martes, 1 de xuño de 2021

Problemas da 'American Mathematics Competitions' para secundaria

En entradas anteriores recollera neste blogue unha escolma de problemas da UKMT tanto para o alumnado da ESO (primeira etapa, segunda etapa) como para o do bacharelato. Desta volta non cambio de idioma pero salto o charco.

Nas competicións AMC (American Mathematics Competitions) preséntanse 25 problemas con cinco respostas posibles a escoller para realizar nun tempo limitado: 40 minutos (AMC 8) ou 75 minutos (AMC 10 e AMC 12). Hai varias categorías, segundo o nivel (a idade) do alumnado. Os AMC 8 están pensados para alumnos dunha idade correspondente a 2º da ESO, os AMC 10 para 4º da ESO e os AMC 12 para 2º de bacharelato. De seguido recollo algúns exemplos, aínda que lles retirei as respostas pois prefiro enfocar a resolución de problemas sen ter que escoller a solución entre un grupo de respostas dadas. Os títulos tamén son obra miña.

Os dous seguintes problemas son do AMC 8 do ano 2005. Do primeiro estrañáronme moito as dúas primeiras liñas, adicadas a describir o campo de xogo, que non é outro cousa que un reloxo. Neste caso engadinlle a ilustración.

A saltos polo reloxo. Alice e Bob participan nun xogo que se desenvolve nunha circunferencia dividida  en 12 puntos igualmente espazados. Os puntos están numerados no sentido das agullas dun reloxo, do 1 ao 12. Ambos comezan no punto 12. Alice móvese no sentido das agullas dun reloxo e Bob no sentido contrario. En cada turno do xogo Alice móvese 5 puntos no sentido das agullas do reloxo e Bob móvese 9 puntos no sentido contrario. O xogo remata cando ambos paran no mesmo punto. Cantos turnos lles levará rematar?

Puntos e triángulos. Cantos triángulos distintos se poden debuxar usando tres dos seguintes puntos como vértices? 



Vai agora un da AMC 10, do ano 2004

Diferenza triangular. Na figura ∠ EAB  e   ∠ABC son ángulos rectos. AB=4, BC=6, AE=8 e AC e BE intersécanse en D. Cal é a diferenza entre as áreas dos triángulos  △ABE  e △BDC






Outro do mesmo nivel, pero doutro ano, en concreto, do AMC 10 do ano 2014


 

Catro cubos. Catro cubos de lonxitudes de aresta 1, 2, 3 e 4 están amontoados como se mostra. Cal é a lonxitude da porcións de XY contida no cubo de aresta 3?













Para rematar, un par de problemas do nivel 12. O primeiro deles é do AMC 12 do ano 2011.

Medias. A media aritmética de dous naturais distintos x e y é un número natural de dous díxitos. A media xeométrica de x e y obtense invertendo os díxitos da media aritmética. Cal é o valor de |x-y| ?





A figura do seguinte problema chamoume a atención porque é a dun spinner, ese artefacto que non hai tanto foi obxecto dunha moda efémera, sobre todo entre os rapaces. Collíano polo centro entre dous dedos e non paraban de darlle voltas. Haiche gustos!
 O problema apareceu no AMC 12 do 2012. Neste caso non me gustou a redacción  porque dá demasiados datos e ofrece unha vía para a súa resolución polo que pecha a posibilidade de razoala desde cero, que é o realmente interesante. Por iso ofrezo no "meu spinner" un enunciado alternativo. 

O spinner. A curva cerrada da figura está formada por 9 arcos circulares congruentes, cada un de lonxitude 2π/3 onde cada un dos centros das circunferencias correspondentes está nos vértices dun hexágono regular de lado 2. Cal é a área delimitada pola curva?



O meu spinner. A curva cerrada da figura está formada por 9 arcos circulares congruentes debuxados tomando como centros os 6 puntos marcados con raios de lonxitude 1. Cal é a área delimitada pola curva?


Isto de aquí é unha pequena mostra. Na wiki do Art of Problem Solving hai como estes, a centos.  Dá para entreterse unha boa temporada.

martes, 25 de maio de 2021

O oficio de ser profesor de matemáticas. O vértice da parábola.

Como exemplo de en que consiste o oficio de ser profesor de matemáticas vou relatar algunha das consideracións que fixen ao dar unha clase en 3º da ESO ao abordar o estudo das funcións cuadráticas, en concreto, a representación gráfica das parábolas.

Antes de nada comento algunha das cousas que aparecen nos libros de texto de Matemáticas Aplicadas actuais escollidos ao chou. En primeiro lugar o de 3º da ESO de Bruño. Antes do contido da fotografía só se daba a gráfica de y=x2 destacando dela un feito ao que Galileo lle sacou moito partido pero que neste contexto non serve máis que para despistar: que a diferenza entre valores enteiros das ordenadas dá a sucesión de impares. Despois xa temos a seguinte receita.

O seguinte recorte é do libro de 4º da ESO de Santillana. As epígrafes anteriores estaban adicadas ás parábolas y=ax2 , y=ax2 +c e y=ax2 +bx. Para cada un dos casos dase unha fórmula distinta para a obtención do vértice. En ningún deles se estuda como varía a forma da gráfica segundo varía a. Tampouco se indica en ningún sitio o papel que xoga o termo independente c. En resumo, as matemáticas son unha restra de receitas. No summum desta filosofía, explicítasenos ademais a ordenada do vértice. É necesaria esta fórmula cando basta con substituir o valor da abscisa na expresión alxébrica da parábola?



