quinta-feira, 30 de março de 2017

O experimento de Eratóstenes

Web do experimento
O Experimento Eratóstenes é un proxecto colaborativo e aberto a todos os centros que queiran participar. Ten como fin  reproducir,  na medida do posible, a medición da Terra feita polo que fóra director da Biblioteca de Alexandría no III a.C. En concreto, tratábase de medir a sombra dun pau vertical de 1 m. no momento en que alcanzaba a súa lonxitude mínima (mediodía local) o día 21 de marzo, un despois do equinoccio de primavera.
Ao apuntarse no portal como centro participante, recibíase un correo con aqueles centros que tiñan aproximadamente o mesmo meridiano. O alumnado de 4º da ESO do IES Antón Losada (A Estrada) participou na actividade. Tivemos a fortuna de que outro dos inscritos, un centro de Youssoufia (Marrocos) estivese prácticamente no noso mesmo meridiano.
Para saber a hora solar usamos esta aplicación. Cando o Sol estaba no punto máis alto saímos ao patio do centro, e medimos a sombra dun pau de 1 m. de altura que nos proporcionaron desde o cliclo de madeira. Fixemos varias medicións. Por suposto,  ningunha daba o mesmo.
Con todo, obtivemos un valor: 0,92 m de sombra. A esa mesma hora, a mesma medición do GDGSR Youssoufia foi de 0,63 m. Estes resultados permitían determinar o ángulo de incidencia do Sol nese momento sobre as dúas cidades.
Como se ve, suponse que os raios do Sol inciden paralelos sobre a Terra
Pensando un pouco, acharemos o ángulo α, que determinan as dúas vilas vistas desde o centro da Terra. Teñamos presente que o ángulo αY é igual ao ángulo YAB e que o αé igual ao EAB. Polo tanto α= αYーαE=arctan(0,92)ーarctan(0,62)=42,61ºー32,21º=10,4º

Agora temos que determinar a distancia entre A Estrada e Youssoufia. Seguro que Eratóstenes tivo máis problemas; nós fixémolo coa aplicación maps de google.
O resto xa é un simple problema de proporcionalidade directa.





Cosmos
A principios dos anos 80 emitiuse pola canle UHF da televisión a serie Cosmos, dirixida por Carl Sagan. O seguinte recorte do primeiro dos 13 capítulos da serie explica de forma maxistral o "experimento de Eratóstenes". Téñoo usado na clase unha chea de veces.



Un apunte personal
Xunto coa serie publicárase un libro do mesmo título. Nese libro é onde vin por primeira vez unha demostración matemática. Mellor dito, dúas.
No apéndice incluíase a demostración da irracionalidade da √2 e da existencia de únicamente 5 poliedros regulares. Leínas con moito interese, pero resultáranme realmente decepcionantes.
Para demostrar a irracionalidade da √2 partíase de suposición de que era un racional p/q irreducible para finalmente chegar a unha contradición. Teño que confesar que non entendía por que p/q tiña que ser irreducible. En consecuencia, nunca o expliquei na aula.
A outra demostración era directa, non se empregaba o método de redución ao absurdo, pero partía dunha fórmula completamente misteriosa para min, a fórmula de Descartes-Euler que relaciona o nº de caras (C), o nº de vértices (V) e o de arestas (A), dun poliedro (homeomorfo a unha esfera, diría hoxe):
C+V-A=2
No libro indicábase que había unha bonita demostración no libro de Courant e Robins, Que é a matemática?, (páx. 248), mais daquela non tiña posibilidade algunha de consultar ese libro, nin imaxinaba que algún día chegaría a lelo.
En conclusión, acabei convencido de que as matemáticas non eran para min.

Alumnado do IES Losada
tomando a medida da terra (literal)

terça-feira, 28 de março de 2017

Resolvendo un problema distinto do que quería resolver

Ao ver a entrada de Matemáticas na Rúa sobre un dos problemas da LII Olimpíada Matemática Española, sentín o ruxerruxe da curiosidade e boteille un ollo aos problemas. Chamoume a atención o enunciado do segundo problema porque restrinxía a operatividade a usar unha ferramenta que denominaba trazador de puntos medios:
Un trazador de puntos medios é un instrumento que debuxa o punto medio exacto de dous puntos previamente sinalados. Partindo de dous puntos a distancia 1 e utilizando só o trazador de puntos medios, debes obter dous puntos a unha distancia estrictamente comprendida entre 1/2017 e 1/2016 , trazando o menor número posible de puntos. Cal é o mínimo número de veces que necesitas utilizar o trazador de puntos medios, e que estratexia seguirías para lograr o teu obxectivo?
Non puiden poñerme a traballar nel inmediatamente. Comencei a facelo nunha garda na que (inusitado) non faltaba ningún profesor. Os ordenadores da sala de profesores estaban ocupados, así que ante a falta de perspectiva doutra diversión quixen meterlle o dente ao problema pero... non me acordaba do enunciado. Así que fixen memoria e así establecín o que pensaba que era o texto do segundo exercicio olímpico, pero que, realmente, era outro problema distinto:
Utilizando só o trazador de puntos medios, debes obter dous puntos entre p=1/2017 e q=1/2016 , trazando o menor número posible de puntos. Cal é o mínimo número de veces que necesitas utilizar o trazador de puntos medios, e que estratexia seguirías para lograr o teu obxectivo?
O primeiro paso é sempre explorar un pouco o problema. Se utilizamos o trazador 3 veces obtemos un conxunto de 7 novos puntos, todos os da forma:
$$\frac { a }{ { 2 }^{ 3 } } \quad \quad con\quad 1\le a\le { 2 }^{ 3 }-1$$

