[TPE] Aléatoire - Chaos [math + physique]

Discussion générale entre passionnés et amateurs de mathématiques sur des sujets mathématiques variés
Timothé Lefebvre
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[TPE] Aléatoire - Chaos [math + physique]

par Timothé Lefebvre » 28 Mai 2009, 10:22

Bonjour à tous,

Je m’intéresse en ce moment à certains nombres, et en particulier Image.

Les données sont les suivantes : Image est un nombre irrationnel, et transcendant. La partie décimale de Image est donc infinie.

En sachant ça, je pense qu’il est théoriquement impossible de prouver que les chiffres de la partie décimale sont équirépartis c'est à dire qu'on a plus de chances de rencontrer l'un que l'autre (comme la lettre e de l'alphabet qui a une fréquence d'apparition d'environ 17 %), donc on ne pourrait pas prouver que la partie décimale de Image est une suite aléatoire de chiffres.

En ayant cette hypothèse, il me semble clair que la définition du terme “aléatoire” est assez vague. Quand juge-t-on d’une suite de nombres qu’elle est aléatoire ?
D’après mes premières recherches, on dit qu’une séquence de nombres est aléatoire lorsqu’on ne peut pas en tirer “facilement” des propriétés déterministes.

La meilleure façon d’obtenir une suite aléatoire de nos jours resterait la méthode physique, profitant du caractère a priori aléatoire de certains phénomènes physiques (on peut par exemple citer le mouvement brownien).

Sinon, de manière moins précise on peut comparer les fréquences d’apparition des chiffres 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9. On prend les 2400 premières décimales de Image.
Si la suite était aléatoire, on aurait logiquement une fréquence d’apparition pour chaque chiffre variant aux alentours de 0,1. Il se trouve que celles-ci varient entre 0,11 (pour le chiffre 9) et 0,08 (pour le chiffre 0).
Bien sûr cette observation ne permet pas d’affirmer que la suite est aléatoire, même si toutefois elle semble l’être (à la vue de la distribution des fréquences sur les 2400 premières décimales).

Ma question est donc la suivante : cette suite est-elle vraiment aléatoire ? Existe-t-il une démonstration de cette réponse ?

Il en va de même pour beaucoup d’autres nombres : Image, Image etc …

D’autre part, une observation sur les systèmes générateurs de nombres aléatoires. Ne disposant pas d’une définition précise de ce qu’est l’aléatoire, comment peut-on programmer de telles machines ? Peut-on déduire de ce fait que les suites générées par ces outils ne sont pas vraiment aléatoires ? Sauriez-vous comment sont programmées ces machines ?

Le meilleur outil de génération de suites aléatoires ne reste-t-il pas la nature ? En effet on peut penser que celle-ci “laisse” faire le hasard, et qu’aucun phénomène n’intervient par exemple dans le mouvement brownien que je citais tout à l’heure. La molécule immergée dans un fluide n’est soumise à aucune autre interaction que les chocs avec les autres molécules qu’elle rencontre.

De ce fait, ne peut-on pas considérer la nature comme notre meilleure définition de ce que serait “l’aléatoire parfait” ?

Je vous remercie de m'avoir lu et vous souhaite une bonne fin de journée !

Tim

EDIT : promis je ne change plus le titre après ça ;)



uztop
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par uztop » 28 Mai 2009, 10:51

Salut Tim,

si tu t'interesses au nombre , je te conseille "Le fascinant nombre pi " de Jean Paul Delahaye. Je l'ai lu quand j'etais en sup, c'est vraiment interessant. C'est pas vraiment du niveau seconde, mais je pense que pour toi c'est bon :)

En ce qui concerne les nombres aleatoires, la definition d'"aleatorie" est tout simplement quelque chose qu'on ne peut pas predire. Donc par definition, les programmes informatiques ne peuvent pas donner de vrais nombres aleatoires (un programme est toujours deterministe). Les algorithmes qui generent des nombres aleatoires fonctionnent de la facon suivante: on part de quelqye chose qui varie souvent et sur lequel on a peu de controle (l'heure ou plutot le temps en ms depuis le 01/01/70 est un bon moyen d'initialiser les algos, sinon on peut demander de dessiner n'importe quoi avec la souris, ou de taper qqch au clavier de de mesurer le temps entre deux touches, ...) Ensuite, l'algo essaye d'obtenir quelque chose de chaotique (une petite variation des conditions intiales donne une grosse variation du resultat).

