home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Usenet 1994 January / usenetsourcesnewsgroupsinfomagicjanuary1994.iso / answers / sci-math-faq / part2 < prev    next >
Text File  |  1993-11-19  |  35KB  |  833 lines

  1. Newsgroups: sci.math,sci.answers,news.answers
  2. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!spool.mu.edu!howland.reston.ans.net!torn!watserv2.uwaterloo.ca!undergrad.math.uwaterloo.ca!neumann.uwaterloo.ca!alopez-o
  3. From: alopez-o@maytag.uwaterloo.ca (Alex Lopez-Ortiz)
  4. Subject: sci.math: Frequently Asked Questions [2/3]
  5. Message-ID: <sci.math.2_753717808@Neumann.UWaterloo.Ca>
  6. Followup-To: sci.math
  7. Originator: alopez-o@neumann.uwaterloo.ca
  8. Sender: alopez-o@maytag.uwaterloo.ca
  9. Reply-To: alopez-o@maytag.uwaterloo.ca
  10. Organization: University of Waterloo
  11. Date: Fri, 19 Nov 1993 14:03:38 GMT
  12. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  13. Expires: Fri, 31 Dec 1993 14:03:28 GMT
  14. Lines: 816
  15. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.math:58049 sci.answers:653 news.answers:14883
  16.  
  17. Archive-Name: sci-math-faq/part2
  18. Last-modified: October 26, 1993
  19. Version: 5.0
  20.  
  21.  
  22. This is a list of Frequently Asked Questions for sci.math (version 5.0).
  23. Any contributions/suggestions/corrections are most welcome. Please use
  24. * e-mail * on any comment concerning the FAQ list.
  25.  
  26. Section 2 of 3, questions 6Q to 18Q.
  27.  
  28.              Table of Contents
  29.              -----------------
  30.  1Q.- Fermat's Last Theorem, status of ..
  31.  2Q.- Values of Record Numbers
  32.  3Q.- Formula for prime numbers...
  33.  4Q.- Digits of Pi, computation and references
  34.  5Q.- Odd Perfect Number
  35.  6Q.- Computer Algebra Systems, application of ..
  36.  7Q.- Computer Algebra Systems, references to ..
  37.  8Q.- Fields Medal, general info ..
  38.  9Q.- Four Colour Theorem, proof of ..
  39. 10Q.- 0^0=1. A comprehensive approach
  40. 11Q.- 0.999... = 1. Properties of the real numbers ..
  41. 12Q.- There are three doors, The Monty Hall problem, Master Mind and
  42.       other games ..
  43. 13Q.- Surface and Volume of the n-ball
  44. 14Q.- f(x)^f(x)=x, name of the function ..
  45. 15Q.- Projective plane of order 10 ..
  46. 16Q.- How to compute day of week of a given date
  47. 17Q.- Axiom of Choice and/or Continuum Hypothesis?
  48. 18Q.- Cutting a sphere into pieces of larger volume
  49. 19Q.- Pointers to Quaternions
  50. 20Q.- Erdos Number
  51. 21Q.- Why is there no Nobel in mathematics?
  52. 22Q.- General References and textbooks...
  53. 23Q.- Interest Rate...
  54. 24Q.- Euler's formula e^(i Pi) = - 1 ...
  55.  
  56.  
  57.  
  58. 6Q:  I have this complicated symbolic problem (most likely
  59.     a symbolic integral or a DE system) that I can't solve.
  60.     What should I do?
  61.  
  62. A:  Find a friend with access to a computer algebra system
  63.     like MAPLE, MACSYMA or MATHEMATICA and ask her/him to solve it.
  64.     If packages cannot solve it, then (and only then) ask the net.
  65.  
  66.  
  67. 7Q:  Where can I get <Symbolic Computation Package>?
  68.  
  69.     THIS IS NOT A COMPREHENSIVE LIST. There are other Computer Algebra
  70.     packages available that may better suit your needs. There is also
  71.     a FAQ list in the group sci.math.symbolic. It includes a much larger
  72.     list of vendors and developers. (The FAQ list can be obtained from
  73.     math.berkeley.edu via anonymous ftp).
  74.  
  75.  
  76.  
  77. A: Maple
  78.         Purpose: Symbolic and numeric computation, mathematical
  79.         programming, and mathematical visualization.
  80.         Contact: Waterloo Maple Software,
  81.         450 Phillip Street
  82.         Waterloo, Ontario
  83.         N2L 5J2
  84.         Phone (519)747-2373
  85.         FAX   (519)747-5284
  86.         email:  info@maplesoft.on.ca
  87.  
  88.  
  89. A: DOE-Macsyma
  90.         Purpose: Symbolic and mathematical manipulations.
  91.         Contact: National Energy Software Center
  92.         Argonne National Laboratory 9700 South Cass Avenue
  93.         Argonne, Illinois 60439
  94.         Phone: (708) 972-7250
  95.  
  96.  
  97. A: Pari
  98.         Purpose: Number-theoretic computations and simple numerical
  99.         analysis.
  100.         Available for most 32-bit machines, including 386+387 and 486.
  101.         This is a copyrighted but free package, available by ftp from
  102.         math.ucla.edu (128.97.4.254) and ftp.inria.fr (128.93.1.26).