Temos que aceptar a fórmula para a abscisa do vértice ou, pola contra, podemos deducila? Está claro que me gusta facer preguntas retóricas. A resposta é afirmativa, pois de non selo, non a faría. Parto da base de que soltar unha fórmula tras outra non é dar clase de matemáticas pois non é facer matemáticas. As fórmulas non caen do ceo polo que, sempre que sexa posible, cómpre derivalas doutros coñecementos que teñamos adquiridos. Ademais isto permite a fixación a longo prazo e a aprendizaxe de estratexias de resolución de problemas.

Como todos estes materiais, alén das problemáticas comentadas, só os podemos encontrar en castelán, eu recomendo os recursos do Descartes ED@D, que podemos consultar en galego e permiten unha relación máis dinámica que un libro de texto ao conter escenas interactivas que guían a aprendizaxe. Con todo, se queremos só libro de texto, tamén o podemos descargar (aquí un exemplo do tema en cuestión), aínda que eu prefiro usar os cadernos de traballo editables (e editalos) que atopamos sempre na primeira páxina de cada tema. Pasemos a traballar coa unidade do Proxecto Descartes.

 

Despois de botarlle unha ollada ao texto, centrémonos na escena da dereita. Trátase de representar a parábola y=x2  cubrindo unha táboa de valores (hai que premer enter cada vez que introduzamos un valor) Os alumnos deben facelo tamén no seu caderno. Ao finalizar insistimos nas características máis importantes da representación: o eixe de simetría e o vértice da parábola.

Aparécenos unha frecha para continuar traballando coa escena. Agora trátase de ver a representación das funcións da forma y=ax2 para distintos valores de a. Xogamos con eses valores e vemos na escena como varían os valores de y, pero sobre todo observamos os cambios da gráfica segundo variamos o parámetro a. Despois de varias preguntas e respostas na clase acordamos que:

  • Canto maiores (en valor absoluto) son os valores de a, máis pechada é a parábola e canto menores (en valor absoluto), máis aberta.
  • Para valores positivos de a a parábola ábrese por arriba e o vértice é un mínimo. 
  • Para valores positivos de a a parábola ábrese por abaixo e o vértice é un máximo

Se nos fixamos na seguinte escena interactiva, agora podemos ver como varía a gráfica da parábola ao introducir o termo independente c. A función  y=ax2 trasládanse c unidades sobre o eixo de ordenadas para darnos a gráfica de  y=ax2 +c

 

Os problemas comezan coa lectura do texto destacado á esquerda que nos remiten ás mesmas cuestións que as apuntadas cando revisamos os libros de texto. Aquí vólvenos a aparecer a eiva anteriormente comentada. Recóllese sen xutificación ningunha a fórmula para a abscisa do vértice. Vexamos como podemos introducila a este nivel de ensino. Para iso, antes de nada, vou repasar os coñecementos previos que son necesarios para esa dedución.

Coñecementos previos

  • No seu día traballamos a resolución de ecuacións de segundo grao. Fixémolo con certa profundidade pois ademais da dedución da fórmula que dá as solucións da ecuación, deducimos as fórmulas de Vieta que nos indican a relación da suma (e do produto) das raíces cos coeficientes da ecuación. En concreto, sexan x1 e x2 as solucións de ax2+bx+c=0$$x_{1}=\frac{-b+ \sqrt{b^{2}-4ac}}{2a}\quad x_{2}=\frac{-b- \sqrt{b^{2}-4ac}}{2a}\\S=x_{1}+x_{2}=\frac{-b+ \sqrt{b^{2}-4ac}}{2a}+\frac{-b- \sqrt{b^{2}-4ac}}{2a}=\frac{-2b}{2a}=\frac{-b}{a}$$
  • Tamén se estudaron as ecuacións das rectas na súa forma explícita. En particular traballáronse as ecuacións das rectas horizontais y=k e as das rectas verticais x=k.
  • Por suposto, tamén saben calcular unha media.
  • Non nos esquezamos de que acabamos de ver que a gráfica de  y=ax2 +c é a translación de c unidades sobre o eixo Y de  y=ax2 
  • Nin de que as parábolas teñen un eixo de simetría vertical 
  • E que isto significa que cortan as rectas horizontais "á mesma altura"
  • E que o vértice está nese eixo

O vértice da parábola

Con todo isto na faltriqueira, podemos abordar a dedución da fórmula en cuestión. Decatémonos de que son unha gran cantidade de ítems e que isto pode producir en moitos alumnos unha saturación cognitiva. Por iso convén repasar e  clarificar todas estas ideas anteriores antes de continuar. Agora ben, o emprego de tantas ideas dadas durante o curso permiten o seu repaso e desvelan a súa utilidade noutras partes da materia. Especialmente destacable é a fórmula de Vieta para suma das solucións que no seu día parecía unha extravagancia, unha profundización sen moito sentido, e que agora se vai revelar como a porta á resolución dun novo problema.

Como o proceso é bastante complicado adiántase que únicamente traballaremos con parábolas co coeficiente a>0; isto é, parábolas abertas "por arriba". O profesor propón dous exercicios. No primeiro explica unha estratexia de resolución e as súas razóns.

Exercicio 1.Representación gráfica de  de  y=x2 -4x+3 . 

