インタラクティブな数学・理科レッスン (ﾉ◕ヮ◕)ﾉ*:･ﾟ✧

L1: 基礎

多くのデータを1つの数字で：要約統計

MATHここにある三つのツールは、ひとつの授業を形作ります。要約値とはいわば非可逆圧縮であり、どのように圧縮するかが、その要約が何を正しく伝えているかを決定づけます。それぞれのステップは、単一の数値による要約が抱える特有の限界を浮き彫りにし、その課題を次のステップへと手渡していくのです。

1. 01比例と割合
2. 02加重平均
3. 03平均値 vs 中央値
4. 04ばらつきと偏差

L1: 基礎

三角形の公式は、どこから来るのか

MATH三角形と円に関する基本的な定理を、実際の依存関係に沿って導き出す六つのツール。根拠なく主張される事柄は一つもありません。すべての法則が、直前の法則の必然的な帰結として現れます。そして道のりの最後で最初の法則を座標平面上に置き直したとき、距離の公式へと姿を変えるのです。

1. 01面積と周長
2. 02相似な三角形
3. 03ピタゴラスの定理
4. 04任意の三角形を解く
5. 05円周角の定理
6. 06単位円
7. 07座標幾何

L1: 基礎

数を書き下すということ

MATH三つのツールが一つの筋道をつくります。世の中には最後まで書き切れない数があります。その数にもっとも近い短い表し方は当てづっぽうではなく探し出せますし、数を打ち切ることには測れる代償があります。

1. 01分数の足し算
2. 02循環小数
3. 03有理近似
4. 04丸め

L1: 基礎

オームの法則だけでは語れないこと

PHYオームの法則が扱うのは、そのページにもあるとおり、温度が一定の一つの抵抗器に直流を流し、回路内にほかの素子がない場合です。続くページでは、この条件から外されたものを一つずつ回路に戻します。二つ目の素子、導線、電池、単純化できない回路、そして変化する電圧です。

1. 01オームの法則
2. 02直列接続と並列接続
3. 03抵抗率
4. 04内部抵抗
5. 05キルヒホッフの法則
6. 06交流と実効値

L1: 基礎

コンピュータはどうやってプログラムを動かすのか

COMP論理ゲートから、プログラムが動く仕組みまで。NANDゲートだけで、あらゆる回路を組み立てられます。ゲートで作った加算器は、引き算にも使えます。リトルマンコンピュータは、その加算器の隣に百個の郵便受けを並べたもの。プログラムも数値も同じメモリに置かれ、プログラムカウンタが指す場所の内容を、コンピュータは命令として実行します。

1. 01論理ゲート
2. 022進数の計算
3. 03リトルマンコンピュータ
4. 04メモリとバイト
5. 05コールスタック
6. 06キャッシュと局所性

L1: 基礎

xについて解く：マイナス記号からの積み上げ

MATH方程式の解法を、概念が本来依存しあう順序で組み立てていく六つのツールです。マイナス記号の働きから出発し、最後は三つの未知数を一度に解く機械的な手法へと至ります。各段階は、次の段階へ具体的なものを一つ手渡します。式の操作、操作に対する制限、あるいはその操作が数学的に許されるかどうかの判定です。

1. 01負の数
2. 021次方程式
3. 03不等式
4. 04等式の変形
5. 052つの式を同時に
6. 063つ以上の式を同時に

L1: 基礎

暗号はいかにして破られるか

COMPここに並ぶ暗号はどれも、文字そのものを隠す代わりに、別の何かを表に残してしまいます。換字式暗号なら文字の出現頻度が残り、キーワード暗号ならそれが列となって現れ、二度使い回されたワンタイムパッドなら空白の位置が漏れ出します。一切の手がかりを残さないのは、文面とまったく同じ長さを持つ無作為な鍵だけ。そうなると、その鍵をいかにして相手へ届けるかが最大の難問となります。最後の二つのページでは、誰の目にも触れる開かれた場所で、それを成し遂げる道筋を見ていきます。