  103.         Contact: questions about pari can be sent to pari@ceremab.u-bordeaux.fr
  104.         and for the Macintosh versions to bernardi@mathp7.jussieu.fr
  105.  
  106.  
  107. A: Mathematica
  108.         Purpose: Mathematical computation and visualization,
  109.         symbolic programming.
  110.         Contact: Wolfram Research, Inc.
  111.         100 Trade Center Drive Champaign,
  112.         IL 61820-7237
  113.         Phone: 1-800-441-MATH
  114.         info@wri.com
  115.  
  116.  
  117. A: Macsyma
  118.         Purpose: Symbolic numerical and graphical mathematics.
  119.         Contact: Macsyma Inc.
  120.         20 Academy Street
  121.         Arlington, MA 02174
  122.         tel: 617-646-4550
  123.         fax: 617-646-3161
  124.         email: info-macsyma@macsyma.com
  125.  
  126.  
  127. A: Matlab
  128.         Purpose: `matrix laboratory' for tasks involving
  129.         matrices, graphics and general numerical computation.
  130.         Contact: The MathWorks, Inc.
  131.         21 Prime Park Way
  132.         Natick, MA 01760
  133.         508-653-1415
  134.         info@mathworks.com
  135.  
  136.  
  137. A: Cayley
  138.         Purpose: Computation in algebraic and combinatorial structures
  139.         such as groups, rings, fields, modules and graphs.
  140.         Available for: SUN 3, SUN 4, IBM running AIX or VM, DEC VMS, others
  141.         Contact: Computational Algebra Group
  142.         University of Sydney
  143.         NSW 2006
  144.         Australia
  145.         Phone:  (61) (02) 692 3338
  146.         Fax: (61) (02) 692 4534
  147.         cayley@maths.su.oz.au
  148.  
  149.  
  150. 8Q:  Let P be a property about the Fields Medal. Is P(x) true?
  151.  
  152. A:  Institution is meant to be the Institution to which the researcher
  153.     in question was associated to at the time the medal was awarded.
  154.  
  155.  
  156. Year Name               Birthplace              Age Institution
  157. ---- ----               ----------              --- -----------
  158. 1936 Ahlfors, Lars      Helsinki       Finland   29 Harvard U         USA
  159. 1936 Douglas, Jesse     New York NY    USA       39 MIT               USA
  160. 1950 Schwartz, Laurent  Paris          France    35 U of Nancy        France
  161. 1950 Selberg, Atle      Langesund      Norway    33 Adv.Std.Princeton USA
  162. 1954 Kodaira, Kunihiko  Tokyo          Japan     39 Princeton U       USA
  163. 1954 Serre, Jean-Pierre Bages          France    27 College de France France
  164. 1958 Roth, Klaus        Breslau        Germany   32 U of London       UK
  165. 1958 Thom, Rene         Montbeliard    France    35 U of Strasbourg   France
  166. 1962 Hormander, Lars    Mjallby        Sweden    31 U of Stockholm    Sweden
  167. 1962 Milnor, John       Orange NJ      USA       31 Princeton U       USA
  168. 1966 Atiyah, Michael    London         UK        37 Oxford U          UK
  169. 1966 Cohen, Paul        Long Branch NJ USA       32 Stanford U        USA
  170. 1966 Grothendieck, Alexander Berlin    Germany   38 U of Paris        France
  171. 1966 Smale, Stephen     Flint MI       USA       36 UC Berkeley       USA
  172. 1970 Baker, Alan        London         UK        31 Cambridge U       UK
  173. 1970 Hironaka, Heisuke  Yamaguchi-ken  Japan     39 Harvard U         USA
  174. 1970 Novikov, Serge     Gorki          USSR      32 Moscow U          USSR
  175. 1970 Thompson, John     Ottawa KA      USA       37 U of Chicago      USA
  176. 1974 Bombieri, Enrico   Milan          Italy     33 U of Pisa         Italy
  177. 1974 Mumford, David     Worth, Sussex  UK        37 Harvard U         USA
  178. 1978 Deligne, Pierre    Brussels       Belgium   33 IHES              France
  179. 1978 Fefferman, Charles Washington DC  USA       29 Princeton U       USA
  180. 1978 Margulis, Gregori  Moscow         USSR      32 InstPrblmInfTrans USSR
  181. 1978 Quillen, Daniel    Orange NJ      USA       38 MIT               USA
  182. 1982 Connes, Alain      Draguignan     France    35 IHES              France
  183. 1982 Thurston, William  Washington DC  USA       35 Princeton U       USA
  184. 1982 Yau, Shing-Tung    Kwuntung       China     33 IAS               USA
  185. 1986 Donaldson, Simon   Cambridge      UK        27 Oxford U          UK
  186. 1986 Faltings, Gerd     1954           Germany   32 Princeton U       USA
  187. 1986 Freedman, Michael  Los Angeles CA USA       35 UC San Diego      USA
  188. 1990 Drinfeld, Vladimir Kharkov        USSR      36 Phys.Inst.Kharkov USSR
  189. 1990 Jones, Vaughan     Gisborne       N Zealand 38 UC Berkeley       USA
  190. 1990 Mori, Shigefumi    Nagoya         Japan     39 U of Kyoto?       Japan
  191. 1990 Witten, Edward     Baltimore      USA       38 Princeton U/IAS   USA
  192.  