Xa vimos nas escenas anteriores que as gráficas daquelas parábolas son simétricas. Adiántase que isto seguirá sendo así. Comenzarase con algo coñecido, a resolución da ecuación   x2 -4x+3=0 . Reflexiónase que isto é equivalente a achar os puntos de corte da parábola co eixo dos X.  Obtemos  x1 = 1 e x2=3. Represéntase no plano cartesiano:


Ponse en evidencia que estes son dous puntos da parábola que están á mesma altura, ergo son simétricos. Polo tanto o eixo de simetría pasará polo punto medio x=2 e terá como ecuación x=2:


Tamén sabemos que o vértice estará nalgún lugar deste eixo, isto é, a primeira coordenada do vértice é vx = 2 . Para calcular a segunda, basta con valorar a función y=x2 -4x+3 neste punto e obtemos vy = -1. Agora podemos facer uso da simetría e dar valores por parellas á mesma distancia do eixo porque sabemos que para cada parella o valor da función será o mesmo. Velaquí a táboa, os puntos representados e a gráfica.



Agora é o turno do alumnado, sen guía do profesor.
Exericio 2. Representación gráfica de  y=x2 -2x-3 . 
Neste caso os puntos de corte co eixo dos X son  x1 = -1 e x2=3 polo que a primeira coordenada do vértice será media destas raíces que é vx = 1. Este valor tamén nos indica o eixo de simetría. A solución neste novo caso é a seguinte:


Quedou ben claro que o eixo de simetría é o punto medio das raíces da ecuación de segundo grao. Lembrando as fórmulas de Vieta para este tipo de ecuacións podemos deducir a ansiada fórmula:
$$v_{x}=\frac{x_{1}+x_{2}}{2}=\frac{S}{2}=\frac{\frac{-b}{a}}{2}=\frac{-b}{2a}$$
Se aplicamos esta fórmula aos dous exercicios anteriores veremos que a fórmula nos dá os valores achados anteriormente:
$$\underline{Exercio 1.}\quad v_{x}=\frac{-b}{2a}=\frac{-\left ( -4 \right )}{2\cdot 1}=2\\\underline{Exercio 2.}\quad v_{x}=\frac{-b}{2a}=\frac{-\left ( -2 \right )}{2\cdot 1}=1$$
Ademais destacamos que aplicar esta nova fórmula afórranos o cálculo das solucións da ecuación de segundo grao. Pídeselles que o fagan nos seguintes exercicios.
Exercicio 3. Representación gráfica de  y=2x2 -12x+10 
Exercicio 4. Representación gráfica de  y=x2 +4x+6 

O máis interesante de todo este proceso é observar o que sucede na aula cando propoñemos comprobar neste último exercicio que o eixo de simetría coincide co punto medio das solucións da ecuación x2 +4x+6=0. A cuestión é que non ten solucións reais. Entón, como é que puidemos achar o vértice da parábola? Non era que a fórmula se obtiña precisamente ao calcular a media das solucións da ecuación? Como é posible que a fórmula funcione máis alá de onde foi obtida? É practicamente seguro que ningún alumno deste nivel sexa quen de dar resposta satisfactoria a estas cuestións. Non se trata de crearlles inseguridade nas matemáticas. Polo contratrio, o obxectivo está en destacar o extraordinarias que son. Seguro que hai razóns inescrutables que fan que funcione a fórmula. No improbable caso de que haxa un ambiente de interese por buscalas, e se despois dalgún tempo de reflexión e traballo non xurde ningunha idea, pódeselles recordar que a variación do termo independente trasladaba a curva verticalmente ou, equivalentemente, quizais conveña cortar a parábola con rectas horizontais como y=3 ou y=4 que darán lugar a puntos equidistantes do eixo de simetría.
Seguindo no contexto do exercicio 4, que pasa coas parábolas da forma y=x2 +4x+c ? E se c=0?Ou, fixándonos na fórmula da abscisa do vértice, decatamonos de que non depende de c para nada? Iso que significa? As fórmulas non só non son obra dun demiurgo, senón que ademais fálannos e dinnos cousas das que non nos decataremos nunha lectura superficial. Velaí que todos estes procesos significan unha maior profundización no tema a tratar. A desvantaxe consiste en que precisan de moito máis tempo. A vantaxe é que se tratan as matemáticas coma se fosen matemáticas. 
Finalmente unha aclaración. Non se trata de que aquel que non explique como calcular o vértice dunha parábola exactamente tal e como o fixen aquí esté poñendo en práctica unha docencia irreflexiva pois nin eu mesmo o fago exactamente así. O importante é que no modo de enfocar as clases haxa unha corrente subterránea que cuestione todo aquilo que se vai levar á aula baixo os parámetros da materia. Espero que quede establecido que unha cousa é ensinar a razoar, a xeneralizar, a reflexionar sobre casos extremos, a facerse preguntas e incluso a dar algunha resposta, en definitiva, dar clases de matemáticas. Outra cousa moi distinta é recitar libros de texto, revelar listados de leis e propiedades, adicar os días e as noites a listas de exercicios repetitivos. Isto outro é dar clase de relixión.

mércores, 12 de maio de 2021

Cerrando o círculo con Martin Gardner

Polo meu ben, non debería escribir estes parágrafos porque o primeiro que se vai destacar é a miña falta de cultura matemática. Hai unhas poucas semanas redactaba outra entrada, "Recuncando en Alcuíno" na que recollía un grupo de problemas semellantes nos que entraban en xogo un medio de transporte e o combustible para o seu funcionamento. Pedíase optimizar os recursos para chegar con ese transporte a un determinado obxectivo. Os problemas aparecen copiados ao final desta entrada.