1. 01換字式暗号
2. 02ヴィジュネル暗号
3. 03ワンタイムパッド
4. 04ディフィー・ヘルマン
5. 05RSA

L2: 中等

時間の経過とお金の価値

MATH四つのツールが形作る、一つの概念。お金は時点が異なれば価値も変わるということ、そして繰り返される支払いは一つの数式に集約できるということです。ここにある各ステップは、次のステップへと特定の要素を確実に手渡していきます。

1. 01数列と級数
2. 02単利と複利
3. 03年金の終価
4. 04ローン返済額
5. 05インフレ調整ツール

L2: 中等

桁の概念

MATH三つの道具、一つの習慣。数量が差ではなく倍率で異なるとき、数を数えるのはやめて、指数を数えましょう。一つ目は物差しを作り、二つ目はその目盛りを辿り、三つ目はデータが一切なくともそこに数値を刻むのです。

1. 01対数
2. 02宇宙のスケール
3. 03フェルミ推定

L2: 中等

2つの値が衝突するとき

MATH誕生日問題は一見するとパーティーの余興のようですが、実は衝突について考察するための標準的な道具なのです。そして続く第2段階で、計算機科学者たちは別の名前で再びこの問題に出会うことになります。

1. 01合同算術の時計
2. 02誕生日のパラドックス
3. 03ハッシュテーブル

L2: 中等

力ではなくエネルギーで

PHY二つの道具と一つの近道。速さと高さだけが知りたいときは、力を完全に無視して、エネルギーの収支にすべてを任せてしまうことができるのです。

1. 01自由落下
2. 02ジェットコースター
3. 03運動量と衝突の実験室

L2: 中等

二次式を超えて

MATH道具は四つ。どれも、前の道具が限界を迎えるからこそ存在します。解がすっきりしていれば因数分解が役立ち、そうでなければ解の公式を使います。二次を超えれば割り算が活躍し、二つの多項式が上下に重なり合ったときにできるのが有理関数です。

1. 01展開と因数分解
2. 02二次方程式の解法
3. 03複素数電卓
4. 04多項式の除法
5. 05有理関数

L2: 中等

岩の中の時計

BIO一つの指数関数、三通りの読み解き方。順方向に読めば残量がわかり、逆方向に読めば年代がわかります。そして原子核ではなくDNAに適用するなら、基準を定めるための岩石が必要になります。

1. 01放射性崩壊
2. 02放射年代測定
3. 03分子時計

L2: 中等

光の屈折

PHYレンズとは、誰かが曲げた境界です。この先のどのページにも、最初のページにない物理学は登場しません。変わるのは、私たちがそこにどこまで多くを求めるかだけです。一つの面、次に理想的なレンズ、そしてひとつのガラス片へと。

1. 01スネルの法則
2. 02レンズの光線追跡
3. 03実際のレンズ

L2: 中等

三角関数の恒等式と方程式

MATH両辺が定義されている角なら、恒等式は常に成り立ちます。問題で与えられた関数を、求めたい関数へと自在に置き換えられるのはそのためです。本章は、逆数関数と三つのピタゴラスの恒等式から始まります。電卓が返してくる逆三角関数、そこから導かれる方程式、そして加法定理。さらにその先にある倍角の公式や三角関数の合成、恒等式の証明へと歩みを進めます。

1. 01三角関数の相互関係
2. 02逆三角関数
3. 03三角方程式
4. 04加法定理

L2: 中等

単純機械：力と距離の交換

PHY五つの機械。そして一つの取引。どれもエネルギーを生み出すことはありません。しかし、どの機械でもエネルギーの使い方は選べます。より小さな力で長い距離を動かすか、それともその逆か。一段階進むごとに、この取引の具体的な要素が次へと手渡されていきます。最後までたどり着いたとき、たった二つの問いを立てるだけで、どんな機械の仕組みも読み解けるようになっているはずです。