  193. References :
  194.  
  195. International Mathematical Congresses, An Illustrated History 1893-1986,
  196. Revised Edition, Including 1986, by Donald J.Alberts, G. L. Alexanderson
  197. and Constance Reid, Springer Verlag, 1987.
  198.  
  199. Tropp, Henry S., ``The origins and history of the Fields Medal,''
  200. Historia Mathematica, 3(1976), 167-181.
  201.  
  202.  
  203. 9Q:  Has the Four Colour Theorem been proved?
  204.  
  205.     Four Color Theorem:
  206.  
  207.     Every planar map with regions of simple borders can be coloured
  208.     with 4 colours in such a way that no two regions sharing a non-zero
  209.     length border have the same colour.
  210.  
  211. A:  This theorem was proved with the aid of a computer in 1976.
  212.     The proof shows that if aprox. 1,936  basic forms of maps
  213.     can be coloured with four colours, then any given map can be
  214.     coloured with four colours. A computer program coloured this
  215.     basic forms. So far nobody has been able to prove it without
  216.     using a computer. In principle it is possible to emulate the
  217.     computer proof by hand computations.
  218.  
  219.     References:
  220.  
  221.     K. Appel and W. Haken, Every planar map is four colourable,
  222.     Bulletin of the American Mathematical Society, vol. 82, 1976
  223.     pp.711-712.
  224.  
  225.     K. Appel and W. Haken, Every planar map is four colourable,
  226.     Illinois Journal of Mathematics, vol. 21, 1977, pp. 429-567.
  227.  
  228.     T. Saaty and Paul Kainen, The Four Colour Theorem: Assault and
  229.     Conquest, McGraw-Hill, 1977. Reprinted by Dover Publications 1986.
  230.  
  231.     K. Appel and W. Haken, Every Planar Map is Four Colourable,
  232.     Contemporary Mathematics, vol. 98, American Mathematical Society,
  233.     1989, pp.741.
  234.  
  235.     F. Bernhart, Math Reviews. 91m:05007, Dec. 1991. (Review of Appel
  236.     and Haken's book).
  237.  
  238.  
  239. 10Q:  What is 0^0 ?
  240.  
  241. A:  According to some Calculus textbooks, 0^0 is an "indeterminate
  242.     form". When evaluating a limit of the form 0^0, then you need
  243.     to know that limits of that form are called "indeterminate forms",
  244.     and that you need to use a special technique such as L'Hopital's
  245.     rule to evaluate them. Otherwise, 0^0=1 seems to be the most
  246.     useful choice for 0^0. This convention allows us to extend
  247.     definitions in different areas of mathematics that otherwise would
  248.     require treating 0 as a special case. Notice that 0^0 is a
  249.     discontinuity of the function x^y.
  250.  
  251.     Rotando & Korn show that if f and g are real functions that vanish
  252.     at the origin and are _analytic_ at 0 (infinitely differentiable is
  253.     not sufficient), then f(x)^g(x) approaches 1 as x approaches 0 from
  254.     the right.
  255.  
  256.     From Concrete Mathematics p.162 (R. Graham, D. Knuth, O. Patashnik):
  257.  
  258.     "Some textbooks leave the quantity 0^0 undefined, because the
  259.     functions x^0 and 0^x have different limiting values when x
  260.     decreases to 0. But this is a mistake. We must define
  261.  
  262.        x^0 = 1 for all x,
  263.  
  264.     if the binomial theorem is to be valid when x=0, y=0, and/or x=-y.
  265.     The theorem is too important to be arbitrarily restricted! By
  266.     contrast, the function 0^x is quite unimportant."
  267.    Published by Addison-Wesley, 2nd printing Dec, 1988.
  268.  
  269.     References:
  270.  
  271.     H. E. Vaughan, The expression '0^0', Mathematics Teacher 63 (1970),
  272.     pp.111-112.
  273.  
  274.     Louis M. Rotando & Henry Korn, "The Indeterminate Form 0^0",
  275.     Mathematics Magazine, Vol. 50, No. 1 (January 1977), pp. 41-42.
  276.  
  277.     L. J. Paige, A note on indeterminate forms, American Mathematical
  278.     Monthly, 61 (1954), 189-190; reprinted in the Mathematical
  279.     Association of America's 1969 volume, Selected Papers on Calculus,
  280.     pp. 210-211.
  281.  
  282.  
  283. 11Q:  Why is 0.9999... = 1?
  284.  
  285. A:  In modern mathematics, the string of symbols "0.9999..." is
  286.     understood to be a shorthand for "the infinite sum  9/10 + 9/100
  287.     + 9/1000 + ...." This in turn is shorthand for "the limit of the
  288.     sequence of real numbers 9/10, 9/10 + 9/100, 9/10 + 9/100 + 9/1000,
  289.     ..."  Using the well-known epsilon-delta definition of limit, one
  290.     can easily show that this limit is 1.  The statement that
  291.     0.9999...  = 1 is simply an abbreviation of this fact.