Ben sei que non se pode pretender ser perfectamente sistemático. Con todo, a miña intención era recoller a familia máis ampla de problemas que se puideran agrupar baixo un mesmo paraugas. Non podía imaxinar que pouco tempo despois había de bater cun novo problema desta clase, e nada menos que nun libro de Martin Gardner que, está claro, tiña sen ler, The 2nd Scientific American Book of Mathematical Puzzles and Diversions

Despois desta lección, dubido que poida cerrar o círculo deste tipo de problemas; posiblemente haxa algún outro semellante á espreita en calquera volta de folla. Polo momento recollo de seguido o de M. Gardner:

O voo arredor do mundo. Un grupo de aeroplanos teñen base nunha pequena illa. O tanque de cada aeroplano ten o combustible xusto para media viaxe arredor do mundo. Calquera cantidade de combustible pode transferirse do tanque de calquera aeroplano ao doutro durante o voo. A única fonte de combustible está na illa e asumimos que o trasvases son instantáneos.

Cal é o menor número de aeroplanos deben sair en voo para que un consiga dar unha volta completa arredor do mundo nunha traxectoria círcular. Suponse que tanto as velocidades como os consumos son sempre os mesmos e que todos os aeroplanos regresan a salvo á illa base.

Despois de lelo cómpre un momento de repouso e o intento da súa resolución. Paga a pena. Máis abaixo recollo tamén a solución de Martin Gardner. Fágoo sobre todo por unha razón, pola simplicidade e fermosura do esquema que nos proporciona esa solución.

Para darlle tempo ao enventual solucionador do problema, meto polo medio os enunciados mencionados anteriormente.

Problema do camelo. Un camelo debe transportar 90 modios de trigo dunha casa a outra que queda a 30 leguas. O camelo nunca pode levar unha carga superior a 30 modios. Ademais o camelo come un modio por cada legua. Con cantos modios pode chegar á segunda casa?


Problema do jeep. Nunha base fixa hai unidades de combustible. Dispoñemos dun jeep que pode levar ata 1 unidade de combustible, e nunca máis. Cun consumo constante o jeep gasta 1 unidade de combustible por unidade de distancia. En calquera punto do camiño pode deixar calquera cantidade de combustible ou recoller calquera cantidade deixada nunha viaxe anterior. combustible. Cal é a máxima distancia que se pode alcanzar?


O problema da motocicleta. Unha pista circular nun deserto debe ser patrullada. Un explorador e unha motocicleta serán transportados en helicóptero a algún punto da pista, e o explorador debe facer un circuíto completo no sentido das agullas do reloxo  na motocicleta, que ten un tanque de 1 litro. O piloto do helicóptero dille ao explorador: "Teño boas e malas noticias". "Cales son as malas noticias?" "O tanque desta motocicleta está baleiro". "Oh ! E cales son as boas noticias? “A boa noticia é que hai latas de gasolina colocadas ao longo da pista, e xuntas conteñen 1 litro de gasolina, que é suficiente gasolina para que vostede e esta motocicleta circulen pola pista unha vez. Aquí hai un mapa que mostra onde están as latas e canta gasolina contén cada unha. Onde queres que che deixe?"


Agora a solución. Como o esquema é tan claro, non cómpre engadir ningunha aclaración. 

Onde outros ven un cadrado,
un matemático ve un cilindro

luns, 3 de maio de 2021

Matemáticas, linguas e outros asuntos. Unha conferencia de Victoria Otero


A catástrofe da pandemia da COVID 19 obrigou a que a programación de conferencias presenciais, reservadas para o público da localidade, multiplicase un tipo de charlas paradoxalmente máis próximas, máis cara a cara e máis preparadas para poder ver en vídeo. Presento aquí a conferencia que M. Victoria Otero Espinar impartiu telemáticamente para o Ateneo de Santiago baixo o título "Matemáticas, linguas e outros asuntos"

Na conferencia explícanse varios modelos matemáticos que desenvolven a dinámica entre dúas linguas en conflito. Botei en falta unha perspectiva normalizadora. Fálase da morte de tal forma que parece natural e non se incide en que o declive dunha lingua vén dado pola implantación dunha política lingüística co obxectivo do asasinato lingüístico. 

As matemáticas poden sintetizar a evolución lingüística nun territorio? O problema consiste en cuantificar a dinámica lingüística

Pártese das seguintes hipóteses: o uso da lingua aumenta cando aumenta o número de falantes e tamén cando aumenta o seu prestixio.

Establécese o cambio lingüístico dunha lingua X a outra lingua Y en función das hipóteses anteriores. A partir de aquí establécese unha ecuación diferencial

$$\frac{dx}{dt}=c\cdot {\left ( 1-x \right )}^a s - cx{\left ( 1-x \right )}^a \left ( 1-s \right )$$

onde tanto  s coma o resto dos parámetros, toma valores no intervalo [0,1] e mide o estatus da lingua X  fronte a 1-s que nos daría o estatus da outra lingua. O parámetro a pondera a fracción de membros dun grupo para atraer novos falantes. Demostrouse que este parámetro a é prácticamente igual independentemente das linguas que estean en competición.O primeiro sumando representa os falantes de Y que cambian a X e o segundo o dos falantes de X que pasan a falar en Y.

