Τεκμηριώνεται επιστημονικά η Β’ (και η Α’) ανάθεση του μαθήματος των μαθηματικών σε πληροφορικούς στην β/βάθμια εκπαίδευση;

Ως γνωστόν, με βάση το άρθρο 30 του Ν.2009/1992 (ΦΕΚ 18/14-2-1992, τ.Α ́) “Εθνικό Σύστημα Επαγγελματικής Εκπαίδευσης και Κατάρτισης και άλλες διατάξεις” μετατάχθηκαν στον νεοσύστατο τότε εκπαιδευτικό κλάδο Π19, λόγω έλλειψης απόφοιτων πληροφορικής, εκπαιδευτικοί χωρίς πτυχίο πληροφορικής, κυρίως μαθηματικοί. Θεωρώ ότι δικαιωματικά ένας μαθηματικός είναι η πρώτη επιλογή αναπλήρωσης ενός πληροφορικού όταν προκύψει ανάγκη, θα δείξω, μάλιστα, ότι αυτή η “συνάρτηση” είναι “αντιστρέψιμη”, δηλαδή ότι και ένας πληροφορικός είναι η πρώτη επιλογή αναπλήρωσης ενός μαθηματικού.

Η σχέση πληροφορικής-μαθηματικών είναι εσωτερική-δομική και όχι εξωτερική-εργαλειακή.

Η εργαλειακή χρήση των μαθηματικών, όπως άλλωστε και της πληροφορικής, λαμβάνει χώρα σε μια πληθώρα επιστημών και ειδικοτήτων. Για παράδειγμα, η επιστήμη της φυσικής χρησιμοποιεί τα μαθηματικά ως εργαλείο με σκοπό την μοντελοποίηση του αντικείμενου της μελέτης της, του φυσικού κόσμου, ο οποίος δεν είναι αυτός καθαυτός αυστηρά ορισμένο μαθηματικό αντικείμενο – τουλάχιστον κανείς μέχρι τώρα δεν έχει καταφέρει να αποδείξει κάτι τέτοιο.

Από την άλλη πλευρά, το θεμελιώδες αντικείμενο της πληροφορικής είναι οι αλγόριθμοι, ευρύτερα γνωστοί ως “προγράμματα”, οι οποίοι είναι ένα αυστηρά ορισμένο μαθηματικό αντικείμενο, αυτοί καθαυτοί. Οι αλγόριθμοι δεν “χρησιμοποιούν τα μαθηματικά”, αλλά χρησιμοποιούν τα…υπόλοιπα μαθηματικά, όπως και τα υπόλοιπα μαθηματικά χρησιμοποιούν τους αλγόριθμους, αν όχι θεμελιώνονται πάνω στους τελευταίους σε κάποιο βαθμό.

Το 1931 ο Γκέντελ δημοσίευσε τα περίφημα θεωρήματα μη-πληρότητας. Η απόδειξή του βασίστηκε πάνω στην επιμέρους απόδειξη ότι οι πρωτόγονες αναδρομικές συναρτήσεις (ένα υποσύνολο των προγραμμάτων) αναπαριστάνονται στην πρωτοβάθμια αριθμητική Peano, με άλλα λόγια είναι αυστηρά ορισμένα μαθηματικά αντικείμενα σε μια τόσο θεμελιώδη μαθηματική θεωρία όπως η αριθμητική. Αυτό αποδεικνύεται και για το σύνολο των προγραμμάτων (μ-Αναδρομικές συναρτήσεις). Για την αναπαράσταση αυτή, μάλιστα, δεν είναι αναγκαίο καν το αξιωματικό σχήμα της επαγωγής, αρκούν οι δύο γνωστές πράξεις, της πρόσθεσης και του πολλαπλασιασμού!

-Οι αλγόριθμοι είναι θεμέλιο των μαθηματικών.

Συνεπάγεται από την προηγούμενη διαπίστωση. Εφόσον οι αλγόριθμοι είναι κομμάτι της πρωτοβάθμιας αριθμητικής Peano, η οποία για ευνόητους λόγους θεωρείται θεμέλιο των μαθηματικών, τότε και οι ίδιοι συνιστούν θεμελιώδες συστατικό των μαθηματικών.

-Τα θεμέλια συναντούν πολύ συχνά τα άλλα θεμέλια (προτασιακό και κατηγορηματικό λογισμό).

