHI_P(v) be the sum of the lengths of the edges of P which
  1037.         are perpendicular to v, where for such an edge, its length is positive
  1038.         if v is an outward normal to the edge and is negative if v is an 
  1039.         inward normal to the edge.
  1040.  
  1041.  
  1042.      3) In dimension 3, the famous "Hilbert's third problem" is:
  1043.      
  1044.        "If P and Q are two polyhedra of equal volume, are they
  1045.         equi-decomposable by means of translations and rotations, by
  1046.         cutting into finitely many sub-polyhedra, and gluing along
  1047.         boundaries?" 
  1048.  
  1049.         The answer is "NO" and was proven by Dehn in 1900, just a few months
  1050.         after the problem was posed. (Ueber raumgleiche polyeder, Goettinger 
  1051.         Nachrichten 1900, 345-354). It was the first of Hilbert's problems
  1052.         to be solved. The proof is nontrivial but does *not* use the axiom 
  1053.         of choice.
  1054.  
  1055.         "Hilbert's Third Problem", by V.G.Boltianskii, Wiley 1978.
  1056.  
  1057.  
  1058.      4) Using the axiom of choice on non-countable sets, you can prove
  1059.         that a solid sphere can be dissected into a finite number of
  1060.         pieces that can be reassembled to two solid spheres, each of
  1061.         same volume of the original. No more than nine pieces are needed.
  1062.  
  1063.         This construction is known as the "Banach-Tarski" paradox or the 
  1064.         "Banach-Tarski-Hausdorff" paradox (Hausdorff did an early version of
  1065.         it).  The "pieces" here are non-measurable sets, and they are
  1066.         assembled *disjointly* (they are not glued together along a boundary,
  1067.         unlike the situation in Bolyai's thm.)
  1068.          An excellent book on Banach-Tarski is:
  1069.  
  1070.         "The Banach-Tarski Paradox", by Stan Wagon, 1985, Cambridge
  1071.         University Press.
  1072.  
  1073.          Also read in the Mathematical Intelligencier an article on
  1074.         the Banach-Tarski Paradox.
  1075.  
  1076.         The pieces are not (Lebesgue) measurable, since measure is preserved
  1077.         by rigid motion. Since the pieces are non-measurable, they do not
  1078.         have reasonable boundaries. For example, it is likely that each piece's
  1079.         topological-boundary is the entire ball.
  1080.  
  1081.         The full Banach-Tarski paradox is stronger than just doubling the
  1082.         ball.  It states:
  1083.  
  1084.      5) Any two bounded subsets (of 3-space) with non-empty interior, are
  1085.         equi-decomposable by translations and rotations.
  1086.  
  1087.         This is usually illustrated by observing that a pea can be cut up
  1088.         into finitely pieces and reassembled into the Earth.
  1089.  
  1090.         The easiest decomposition "paradox" was observed first by Hausdorff:
  1091.  
  1092.      6) The unit interval can be cut up into COUNTABLY many pieces which,
  1093.         by *translation* only, can be reassembled into the interval of
  1094.         length 2.
  1095.  
  1096.         This result is, nowadays, trivial, and is the standard example of a
  1097.         non-measurable set, taught in a beginning graduate class on measure
  1098.         theory.
  1099.  
  1100.  
  1101.         References:
  1102.  
  1103.         In addition to Wagon's book above, Boltyanskii has written at least
  1104.         two works on this subject.  An elementary one is:
  1105.  
  1106.           "Equivalent and equidecomposable figures"
  1107.  
  1108.         in Topics in Mathematics published by D.C. HEATH AND CO., Boston.  It
  1109.         is a translation from the 1956 work in Russian.   
  1110.  
  1111.           Also, the article "Scissor Congruence" by Dubins, Hirsch and ?,
  1112.         which appeared about 20 years ago in the Math Monthly, has a pretty
  1113.         theorem on decomposition by Jordan arcs.
  1114.  
  1115.  