1. 01てこの種類
2. 02輪軸
3. 03滑車系
4. 04斜面、ねじ、くさび
5. 05歯車列
6. 06ねじ山

L2: 中等

円運動と波は同じ運動

MATH三つの道具。この一連の学習の核心は、これらが三つの別々のテーマではないという点にあります。正弦波とは等速円運動を真横から見た姿であり、重力がその回転を担うとき、それは揺れる振り子として現れるのです。

1. 01正弦波と余弦波
2. 02円運動
3. 03振り子と単振動
4. 04フーリエ級数ビルダー

L2: 中等

抵抗、そしてリアクタンス

PHYコンデンサーは抵抗をもたないのに電流を抑える。しかも、定めるのは抵抗値ではなく時間である。次のページでは、蓄える要素と失う経路を一つずつもつ系なら、どれにもこの時間が現れることを示す。三つ目のページで蓄える要素をもう一つ加えると、時間は周波数に変わる。

1. 01RC回路
2. 02ステップ応答
3. 03RLC共振

L2: 中等

どれくらい遠くにあるのか？

ASTRO星がどれほど明るく見えようとも、そこまでの距離がわからない限り、その星について解き明かせることは何一つありません。これら四つはまさにこの順序で進みますし、天文学も同じ道を辿ってきました。測量士の三角形から観測可能な宇宙の果てに至るまで、すべての段が一つ下の段を基準にして測られているのです。

1. 01視差距離
2. 02太陽光度
3. 03恒星の等級
4. 04宇宙の距離はしご

L2: 中等

個数から曲線へ

STAT六つのツールと一つの分布。ここにあるのはすべて、異なる極限における二項分布、あるいは二項分布を逆から読み解いたものです。成功回数を数え、その数を大きくして、誰も意図していない釣鐘型の曲線が立ち現れるのを観察してみてください。

1. 01二項分布
2. 02ポアソン分布
3. 03正規分布
4. 04中心極限定理
5. 05Zスコア
6. 06信頼区間

L2: 中等

物を投げること

PHY道具は三つ。そして、三つ目が最初の二つを覆します。等加速度には閉形式の解があるため、最初の二段階は代数です。空気抵抗は一定ではなく、そこから先の唯一の正攻法は、一歩ずつ積分していくことです。

1. 01等加速度運動
2. 02投射運動
3. 03空気抵抗と風

L2: 中等

なぜ、近づけばすべてはまっすぐに見えるのか

MATHひとつのアイデアをめぐる、五つのツール。なめらかな曲線は、十分に拡大すると直線と区別がつきません。導関数が測るもの、テイラー展開が拡張するもの、そして複数の方向において勾配が行うこと。そのすべてが、この単一の事実に基づいているのです。道のりは、計算がすっきりとまとまる角度の測り方から出発します。そして最後には、最も急な傾斜が、実際に測ったどの方向をも上回る丘の斜面へと至ります。

1. 01弧度法
2. 02極限
3. 03導関数
4. 04リーマン和エクスプローラー
5. 05テイラー級数
6. 06複数の方向

L2: 中等

水槽からの流出：一つの速度、二通りの使い道

PHY一つの結果から導かれる、二つの道具。水が穴から流れ出る速さは、石が同じ深さを自由落下して達する速さと全く同じです。あとは、その速さがどの方向へ向かうか次第です。横へ向かえば放物運動となり、下へ向かえばタンクが空になっていくのです。

1. 01水槽の三つの穴
2. 02空になる水槽

L2: 中等

データの「差」はいつ本物になるのか

STAT四つのツールが一つの問いを立てます。ただし、手がかりは段階的に減っていきます。まずは二つのグループ。次に、任意の数のグループ。さらには、平均値を一切含まない単なる度数データ。最後のツールに至っては、データが存在する前にその問いを投げかけるのです。

1. 01t検定
2. 02分散分析
3. 03カイ二乗
4. 04サンプルサイズ

L2: 中等

一つのばねから定常波へ

PHYひとつの復元力。その行き着く先を見届けましょう。ばねにつながれたおもりは振動します。それが一列に並べば振動を隣へと伝え、出会ったふたつの波は強め合うか、打ち消し合うかを定めます。そして両端の境界は、そこに収まらない振動数をすべて切り捨てるのです。

