Wiskundemeisjes

Deze column staat vandaag in de Volkskrant.

Vorige maand overleed de Nederlandse wiskundige N.G. de Bruijn. Ik ontdekte zijn speelse wiskunde jaren geleden toen een vriend mijn hulp vroeg bij het kraken van een code. Hij wilde als grap de boodschap op iemands telefoonbeantwoorder veranderen. Zijn slachtoffer had een destijds hypermodern apparaat dat je vanaf elke telefoon op afstand kon bedienen, mits je de geheime viercijferige code invoerde. Je mocht daarbij net zoveel getallen intoetsen als je wilde. Dus als de juiste code 4567 was, dan kwam je met 1234567 of 4444567 in het systeem. Mijn vriend vroeg zich af wat de snelste manier was om de10.000 mogelijke codes te proberen. Domweg alle mogelijkheden achter elkaar intoetsen gaf een reeks van 40.000 cijfers. Wist ik een wiskundige truc om het sneller te doen?

Ik begon eerst met een eenvoudiger probleem: een zo kort mogelijke rij zoeken met alle viercijferige codes van alleen enen en nullen. In dat geval zijn er zestien verschillende mogelijkheden, en alle mogelijkheden na elkaar proberen geeft dan een reeks van 64 cijfers. Maar ik zag al snel dat het sneller kan doordat codes elkaar mogen overlappen. Toets bijvoorbeeld 000011 en je probeert met zes cijfers meteen drie codes: 0000, 0001 en 0011.

Als je die overlap optimaal gebruikt, dan zit elk cijfer dat je intoetst in vier verschillende combinaties, behalve de drie cijfers aan het begin en einde. In het beste geval zou je daarom zestien combinaties in negentien cijfers kunnen proppen. Na een tijdje prutsen op een envelop vond ik het volgende rijtje: 0000111101100101000. Liefhebbers mogen controleren dat in deze negentien cijfers inderdaad alle zestien mogelijke codes zitten.

Voor de telefoonbeantwoorder vermoedde ik dat op een zelfde manier alle tienduizend codes in slechts 10.003 cijfers moesten passen. Maar daar was met pen en papier geen beginnen aan. Toen wees een vriendelijke wiskundige me erop dat N.G. de Bruijn dit soort rijen al uitgebreid had geanalyseerd. Ze dragen nu zelfs zijn naam. De Bruijn bewees dat er altijd een rijtje bestaat waarin elke combinatie precies één keer voorkomt. Het maken van zo’n rij is nog best lastig, maar met wat programmeerwerk vond ik voor mijn vriend inderdaad een reeks van 10.003 cijfers met alle codes voor de telefoonbeantwoorder.

N.G. de Bruijn (die zelf trouwens bescheiden opmerkte dat hij niet de eerste was die een De Bruijn-rijtje beschreef.)

De Bruijn-rijen duiken op onverwachte plekken op. In het Sanskriet was er tweeduizend jaar geleden al één als ezelsbruggetje om namen te onthouden. Tegenwoordig zijn de rijtjes nuttig bij DNA-analyse en data-compressie. De mooiste toepassing - naast het kraken van die telefoonbeantwoorder- kwam ik laatst tegen in een goocheltruc. Je kunt er in een pak speelkaarten voor zorgen dat elke zes opeenvolgende kaarten een ander kleurenpatroon hebben (bijvoorbeeld zrzzrz, waar z een zwarte kaart is en r een rode). Een slimme goochelaar laat het dek couperen door een vrijwilliger, vraagt daarna zes mensen om steeds de bovenste kaart te pakken en laat degenen met een rode kaart hun hand opsteken. Uit die minimale informatie kan hij dankzij het unieke zwart-rood-patroon dan precies zeggen welke kaarten de vrijwilligers hebben. Jammer dat je deze truc alleen goed kunt uitvoeren als je net zo slim bent als N.G. de Bruijn.

Deze column verschijnt vandaag in de Volkskrant.