Este modelo, publicado por Daniel M. Abrahams e Steven H. Strogatz en Nature no 2003 predice a morte dunha das linguas. O problema deste modelo é que considera linguas  moi diferentes como o éuscaro e castelán e considera unha dinámica entre grupos estrictamente monolingües. Por iso introduciuse outro parámetro, k, que cuantifica a proximidade entre dúas linguas e tamén se introduce un grupo B de bilingües.

$$\frac{dx}{dt}=c\left [\left ( 1-x \right )\left ( 1-k \right )\left ( \left ( 1-s \right ) \right ) {\left ( 1-y \right )}^a  -x\left ( 1-s \right )\left ( 1-x \right )^{a} \right ]\\\frac{dy}{dt}=c\left [ \left ( 1-y  \right )\left ( 1-k \right ) \left ( 1-s \right )\left ( 1-x \right )^{a}-ys\left ( 1-y \right )^{a}\right ]$$

Este novo modelo, de Otero Espinar, Seoane, Nieto e Mira,  axustouse para Galicia atendendo á evolución do galego e o castelán entre os anos 1875 a 1975. O seguinte paso consistiría en empregar este modelo para predecir a evolución da dinámica lingüística no futuro e establecer simulacións segundo cambien as condicións iniciais.

Partindo dunha alta similaridade entre galego e castelán: k=0.8 (o 1 sería a coincidencia), e dunha medida para o estatus do galego s=0.26 (versus un prestixio do castelán de 1-s=0.74) situariamonos onde está marcado o punto vermello. Como vemos está na zona verde, isto indica que as dúas linguas coexistirían pero cun claro declive do uso do galego. Como referencia, ao final do vídeo coméntase que os valores do éuscaro eran k=0,22 e s=0,4.

Este modelo de Otero Espinar et al  é máis elaborado que o de Abrahams-Strogatz, pero desde o meu punto de vista ten aínda aspectos cuestionables. Introdúcese mediante o parámetro k o concepto de "similaridade lingüística" pero isto pode ocultar un fenómeno cada vez máis presente en casos como o galego e o catalán. Resulta que a lingua minorizada, por ser semellante á dominante e tamén por esa minorización, vai recollendo como propias as estruturas da lingua A. Así temos un galego cada vez máis inzado de castelanismos, pero tamén, e isto é moito máis perigoso para a supervivencia da nosa lingua,  a sintaxe galega está perdendo forza e converxendo cada vez máis cara a española. Neste sentido a similaridade entre linguas ten un efecto de dilución da lingua B que non vexo tratado neste modelo e que aceleraría a súa decadencia nun aspecto aínda máis preocupante que a da simple perda de falantes. Como se ve, hai campo para seguir elaborando modelos. O que teño claro é que en todos eles, unha perspectiva social normalizadora de defensa sen ataduras da lingua minorizada dará prediccións con perspectivas de crecemento e afianzamento da lingua ameazada nas condicións iniciais.

Pero, pódese medir a similitude entre linguas? Como se fai? Neste artigo do GCiencia divúlgase o traballo do Atlas Lingüístico Galego (ALGa) e, entre outras cousas coméntase un estudo de Xulio Sousa no que se mide mediante un índice a proximidade da fala de cada lugar co estándar. Entre outras cousas desmóntase o mito da enorme diferenza entre o galego falado e o normativo. Este tipo de estudos dialectolóxicos inclúen mapas tan fermososos como o seguinte, elaborado con diagramas de Voronoi ,como o deste chío do ILG sobre a denominación do derradeiro día do ano

Na última parte da conferencia Victoria Otero toca fala do uso do big-data, supuxo un cambio moi importante na análise da evolución das linguas. Están a crearse mundos virtuais no que o sofware pode crear linguas novas. Conta o caso duns investigadores de facebook que deixaron a dúas máquinas manter unha conversa entre elas. O resultado foi que crearon unha nova lingua, máis eficiente que o inglés.

Finalmente tamén se fala do problema da escaseza de licenciados en matemáticas que teñan como perspectiva profesional o ensino. 

luns, 19 de abril de 2021

Os autores de Mate-glifos, unha gran vocación de divulgar as matemáticas

Nicanor Alonso e Miguel Mirás son dous profesores de matemáticas da Universidade de Vigo que escribiron un libro de divulgación titulado "Mate-glifos" (Xerais, 2019) do que temos falado neste mesmo blogue. O pasado 14 de marzo visitaron o IES Antón Losada (A Estrada) para ofrecer unha charla ao alumnado de 2º e de 4º da ESO. Ambos demostraron unha gran vocación de divulgación, unha actitude contínua de achegar as matemáticas aos rapaces botando man de múltiples recursos: ábacos, imaxes, xogos con números, un cubo máxico ou un simple folio.


Comezaron preguntando que é un mate-glifo. Esta palabra non existe nos dicionarios, pero si acharemos o termo glifo. Se sabemos o que é un petróglifo, ou un xeroglifo xa podemos enxergar o significado do vocablo mate-glifo. Efectivamente, estámonos referindo aos símbolos matemáticos. Os principais podémolos consultar neste póster que nos ensinaron no transcurso do seu relatorio. Vemos como a carón de cada símbolo temos o seu significado, quen e en que ano o usou por primeira vez. 

Póster Glifoteca by kiarqu2458

Durante as súas intervencións Nicanor e Miguel non só nos falaron dos símbolos matemáticos ou do significado da idea matemática de base dun sistema de numeración, senón que tamén compartiron diversos xogos matemáticos que desenvolvían as ideas matemáticas que estaban tratando.

Como se abordou o tema do uso do corpo humano como soporte para contar, presentouse un método para obter a táboa do 9 a partir dos dedos das mans. 

  

Nestas imaxes podemos ver ao alumnado en plena práctica de repaso da táboa de multiplicar.

