Add new file

00.brainstorming-pedagogical-teams/45.synthesis-structuring/50.entropy/10.n1/20.figures/cheatsheet.fr.md

+---
+title: 
+published: true
+routable: true
+visible: false
+---
+
+!!!! *COURS EN CONSTRUCTION :* <br>
+!!!! Publié mais invisible : n'apparait pas dans l'arborescence du site m3p2.com. Ce cours est *en construction*, il n'est *pas validé par l'équipe pédagogique* à ce stade. <br>
+!!!! Document de travail destiné uniquement aux équipes pédagogiques.
+
+<!--MétaDonnée : ... -->
+
+#### [BR-ENT1&2-10] Pour illustrer le thème des grands nombres
+
+Nécessaire à la seconde loi de la thermo : croissance de l'entropie.
+Faire prendre conscience que le cerveau humain ne gère absolument pas les grands nombres.
+Avec la légende de Sissa : Le sage Sissa invente le jeu d'échec pour divertir le roi Belkib.
+Pour le remercier, le Roi souhaite exaucer le voeu de Sissa.
+Mettre un grain de riz sur la première case, deux grains sur la deuxième, quatre sur la
+troisième, 8 sur la quatrième, etc.... en doublant à chaque fois le nombre de grains de
+riz jusqu'à la dernière case de l'échiquier.
+
+
+##### Quelle est la légende de l'échiquier de Sissa ?
+
+![](legend-echiquier-sissa-v3_L1200.jpg)
+
+##### Combien de bols de riz faut-il pour remplir l'échiquier ?
+
+![](echiquier-de-sissa-v3_L900.gif)<br>
+
+<!-- les versions L1000 et L1100 sont prêtes-->
+
+
+J'écris d'abord la formule mathématique qui décrit comment calculer le nombre de grains de riz nécessaires
+pour répondre au souhait de Sissa :
+
+$`\text{nombre de grains requis pour l'échiquier}`$
+
+$`\quad = \overset{\text{case 1}}{1} + \overset{\text{case 2}}{2} + \overset{\text{case 3}}{(2\times 2)}`$
+$`+ \overset{\text{case 4}}{(2\times 2\times 2)} + ... + \overset{\text{case 64}}{\underset{\text{2 écrit 63 fois}}{\underbrace{(2\times 2\times 2\times ... \times 2)}}}`$
+
+Ce calcul ne semble vraiment pas compliqué à faire si tu as un peu ... beaucoup!... de temps. Il ne s'agit que de multiplications par le chiffre 2, et d'additions.
+Le nombre de grains que tu trouverais est :
+
+$`\quad = \text{18 446 744 073 709 551 615 grains}`$
+
+C'est *un peu plus de* **dix-huit milliards de milliards de grains de riz**.
+
+!! *Pour aller plus loin :*
+!!
+!! Trouver une *nouvelle expression plus compacte* de ce nombre de grains de riz pour 
+!! un *calcul plus rapide avec une calculatrice*, en utilisant la *fonction puissance $`x^y`$*.
+!! 
+!! Nomme $`N`$ le nombre de grains requis pour l'échiquier.
+!! 
+!! $`N = \overset{\text{case 1}}{1} + \overset{\text{case 2}}{2} + \overset{\text{case 3}}{(2\times 2)}`$
+!! $`+ \overset{\text{case 4}}{(2\times 2\times 2)} + ... + \overset{\text{case 64}}{\underset{\text{2 écrit 63 fois}}
+!! {\underbrace{(2\times 2\times 2\times ... \times 2)}}}`$
+!!
+!! Ce nombre peut être réécrit en utilisant la *fonction puissance de 2*, définie pour toute nombre entier naturel $`n`$ par
+!! *$`2^n=\underset{\text{2 écrit n fois}}{\underbrace{(2\times 2\times 2\times ... \times 2)}}`$*<br>
+!! *$`2^n`$* se dit *deux à la puissance n*.
+!!
+!! $`N=1 + 2^1 + 2^2 + 2^3 +\,.\,.\,. + 2^{62}`$$`\; + 2^{63}`$$`\;\quad (equ.1)`$
+!!
+!! Tu as le droit de multiplier les deux membres (gauche et droit) de cette égalité par un même nombre réel. Ainsi cette égalité écrite restera vraie. Multiple les par 2 :
+!!
+!! $`N \times 2 = 1 \times 2 + 2^1 \times 2 + 2^2 \times 2 `$$`\;+ 2^3 \times 2 + \,.\,.\,. + 2^{62} \times 2 + 2^{63} \times 2`$
+!!