Een van de grootste misverstanden omtrent wiskunde is dat mensen die wiskunde leuk vinden het ook altijd makkelijk vinden. Dat is niet zo: iedereen komt vanzelf op een punt dat hij het niet meer snapt. Een belangrijk verschil tussen mensen die zichzelf goed of juist slecht in wiskunde vinden, is hoe ze daar vervolgens mee omgaan.

Voor wiskundigen begint de uitdaging dan pas! Ze gaan met frisse moed het probleem te lijf, bereiden zich mentaal voor op een serie frustraties en vertrouwen erop dat doorzetten uiteindelijk zal leiden tot, in het ideale geval, een euforisch gevoel van begrip: “ja natuurlijk zit het zo!” En soms duurt dat heel lang. Of komt het niet. Kan gebeuren.

Mensen met wiskundeangst (math anxiety) gaan daar heel anders mee om. Meestal hebben ze in hun schooltijd op een bepaald moment een gevoel van “sudden death” ervaren, schrijft Sheila Tobias in haar boek “Overcoming math anxiety”. Bij haarzelf kwam dat toen ze leerde dat hetzelfde betekent als . Ze snapte dat het consistent was met de regels voor machten, maar dat voelde niet als een echte uitleg. En toen kreeg ze het gevoel dat het niet alleen moeilijk was om het te begrijpen, maar zelfs fundamenteel onmogelijk. Een irrationele reactie, maar eentje die veel vaker voorkomt. Meestal gepaard aan het gevoel dat eerdere wiskundesuccessen dus blijkbaar “gefaket” waren. Mensen met wiskundeangst gaan fouten vermijden in plaats van onderzoeken, en geloven vaker dat wiskunde iets is dat je kunt of niet kunt, een aangeboren eigenschap waar je niets aan kunt veranderen.

Waarom is juist wiskunde eng? Wiskunde bouwt sterk voort op eerder opgedane vaardigheden, als je ergens een steek hebt laten vallen is het moeilijk die weer op te halen. Er is druk om “het goede antwoord” te geven, met de onterechte implicatie dat er altijd maar één goed antwoord is. En wiskunde, hoe exact ook, is soms onverwacht dubbelzinnig zonder dat dat expliciet gemaakt wordt. In en betekenen de =-tekens iets heel verschillends: het eerste geeft aan dat de vergelijking opgelost moet worden, het tweede dat de bewering waar is, welk getal ook is. Dat blijkt echter niet uit de vorm van de uitdrukking. Dat soort dubbelzinnigheden kunnen verwarring opleveren, en een gevoel van onmacht.

Om wiskundeangst te voorkomen is het belangrijk om als docent of ouder te benadrukken dat het denkproces belangrijker is dan het eindantwoord. Dat wiskunde niet iets is wat je kan of niet kan, maar dat je kan (moet) oefenen. Dat al die wiskunde ergens vandaan komt, door mensen bedacht is om echte vragen op te lossen, en dat je ook in wiskundesommen creatief kunt zijn. Dat samenwerken productief is. En vooral: niet opgeven.

In 2010 werd in een Amerikaans onderzoek aangetoond dat wiskundeangst bij leraressen op de vroege basisschool (en negentig procent van die docenten is vrouw) meisjes in hun klas (maar niet de jongens!) negatief beïnvloedt: zij geloven vaker dat meisjes niet goed zijn in wiskunde, en hun wiskundeprestaties blijven achter. Genoeg reden om wiskundeangst als een probleem te zien, zeker bij leraren (in opleiding).

Goed nieuws voor iedereen die de wiskundemeisjes nog steeds mist: ik ben een nieuwe videoblog begonnen! Op Wetenschap101 plaatsen Govert Schilling en ik korte filmpjes (nooit langer dan 101 seconden) over exacte wetenschap. Vanzelfsprekend gaan mijn filmpjes vooral over wiskunde en die van Govert meestal over sterrenkunde. Hieronder zie je mijn eerste filmpje, maar ga dus vooral even kijken bij Wetenschap101!