Il y a un certain nombre de tests utilises pour mesurer la "randomness" d'un nombre: http://en.wikipedia.org/wiki/Statistical_randomness
Je crois que le poker test est pas mal utilise

Timothé Lefebvre
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par Timothé Lefebvre » 28 Mai 2009, 11:33

Merci beaucoup de ta réponse.
Pour tout te dire je projette de faire mon TPE maths-physique sur l'aléatoire en maths et en physique, c'est pour ça que je commence à m'y intéresser.

Je vais voir si Domi n'a pas ce livre, ça ne m'étonnerait pas mais là j'ai pas trop le temps de chercher dans sa biblio, et si non je l'achèterai dès que possible et te ferai part de mes impressions. D'après les critiques sur le site de la Fnac il a l'air très bon !

Merci encore,

A +

uztop
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par uztop » 28 Mai 2009, 12:03

le livre parle des differentes proprietes de , et donc pas seulement de la repartition aleatoire des decimales. Mais je pense que c'est tres interessant a lire.

Sinon, ce dont je t'ai parle est la generation des nombres aleatoires en informatique. Je ne sais pas si ca correspondra a ton sujet de TPE mais c'est un sujet qui a beaucoup d'applications (cryptographie en particulier)

Nightmare
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par Nightmare » 28 Mai 2009, 12:46

Salut,

A l'heure actuelle, on ne sait pas si pi est un nombre univers

Dominique Lefebvre
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par Dominique Lefebvre » 28 Mai 2009, 13:48

Timothé Lefebvre a écrit:Merci beaucoup de ta réponse.
Pour tout te dire je projette de faire mon TPE maths-physique sur l'aléatoire en maths et en physique, c'est pour ça que je commence à m'y intéresser.

Je vais voir si Domi n'a pas ce livre, ça ne m'étonnerait pas mais là j'ai pas trop le temps de chercher dans sa biblio, et si non je l'achèterai dès que possible et te ferai part de mes impressions. D'après les critiques sur le site de la Fnac il a l'air très bon !

Merci encore,

A +

Il est dans ma biblio... Et j'espère bien que tu feras ton TPE sur l'aléatoire en physique!!

Zweig
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par Zweig » 28 Mai 2009, 14:33

Mais tu n'es pas en Première cette année ?

uztop
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par uztop » 28 Mai 2009, 14:36

non, Tim sera en premiere l'annee prochaine et les TPE sont bien en premiere je crois (ca change tout le temps ...)

Timothé Lefebvre
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par Timothé Lefebvre » 28 Mai 2009, 15:05

Yes c'est ça, les TPE sont en première, donc l'année prochaine pour moi.

Domi, j'ai cherché vite fait ce midi j'ai pas trouvé (j'ai fouillé en bas à droite derrière ton fauteuil vers les livres de cours).

Je vais essayer de voir aussi si c'est pas possible de faire un TPE seul, et si c'est impossible je ferai un casting pour trouver un crak en physique quantique (en effet je préfèrerais me charger de la partie maths du TPE, plus à mon goût même si j'aime quand même la physique :lol2:)

EDIT :
Dominique Lefebvre a écrit:Il est dans ma biblio... Et j'espère bien que tu feras ton TPE sur l'aléatoire en physique!!

Le TPE doit mettre en relation deux matières de ta filière : forcément ce sera MP pour moi !

Zweig
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par Zweig » 28 Mai 2009, 16:23

Rien dans les écrits n'empêchent de laisser un élève seul faire un TPE. Dans la pratique, les profs forcent quand même l'élève à former un groupe d'au moins 2 personnes.

Dominique Lefebvre
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par Dominique Lefebvre » 28 Mai 2009, 16:41

Timothé Lefebvre a écrit:
Le TPE doit mettre en relation deux matières de ta filière : forcément ce sera MP pour moi !

Je propose une idée de TPE mélant aléatoire physique et mathématique : une étude du mouvement brownien.
Le sujet présente de multiples avantages : un abord physique expérimental, et les expériences sont faciles à monter. Une approche théorique avec des outils mathématiques qui peuvent être assez simples ou complexes (TPE prolongeable en TIPE). Des références multiples et célèbres : Einstein... Une simulation assez simple sur ordinateur, un classique de la physique numérique. Un sujet on ne peut plus aléatoire. Et enfin des applications diverses, dont financières....