  292.  
  293.                     oo              m
  294.                    ---   9         ---   9
  295.         0.999... = >   ---- = lim  >   ----
  296.                    --- 10^n  m->oo --- 10^n
  297.                    n=1             n=1
  298.  
  299.  
  300.         Choose epsilon > 0. Suppose delta = 1/-log_10 epsilon, thus
  301.         epsilon = 10^(-1/delta). For every m>1/delta we have that
  302.  
  303.         |  m           |
  304.         | ---   9      |     1          1
  305.         | >   ---- - 1 | = ---- < ------------ = epsilon
  306.         | --- 10^n     |   10^m   10^(1/delta)
  307.         | n=1          |
  308.  
  309.         So by the (epsilon-delta) definition of the limit we have
  310.  
  311.                m
  312.               ---   9
  313.          lim  >   ---- = 1
  314.         m->oo --- 10^n
  315.               n=1
  316.  
  317.  
  318.     An *informal* argument could be given by noticing that the following
  319.     sequence of "natural" operations has as a consequence 1 = 0.9999....
  320.     Therefore it's "natural" to assume 1 = 0.9999.....
  321.  
  322.              x = 0.99999....
  323.            10x = 9.99999....
  324.        10x - x = 9
  325.             9x = 9
  326.              x = 1
  327.     Thus
  328.              1 = 0.99999....
  329.  
  330.     References:
  331.  
  332.     E. Hewitt & K. Stromberg, Real and Abstract Analysis,
  333.     Springer-Verlag, Berlin, 1965.
  334.  
  335.     W. Rudin, Principles of Mathematical Analysis, McGraw-Hill, 1976.
  336.  
  337.  
  338. 12Q:  There are three doors, and there is a car hidden behind one
  339.     of them, Master Mind and other games ..
  340.  
  341. A:  Read frequently asked questions from rec.puzzles, as well as
  342.     their ``archive file'' where the problem is solved and carefully 
  343.     explained. (The Monty Hall problem). 
  344.  
  345.     MANY OTHER MATHEMATICAL GAMES ARE EXPLAINED IN THE REC.PUZZLES 
  346.     FAQ AND ARCHIVES. READ IT BEFORE ASKING IN SCI.MATH.
  347.  
  348.     Your chance of winning is 2/3 if you switch and 1/3 if you don't.
  349.     For a full explanation from the rec.puzzles' archive, send to the
  350.     address archive-request@questrel.com an email message consisting 
  351.     of the text
  352.  
  353.                send monty.hall
  354.  
  355.  
  356.     Also any other FAQ list can be obtained through anonymous ftp from
  357.     rtfm.mit.edu.
  358.  
  359.     References
  360.  
  361.     American Mathematical Monthly, January 1992.
  362.  
  363.  
  364.     For the game of Master Mind it has been proven that no more than
  365.     five moves are required in the worst case. For references look at
  366.  
  367.     One such algorithm was published in the Journal of Recreational
  368.     Mathematics; in '70 or '71 (I think), which always solved the
  369.     4 peg problem in 5 moves. Knuth later published an algorithm which
  370.     solves the problem in a shorter # of moves - on average - but can
  371.     take six guesses on certain combinations.
  372.  
  373.  
  374.  
  375.     Donald E. Knuth, The Computer as Master Mind, J. Recreational Mathematics
  376.     9 (1976-77), 1-6.
  377.  
  378.  
  379. 13Q:  What is the formula for the "Surface Area" of a sphere in
  380.     Euclidean N-Space.  That is, of course, the volume of the N-1
  381.     solid which comprises the boundary of an N-Sphere.
  382.  
  383. A:  The volume of a ball is the easiest formula to remember:  It's r^N
  384.     times pi^(N/2)/(N/2)!.  The only hard part is taking the factorial
  385.     of a half-integer.  The real definition is that x! = Gamma(x+1), but
  386.     if you want a formula, it's:
  387.  
  388.     (1/2+n)! = sqrt(pi)*(2n+2)!/(n+1)!/4^(n+1)
  389.  
  390.     To get the surface area, you just differentiate to get
  391.     N*pi^(N/2)/(N/2)!*r^(N-1).
  392.  
  393.     There is a clever way to obtain this formula using Gaussian
  394.     integrals. First, we note that the integral over the line of
  395.     e^(-x^2) is sqrt(pi).  Therefore the integral over N-space of
  396.     e^(-x_1^2-x_2^2-...-x_N^2) is sqrt(pi)^n.  Now we change to
  397.     spherical coordinates.  We get the integral from 0 to infinity
  398.     of V*r^(N-1)*e^(-r^2), where V is the surface volume of a sphere.
  399.     Integrate by parts repeatedly to get the desired formula.
  400.  
  401.     It is possible to derive the volume of the sphere from ``first 
  402.     principles''.
  403.  
  404.  
  405. 14Q:  Does anyone know a name (or a closed form) for
  406.  
  407.       f(x)^f(x)=x
  408.  
  409.  
  410.     Solving for f one finds a "continued fraction"-like answer
  411.  
