Wiskundemeisjes

Deze column verschijnt vandaag in de Volkskrant.

Een tijdje geleden deed ik een “wisquiz” met mijn brugklasleerlingen. Ik stelde onder andere de vraag: wat zijn de drie volgende getallen in het rijtje 1, 4, 9, 16, … ?

Nou kun je strikt gezien bij elke willekeurige drie volgende getallen een wiskundige regel verzinnen die precies die getallen oplevert, maar mijn leerlingen gingen druk op zoek naar een niet al te ingewikkeld patroon, en ze vonden er een. Àlle groepjes noemden als volgende drie getallen 25, 36 en 49. Bij navraag naar het patroon dat ze gevonden hadden, zeiden ze: “Nou, eerst hebben we 1, dan doe je er 3 bij, dan 5, dan 7 en zo verder, dus je doet steeds het volgende oneven getal erbij.” Klopt helemaal.

Maar misschien denkt u verbaasd: “Hè, maar dat zijn toch gewoon de kwadraten?” Klopt ook: 1² = 1, 2² = 4, 3² = 9 en 4² = 16. Dat is grappig. Mijn brugklasleerlingen hadden nog niet geleerd wat een kwadraat is. Wat blijkbaar hun gebruikelijke aanpak is bij zo’n rijtjes-afmaak-som, is kijken naar de verschillen tussen opeenvolgende getallen en of daar een duidelijke regelmaat in zit. En die hadden ze gevonden.

Nou is het op het eerste gezicht best gek dat de regelmaat van mijn leerlingen (steeds het volgende oneven getal erbij optellen) en de regelmaat die mijzelf onmiddellijk in het oog springt (de rij van kwadraten) dezelfde drie volgende getallen opleveren. Dus dan kun je je afvragen: is dat toeval? Of geven deze twee manieren ook bij het vierde, vijfde, zesde, en honderdmiljoenste getal dezelfde antwoorden?

Bij de regel van mijn leerlingen tel je achtereenvolgens bij het getal 1 op: 3, 5, 7, 9, enzovoorts. Het achtste getal in het rijtje is dus de som (optelling) van de eerste acht oneven getallen. Algemeen geformuleerd: het n-de getal in het rijtje is de som van de eerste n oneven getallen, wat voor nummer n ook is. Maar als we het rijtje voortzetten met de kwadratenregel, is het n-de getal in het rijtje het kwadraat van het getal n, oftewel n².

De vraag is dus: zijn die rijtjes inderdaad hetzelfde, oftewel: is de som van de eerste n oneven getallen gelijk aan n², voor alle n? Ja, dat is zo, en het is zelfs redelijk eenvoudig om in te zien waarom! Een simpele serie plaatjes laat zien wat er gebeurt.

We beginnen met het getal 1: dat ene roze vierkantje linksboven. Vervolgens tellen we daar 3 bij op, in het plaatje daaronder aangegeven door drie roze vierkantjes. Die drie vierkantjes zijn zó neergelegd, dat er precies een vierkant van 2 bij 2 ontstaat, dus je ziet meteen dat daar 2² vierkantjes liggen. En zo gaan we verder. Als er een vierkant ligt van n bij n vierkantjes, dat dus uit n² vierkantjes bestaat, dan moeten we n + n + 1, oftewel 2n+1 vierkantjes erbij leggen om het volgende kwadraat te leggen. En 2n+1 is precies het volgende oneven getal.

Maakt u zich trouwens vooral geen zorgen: inmiddels weten mijn leerlingen ook wat kwadraten zijn.

Op zoek naar teksten die wetenschap op de een of andere manier goed uitleggen, stuitte ik op het curieuze The First Six Books of Euclid with coloured diagrams uit 1847 (via het zeker aan te raden Envisioning Information van Edward Tufte).

Wiskundige Olivier Byrne dacht dat de bewijzen van Euclides voor veel mensen duidelijker waren als je plaatjes gebruikte en zo min mogelijk tekst. Opvallend is hoe modern zijn platen eruit zien. De onderstaande plaat geeft Byrnes bewijs van Propositie I.15

Als twee rechte lijnen elkaar snijden, dan zijn de overstaande hoeken daarbij gelijk aan elkaar.