1. 01フックの法則
2. 02共振
3. 03干渉
4. 04定常波

L2: 中等

事前確率とその由来

STATベイズの定理の計算そのものを疑う人はいません。問題となるのは事前確率です。最初の数字はどこからやってきたのか、誰がそれを選んだのか。ここにある三つのツールは、その疑問を簡単なものから順に紐解いてくれます。調べればわかる事前確率、目の前の装置が与えてくれる事前確率、そして誰も持っていない事前確率です。

1. 01ベイズの定理
2. 02ベイズのビリヤード
3. 03バイオシグネチャー

L2: 中等

波動光学

PHY幾何光学は、光は直進し、物体の輪郭はくっきりとした影を落とすと教えます。ここではどのページでも、その幾何光学による答えを、波としての答えの隣に幻影のように描いて比較します。光の行く手を遮るものはページを追うごとに変わっていきます。二つの面、一つのスリット、円形の開口部、そして最後はその影の中心が明るくなる不透明な円盤です。

1. 01薄膜
2. 02単スリット
3. 03回折限界
4. 04アラゴの斑点

L2: 中等

曲面上の幾何学

GEO紙の上で証明された幾何学の法則は、曲面の世界では通用しません。そして、それぞれの法則が成り立たない度合いこそが、内側から曲率を測る尺度となるのです。まっすぐな道を進んでもコンパスの指す方位は変わります。向きを固定して運んだ矢は、元の場所に戻ってくると回転しています。円の周長を測っても本来の長さにはならず、双曲平面上の三角形は内角の和が π に届くことすらありません。

1. 01大円航路
2. 02平行移動
3. 03驚異の定理
4. 04双曲平面

L2: 中等

最小時間、最小作用

PHY光が進む道、滑り落ちるビーズの軌跡、投げ上げたボールが描く弧。これらはみな、経路をわずかにずらしても合計値に一次の変化が生じない道を選びます。前のふたつなら「時間」、ボールなら「作用」の合計です。どのページでも、皆さんが自分で経路を曲げ、合計値がほとんど変化しない様子を確かめられます。さらに、そのうちのふたつのページでは、合計値が最小ではなくとも停留する経路を探ります。

1. 01フェルマーの原理
2. 02蜃気楼
3. 03最速降下曲線
4. 04最小作用

L2: 中等

回転と角運動量

PHY回転する物体は、角運動量というベクトルを持っています。回転にまつわる驚くべき現象のほとんどは、このベクトルが変化を拒むことから生まれます。回転台の上で腕を縮めると、回転は速くなります。車輪は倒れずに横へ回り、ラケットは反転します。床が下で回っていても、振り子の振動面はそのままです。

1. 01角運動量
2. 02ジャイロスコープ
3. 03テニスラケットの定理
4. 04コリオリとフーコー

L2: 中等

証明の手法

MATH証明とは、あらゆる場合を完全に網羅する論拠のことです。誰も確かめようとしないケースすら、そこには含まれます。この論拠を築き上げる四つの道筋をこれから見ていきましょう。数学的帰納法、ものを箱に振り分ける考え方、どんな操作も変えることのできない量、そして要素をペアにする手法です。最初の道筋は、40回連続で素数を生み出し、その次に 41 × 41 を与える一つの数式から出発します。

1. 01数学的帰納法
2. 02鳩の巣原理
3. 03不変量
4. 04五角数定理

L2: 中等

抵抗器ではないもの

PHYオームの法則で語れる素子は、ほんの一種類にすぎません。ここに並ぶ五つは、電圧や電流の形でエネルギーを蓄え、電気を一方向にしか通さず、増幅し、その増幅を極めて精密に整えます。しかし、素子単体ではどれも頼りになりません。同じ型番のトランジスタですら、電流増幅率 β に三倍ものばらつきがあるほどです。素子の振る舞いを予測可能にするのは、その周囲に組まれた回路です。どのページも、その仕組みを示します。