Tamén se falu do sistema de numeración en base 2, e en relación con el, mediante o cubo das idades do matemago Werner Miller, os poñentes adiviñaron as datas de nacemento de varios alumnos. O cubo en cuestión é un artefacto moi curioso, con 5 das súas caras formando cadrados máxicos con números do 1 ao 31. Ademais cada un deses 5 cadrados máxicos verifica a propiedade de que todos os números que o forman comparte a propiedade de teren un 1 no mesmo lugar da súa escritura en forma binaria. Lembremos que un cadrado máxico consiste nunha táboa de 3x3, 4x4, 5x5,.... números de forma que a suma de todas as filas, a de todas as columnas e a das dúas diagonais dá sempre o mesmo resultado. Por exemplo, no cadrado máxico 4x4 da imaxe de abaixo, todas estas sumas dan 70. 

xoves, 15 de abril de 2021

Anotacións á "Variábel sombra do sol" de Antón Otero

 O Departamento de Matemáticas do IES Monelos ten nome, chámase Departamento Antón Otero Baamonde "Tonón" en memoria do que fora membro do mesmo. Na propia páxina do Departamento achamos varios apuntes sobre a biografía de Antón Otero. Así sabemos que ademais de moitas aportacións no campo do ensino das matemáticas como os libros para todos os cursos da ESO de Baía Edicións (hoxe prohibidos pola Xunta), estivo implicado na loita antifranquista e guiose sempre por tres directices: "a reivindicación do laicismo escolar[...], a galeguización do ensino e a innovación educativa".Neste último aspecto, na súa biografía ten no seu haber a participación nas folgas e manifestacións polo expediente aberto a Xosefa Baamonde por impartir clase en galego no colexio Dices-Rois.

Para min foi unha sorpresa que me encheu de ledicia a lectura o artigo, publicado en galego, no nº 17 revista SUMA da FESPM, titulado "A variábel sombra do sol", de autoría compartida con David Buján e Ana Otero. Aquí explícase botando man dunha boa colección de debuxos, como é a forma da sombra do sol segundo a latitude do observador ou a data do ano.

Eu non coñecín a Tonón, pero bastaría o pouco dito sobre el ata quí para afirmar que comprían centos coma el no mundo do ensino. Así que, como quixera dalgunha maneira sumarme á homenaxe que lle fan desde o seu departamento, van de seguido estas anotacións ao artigo "A variábel sombra do sol". Non vou engadir nada novo senón só presentar as mesmas ideas cunha nova cara. Trátase de obter explícitamente a ecuación da curva que describe a sombra do sol para poder usala nun programa de xeometría dinámica.

 

Cuestións previas

Coloquemos un pau de unha unidade de altura chantado perpendicular ao chan. O problema consiste en determinar cal será a súa sombra. O norte marcará o eixo das abscisas e o oeste o das ordenadas. 


Nun momento dado o Sol estará no punto X da esfera celeste. Representamos o triángulo parláctico para X. Trátase de obter a ecuación da sombra no plano horizontal en coordenadas (x,y)




Ampliamos o pau en C e a súa sombra. Ao escollermos un pau de lonxitude unitade, a sombra medirá tanz, de aí que as coordenadas do punto que marca a sombra serán 


$$x=tanz\ cos(-a)= tanz \ cosa\\y=tanz\ sen(-a)=-tanz\ sena$$





Noutra entrada anterior xa obtiveramos as fórmulas que nos dan o cambio das coordenadas ecuatoriais (δ, t) ás horizontais (z,a):

$$cosz=sen \varphi  \ sen\delta +cos\varphi \ cos\delta \ cost\quad\quad [1]\\senz\ sena=cos\delta \ sent\quad\quad\quad\quad\quad\quad [2]\\senz\ cosa=-cos\varphi \ sen\delta +sen\varphi \ cos\delta \ cost\quad[3]$$

Dividindo [3] entre [1] obteremos a coordenada x da sombra. 

$$\frac{senz\ cosa}{cosz}=\frac{-cos\varphi\ sen\delta +sen\varphi \ cos\delta \ cost  }{sen\varphi \ sen\delta +cos\varphi \ cos\delta \ cost}\\x=\frac{-cos\varphi \ tan\delta +sen\varphi \ cost}{sen\varphi\  tan\delta+cos\varphi \ cost }$$


Dividindo [2] entre [1] obteremos a coordenada y da sombra:

$$\frac{senz\ sena}{cosz}=\frac{cos\delta \ sent}{sen\varphi \ sen\delta +cos\varphi \ cost}\\-y=\frac{sent}{sen\varphi \ tan\delta +cos\varphi \ cost}$$

Con estes vimbios xa estamos en disposición de obter a ecuación da sombra. Para que os cálculos se fagan menos pesados fagamos os cambios:

senφ=s             cosφ=c           tanδ=d

Agora nas expresións anteriores das coordenadas da sombra x e máis y, poderemos despexar sent e cost:

$$x=\frac{-cd+s\cdot cost}{sd+c\cdot cost}\\xds+sc\cdot cost=-cd+s\cdot cost\\(s-cx)cost=cd+sdx\\cost=\frac{cd+sdx}{s-cx}$$

$$sent=-y\left ( sd+c\cdot cost \right )=-y\left ( sd+c\frac{cd+sdx}{s-cx} \right )=-y\left ( \frac{s^{2}d-scdx+c^{2}d+scdx}{s-cx}\right )=\frac{-yd}{x-cx}$$

Agora, aplicando a fórmula fundamental da trigonometría:

$$sen^{2}t+cos^{2}t=\frac{d^{2}y^{2}}{\left ( s-cx \right )^{2}}+\frac{c^{2}d^{2}+2csd^{2}x+s^{2}d^{2}x^{2}}{\left ( s-cx \right )^{2}}=1\\d^{2}y^2{}+c^{2}d^{2}+2csd^{2}x+s^{2}d^{2}x^{2}=s^{2}-2scx+c^{2}x^{2}\\d^{2}y^{2}=\left ( c^{2}-s^{2}d^{2} \right )x^{2}-\left ( 2sc+2scd^{2} \right )x+s^{2}-c^{2}d^{2}$$