  1116.         ``Banach and Tarski had hoped that the physical absurdity of this
  1117.         theorem would encourage mathematicians to discard AC. They were 
  1118.         dismayed when the response of the math community was `Isn't AC great?
  1119.         How else could we get such unintuitive results?' ''
  1120.  
  1121.  
  1122. 18Q:   Is there a theory of quaternionic analytic functions, that is, a four-
  1123.      dimensional analog to the theory of complex analytic functions?
  1124.     
  1125. A.   Yes.   This was developed in the 1930s by the mathematician
  1126.      Fueter.   It is based on a generalization of the Cauchy-Riemann
  1127.      equations, since the possible alternatives of power series expansions
  1128.      or quaternion differentiability do not produce useful theories.
  1129.      A number of useful integral theorems follow from the theory.
  1130.      Sudbery provides an excellent review.  Deavours covers some of the same
  1131.      material less thoroughly.   Brackx discusses a further generalization
  1132.      to arbitrary Clifford algebras.
  1133.  
  1134.  
  1135.       Anthony Sudbery, Quaternionic Analysis, Proc. Camb. Phil. Soc.,
  1136.       vol. 85, pp 199-225, 1979.
  1137.  
  1138.       Cipher A. Deavours, The Quaternion Calculus, Am. Math. Monthly,
  1139.       vol. 80, pp 995-1008, 1973.
  1140.  
  1141.       F. Brackx and R. Delanghe and F. Sommen, Clifford analysis,
  1142.       Pitman, 1983.
  1143.  
  1144.  
  1145. 19Q:  What is the Erdos Number?
  1146.  
  1147.      Form an undirected graph where the vertices are academics, and an
  1148.      edge connects academic X to academic Y if X has written a paper
  1149.      with Y.  The Erdos number of X is the length of the shortest path
  1150.      in this graph connecting X with Erdos.
  1151.  
  1152.      What is the Erdos Number of X ? for a few selected X in {Math,physics}
  1153.  
  1154.      Erdos has Erdos number 0.  Co-authors of Erdos have Erdos number 1.
  1155.      Einstein has Erdos number 2, since he wrote a paper with Ernst Straus,
  1156.      and Straus wrote many papers with Erdos.
  1157.  
  1158.      Why people care about it?
  1159.  
  1160.      Nobody seems to have a reasonable answer...
  1161.  
  1162.      Who is Paul Erdos? [small biography in peparation]
  1163.  
  1164.  
  1165.       Caspar Goffman, And what is your Erdos number?, American Mathematical
  1166.       Monthly v. 76 (1969), p. 791.
  1167.  
  1168.  
  1169. 20Q:  Does there exist a number that is perfect and odd?
  1170.  
  1171.      A given number is perfect if it is equal to the sum of all its proper 
  1172.      divisors. This question was first posed by Euclid in ancient Greece.
  1173.      This question is still open.  Euler proved that if  N  is an odd
  1174.      perfect number, then in the prime power decomposition of N, exactly 
  1175.      one exponent is congruent to 1 mod 4 and all the other exponents are
  1176.      even. Furthermore, the prime occuring to an odd power must itself be
  1177.      congruent to 1 mod 4.  A sketch of the proof appears in Exercise 87,
  1178.      page 203 of Underwood Dudley's Elementary Number Theory, 2nd ed.  
  1179.  
  1180.  
  1181.  
  1182. 21Q.- Why is there no Nobel in mathematics? #
  1183.  
  1184.      [answer is forecoming]
  1185.  
  1186. 22Q.- General References and textbooks... #
  1187.  
  1188.      [a list of general references and most commonly used textbooks]
  1189.      [                                                             ]
  1190.       
  1191.  
  1192.  
  1193.  
  1194. --------------------------------------------------------------------------
  1195. Questions and Answers _Compiled_ by:
  1196.  
  1197. Alex Lopez-Ortiz                              alopez-o@maytag.UWaterloo.ca
  1198. Deparment of Computer Science                       University of Waterloo
  1199. Waterloo, Ontario                                                   Canada
  1200.