1. 01コンデンサ
2. 02インダクタ
3. 03ダイオード
4. 04トランジスタ増幅回路
5. 05オペアンプ

L2: 中等

データ構造が得意なこと

COMPここで扱うデータ構造は、どれもある問いにすばやく答えられる代わりに、別のところでコストがかかります。ブルームフィルタはキーをまったく保存しなくても、確実に含まれていないと判定できます。トライは、ハッシュ表では答えられない接頭辞の問いに答えます。ヒープでは最小のキーがいつでもわかりますが、それ以外に得られる情報はわずかです。最後のページでは、メモリからどのページを追い出すかを考えます。最善の選択には、未来のアクセスを知る必要があります。

1. 01ブルームフィルタ
2. 02トライ
3. 03二分ヒープ
4. 04ページ置換

L2: 中等

p < 0.05 が保証してくれないこと

STATp値が答えてくれるのは、事前に計画されたひとつの検定に対する、たったひとつの問いにすぎません。ところが実際の研究では、20もの検定を行い、集まってくるデータをその都度確認し、有意になった結果だけを公表してしまいがちです。そしてそのどれもが、p < 0.05 の持つ重みをすっかり変えてしまいます。ここにあるどのページでも、一見無害に思えるおなじみの振る舞いを取り上げ、それが支払わせる正確な代償を解き明かしていきます。

1. 01多重比較
2. 02任意停止
3. 03勝者の呪い
4. 04偽の発見

L2: 中等

微分法：変化率はどう結びつくか

MATH導関数とは変化率です。微分の公式はどれも、それらの変化率がどう結びつくかを教えてくれます。関数の積として掛け合わされているとき、別の関数の内側に入り込んでいるとき、あるいは誰も y について解いていない方程式のままのとき。最後の二つのページでは、実際の講義で問われる実践的な問題へとこれらの公式を役立てます。ある一瞬の変化の速さ、そしてどれが最善の選択かという問いです。

1. 01積の微分法
2. 02合成関数の微分法
3. 03陰関数の微分法
4. 04関連変化率
5. 05最適化

L2: 中等

量子力学：波としての物質

PHY光はエネルギーの束として届き、その同じ定数 h があらゆる粒子に波長を与えます。残りの現象はすべて、この波としての性質をありのままに受け入れることから導かれます。箱の中に閉じ込めればゼロではない最低エネルギーを持ち、乗り越えられないはずの壁からは漏れ出し、狭い空間に押し込めば多様な波数へと広がっていく。これこそが不確定性原理なのです。

1. 01光電効果
2. 02物質波
3. 03箱の中の粒子
4. 04量子トンネル効果
5. 05不確定性と波束

L2: 中等

なぜ反応は進むのか

CHEM反応が進むかどうかは、放出される熱では決まりません。氷は熱を吸収しながら溶けていきます。ここからの四ページでは、まさにその進行を決定づける収支計算を組み立てます。方程式のように足し引きできるエンタルピー。単位が異なるだけの平衡定数である標準自由エネルギー。K を動かすことと Q を動かすことの違い。そして、その差を電圧として読みとる電池です。

1. 01ヘスの法則
2. 02ギブズ自由エネルギー
3. 03ルシャトリエの原理
4. 04ネルンストの式

L2: 中等

混合物と溶液

CHEM混合気体中の各気体はそれぞれの分圧で振る舞い、これがダイバーの潜水深度の限界を定めます。液体は、蒸気圧が周囲の圧力と等しくなったところで沸騰します。混ざり合いにくい二つの液体は質量約95.6%のエタノールで蒸留の限界を迎え、溶けた粒子は1ケルビンの凝固点降下に対して13バールの浸透圧を生み出し、塩はイオンの積が一定値に達するまでしか水に溶けません。

1. 01分圧
2. 02蒸気圧と沸騰
3. 03分留
4. 04束一的性質
5. 05溶解度積

L2: 中等

公平なゲームが招く破産

STAT期待値が示すのは、大勢のプレイヤーについての平均です。一人ひとりは、自分の手持ちの資金で勝負します。公平なゲームでも、プレイヤーに有利なゲームでさえ、参加者のほとんどが破産することがあります。各ページでは、平均を淡い破線で描き、その平均を形づくる一人ひとりの行方を追います。