+!! Mais par définition : 
+!!
+!! $`2^n \times 2 = \underset{\text{2 écrit n fois}}{\underbrace{(2\times 2\times 2\times ... \times 2)}}\times 2`$
+!! $`\quad = \underset{\text{2 écrit n+1 fois}}{\underbrace{(2\times 2\times 2\times ... \times 2)}}=2^{n+1}`$
+!!
+!! Tu peux donc réécrire
+!!
+!! $`N \times 2 = 2 + 2^2 + 2^3 + 2^4 + \,.\,.\,. + 2^{63}`$$`\; + 2^{64}\quad(equ.2)`$
+!!
+!! Tu peux maintenant comparer les équations $`(equ.1)`$ et $`(equ.2)`$, et remarquer que 
+!!
+!! $`2 + 2^2 + 2^3 + 2^4 + \,.\,.\,. + 2^{63} + 2^{64}`$$`\; = (1 + 2^1 + 2^2 + 2^3 +\,.\,.\,. + 2^{62} + 2^{63})`$$`\;-1+2^{64}`$
+!!
+!! donc $`N \times 2 = N - 1 + 2^{64}`$
+!!
+!! $`(N \times 2) - N = 2^{64}- 1`$
+!!
+!! soit au final $`N = 2^{64}- 1`$.
+!!
+!! Pour ce calcul, une calculatrice avec suffisamment de chiffres d'affichage donnerait $`2^{64}=18\,446\,744\,073\,709\,551\,616`$.
+!!
+!! Peu de calculatrices affichent autant de chiffres, car un résultat affiché avec autant de précision n'a pas vraiment d'intérêt.<br>
+!! Une calculatrice standard affiche par exemple :<br>
+!! $`N=18\,446\,744\,073\,709\,55e19`$ <br>
+!! Le "e19" signifie que pour obtenir le nombre affiché, il faut reculer la virgule vers la droite de 19 positions, en ajoutant des $`0`$ si nécessaire. Tu pourrais ainsi écrire :<br>
+!! $`N=1,844674407370955e19`$$`\quad N=18446744073709550000`$ <br>
+!! Comme tu le vois, tu perds la précision sur les 4 derniers chiffres ($`0000`$ eu lieu de $`1615`$. 
+!!
+!! En fait, afficher un résultat avec une erreur de $`1615`$ sur plus de 18 milliards de milliards n'a aucune importance. Seul l'*ordre de grandeur* est important, et pour afficher celui-ci, *2 chiffres significatifs sont suffisants* en général. Les chiffres significatifs sont les chiffres les plus à gauche et différents de $`0`$. Tu écriras ainsi :
+!!
+!! $`N\sim 18\,000\,000\,000\,000\,000\,000`$
+!!
+!! où mieux encore sous forme de puissance de dix :
+!!
+!! $`N\sim 1,8^{19}`$, ou encore $`N\sim 18^{18}`$ (dans ce dernier cas, la puissance 18 t'indique directement le nombre de 0, ce qui évite de les recompter).
+!!
+!! *Une telle somme*, qui commence par un entier $`a`$ et dont chaque terme est le produit du terme suivant par un entier b *est appelée suite géométrique* de premier terme a et de raison b.<br>
+!! Les étapes du calcul précédent sont la base pour établir un résultat très général concernant les suites géométriques.<br>
+!! La suite géométrique sera dans le programme du *prochain niveau "collines"*.
+
+
+Il faudra expliquer le symbole $`\sim`$
+
+
+##### C'est un nombre énorme ! Combien de ... tonnes de riz cela représente-t-il?
+
+![](echiquier-sissa-riz-grain-mass-measurement_L1100.gif)
+
+
+**Estimation de la masse de riz** *que cela représente*
+
+Essaye de réfléchir à ce que représente ce nombre $`2^{64}`$, en évaluant à la louche, avec une petite expérience que chacun peut faire, la masse de riz que cela représente :
+
+Une méthode serait de :
+
+* **mesurer** approximativement la *masse de 100 grains* de riz.
+* en déduire par une **règle de trois** la *masse de $`2^{64}`$ grains* de riz.
+* trouver sur internet des **informations** qui permettent de se représenter la *signification mentale d'une telle quantité* de riz.
+
+Méthode : mesure de la masse de 100 grains de riz. Incertitude de mesure très grande, mais pas d'incertitude au niveau 1. Et ce n'est pas l'objectif de ce chapitre au niveau 2. Donc on prend le symbole $`\sim`$ qu'il faudra expliquer.
