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東大脳を育てる東大能力研究会

ディープラーニング
Deep learning

高校生・大学受験生部門

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己の立てるところを深く掘れ!
そこには必ず泉あらん

高山 樗牛

高山樗牛は深く学べば学ぶ程、よって立つ泉から溢れるように知恵がわいてくることを言っているのです。ディープラーニングで深く分析する、推測する、深く思考を巡らすことにより、その本質に至る(知恵を得る)ことができるのです。 その本質を把握したら、その本質に至る迄の逆筋を辿って新しい創造を試みるその能力をディープラーニングにより身に付けて下さい。

難関(大学)突破力獲得の為のディープラーニング(深層学習)

ディープラーニングとは物事を深く掘り下げて考える深層学習のことです。

数学の問題の解き方

難しいとされる大学入試数学の証明問題をディープラーニングで考えてみましょう。
東大の数学の入試問題の多くは証明問題です。東大の証明問題は問題文が非常に簡潔で、いわば手がかりがつかめない程ツルツルしています。
こういう問題はどう解けばよいのでしょうか? ディープラーニングで掘り下げて考えて下さい。いわば逆転の発想で、その問題が 解けたらどういう効果が生ずるのかを考えます。
その効果から(いわば出口から)逆の思考過程をたどって証明の入り口まで戻ることができれば、その入り口がいわば切り口としての突破口になって
今度は順を辿って行くと証明問題が解けることがあります。
問題文自体簡潔できれいですのでこれを証明していてもきれいな証明にならずに無駄な回り道をしていると自分でも気付くことができます。
その場合には始めから無駄な回り道をしないきれいな証明方法を考えて下さい。 数学の証明問題の解き方については動画の高校大学受験生の項に東大の入試数学の証明問題の解説があります。
東大能力研究会は東大脳を育てることを標榜していますので、動画でも東大の入試問題を扱っています。
東大入試の中で特に難しいといわれる数学の証明問題を実際にきれいに解いていますので御覧下さい。

物理の問題の解き方

最も物理らしい領域である運動力学についてディープーニングしてみましょう。
距離と速度、加速度の関係の公式は以下の図形で表されます。

自由落下運動の公式

教科書には説明がありませんが、この式を深く掘り下げて考えると(ディープラーニング)
距離(x)と速度(v)、加速度(g)は微分積分の関係にあることがわかります。
即ち、距離(x)を時間(t)で微分すると、速度(v)になり、速度(v)を更に時間(t)で微分すると(つまり距離(x)を時間(t)で2度微分すると)加速度(g)になることがわかります。
逆に加速度(g)を時間で積分すると速度(v)、速度(v)を更に時間(t)で積分すると距離(x)になります。
この式をそこまで深く理解しているか否かで解き方に大差がつきます。尚、微分積分の数学体系はニュートンが築き上げたものです。
上式の Vo を0とおくと(ニュートンが発見した)リンゴが木から離れて自由落下する式になります。#
因みにニュートンのリンゴの木は東京文京区の小石川植物園にあります。(東京大学理学部 付属小石川植物園)ニュートンが万有引力を発見したリンゴの木そのものではなく、その枝を截取して日本のリンゴの木に接木をしたものです。この場合は植物学的にはニュートンのリンゴの木と言えるそうです。
物理の(アクティブラーニング)ディープラーニングについて
ニュートンの万有引力の法則の発見の経緯、アインシュタインの等価原理から一般相対性理論に至る前後の経緯については動画を是非御覧下さい。

数学・物理の学習

日本で数多くのノーベル賞を受賞した、素粒子物理学の分野では、学者の間に一つの不文律があります。
「理論は、実験と一致するだけではなく、美しくなくてはならない。」というものです。
ここに美しいとは、宇宙の物理的美だけではなく、論理的数理的な美も含みます。なぜなら物理学の種々の理論は数式という数学の方程式という形で表わされるからです。

例えば、アインシュタインの一般相対性理論は、「全ての観測者の立場は相対的である。」という相対性原理と「物体の持つ慣性質量と重力質量の値は等しい」という等価原理の二つから成り立つ、極めてシンプルな原理を柱としています。
そして一般相対論を記述するいわゆる重力場方程式も 図1 という極めてシンプルで美しいものです。ここに重力場方程式とはエネルギーと物質の存在から時空の構造を求める非線型テンソル偏微分方程式のことです。

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アインシュタインは、左脳により完成したこの方程式について右脳により美的評価を加え「左辺(時空の曲がり具合を表す)はコンクリート造りであるが、右辺(物質のもつエネルギーと運動量を表す)は、木造である」と述べています。この方程式は非線型のテンソル偏微分方程式で実質上10個より成るため、解くには大変難解な代物です。アインシュタイン自身はこの式を自分で作っておきながら解かなかった(解けなかった?)と言われています。また、相対性理論と並んで20世紀の偉大な物理理論と言われる、シュレディンガーの波動方程式(量子力学)は 図2 という美しい数式で表されます。 (波動方程式は、物質波を表す波動関数(ψ)の時間的変化を決める線型の偏微分方程式で、これまた難解といわれています。(しかし煎じ詰めれば波動方程式は波の運動方程式に他なりません。)

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相対論と量子力学のただならぬ関係は、
God shakes no dice(A.Einstein)⇔God shakes many dice. He is a gambler.(Hawking)
という対立に見ることができます。ここでGodは宇宙の真理という意味で使われています。