Het oorspronkelijke bewijs van Euclides gaat ongeveer zo.

Laat de rechte lijnen AB en CD elkaar snijden in het punt E. Ik zeg dat de hoek CEA gelijk is aan de hoek DEB, en dat de hoek BEC gelijk is aan de hoek AED. Omdat de rechte lijn AE met de rechte lijn CD de hoeken CEA en AED maakt, moet de som van de hoeken CEA en AED gelijk zijn aan twee rechte hoeken. Ook moet de som van de hoeken AED en DEB gelijk zijn aan twee rechte hoeken, omdat de rechte lijn DE bij het snijden van de rechte lijn AB deze twee hoeken maakt. Maar de som van de hoeken CEA en AED is ook gelijk aan twee rechte hoeken, dus de som van de hoeken CEA en AED is gelijk aan de som van de hoeken AED en DEB. Trek van allebei de hoek AED af. Dan is de overgebleven hoek CEA gelijk aan de overgebleven hoek DEB. Op dezelfde manier kan bewezen worden dat de hoeken BEC en AED ook gelijk zijn.

De boeken van Byrne zijn dankzij de University of British Colombia compleet online te bewonderen. Vergelijk de plaatjesbewijzen vooral met de oorspronkelijke bewijzen. Wat vinden jullie ervan?

Camiel stuurde me een link naar dit mooie visuele bewijs (een van de vele die er zijn!) van de stelling van Pythagoras. "Dit had ik graag in een wiskundeles gezien," mailt hij erbij. Dus hier is het, voor alle mensen die dat ook vinden!

Ik houd van plaatjesbewijzen: plaatjes die zo duidelijk het idee van het bewijs weergeven dat er nauwelijks of geen woorden meer nodig zijn. Op deze lijst op mathoverflow.net staan er een heleboel. Ik licht er voor jullie één mooi idee uit.

Een vierkant van 8x8 kun je precies bedekken met dominosteentjes van 1x2 veldjes. Kan dat nog steeds als je het veldje in de linkerbovenhoek en het veldje in de rechteronderhoek verwijdert? Het antwoord is nee, en het argument is als volgt (als spoiler voor de mensen die er eerst zelf over willen nadenken). Stel je het 8x8-vierkant voor als een schaakbord. Hoe je een dominosteentje ook op het schaakbord legt zodat het precies twee vakjes bedekt, je bedekt altijd een wit én een zwart vakje.

De twee vakjes die zijn verwijderd van het schaakbord hadden allebei dezelfde kleur (wit), dus nu zijn er meer zwarte dan witte vakjes over. Als het schaakbord nog gevuld zou kunnen worden met dominosteentjes, dan zouden er evenveel witte als zwarte velden bedekt zijn, maar er zijn niet evenveel witte als zwarte velden. Dus dat kan niet.

Een opvolgende vraag is nu: als je nou niet twee vakjes van dezelfde kleur weghaalt, maar willekeurig één wit en één zwart vakje, kun je het bord dan wèl altijd vullen met dominosteentjes? Het antwoord ligt niet meteen voor de hand, maar onderstaand plaatje laat zien dat dat inderdaad kan. Dit bewijs is van Ralph E. Gomory, en het plaatje komt van deze site.

Sommige plaatjesbewijzen zijn zo inzichtelijk dat er nauwelijks woorden meer bij nodig zijn. Hieronder staat een mooi voorbeeld van zo'n bewijs voor een meetkundige reeks. Het plaatje laat zien dat gelijk is aan .

Stel dat het grote vierkant oppervlakte 1 heeft. Het grootste zwarte vierkant is een kwart van het hele vierkant en heeft dus oppervlakte , het tweede zwarte vierkant heeft oppervlakte , enzovoorts. Hetzelfde geldt voor de rij witte en de grijze vierkanten. In totaal geldt dus dat , want de drie typen vierkanten samen vullen het hele eenheidsvierkant op. Het plaatje komt van wikipedia.