+
+$`\text{masse de 100 grains de riz}\sim 3\,\text{grammes}`$
+
+$`\text{masse totale de riz}`$$`\;\;\;\sim\dfrac{\text{nombre de grains}}{100}\times \text{masse de 100 grains}`$
+
+$`M_{riz}= \dfrac{18\;446\;744\;073\;709\;551\;615}{100}\times 3\,g`$
+
+
+
+$`\text{masse de 100 grains de riz}\sim 3\,\text{grammes}`$
+
+$`\text{masse totale de riz}`$$`\quad\sim\dfrac{\text{nombre de grains}}{100}\times \text{masse de 100 grains}`$
+
+$`M_{riz}= \dfrac{18\;446\;744\;073\;709\;551\;615}{100}\times 3\,g`$
+
+=...
+
+à continuer :
+
+Ramenez au temps qu'il faudrait pour compter ces grains,
+ou pour observer l'évènement "le dernier grain sur la 64ème case est posé". 
+
+Si on dépose un grain par seconde (à supposer qu'il soient disponibles à souhait), il faudrait $`10^{18}`$ secondes.
+- 30 années sont approximativement $`10^9`$ secondes.
+- 1 vie humaine représente donc approximativement $`3\times 10^9`$ secondes.
+- Construction de la pyramide de Khéops : ...
+- extinction de dynosaures : ...
+- âge de l'Univers (depuis le Big Bang) : ...
+
+Avec l'idée de montrer que si la fréquence d'un évènement est trop faible, même si
+mathématiquement elle n'est pas nulle, en pratique elle ne s'observera jamais.
+
+-----------------------
+
+#### [BR-ENT1&2-20]  Ce à quoi on est sensible
+
+à faire
+
+----------------------
+
+#### [BR-ENT1&2-30] Tirage ordonné, tirage désordonné
+
+Sommes-nous sensibles, ou accordons-nous une valeur particulière à un tirage ordonné (dans les jeu de cartes, non)
+par rapport à un tirage désordonné ?
+
+* ensemble, contient des éléments, pas d'ordre.<br>
+Notation {...}
+
+* suite : ensemble d'éléments ordonnés <br>
+Notation (...)
+(une suite d'instruction ne fonctionne que si les instructions sont réalisées dans l'ordre chronologique)<br>
+<br> pour niveau 2 : dans une base de vecteurs $`(\overrightarrow{e_1},\overrightarrow{e_2},\overrightarrow{e_3})`$, 
+l'ordre des vecteurs est important (on différencie les bases directes et indirectes).
+
+
+---------------------
+
+#### [BR-ENT1&2-30] Probabilité et temps moyen de réalisation
+
+Jeu de 6 cartes (as, 2, 3, 4, 5, 6)
+
+![](entropy-duree-1-tirage-6-cartes_L1200.gif)
+
+![](entropy-tirage-6-cartes-equiprobability_v3_L1200.gif)
+
+Ensuite parler de n tirages de 6 cartes successifs, probabilité de réaliser n tirages
+successifs de l'as par exemple.
+
+Se représenter l'ordre de grandeur des puissances de 6.
+Lier à un travail sur les bases numériques (base 2, base 10, donc base 6, ect...)
+
+![](entropy-puissances-de-6_L1200.gif)
+
+A venir, figures de 1, 2, 4, 8, 12 et 16 tirages successifs dans un jeu de 6 cartes
+(ou lors du lancé d'un dé). 
+
+Durée statistique moyenne entre deux évènements "tirage de n as succesifs", combinaison gagnante.
+
+Montrer que si $`6^{15}`$ (n=15) est un nombre "grand",<br>
+ce n'est pas encore un "grand nombre" en terme de physique statitique (il y a autour de $`10^{22} atomes dans
+tout centimètre cube de matière).
+
+-----------------------
+
+
+#### [BR-ENT1&2-40]  Macroétat "gagnant" et macroétat "perdant", dégénérescence, probabilités et durée moyenne entre deux réalisations.
+
+A priori (à discuter), ne pas utiliser le vocabulaire "macroétat, microétat, dégénérescence, ..." à ce niveau 1 
+(ou alors l'aborder dans un aparté "au-delà").
+
+Vocabulaire "évènement, réalisation, probabilité, durée statistique moyenne entre deux tirages gagnants" ?
+
+Mettre avant la "durée d'un tirage de 4 cartes".