  412.  
  413.                f(x) = log x
  414.                       -----
  415.                       log (log x
  416.                           ------
  417.                               ...........
  418.  
  419. A:  This question has been repeated here from time to time over the
  420.     years, and no one seems to have heard of any published work on it,
  421.     nor a published name for it (D. Merrit proposes "lx" due to its
  422.     (very) faint resemblance to log). It's not an analytic function.
  423.  
  424.     The "continued fraction" form for its numeric solution is highly
  425.     unstable in the region of its minimum at 1/e (because the graph is
  426.     quite flat there yet logarithmic approximation oscillates wildly),
  427.     although it converges fairly quickly elsewhere. To compute its value
  428.     near 1/e, use the bisection method which gives good results. Bisection
  429.     in other regions converges much more slowly than the "logarithmic
  430.     continued fraction" form, so a hybrid of the two seems suitable.
  431.     Note that it's dual valued for the reals (and many valued complex
  432.     for negative reals).
  433.  
  434.     A similar function is a "built-in" function in MAPLE called W(x).
  435.     MAPLE considers a solution in terms of W(x) as a closed form (like
  436.     the erf function). W is defined as W(x)*exp(W(x))=x.
  437.  
  438.     An extensive treatise on the known facts of Lambert's W function
  439.     is available for anonymous ftp at daisy.uwaterloo.ca in the
  440.     maple/5.2/doc/LambertW.ps.
  441.  
  442.  
  443.  
  444. 15Q: Does there exist a projective plane of order 10?
  445.  
  446.     More precisely:
  447.  
  448.     Is it possible to define 111 sets (lines) of 11 points each
  449.     such that:
  450.     
  451.       For any pair of points there is precisely one line containing them
  452.       both and for any pair of lines there is only one point common to
  453.       them both?
  454.  
  455.  
  456. A:  Analogous questions with n^2 + n + 1 and n + 1 instead of 111 and 11
  457.     have been positively answered only in case n is a prime power.
  458.     For n=6 it is not possible, more generally if n is congruent to 1
  459.     or 2 mod 4 and can not be written as a sum of two squares, then an
  460.     FPP of order n does not exist.  The n=10 case has been settled as not
  461.     possible either by Clement Lam. As the "proof" took several years of
  462.     computer search (the equivalent of 2000 hours on a Cray-1) it can be 
  463.     called the most time-intensive computer assisted single proof. The
  464.     final steps were ready in January 1989.
  465.  
  466.     References
  467.  
  468.     R. H. Bruck and H. J. Ryser, "The nonexistence of certain finite
  469.     projective planes," Canadian Journal of Mathematics, vol. 1 (1949),
  470.     pp 88-93.
  471.  
  472.     C. Lam, Amer.Math.Monthly 98 (1991), 305-318.
  473.  
  474.  
  475. 16Q:  Is there a formula to determine the day of the week, given
  476.     the month, day and year?
  477.  
  478. A:  First a brief explanation: In the Gregorian Calendar, over a period
  479.     of four hundred years, there are 97 leap years and 303 normal years.
  480.     Each normal year, the day of January 1 advances by one; for each leap
  481.     year it advances by two.
  482.     
  483.         303 + 97 + 97 = 497 = 7 * 71
  484.  
  485.     As a result, January 1 year N occurs on the same day of the week as
  486.     January 1 year N + 400.  Because the leap year pattern also recurs
  487.     with a four hundred year cycle, a simple table of four hundred
  488.     elements, and single modulus, suffices to determine the day of the
  489.     week (in the Gregorian Calendar), and does it much faster than all the
  490.     other algorithms proposed.  Also, each element takes (in principle)
  491.     only three bits; the entire table thus takes only 1200 bits, or 300
  492.     bytes; on many computers this will be less than the instructions to do
  493.     all the complicated calculations proposed for the other algorithms.
  494.  
  495.     The Julian Calendar has a four year cycle of leap years; after four
  496.     years January 1 has advanced by 5 days.  Since 5 is relatively prime
  497.     to 7, a table of 35 elements is necessary.
  498.  
  499.     Incidental note: Because 7 does not divide 400, January 1 occurs more
  500.     frequently on some days than others (in the Gregorian calendar, of
  501.     course)!  Trick your friends!
  502.  
  503.     In a cycle of four hundred years, January 1 and March 1 occur on the
  504.     following days with the following frequencies:
  505.     
  506.            Sun      Mon     Tue     Wed     Thu     Fri     Sat
  507.     Jan 1: 58       56      58      57      57      58      56
  508.     Mar 1: 58       56      58      56      58      57      57
  509.  
  510.     Of interest is that (contrary to most initial guesses) the occurrence
  511.     is not maximally flat.
  512.  
  513.     Here is the standard method.
  514.  
  515.      A. Take the last two digits of the year.
  516.      B. Divide by 4, discarding any fraction.
  517.      C. Add the day of the month.
  518.      D. Add the month's key value: JFM AMJ JAS OND
  519.                                    144 025 036 146
  520.      E. Subtract 1 for January or February of a leap year.
  521.      F. For a Gregorian date, add 0 for 1900's, 6 for 2000's, 4 for 1700's, 2
  522.            for 1800's; for other years, add or subtract multiples of 400.