Podemos traducir a nova igualdade e poñer así en evidencia que estamos fronte a unha cónica que vai depender únicamente de dous parámetros: a latitude φ do lugar no que colocamos o gnomon e a declinación δ do Sol. Teñamos presente que esta última ten -23,5º como valor mínimo e +23,5º como valor máximo.

$$tan^{2}\delta \cdot y^{2}=\left ( cos^{2}\varphi-sen^{2}\varphi \cdot tan^{2}\delta  \right )x^{2}-\left ( 2sen\varphi \cdot cos\varphi +2sen\varphi \cdot cos\varphi\cdot  tan^{2}\delta  \right )x+sen^{2}\varphi -cos^{2}\varphi\cdot  tan^{2}\delta $$

Agora só nos queda introducir esta identidade nun progrma de xeometría dinámica como o Geogebra para xogar coas dúas variables que nos dan a ecuación da sombra, a latitude do lugar φ e a declinación solar δ.

As anotacións 

No mencionado artigo de Antón Otero et al comézase destacando que a traxectoria da sombra nos equinoccios é unha recta que distará da liña leste-oeste unha lonxitude que dependerá da latitude do lugar de observación. En todos os casos aparece a lonxitude da sombra no mediodía.


En todos os GIFs aparece indicado o valor da lonxitude da sombra ao mediodía.

Agora ben, como será a traxectoria da sombra no transcurso dun ano nas nosas latitudes. Velaquí a temos, será unha rama de hipérbole que corta á liña leste-oeste durante a primavera e o verán (δ>0): e que fica no semiplano OLN durante o outono e o inverno.


E como será a sombra do gnomon no polo norte? Velaquí:


E no ecuador? Cando a declinación solar é positiva a sombra manterase no semiplano OLS e cando a declinación é negativa ficará no semiplano OLN.


Finalmente, situándonos en latitudes superiores ao círculo polar ártico (φ>66.5) non nos custará vertoda unha variedade de cónicas: desde unha recta, a unha elipse, pasando por hipérboles e unha parábola:


xoves, 8 de abril de 2021

Sistemas de coordenadas astronómicos

NOTA previa: moléstame moito escribir *círculo cando me estou referindo a unha circunferencia. Con todo, vouno facer porque ese parece ser o terríbel costume instaurado na literatura que trata dos elementos xeográficos e astronómicos.

Coordenadas xeográficas


Consideraremos a Terra como unha esfera que xira arredor do eixo imaxinario que pasa polos polos (Polo Norte:P e Polo Sur: P') [nota aparte:encántame escribir unha palabra varias veces seguidas nunha frase con sentido]. O cículo máximo perpendicular a este eixo é o ecuador EE'. Os círculos paralelos ao ecuador chámanse precisamente paralelos. Cada un dos paralelos estará a unha distancia angular CTE denominada latitude, un ángulo φ que se mide entre 0º e 90º no hemisferio norte e no mesmo rango, pero con valores negativos, no hemisferio sur. Hai dous paralelos destacados, que ata reciben nome propio. O de latitude +23º26' é o chamado trópico de Cáncer, e o de latitude -23º26' denomínase trópico de Capricornio.

Máis abaixo falaremos das coordenadas celestes. Nese momento seguiremos a falar do eixo do mundo PP'. Agora P indicaranos o polo norte na esfera celeste. Resulta que nun punto da Terra no paralelo de latitude φ, a altura (ángulo entre o ecuador e o punto) do polo norte será precisamente φ: hP

Para determinar un punto na esfera cómpre outra coordenada. Se a latitude se determina a partir do círculo máximo do ecuador, a lonxitude determinarase tomando como referencia un dos meridianos ou círculos máximos que pasan polos polos [outra vez]. Tómase como referencia o meridiano que pasa polo Observatorio Real Observatorio de Greenwich (en Londres, Inglaterra). A distancia angular respecto deste meridiano é a lonxitude λ. Toma valores positivos cara o leste do meridiano, ata os 180º, e negativos cara o oeste. Se na figura 1 consideramos o meridiano PGP' como o de Greenwich, a lonxitude do punto T sería o ángulo λ entre este meridiano e o meridiano PTP'.

Por poñer un exemplo, o IES Antón Losada Diéguez (A Estrada) ten como coordenadas xeográficas unha latitude φ=42º 41' 33,5''= 42,69264 e uñha lonxitude λ=-8º 30' 24''=-8,50667

Pasemos agora ao estudo das coordenadas na esfera celeste. 

Sistema de coordenadas horizontais


Para determinar un punto na esfera celeste teremos como referencia o plano do horizonte, o plano NLSO. A recta perpendicular a este plano e na que se encontra o observador denomínase liña vertical. Esta liña cortará en dous puntos á esfera celeste. O punto Z situado enriba do observador C chámase cénit e Z', situado debaixo, recibe o nome de nadir. Os círculos máximos que teñen diámetro ZCZ' denomínanse círculos verticais.

Unha das coordenadas horizontais dun astro X será a altura h: o arco AX do círculo vertical AXZ. Toma valores entre 0º e 90º na parte visible da esfera celeste. Os valores negativos ata -90º correspóndense ás alturas na dirección do nadir. Alternativamente pódese dar a distancia cenital z: o arco ZX (que se mide entre 0º e 180º). Fica claro que se verifica que z+h=90º

Un círculo paralelo ao plano do horizonte denomínase almicantarat. Todos os puntos dun almicantarat teñen a mesma altura.