+
+![](configuration-4-cartes-loose-v2_L1100.gif)
+
+Précisez ce à quoi on est sensible : 
+* (type, valeur) $`\Longrightarrow\quad N=52`$ microétats dans le jeu.<br>
+* (couleur, valeur) $`\Longrightarrow\quad N=26`$ microétats dans le jeu.
+* (valeur) $`\Longrightarrow \quad N=13`$ microétats dans le jeu.
+
+Calcul du nombre de microétats pour un tirage ordonné ou non de 4 cartes :
+* (type, valeur) $`\Longrightarrow\quad N=52\times 51 \times 50\times 49`$ microétats dans le jeu.<br>
+* (couleur, valeur) $`\Longrightarrow`$ pas si simple ...
+* (valeur) $`\Longrightarrow`$ pas si simple ...
+
+Quel niveau? Que dire au niveau 1?
+
+Calcul de la probabilité des microétats équiprobables : 1/N
+
+Dégénérescences des macroétats "gagnant" et "perdant".
+
+Calcul de la probabilité du macroétat "gagnant", du macroétat "perdant".
+
+Duréestatistique moyenne entre 2 macroétats "gagnants".
+
+Quelque-soit ce à quoi on est sensible, plus de chance d'être perdant que gagnant.
+
+Ce qui se passe si $`\quad\dfrac{\text{dégénérescence "gagnant"}}{\text{dégénérescence "perdant"}} \rightarrow 0`$
+
+La durée statistique moyenne entre deux tirages gagnants tend vers l'infini.
+
+Quelque soit ce à quoi on est sensible, nous tendrons à être toujours perdants
+
+-----------------------
+
+#### [BR-ENT1&2-50] Pour illustrer le thème de la flèche du temps, croissance de l'entropie
+
+ Entropie, l'**exemple classique du verre qui se brise**et ne se reconstitue jamais*.
+
+Exemple que nous suivrons sur les 4 niveaux, tant il y a à développer et dire.
+
+![](entropy-real-glass_L1000.gif)
+
+C'est l'exemple type toujours utilisé pour illustrer la notion d'une entropie qui ne
+peut que croître. Et tous les exemples sur ce thème le traitent à peu près de la même façon,
+alors que c'est vraiment le thème que l'on peut développer du niveau 1 au niveau 4. Il y
+a pleins de choses à dire, de complexité et réflexion croissantes, des niveaux 1 à 4.
+On va le faire.
+
+##### Première réflexion et modélisation
+
+Premières modélisations, réalisées par un **observateur plus ou moins myope**.
+
+(Idée :
+Amener progressivement la seconde loi de la thermodynamique macroscopique, l'idée que 
+dans un *système isolé* caractérisé par un grand nombre de configurations équiprobables possibles, 
+l'entropie (grandeur extensive) ne peut que croître, et que le fait de cette croissance ne dépend pas du niveau de
+précision ou de connaissance dans la description du système.)
+
+![](entropy-real-glass-model_L850.gif)
+
+
+##### Parler d'ordre ou de désordre est trompeur
+
+_Pour arriver aux niveaux 3 ou 4 que l'entropie ne mesure pas un "ordre", mais la
+probabilité $`P(\Omega_0)`$ d'un état macroscopique $`\Omega_0`$ (caractérisé par des
+variables macroscopiques), correspondant à un nombre $`Nb(\Omega_0)`$ de micro-états 
+$`\omega_{0\,i}`$ de probabilités individuelles $`P(\omega_{0\,i})`$, tels que ...
+à construire, progression à mettre au point sur tous les niveaux.
+
+Pour un observateur qui voit le verre en *8 parties* dans un espace isolé de 
+*20 positions spatiales* :
+
+Chacune des configurations spatiales des "morceaux" est unique et équiprobable
+(hypothèse à débattre), les 5 présentées sont équivalentes.
+ * Trois nous "semblent" désordonnées.
+ * Une représente le verre non brisé
+ * Une représente une sorte de configutation non reconnaissable, mais semblant "ordonnée".
+ 
+ Comment attribuons-nous une "valeur particulière" à une configuration plutôt qu'à une autre ?
+ * subjectivité
+ * configuration macroscopique spatiale permettant une utilité : le verre non brisé
+ * configuration d'un système macroscopique caractérisé par 
+ des valeurs fixes ou de valeurs d'équilibre de variables macroscopiques.
+ * un sens peut-être attribué : par exemple décodage d'un message. 
+("Ceci est un message" est une série de 19 caractères alphanumériques. Si comme 
+caractère alphanumérique on compte 26 lettres de l'alphabet, 10 chiffres et le blanc, soit
+37 caractères alphanumériques, il y a $`26^{19}`$ séries possibles. La probabilité de trouver
+un message intelligible si les caractères sont tirés au hasard, est infinitésimale).