Bref, le sujet rêvé! Pourquoi n'entendons-nous pas parler plus souvent du mouvement brownien?

PS : il n'y a pas de brevet sur les idées...

Timothé Lefebvre
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par Timothé Lefebvre » 28 Mai 2009, 17:06

Nan j'aime pas trop ...
Ton truc c'est trop axé sur la physique et sur le mouvement brownien. Mon idée c'est plutôt de parler de l'aléatoire appliqué aux maths (crypto, simu, suites etc.), de montrer où on en est, ce qu'on sait, ce qu'on ne sait pas ; et parler des mouvements browniens dans le cas de l'application à la physique.
Ou quelque chose dans le goût, parce que c'est encore assez flou.

Sve@r

par Sve@r » 28 Mai 2009, 17:31

Timothé Lefebvre a écrit:Nan j'aime pas trop ...
Ton truc c'est trop axé sur la physique et sur le mouvement brownien. Mon idée c'est plutôt de parler de l'aléatoire appliqué aux maths (crypto, simu, suites etc.), de montrer où on en est, ce qu'on sait, ce qu'on ne sait pas ; et parler des mouvements browniens dans le cas de l'application à la physique.
Ou quelque chose dans le goût, parce que c'est encore assez flou.


Concernant l'aléatoire, certain chercheurs ont créés des générateurs d'aléa basées sur l'indéterminisme de la décohérence quantique http://largeur.com/expArt.asp?artID=1551

Il me semble d'ailleurs avoir vu dans un article consacré à un challenge de hacking qui s'est passé en Belgique à l'automne 2007 que le vainqueur a reçu comme prix un générateur de ce genre.

Sinon l'aléatoire en crypto n'est que très peu utilisé actuellement. Dans son livre "Histoire des codes secrets" (Singh), l'auteur cite un mécanisme de cryptographie totalement indéchiffrable: le code de Vernam basé sur une substitution de Vigenère dont la clef serait aussi longue que le texte à chiffrer (donc impossible d'utiliser lesystème des fréquences de répétition), utilisable une seule fois (pour éviter les attaques basées sur la répétition de la clef) et générée de façon totalement aléatoire.
L'inconvénient de cette méthode est que le correspondant doit avoir une copie de la clef qui serait en plus détruite après avoir été utilisée. Donc un tel système présente deux failles qui seront l'interception possible de la clef (lors de sa transmission) ou une désynchronisation de clefs (2 utilisateurs ayant reçu les clefs par avance se trompent dans l'ordre et donc les messages deviennent totalement indéchiffrable même pour eux) et donc ce mécanisme est impossible à mettre en place à grande échelle. Mais il cite tout de même que le "téléphone rouge" contient cet algorithme.

Toutefois, si l'ordinateur quantique arrive à être mis au point, cet algorithme pourra l'être aussi car la clef pourra être une info quantique générée de façon aléatoire et transmise au correspondant sans craindre une interception puisque si elle est interceptée, alors l'info tombera en décohérence et le correspondant saura que la clef a été compromise et pourra donc en générer une autre. Mais à mon avis, l'ordinateur quantique est une utopie (ou plutôt une utechnologie).

Maintenant, si tu veux t'amuser un peu, tu peux aller lire cet article sur les nombres illégaux: http://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_premier_ill%C3%A9gal

Dominique Lefebvre
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par Dominique Lefebvre » 28 Mai 2009, 17:53

Je suis mort de rire :ptdr: :ptdr: La décohérence... mais vous parlez de physique, et qui plus est de physique quantique!! Je ne suis pas certain que vous sachiez vraiment ce qu'est le phénomène de décohérence :ptdr:

Timothé Lefebvre
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par Timothé Lefebvre » 28 Mai 2009, 17:59

Merci beaucoup pour tes infos, c'est très intéressant.
J'ai effectivement entendu parler de "concours" de casseurs de code dont les gagnants seraient immédiatement recrutés par la NSA.