1. 01賭博者の破産
2. 02倍賭け法
3. 03サンクトペテルブルクのパラドックス
4. 04ケリー基準

L2: 中等

動画が符号化されるまで

COMP動画エンコーダは単一のアルゴリズムではなく、順序の決まった 8 つの段です。その順序は恣意的ではありません。どの段も、直前の段が仕事を可能にしてくれたからこそ存在します。このツールはそのうちの 1 つを扱います。下の連鎖から残りの 7 つに移動できます。

1. 01標本化
2. 02色差の間引き
3. 03GOP 構造
4. 04動き推定
5. 05量子化
6. 06エントロピー符号化
7. 07レート制御
8. 08容量の予算

L2: 中等

限界を伴う成長

BIOここで扱う個体群はどれも何らかの要因に抑え込まれており、その要因は段階を追うごとに厳しさを増していきます。最初は自ら引き起こす過密状態。次に、一定数の捕獲。続いて、それ自身が一つの個体群である捕食者。そして最後は、感染可能な人間が尽きてしまうことです。

1. 01ロジスティック成長
2. 02捕獲
3. 03捕食者と被食者
4. 04感染症の流行

L3: 学部

映像配信の保護：デバイスを無効化し、出所を突き止める

COMP一つの問題を構成する二つの側面。スタジオが直面する順に追っていきましょう。まずは、鍵が漏洩しても他の全員のライセンスは有効に保たなければならないという課題です。驚くべきことに、これに必要なヘッダーは、システムの規模がどれほど大きくなっても一切肥大化しません。そして、より困難な後半の課題。それが、誰の鍵であったかを突き止めることです。何人かの契約者が結託し、誰の名前も出ないよう特別に仕立て上げた複製から、それを特定せねばならないのです。

1. 01デバイスの無効化
2. 02フォレンジック電子透かし

L3: 学部

データへの直線当てはめ

MATH散らばった点の集まりを、確かな根拠のある数値へと変える七つの道具。そこから、その数値がどうやって導かれたのか、どの程度信用できるのか、誰も正解を教えてくれない時に何が起きるのかを問いかけ、最後には、最初から確率でしかなかった予測をどう評価するのかへと向かいます。この道筋では統計学よりも幾何学を辿ります。幾何学こそが、統計を嘘のない誠実なものにしてくれるからです。

1. 01ベクトル
2. 02最小二乗法の幾何学
3. 03線形回帰
4. 04勾配降下法
5. 05過学習
6. 06k-means法
7. 07キャリブレーション

L3: 学部

ものを動かす行列

MATH手がかりを減らしながら、一つの問いを四度繰り返します。この行列は、実際のところ空間に何をしているのか。列ベクトルが直接の答えです。固有ベクトルは、生き残る方向について答えてくれます。そのような方向がないときはSVDが答えを出し、PCAは同じ仕組みを観測データの群れへと向けます。

1. 01行列による変換
2. 02固有ベクトル
3. 03特異値分解
4. 04主成分

L3: 学部

二つの値から導く軌道

ASTRO軌道は大きさと形で定まります。それさえ分かれば、ほかの要素はほぼすべてそこから導かれるのです。楕円から燃料までを扱うのが、この五つのツールです。宇宙船は今どこにいるのか。そこでの速度は。飛行にかかる時間は。どの経路が最も効率的か。そして、推進剤はどれほど必要になるか。

1. 01ケプラー軌道
2. 02活力方程式
3. 03軌道周期
4. 04ホーマン遷移
5. 05ロケット方程式

L3: 学部

LLM はどう次の単語を選ぶか

COMP大規模言語モデルが単語を選ぶまさにその瞬間、内部を紐解く2つのツール。後者は文字通り前者の上で動作します。順位付けする候補は、前者が構築した語彙の項目だからです。