+ * autre ?
+
+![](entropy-nombre-configurations-spatiales-N20-libre.gif)
+
+Sur le rôle des ... interactions, contraintes physique, ici si on considère que
+l'axe verticale est l'altitude. Les morceaux brisées ne sont "pas lancés en l'air",
+mais "repose sur le sol". 
+ * 3 configurations ont la même énergie potentielle (hypothèses simplificatrices)
+ * l'autre configuration est le verre non cassé
+ 
+ ![](entropy-nombre-configurations-spatiales-N20-champ-gravitation.gif)
+
+##### Combien de configurations ? 
+
+![](entropy-nombre-configurations-spatiales-N20-libre-question.jpg)
+
+Pour un observateur qui voit le verre en *26 parties* dans un espace isolé de 
+*180 positions spatiales* :
+
+Chacune des configurations spatiales des "morceaux" est unique et équiprobable
+(hypothèse à débattre), les 5 présentées sont équivalentes.
+ * 3 nous "semblent" désordonnées.
+ * 1 représente en bous le verre non brisé
+ * 1 représente une sorte de configutation non reconnaissable, mais ordonnée.
+
+![](entropy-nombre-configurations-spatiales-N180-libres.gif)
+
+Sur le rôle des ... interactions, contraintes physique, ici si on considère que
+l'axe verticale est l'altitude. Les morceaux brisées ne sont "pas lancés en l'air",
+mais "repose sur le sol". 
+ * 3 configurations ont la même énergie potentielle, presque minimale (hypothèses simplificatrices).
+ * l'autre configuration est le verre non cassé
+ 
+![](entropy-nombre-configurations-spatiales-N180-champ-gravitation.gif)
+
+Combien de configutations ? 
+
+![](entropy-nombre-configurations-spatiales-N180-libre-question.jpg)
+
+(Idée :
+Il y aura des contre-exemples en physique des matériaux au niveau 3 ou 4,
+qui montreront que ce terme d'ordre peut être trompeur).
+
+<!--
+
+![](entropy-glass-here-20box_L1200.jpg)
+
+![](entropy-glass-not-here-20box_L1200.jpg)
+
+![](entropy-glass-here-180box_L1200.jpg)
+
+![](entropy-glass-not-here-180box_L1200.jpg)
+-->
+
+une autre avec un verre réel et l'expression interlinguistique :
+[FR] "casser le verre en mille morceaux" ...
+[ES] "rompe en mil pedacitos, o ... rompiendo el vidrio en mil pedazos"
+[EN] "shattered into a thousand pieces"
+
+1000 morceaux : équivalents des 5 ou 8 morceaux des exemples 2D dessinés
+
+Puis ensuite ... 
+
+118 éléments chimiques : : équivalents des 5 ou 8 morceaux des exemples 2D dessinés, ou des milles morceaux.
+
+Montrer, dès ce niveau 0, que le dénombrement dépend de la résolution, mais pas la seconde
+loi de la thermo... que ce soit avec des mots de tous les jours à ce niveau 1.
+
+----------------------------------
+
+### [BR-ENT1&2-70] On aura besoin de l'hypothèse ergodique
+
+Même si on ne la nomme pas aux niveau 1 et 2, peut-être simplement la citer déjà au niveau 2 dans un aparté "au-delà" ?
+
+![](entropy-ergodic-hypothesis-A-v2_L1200.gif)
+
+![](entropy-ergodic-hypothesis-BCDE-v2_L1200.gif) <br>
+
+![](entropy-ergodic-hypothesis-F_L1200.jpg)
+
+L'hypothèse pose $`p^{suc.}\{a, b, c\}=p^{sim.}\{a, b, c\}`$<br>
+$`a, b, c`$ sont les trois résultats des trois tirages individuels,<br>
+et $`\{a, b, c\}`$ est l'ensemble constitué par ces trois résultats <br>
+(ensemble, donc non ordonné).
+
+De même, en associant à l'ordre chronologique des trois tirages individuels successifs,
+un ordre spatial des trois tirages simultanés, on aurait :<br>
+$`p^{suc.}(a, b, c)=p_{sim.}(a, b, c)`$<br>
+où $`(a, b, c)`$ est une suite ordonnée des trois résultats individuels.
+
+Enfin, on précisera tout cela dans les niveaux. Mais déjà ce sera utile si l'internaute
+souhaite faire des études statistiques et qu'il n'a qu'un seul jeu de carte...