La clé de chiffrement (symétrique ou pas) ultime serait donc une suite aléatoire de chiffres de plusieurs milliers de bits, impossible à factoriser ? Encore faudrait-il pouvoir la générer n'est-ce pas ? Est-il vrai qu'une machine, aussi puissante qu'elle soit ne pourra jamais casser tous les codes par la technique de "force brute" ?

Autre chose : pourrait-on mélanger cryptographie et mécanique quantique ?

uztop
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par uztop » 28 Mai 2009, 18:49

Sve@r a écrit:Sinon l'aléatoire en crypto n'est que très peu utilisé actuellement.


Tu es sûr ?
Dans RSA par exemple, on a besoin d'un grand nombre premier et si je n'abuse la technique habituelle est de générer plein de nombres aléatoires et de tester s'ils sont premiers.

Timothé Lefebvre
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par Timothé Lefebvre » 28 Mai 2009, 20:36

Une question : Domi vient de me filer ce lien : [url="http://www.letudiant.fr/bac/conseilsmatiere/bac-reussir-ses-tpe/choisir-un-bon-sujet-16745.html"]http://www.letudiant.fr/bac/conseilsmatiere/bac-reussir-ses-tpe/choisir-un-bon-sujet-16745.html[/url]

Est-ce que mon sujet rentre dans leurs critères ? Genre "Modèles, modélisation" ? Si non c'est la merde ...

Euler07
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par Euler07 » 29 Mai 2009, 09:58

Timothé Lefebvre a écrit:Une question : Domi vient de me filer ce lien : [url="http://www.letudiant.fr/bac/conseilsmatiere/bac-reussir-ses-tpe/choisir-un-bon-sujet-16745.html"]http://www.letudiant.fr/bac/conseilsmatiere/bac-reussir-ses-tpe/choisir-un-bon-sujet-16745.html[/url]

Est-ce que mon sujet rentre dans leurs critères ? Genre "Modèles, modélisation" ? Si non c'est la merde ...


Je ne veux pas juger mais comme même...

Sve@r

par Sve@r » 29 Mai 2009, 16:49

Dominique Lefebvre a écrit:Je suis mort de rire :ptdr: :ptdr:

J'en suis heureux car Terry Pratchett a dit: mourir est facile, faire rire est plus difficile.
Dominique Lefebvre a écrit:La décohérence... mais vous parlez de physique, et qui plus est de physique quantique!!

Ouaip t'as raison. C'est une matière totalement isolée qui n'influe en rien sur les technologies d'aujourd'hui donc c'est idiot d'en parler.
Dominique Lefebvre a écrit: Je ne suis pas certain que vous sachiez vraiment ce qu'est le phénomène de décohérence :ptdr:

Je ne suis pas un grand physicien comme toi, mais j'ai quand-même lu des articles de vulgarisation. La décohérence c'est quand une particule perd son état quantique parce qu'elle a fait l'objet par exemple d'une mesure (l'élément utilisé pour la mesure ayant impacté la particule).

uztop a écrit:Tu es sûr ?
Dans RSA par exemple, on a besoin d'un grand nombre premier et si je n'abuse la technique habituelle est de générer plein de nombres aléatoires et de tester s'ils sont premiers.


Ouais t'as raison bien sûr. La clef secrète est générée à partir de la multiplication de 2 nombres premiers. Et effectivement on les prend au hasard sur le mouvement de la souris (différents logiciels comme OpenPGP ou TrueCrypt demandent par exemple de bouger la souris quand ils créent la clef).
J'ai fait une erreur. Je me suis focalisé sur l'idée d'une clef aléatoire servant à chiffrer le message, style code de Vernam. Ca c'est bien entendu totalement irréalisable.

Timothé Lefebvre
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par Timothé Lefebvre » 29 Mai 2009, 16:58

Comment prouveriez-vous que est irrationel ?

Pour faire très simple je parlerais directement du développement de en fraction continue, mais est-ce suffisant ?

Sinon je pensais à l'absurde, mais on ne peut pas le faire comme pour puisque est transcendant ...
Je sais qu'il y a une autre méthode qui passe aussi par l'absurde, calquée sur le modèle de la démonstration de l'irrationalité de mais je me demande si elle est valable dans mon cas ?

Ou alors plus simple que tout je dis qu'il est irrationel et pis' c'est tout (comme dirait l'autre).

Vos avis ?

 

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