A outra coordenada horizontal é o acimut a: o ángulo SCA entre o círculo vertical do observador e o do astro X, medido desde o sur en dirección oeste. Pode tomar valores entre 0º e 360º. Algunhas veces podemos ver definido o acimut  partindo do norte, especialmente en xeodesia. Os puntos dun mesmo círculo vertical compartirán o mesmo acimut (土180º).

Polo movemento diario da Terra, unha estrela estará cambiando continuamente de coordenadas horizontais. Isto é unha desventaxa.

Primeiro sistema de coordenadas ecuatoriais

Tal e como anunciamos, denominaremos eixo do mundo PP' ao que une os polos. O círculo máximo perpendicular a PP' será o ecuador celeste QQ'. A declinación (ou latitude celeste) δ dun punto X situado sobre a esfera celeste é o ángulo que forma o raio vector CX co plano ecuatorial QQ'. Toma valores entre 0º e 90º para as estrelas do hemisferio boreal e terá valores negativos para as do hemisferio austral. A veces subsitúese esta coordenada polo arco p=PX, denominado distancia polar. Verifícase que p+δ=90º.

Os círculos máximos de diámetro PP' chámanse círculos horarios. A segunda coordenada obterase ao escoller o círculo horario QPQ'P'. Se medimos desde Q, sobre o ecuador celeste, o ángulo ata o círculo horario do punto X, teremos a coordenada t denominada ángulo horario. Este ángulo mídese desde Q cara o occidente para valores positivos de ata 180º. A dirección contraria resérvase para os valores negativos.

Segundo sistema de coordenadas ecuatoriais

A eclíptica é o plano ε'γεΩ no que se move o Sol. Forma un ángulo de 23º 26' co ecuador celeste e intersécao en dous puntos: o punto vernal ou punto Aries γ  que determina o equinocio de primavera e o punto Libra Ω, que é aquel polo que pasa o Sol no equinocio de outono.

Agora podemos falar dun un segundo sistema de coordenadas ecuatoriais. Tal e como indica o seu nome, tómase como referencia o ecuador celeste. De aí que unha das coordenadas sexa a antes mencionada declinación δ. O outro plano de referencia será a eclíptica, de aí que a outra coordenada deste sistema sexa  a ascensión recta α que será o arco sobre o ecuador celeste desde o punto Aries ata o círculo horario do astro. Toma valores ata os 360º.


O triángulo paraláctico.

Xa sabemos que as coordenadas horizontais están cambiando contiuamente co movemento diurno da Terra.. Pola contra as ecuatoriais permanecen fixas. Tamén é certo que as primeiras son máis intuitivas, de feito historicamente preceden ás segundas. Imos intentar establecer un sistema de cambio entre unhas es outras. Estas trasformacións poden facerse mediante o chamado triángulo paraláctico. Trátase dun triángulo esférico ZPX que ten como vértices o cénit do punto de observación Z, o polo norte celeste P e a estrela ou punto da esfera celeste X.



O lado PZ é o ángulo complementario da latitude do punto de observación: PZ=90-φ

O lado PX é o ángulo completentario da declinación do punto X: PX=90-δ

O lado ZX é o ángulo complementario da altura do punto X: ZX=90-h=z

O ángulo PZX é o ángulo suplementario do acimut de X: PZX=180-a

O ángulo ZPX é o ángulo horario t.

Tomando a distancia cenital z=90-h e aplicando as fórmulas do coseno e dos senos da trigonometría esférica ao triángulo paraláctico teremos:

$$cos\left ( 90-\delta  \right )=cos\left ( 90-\varphi  \right )senzsen\left ( 180-a \right )\\sen\left ( 90-\delta  \right )sent=senzsen\left ( 180-a \right )\\sen\left ( 90-\varphi  \right )cost=sen\left ( 90-\varphi  \right )cosz-cos\left ( 90-\varphi  \right )senzcos\left ( 180-a \right )$$

Polas propiedades básicas das razóns trigonométricas quedarían reducidas ao seguinte grupo de fórmulas que, a partir das coordenadas horizontais (z,a) nos darían as ecuatoriais (δ, t):

$$sen\delta =sen\varphi \ cosz-cos\varphi \ senz\ cosa\\cos\delta \ sent=senz\ sena\\cos\delta \ cost=cos\varphi \ cosz + sen\varphi\  senz\ cosa$$

Aplicando outra vez as fórmulas dos senos e coseno da trigonometría esférica ao triángulo paraláctico:

$$cosz=cos\left ( 90-\varphi  \right )\  cos\left ( 90-\delta  \right ) + sen\left ( 90-\varphi  \right )\ sen\left ( 90-\delta  \right )\ cost\\senz\ sen\left ( 180-a \right )=sen\left ( 90-\delta  \right )\ sent\\senz\ cos\left ( 180-a \right )=sen\left ( 90-\varphi  \right )\cos\left ( 90-\delta  \right )-cos\left ( 90-\varphi  \right )\ sen\left ( 90-\delta  \right )\ cost$$

Simplificando obtemos as fórmulas que nos dan o cambio das coordenadas ecuatoriais (δ, t) ás horizontais (z,a):

$$cosz=sen \varphi  \ sen\delta +cos\varphi \ cos\delta \ cost\\senz\ sena=cos\delta \ sent\\senz\ cosa=-cos\varphi \ sen\delta +sen\varphi \ cos\delta \ cost$$