1. 01トークナイザー
2. 02トークンのベクトルと類似度
3. 03温度とサンプリング

L3: 学部

リスクを測る

STAT全く同じ98年分の収益率を六つのツールで分析します。各ツールが導き出した特定の数値を、次へと順に引き渡していくのです。この六段階の手順が答えるのは、ある一つの問いです。投資における真のリスクとは何なのか。そして、投資について言われていることのうち、実際に検証できる部分はどれくらいあるのか。

1. 01リスクの在りか
2. 02ドローダウンとドラッグ
3. 03順序が効く
4. 04リバランス
5. 05どこまで確かか
6. 06フロンティアを持ち続ける

L3: 学部

秒ではなく仕事量を数える

COMPストップウォッチは手元のパソコンを測ります。演算回数を数えることはアルゴリズムを測ります。その一つの習慣の上に築かれた、二つの道具です。

1. 01ビッグオー記法の増大
2. 02ソートアルゴリズム対決
3. 03再帰木エクスプローラー
4. 04経路探索

L3: 学部

最適反応、そして誰も計算しないときに起こること

MATH四つのゲームと一つの操作。それは、相手がどんな手に出ようと最適な応答となる手を見つけ出すことだ。第一のゲームはそれ単独で決着がつく。第二のゲームではその位置を特定するのにマス目全体を要し、第三のゲームでは代償を伴う。そして第四のゲームにおいては、誰も計算などしない。それにもかかわらず、集団は自ずと答えに行き着くのだ。

1. 01囚人のジレンマ
2. 02ナッシュ均衡
3. 03共有地の悲劇
4. 04協調の進化

L3: 学部

荷重はどこへ流れるか

PHY全七ページを貫く問いは、構造物のどの部分が、どのような形で実際に重さを支えているのか。まず一本の梁の内部を調べる。中央部はほとんど働いていない。最後に扱うのは、部材の数が方程式より多いにもかかわらず、崩壊する荷重だけは正確に決まるトラスである。

1. 01梁のたわみ
2. 02軸のねじり
3. 03モールの応力円
4. 04トラス解析
5. 05オイラー座屈
6. 06アーチとケーブル
7. 07余剰部材

L3: 学部

フーリエ変換の実際

COMP信号は回転する矢印の足し合わせです。そして、そこから現実的な方法で情報を読み取ろうとすれば、教科書の公式には書かれていない何らかの代償を伴います。有限の窓は、そこに収まりきらない波をすべてのビンににじませてしまいます。窓を短くすれば時間は正確に捉えられますが、音の高さは犠牲になります。平均をとる操作もまた、固有の形を持ったフィルターにほかなりません。そして最後のページは、これらすべての計算が実用的な時間で処理できる理由についてです。

1. 01離散フーリエ変換
2. 02スペクトログラム
3. 03フィルターとしての移動平均
4. 04高速フーリエ変換

L3: 学部

アルゴリズムが正しい理由

COMPアルゴリズムが正しく動くのには、言葉で説明できる理由があります。そして間違っているなら、小さなテストで見つかる原因がどこかにあります。ここでは各ページに、正しい実装と、いかにももっともらしい間違いを並べてみました。二分探索の16通りの書き方のうち14通りは破綻します。お釣りを計算する貪欲法は古いイギリスの硬貨では失敗しますが、アメリカの硬貨では決して間違えません。クラスカル法とプリム法の答えが一致するのには確かな理由があります。また、反転した一つのビットを直す符号は、二つの反転をかえって悪化させてしまいます。

1. 01二分探索
2. 02釣り銭問題
3. 03最小全域木
4. 04ハミング符号

L3: 学部

無限級数と収束

MATH無限和は有限和の極限です。この極限は、有限の和を扱う際には全く問題にならない要素に左右されます。項の順序、そして最も近い特異点の位置です。特異点が実軸上にない場合すら例外ではありません。