Τα τμήματα της τριτοβάθμιας εκπαίδευσης τα οποία χρησιμοποιούν εργαλειακά τα μαθηματικά, συνήθως περιλαμβάνουν στο πρόγραμμα σπουδών τους μια σειρά μαθημάτων των μαθηματικών κλάδων της ανάλυσης και (σπανιότερα) της γραμμικής άλγεβρας, αλλά όχι θεμέλια των μαθηματικών όπως ο προτασιακός και κατηγορηματικός λογισμός. Αυτά τα αντικείμενα αποτελούν στην πλειονότητα των περιπτώσεων αναπόσπαστο κομμάτι των προγραμμάτων σπουδών των διαφόρων τμημάτων πληροφορικής (τα οποία συνιστούν τους εκπαιδευτικούς κλάδους Π19 και Π20) και θέτουν τις βάσεις για μια βαθιά κατανόηση των μαθηματικών η οποία είναι πάνω από κάθε σύγκριση με την όποια εξωτερική-εργαλειακή τους χρήση.

Η μελέτη των αλγορίθμων απαιτεί ένα ακόμα ευρύτερο μαθηματικό υπόβαθρο, γεγονός το οποίο επιβεβαιώνουν τα προγράμματα σπουδών της πλειονότητας των τμημάτων πληροφορικής.

Πέρα από τον προτασιακό και κατηγορηματικό λογισμό, συνήθη μαθηματικά αντικείμενα ή μοντέρνες φαρμογές των μαθηματικών στα προγράμματα σπουδών πληροφορικής είναι:

  • Aνάλυση
  • Γραμμική άλγεβρα
  • Θεωρία πιθανοτήτων
  • Θεωρία συνόλων
  • Συνδυαστική
  • Θεωρία των γράφων
  • Θεωρία υπολογισιμότητας
  • Θεωρία αυτομάτων και τυπικών γλωσσών
  • Θεωρία πολυπλοκότητας
  • Θεωρία πληροφορίας
  • Κρυπτογραφία
  • Γραμμικός προγραμματισμός
  • Άλγεβρα Μπουλ
  • Θεωρία παιγνίων

-Οι αλγόριθμοι είναι παντού στα μαθηματικά.

Ξεκινώντας την μαθηματική εκπαίδευση ήδη από τις πρώτες τάξης του Δημοτικού και συνεχίζοντας σε υψηλότερες βαθμίδες της εκπαίδευσης, διδάσκονται:

  • Ο αλγόριθμος της προπαίδειας.
  • Ο αλγόριθμος της κάθετης πρόσθεσης και αφαίρεσης.
  • Ο αλγόριθμος του κάθετου πολλαπλασιασμού και της κάθετης διαίρεσης.
  • Αλγόριθμοι εύρεσης του ελάχιστου κοινού πολλαπλασίου (ΕΚΠ).
  • Αλγόριθμοι εύρεσης του μέγιστου κοινού διαιρέτη (ΜΚΔ.)
  • Αλγόριθμοι για την μετατροπή δύο κλασμάτων σε ομώνυμα.
  • Αλγόριθμοι πρόσθεσης κλασμάτων.
  • Ο αλγόριθμος «το κόσκινο του Ερατοσθένη».
  • Ο αλγόριθμος κατασκευής ισοσκελούς τριγώνου με χάρακα και διαβήτη.
  • Ο αλγόριθμος διχοτόμησης ευθύγραμμου τμήματος με χάρακα και διαβήτη.
  • Ο αλγόριθμος διχοτόμησης γωνίας με χάρακα και διαβήτη.
  • Ο αλγόριθμος υπολογισμού ρητής προσέγγισης τετραγωνικής ρίζας φυσικού αριθμού.
  • Ο αλγόριθμος επίλυσης (στο ℝ) μονομεταβλητής πρωτοβάθμιας εξίσωσης με ρητούς συντελεστές.
  • Ο αλγόριθμος επίλυσης (στο ℝ) μονομεταβλητής δευτεροβάθμιας εξίσωσης με ρητούς συντελεστές.
  • Αλγόριθμοι παραγώγισης για διάφορες κλάσεις συναρτήσεων.
  • Αλγόριθμοι ολοκλήρωσης για διάφορες κλάσεις συναρτήσεων.

Οι αλγόριθμοι οριοθετούν τα μαθηματικά.