  523.      G. For a Julian date, add 1 for 1700's, and 1 for every additional
  524.       century you go back.
  525.      H. Add the last two digits of the year.
  526.  
  527.     Now take the remainder when you divide by 7; 1 is Sunday, the first day
  528.     of the week, 2 is Monday, and so on.
  529.  
  530.     Another formula is:
  531.  
  532.     W == k + [2.6m - 0.2] - 2C + Y + [Y/4] + [C/4]     mod 7
  533.        where [] denotes the integer floor function (round down),
  534.        k is day (1 to 31)
  535.        m is month (1 = March, ..., 10 = December, 11 = Jan, 12 = Feb)
  536.                      Treat Jan & Feb as months of the preceding year
  537.        C is century ( 1987 has C = 19)
  538.        Y is year    ( 1987 has Y = 87 except Y = 86 for jan & feb)
  539.        W is week day (0 = Sunday, ..., 6 = Saturday)
  540.  
  541.     This formula is good for the Gregorian calendar
  542.     (introduced 1582 in parts of Europe, adopted in 1752 in Great Britain
  543.     and its colonies, and on various dates in other countries).
  544.  
  545.     It handles century & 400 year corrections, but there is still a
  546.     3 day / 10,000 year error which the Gregorian calendar does not take.
  547.     into account.  At some time such a correction will have to be
  548.     done but your software will probably not last that long :-)   !
  549.  
  550.  
  551.     References:
  552.  
  553.     Winning Ways  by Conway, Guy, Berlekamp is supposed to have it.
  554.  
  555.     Martin Gardner in "Mathematical Carnival".
  556.  
  557.     Michael Keith and Tom Craver, "The Ultimate Perpetual Calendar?",
  558.     Journal of Recreational Mathematics, 22:4, pp. 280-282, 19
  559.  
  560.     K. Rosen, "Elementary Number Theory",  p. 156.
  561.  
  562.  
  563.  
  564. 17Q:  What is the Axiom of Choice?  Why is it important? Why some articles
  565.     say "such and such is provable, if you accept the axiom of choice."?
  566.     What are the arguments for and against the axiom of choice?
  567.  
  568.  
  569. A:  There are several equivalent formulations:
  570.  
  571.     -The Cartesian product of nonempty sets is nonempty, even
  572.     if the product is of an infinite family of sets.
  573.  
  574.     -Given any set S of mutually disjoint nonempty sets, there is a set C
  575.     containing a single member from each element of S.  C can thus be
  576.     thought of as the result of "choosing" a representative from each
  577.     set in S. Hence the name.
  578.  
  579.     >Why is it important?
  580.  
  581.     All kinds of important theorems in analysis require it.  Tychonoff's
  582.     theorem and the Hahn-Banach theorem are examples. Indeed,
  583.     Tychonoff's theorem is equivalent to AC. Similarly, AC is equivalent
  584.     to the thesis that every set can be well-ordered.  Zermelo's first
  585.     proof of this in 1904 I believe was the first proof in which AC was
  586.     made explicit.  AC is especially handy for doing infinite cardinal
  587.     arithmetic, as without it the most you get is a *partial* ordering
  588.     on the cardinal numbers.  It also enables you to prove such
  589.     interesting general facts as that n^2 = n for all infinite cardinal
  590.     numbers.
  591.  
  592.     > What are the arguments for and against the axiom of choice?
  593.  
  594.     The axiom of choice is independent of the other axioms of set theory
  595.     and can be assumed or not as one chooses.
  596.  
  597.     (For) All ordinary mathematics uses it.
  598.  
  599.     There are a number of arguments for AC, ranging from a priori to
  600.     pragmatic.  The pragmatic argument (Zermelo's original approach) is
  601.     that it allows you to do a lot of interesting mathematics.  The more
  602.     conceptual argument derives from the "iterative" conception of set
  603.     according to which sets are "built up" in layers, each layer consisting
  604.     of all possible sets that can be constructed out of elements in the
  605.     previous layers.  (The building up is of course metaphorical, and is
  606.     suggested only by the idea of sets in some sense consisting of their
  607.     members; you can't have a set of things without the things it's a set
  608.     of).  If then we consider the first layer containing a given set S of
  609.     pairwise disjoint nonempty sets, the argument runs, all the elements
  610.     of all the sets in S must exist at previous levels "below" the level
  611.     of S.  But then since each new level contains *all* the sets that can
  612.     be formed from stuff in previous levels, it must be that at least by
  613.     S's level all possible choice sets have already been *formed*. This
  614.     is more in the spirit of Zermelo's later views (c. 1930).
  615.  
  616.     (Against) It has some supposedly counterintuitive consequences,
  617.     such as the Banach-Tarski paradox. (See next question)
  618.  