1. 01級数の収束
2. 02リーマンの再配列
3. 03収束半径

L3: 学部

三つの数値計算法と、それぞれの限界

MATHニュートン法、シンプソンの公式、そしてオイラー法。これらはみな、同じ一つのエンジンで動いています。十分に小さな区間のなかでは、曲線を直線とみなすという仕組みです。だからこそ、どの手法にもバグではない、必然的な破綻が存在します。どの破綻がどの手法に属しているのか。それを知ることこそが、生きた知識となるのです。ここでのすべてのステップは、固有の名前を持つ誤差とそれが縮小していく割合を、次のステップへと手渡していきます。

1. 01ニュートン法
2. 02数値積分
3. 03オイラー法

L3: 学部

手作業によるデータ圧縮

COMP紙の上で実行できる四つのエンコーダを、直前の方式には見えなかったものをそれぞれがどう捉えるかという順に並べています。四つ目は一切の圧縮を行いません。そしてそれこそが、一つ目がテキストに対してうまく機能する理由なのです。

1. 01ランレングス
2. 02ハフマン
3. 03LZ77
4. 04バロウズ・ウィーラー

L3: 学部

積分法

MATH微分は手順の実行ですが、積分は未知の関数の探索です。そのため、この章の練習問題はすべて同じ方法で答え合わせをします。求めた関数を微分し、被積分関数と見比べるのです。置換積分と部分積分は、それぞれ合成関数の微分と積の微分の公式を逆向きに読んだものにほかなりません。部分分数分解は、初等的な解が常に存在することが保証されている一大関数族を扱うための手法です。そして最後のページでは、e⁻ˣ² にはそのような解が存在しないことを証明します。

1. 01原始関数
2. 02置換積分
3. 03部分積分
4. 04部分分数分解
5. 05三角関数の積分
6. 06解法の選択
7. 07公式が存在しない場合

L3: 学部

積分の応用

MATH積分とは、こまやかに積み重なった総量のこと。面積も移動距離も体積も、すべてその現れです。本章では「積み重なり」と「変化率」を結びつける定理から解き起こし、二つの曲線に挟まれた面積、物体の運動、断面のスライスから求める体積へと視野を広げていきます。

1. 01微積分学の基本定理
2. 02曲線に挟まれた面積
3. 03累積と運動
4. 04断面による体積
5. 05円筒殻法
6. 06二つの立体の合成
7. 07二重積分
8. 08極座標の二重積分

L3: 学部

熱伝導方程式、波動方程式、ラプラス方程式

PHYひとつの演算子であるラプラシアンを土台としながら、時間の振る舞いだけが異なる三つの方程式。熱は忘却します。最も鋭い細部から先に。波は乱れを彼方へ運び去りますが、平面上ではいつまでも波紋が届き終えることはありません。ラプラス方程式には時間が一切含まれません。それは熱が忘却の果てに行き着く先、すなわち、すべての点が周囲の平均値と等しくなった状態なのです。

1. 01熱伝導方程式
2. 02地中の季節
3. 03波動方程式
4. 04ラプラス方程式

L3: 学部

天気予報の仕組み

GEO天気予報とは、誰も正確には知り得ない初期状態からモデルを先に進める計算です。そのため何度も計算を繰り返し、結果のばらつきを見てどの程度信用できるかを判断するのです。次のページではこのモデルの中身をのぞき込み、カオスとは無関係に予測が破綻する仕組みを見ていきます。三ページ目で立ち返るのは1963年のローレンツの方程式です。そこでは軌道上の現在地はすぐに分からなくなりますが、軌跡が描く形が失われることは決してありません。

1. 01アンサンブル予報
2. 02グリッド上の気象
3. 03ローレンツ・アトラクタ

L4: 専門

分子で計算する

BIO五つのツールを用いて、一つの議論を組み立てていきましょう。DNAは本物の記憶媒体であり、また本物のコンピュータでもあります。そしてそのどちらもが、推測ではなく計算によって導き出せる限界に直面するのです。一つひとつのステップが、次のステップへと具体的な数値を手渡していきます。

1. 01DNAデータストレージ
2. 02DNA計算のスケール
3. 03レビンサールのパラドックス
4. 04鎖置換ゲート
5. 051操作あたりのエネルギー