Η οριοθέτηση μιας επιστήμης είναι απαραίτητη, χρήσιμη, και προσδίδει κύρος σ’ αυτήν. Συνεισφέρει στo να μην καταβάλλεται μάταιη προσπάθεια σε ανέφικτους στόχους. Αν το θεώρημα Lindemann–Weierstrass από το οποίο συνεπάγεται ότι δεν είναι δυνατός ο τετραγωνισμός του κύκλου αποδεικνυόταν νωρίτερα από το 1882, αυτό το πρόβλημα θα απασχολούσε την επιστήμη των μαθηματικών για λιγότερο χρόνο από όσο τελικά την απασχόλησε. Έτσι, τα θεωρήματα μη-πληρότητας του Γκέντελ, η απόδειξη των οποίων όπως είδαμε θεμελιώνεται πάνω στους αλγόριθμους, συνεισφέρουν, για παράδειγμα, στο να μην ασχολούνται οι μαθηματικοί με την απόδειξη της συνέπειας της συνολοθεωρίας ZFC εντός του ZFC, εκτός κι αν θέλουν να αποδείξουν ότι το ZFC είναι ασυνεπές.

Οι αλγόριθμοι όμως δεν οριοθετούν τα μαθηματικά μόνο μέσω των θεωρημάτων μη-πληρότητας του Γκέντελ, αλλά και πιο άμεσα, μέσω του θεωρήματος του τερματισμού του “πατέρα της πληροφορικής”, Άλαν Τούρινγκ. Το πρόβλημα του τερματισμού, το οποίο ο Τούρινγκ απέδειξε ότι είναι “μη-αποφασίσιμο, “ανάγεται” σε διάφορα γνωστά προβλήματα στα μαθηματικά, τα οποία, ως συνέπεια, αποδεικνύονται και αυτά “μη-αποφασίσιμα”. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι δεν υπάρχει αλγόριθμος ο οποίος επιλύει στο ℝ κάθε δευτεροβάθμια εξίσωση με πραγματικούς συντελεστές. Επίσης, ότι δεν υπάρχει αλγόριθμος για το πρόβλημα της ισότητας δύο πραγματικών αριθμών, καθώς και για πληθώρα άλλων προβλημάτων.

Η ύπαρξη αλγορίθμων είναι τόσο σημαντική για τα μαθηματικά, όσο και η ανυπαρξία τους!

-Όλα (σχεδόν) τα μαθηματικά μέσα σ’ έναν αλγόριθμο.

Η συνολοθεωρία ZFC αποτελεί δικαιολογημένα θεμέλιο των μαθηματικών, αφού μέχρι τώρα σχεδόν όλα (πλην ελάχιστων εξαιρέσεων) τα μαθηματικά θεωρήματα, αποδεικνύονται μέσα σ΄ αυτήν. Και επειδή πρόκειται για μια “πρωτοβάθμια” θεωρία, το πρόβλημα της “k-αποδειξιμότητας” (k-provability problem) γι’ αυτήν είναι αποφασίσιμο.

Με απλά λόγια αυτό μας λέει ότι δεδομένου ενός ισχυρισμού ο οποίος μπορεί να διατυπωθεί μέσα στην ZFC, υπάρχει αλγόριθμος ο οποίος απαντάει σωστά “ναι” ή “όχι” στο ακόλουθο ερώτημα:

υπάρχει απόδειξη στην ZFC για τον δεδομένο ισχυρισμό της οποίας το μέγεθος είναι το πολύ k σύμβολα; (μια απόδειξη είναι τυπικά μια συμβολοσειρά).

-Ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά προβλήματα των μαθηματικών σήμερα (αν όχι το μεγαλύτερο) είναι ένα πρόβλημα πληροφορικής: το πρόβλημα P versus NP.

Το ινστιτούτο μαθηματικών Clay έχει ανακηρύξει επτά μαθηματικά βραβεία για την επίλυση αντίστοιχων επτά μαθηματικών προβλημάτων, γνωστών ως Millenium Problems (Προβλήματα της Χιλιετίας). Κάθε βραβείο συνοδεύεται από το χρηματικό ποσό του ενός εκατομμυρίου δολαρίων. Ένα από τα προβλήματα αυτά είναι το P versus NP, το οποίο μπορεί να διατυπωθεί στην ακόλουθη (σχετικά απλοποιημένη) μορφή:

Ο καλύτερος αλγόριθμος μέχρι τώρα για την επίλυση του προβλήματος της k-αποδειξιμότητας της θεωρίας ZFC (το οποίο διατυπώθηκε παραπάνω) είναι αρκετά αργός (“εκθετικός”) για να είναι χρήσιμος-αποδοτικός. Υπάρχει ένας αρκετά γρήγορος (“πολυωνυμικός”) αλγόριθμος, ώστε να είναι χρήσιμος-αποδοτικός;

Επίλογος

Τεκμηριώνεται, λοιπόν, επιστημονικά η Β’ (και η Α’) ανάθεση του μαθήματος των μαθηματικών σε πληροφορικούς στην δευτεροβάθμια εκπαίδευση; Τα συμπεράσματα δικά σας.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Google

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.