宇宙誕生時に発生した重力波やその後に宇宙で発生した重力波を検出して宇宙構造を把握しようとする懸命な試みが天文物理学者によって長い間なされてきましたが、最近アメリカの研究グループによって(宇宙から飛来する光ないし電波の波形の変化を調べることにより件の重力波は)ようやくつきとめられるに至りました。(2016年ノーベル物理学賞受受賞。)重力波を観測すれば私達は誕生直後の宇宙の姿を見ることができるようになります。

芸術的なモーツァルトの旋律やセザンヌの色彩は、見ただけで、聞いただけでその美しさがわかります。詩歌や文学の名作も読んで、その美しさに右脳が感動します。また、論文を読む場合には、その構成の美しさ、論理展開の巧みさ、美しさ、簡明さに気付き、感動します。また、非常にコンパクトに要約されていることに気付いて感動します。これらと同じ理由で、数学・物理・化学等理系科目の数式の美しさに感動できる人は、数理科目のセンスがあると評価できるのです。

ひるがえって難関大学の入試問題を検討すると、頭の良い複数の、先生方(大学教授)が一年間練り上げただけあって問題文に無駄がなく、文章も含めて極めてシンプルで美しい文章・数式で構成され、記述されています。このような美しい問題を解いて正解に達するには、どうすればよいでしょうか?

文系・理系の問題を問わず、まず問題文を素直に読むこと、出題意図をシンプルに探ること、次に、その問題文にあてはまる、基礎的な教科書の公式・構文はないか、出題意図に沿って考えてみること。見つからなかったら、更に基礎的な公式・構文を組み合わせてみること。この際、難しく考えず、よりシンプルな思考に徹すること。見つかったら(着想を得たら)、その公式・構文を問題文にあてはめ(三段論法)、解答を出すことを試みること。きれいでない答が出なかったら、再考してきれいな答を見つける努力をすること。

以上、幼児期の早期英才教育、小学生・中学受験期のリベラルアーツ、中学生・高校受験期のアクティブラーニング、高校生・大学受験期のディープラーニングとみてきましたが、その底を一貫して流れるのは東大式学習法という柔軟な思考法なのです。 ディープラーニング(深層学習)が充分できるようになる為には、幼児期、頭脳が柔軟で吸収意欲が旺盛な時期に早期英才教育をうけることが大切という結果が出ています。早い時期から早期英才教育を受け、正しい学びを身に付けるようにして下さい。 尚、ディープラーニングの最たるものは、動画の高校生-ディープラーニングの項と本ホームページの実験1月振り子の等時性をクリックと宇宙創成パラダイムのコンテンツをクリックしてご覧下さい。

# 宇宙創生パラダイム #

下記絵図は、画面の都合上四次元時空をやむなく二次元平面に変換したものです。
ユークリッド時空
量子論の世界
(ハイゼンベルグ,シュレディンガー等)

ユークリッド時空(虚時間時空)量子論(量子力学)では宇宙のダイナミクスは「宇宙の波動関数」として扱われます。シュレディンガーの波動方程式

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上の式は量子力学を記述するシュレディンガーの波動方程式です。
(ニュートンの運動方程式(F = ma)は粒子の運動を表しますが、波動方程式はいわば、波動性をもつ粒子の運動を表す運動方程式と言えます。)
※Ψは波動関数 (波動関数は様々な位置の波 = 実数部分と虚数部分からなる複素数の波の様子を表す複素関数。波は空間的広がりを表します。)
波動方程式を解く事により物質がどんな形の波(物質波)になって伝わるのかがわかります。
ここで物質波は確率の波を意味すると考えられます。
結局宇宙は波動として実在し(アインシュタインが言う様な局所的実在ではありません。)
この実在を表すのが波動関数なのです。

ローレンツ時空
相対論の世界
(アインシュタイン)

ローレンツ時空(実時間をもつ通常の時空)(=ド・シッター宇宙(de Sitter space)
アインシュタインの重力場方程式(一般相対性理論の記述)

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R,g,Tに添え字としてついている μ,γはそれぞれ0(時間)及び1,2,3(縦、横、高さの空間)の4つの要素を持つのでRμνは4x4=16の要素を持ちます。 この16個のうち6個は対象性の原理から同じものなので結局宇宙方程式で宇宙の曲率を求めることはRμγの10個の要素を求めることになり合計10個の要素での10元連立方程式を解くことになります。これを解くことによってブラックホール(シュヴァルツシルト)やインフレーション理論(佐藤勝彦東大教授等)等様々な解が得られたし、又これからも得られる可能性があります。
(この重力場方程式の左辺は時空の曲率を表し、右辺は時空の曲率を決める要素を表します。)上の式はアインシュタインの一般相対性理論を記述する重力場(宇宙)方程式です。
※4 重力場方程式(上式)はニュートンの万有引力(重力)を時空の曲がりと定義しています。重力場方程式に宇宙項が導入された経緯についてはクリックして読んで下さい。

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化学の問題の解き方

化学はモル(=物質量)で考え、比例式をたてて解け!

化学は無機化学、有機化学を問わず(アボガドロ数・質量・気体の体積を全て)モル数に換算し、比例式で解くと極めてシンプルに解答を導くことができ、化学の体系が頭の中に整理されて、頭の中がとてもクリアになります。

化学の本質的概念

注意すべきはモル同士1:1で対応しているのか、1:2で対応しているのか、よく考えることが大切だということです。

才能と努力が握手すれば必ず学力は伸びる。
合格まで気を抜くな!体のスタミナが切れたら心のスタミナで走り抜け!
汝、力を尽くして狭き門より入れ!
A.ジード