  619.     Arguments against AC typically target its nonconstructive character:
  620.     it is a cheat because it conjures up a set without providing any
  621.     sort of *procedure* for its construction--note that no *method* is
  622.     assumed for picking out the members of a choice set.  It is thus the
  623.     platonic axiom par excellence, boldly asserting that a given set
  624.     will always exist under certain circumstances in utter disregard of
  625.     our ability to conceive or construct it.  The axiom thus can be seen
  626.     as marking a divide between two opposing camps in the philosophy of
  627.     mathematics:  those for whom mathematics is essentially tied to our
  628.     conceptual capacities, and hence is something we in some sense
  629.     *create*, and those for whom mathematics is independent of any such
  630.     capacities and hence is something we *discover*.  AC is thus of
  631.     philosophical as well as mathematical significance.
  632.  
  633.  
  634.     It should be noted that some interesting mathematics has come out of an
  635.     incompatible axiom, the Axiom of Determinacy (AD).  AD asserts that
  636.     any two-person game without ties has a winning strategy for the first or
  637.     second player.  For finite games, this is an easy theorem; for infinite
  638.     games with duration less than \omega and move chosen from a countable set,
  639.     you can prove the existence of a counter-example using AC.  Jech's book
  640.     "The Axiom of Choice" has a discussion.
  641.  
  642.     An example of such a game goes as follows.
  643.  
  644.        Choose in advance a set of infinite sequences of integers; call it A.
  645.        Then I pick an integer, then you do, then I do, and so on forever
  646.        (i.e. length \omega).  When we're done, if the sequence of integers
  647.        we've chosen is in A, I win; otherwise you win.  AD says that one of
  648.        us must have a winning strategy.  Of course the strategy, and which
  649.        of us has it, will depend upon A.
  650.  
  651.  
  652.     From a philosophical/intuitive/pedagogical standpoint, I think Bertrand
  653.     Russell's shoe/sock analogy has a lot to recommend it.  Suppose you have an
  654.     infinite collection of pairs of shoes.  You want to form a set with one
  655.     shoe from each pair.  AC is not necessary, since you can define the set as
  656.     "the set of all left shoes". (Technically, we're using the axiom of
  657.     replacement, one of the basic axioms of Zermelo-Fraenkel (ZF) set theory.)
  658.     If instead you want to form a set containing one sock from each pair of an
  659.     infinite collection of pairs of socks, you now need AC.
  660.  
  661.  
  662.     References:
  663.  
  664.     Maddy, "Believing the Axioms, I", J. Symb. Logic, v. 53, no. 2, June 1988,
  665.     pp. 490-500, and "Believing the Axioms II" in v.53, no. 3.
  666.  
  667.     Gregory H. Moore, Zermelo's Axiom of Choice, New York, Springer-Verlag,
  668.     1982.
  669.  
  670.     H. Rubin and J. E. Rubin, Equivalents of the Axiom of Choice II,
  671.     North-Holland/Elsevier Science, 1985.
  672.  
  673.     A. Fraenkel, Y.  Bar-Hillel, and A. Levy, Foundations of Set Theory,
  674.     Amsterdam, North-Holland, 1984 (2nd edition, 2nd printing), pp. 53-86.
  675.  
  676.  
  677. 18Q:  Cutting a sphere into pieces of larger volume. Is it possible
  678.     to cut a sphere into a finite number of pieces and reassemble
  679.     into a solid of twice the volume?
  680.  
  681. A:  This question has many variants and it is best answered explicitly.
  682.     Given two polygons of the same area, is it always possible to
  683.     dissect one into a finite number of pieces which can be reassembled
  684.     into a replica of the other?
  685.  
  686.     Dissection theory is extensive.  In such questions one needs to
  687.     specify
  688.  
  689.      (A) what a "piece" is,  (polygon?  Topological disk?  Borel-set?
  690.          Lebesgue-measurable set?  Arbitrary?)
  691.  
  692.      (B) how many pieces are permitted (finitely many? countably? uncountably?)
  693.  
  694.      (C) what motions are allowed in "reassembling" (translations?
  695.          rotations?  orientation-reversing maps?  isometries?
  696.          affine maps?  homotheties?  arbitrary continuous images?  etc.)
  697.  
  698.      (D) how the pieces are permitted to be glued together.  The
  699.          simplest notion is that they must be disjoint.  If the pieces
  700.          are polygons [or any piece with a nice boundary] you can permit
  701.          them to be glued along their boundaries, ie the interiors of the
  702.          pieces disjoint, and their union is the desired figure.
  703.  
  704.  
  705.     Some dissection results
  706.  
  707.      1) We are permitted to cut into FINITELY MANY polygons, to TRANSLATE
  708.         and ROTATE the pieces, and to glue ALONG BOUNDARIES;
  709.         then Yes, any two equal-area polygons are equi-decomposable.
  710.  
  711.         This theorem was proven by Bolyai and Gerwien independently, and has
  712.         undoubtedly been independently rediscovered many times.  I would not
  713.         be surprised if the Greeks knew this.
  714.  
  715.         The Hadwiger-Glur theorem implies that any two equal-area polygons are
  716.         equi-decomposable using only TRANSLATIONS and ROTATIONS BY 180
  717.         DEGREES.
  718.  
  719.      2) THM (Hadwiger-Glur, 1951) Two equal-area polygons P,Q are
  720.         equi-decomposable by TRANSLATIONS only, iff we have equality of these
  721.         two functions:     PHI_P() = PHI_Q()
  722.         Here, for each direction v (ie, each vector on the unit circle in the
  723.         plane), let PHI_P(v) be the sum of the lengths of the edges of P which
  724.         are perpendicular to v, where for such an edge, its length is positive
  725.         if v is an outward normal to the edge and is negative if v is an
  726.         inward normal to the edge.
  727.  
  728.  
  729.      3) In dimension 3, the famous "Hilbert's third problem" is:
  730.  
  731.        "If P and Q are two polyhedra of equal volume, are they
  732.         equi-decomposable by means of translations and rotations, by
  733.         cutting into finitely many sub-polyhedra, and gluing along
  734.         boundaries?"
  735.  
  736.         The answer is "NO" and was proven by Dehn in 1900, just a few months
  737.         after the problem was posed. (Ueber raumgleiche polyeder, Goettinger
  738.         Nachrichten 1900, 345-354). It was the first of Hilbert's problems
  739.         to be solved. The proof is nontrivial but does *not* use the axiom
  740.         of choice.
  741.  
  742.         "Hilbert's Third Problem", by V.G.Boltianskii, Wiley 1978.
  743.  
  744.  
  745.      4) Using the axiom of choice on non-countable sets, you can prove
  746.         that a solid sphere can be dissected into a finite number of
  747.         pieces that can be reassembled to two solid spheres, each of
  748.         same volume of the original. No more than nine pieces are needed.
  749.  
  750.         The minimum possible number of pieces is FIVE.  (It's quite easy
  751.         to show that four will not suffice).  There is a particular
  752.         dissection in which one of the five pieces is the single center
  753.         point of the original sphere, and the other four pieces  A, A',
  754.         B, B'  are such that A is congruent to A' and B is congruent to B'.
  755.         [See Wagon's book].
  756.  
  757.         This construction is known as the "Banach-Tarski" paradox or the
  758.         "Banach-Tarski-Hausdorff" paradox (Hausdorff did an early version of
  759.         it).  The "pieces" here are non-measurable sets, and they are
  760.         assembled *disjointly* (they are not glued together along a boundary,
  761.         unlike the situation in Bolyai's thm.)
  762.          An excellent book on Banach-Tarski is:
  763.  
  764.         "The Banach-Tarski Paradox", by Stan Wagon, 1985, Cambridge
  765.         University Press.
  766.  
  767.         Robert M. French, The Banach-Tarski theorem, The Mathematical 
  768.         Intelligencer 10 (1988) 21-28.
  769.  
  770.  
  771.         The pieces are not (Lebesgue) measurable, since measure is preserved
  772.         by rigid motion. Since the pieces are non-measurable, they do not
  773.         have reasonable boundaries. For example, it is likely that each piece's
  774.         topological-boundary is the entire ball.
  775.  
  776.         The full Banach-Tarski paradox is stronger than just doubling the
  777.         ball.  It states:
  778.  
  779.      5) Any two bounded subsets (of 3-space) with non-empty interior, are
  780.         equi-decomposable by translations and rotations.
  781.  
  782.         This is usually illustrated by observing that a pea can be cut up
  783.         into finitely pieces and reassembled into the Earth.
  784.  
  785.         The easiest decomposition "paradox" was observed first by Hausdorff:
  786.  
  787.      6) The unit interval can be cut up into COUNTABLY many pieces which,
  788.         by *translation* only, can be reassembled into the interval of
  789.         length 2.
  790.  
  791.         This result is, nowadays, trivial, and is the standard example of a
  792.         non-measurable set, taught in a beginning graduate class on measure
  793.         theory.
  794.  
  795.  
  796.         References:
  797.  
  798.         In addition to Wagon's book above, Boltyanskii has written at least
  799.         two works on this subject.  An elementary one is:
  800.  
  801.           "Equivalent and equidecomposable figures"
  802.  
  803.         in Topics in Mathematics published by D.C. HEATH AND CO., Boston.  It
  804.         is a translation from the 1956 work in Russian.
  805.  
  806.           Also, the article "Scissor Congruence" by Dubins, Hirsch and ?,
  807.         which appeared about 20 years ago in the Math Monthly, has a pretty
  808.         theorem on decomposition by Jordan arcs.
  809.  
  810.  
  811.         ``Banach and Tarski had hoped that the physical absurdity of this
  812.         theorem would encourage mathematicians to discard AC. They were
  813.         dismayed when the response of the math community was `Isn't AC great?
  814.         How else could we get such counterintuitive results?' ''
  815.  
  816.  
  817.  
  818. Copyright Notice
  819.  
  820. Copyright (c) 1993   A. Lopez-Ortiz
  821.  
  822.  
  823. --------------------------------------------------------------------------
  824. Questions and Answers Edited and Compiled by:
  825.  
  826. Alex Lopez-Ortiz                              alopez-o@maytag.UWaterloo.ca
  827. Department of Computer Science                      University of Waterloo
  828. Waterloo, Ontario                                                   Canada
  829. -- 
  830. Alex Lopez-Ortiz                             alopez-o@neumann.UWaterloo.ca
  831. Department of Computer Science                      University of Waterloo
  832. Waterloo, Ontario                                                   Canada
  833.