Eventualmente, algunhas das fraccións poden simplificarse.
Ademais a distancia entre un punto obtido no último paso e os máis próximos dos xa existentes no paso anterior é de 1/23 . E todo isto pode xeneralizarse para calquera valor do expoñente.
Púxenme a buscar un punto intermedio entre p e q. Xa vería despois como obter un segundo punto.
Para colmo de males, non tiña calculadora a man, así que estaba nas mesmas condicións que os sufridos participantes da olimpíada. Os primeiros cálculos:
$$p-q=\frac { 1 }{ 2016 } -\frac { 1 }{ 2017 } =\frac { 1 }{ 4056272 } $$
Debía buscar unha potencia de 2 da orde dos 4 millóns. Sabendo que 210=1024, e multiplicando este valor por si mesmo: 220=1048576, polo que multiplicando desta vez por 4: 222=4194304. Un número intermedio entre p e q:
$$\frac { 1 }{ 2016 } <\frac { a }{ { 2 }^{ 22 } } <\frac { 1 }{ 2017 } $$
Parece que había que realizar 22 operacións co trazador. Intentemos determinar o valor de a:
$$\frac { { 2 }^{ 22 } }{ 2016 } <\quad a\quad <\frac { { 2 }^{ 22 } }{ 2017 } $$
Facendo as divisións (a man): 2079'....< a < 20180'..... Velaí que a=2080. O punto intermedio será:

$$m=\frac { 2080 }{ { 2 }^{ 22 } } =\frac { { 2 }^{ 5 }\cdot 65 }{ { 2 }^{ 22 } } =\frac { 65 }{ { 2 }^{ 17 } } $$
Entón parece que chega con  utilizar o trazador 17 veces para obter un punto intermedio.
Aquí quedara.

Cando puiden volver a consultar o enunciado do problema das olimpíadas, decateime de que estivera traballando nun problema distinto. Poderían servir para algo os cálculos anteriores para resolver o problema orixinal? As divisións inacabadas anteriores eran tan axustadas que mostraban claramente que para atopar un punto que distara doutro do conxunto de puntos construídos co trazador un valor que estivera entre p e q precisabamos polo menos de 17 pasos. Agora ben. acababa de achar un punto, m, que distaba do 0 un valor, m, que caía dentro do pedido polo enunciado, pois m estaba ente p e q. Ademais, pola forma de obtención do punto, mediante o trazador, m equidista de 0 de de 2m, e resulta que  2m=65/216 era un punto obtido mediante o trazador xusto no paso anterior. Velaí que tiña os dous puntos pedidos. Así, traballando nun problema distinto, achara a solución do problema orixinal.
Queda aínda unha cuestión por responder, a da determinación dos pasos que hai que dar para chegar aos puntos pedidos, m e 2m. Está claro que basta con determinar a obtención de m, xa que 2m, tal e como se dixo, obteríase no paso anterior. Para iso basta decatarse de como escribir 65 como  potencias de 2:
$$\frac { 65 }{ 64 } =\frac { 64 }{ 64 } +\frac { 1 }{ 64 } =1+\frac { 1 }{ { 2 }^{ 6 } } $$
Sucesivamente, durante 7 utilizacións do trazador, obtemos os valores:
$$\frac { 1 }{ 2 } ,\quad \frac { 1 }{ { 2 }^{ 2 } } ,\frac { 1 }{ { 2 }^{ 3 } } \quad .....,\quad \frac { 1 }{ { 2 }^{ 6 } } $$
Despois calculamos o punto medio entre 1 e este último punto:
 $$\frac { 1 }{ 2 } \left( 1+\frac { 1 }{ { 2 }^{ 6 } }  \right) =\frac { 65 }{ { 2 }^{ 7 } } $$
Os seguintes 10 pasos consisten na bipartición reiterada deste último punto.
Cómpre comentar un último detalle. Dase a solución partindo do intervalo (0,1), non entre dous puntos calquera que disten 1. Pero isto, como é sabido, non inflúe no proceso nin na xeneralidade dos resultados obtidos.

Outro problema
Traballar con este problema levou que se me fixera presente outra cuestión. Pensemos nas potencias de 2. Máis arriba vimos que hai unha potencia de 2 que comenza por 102: 210=1024 e que hai outra que comenza por 104: 220=1048576.
Haberá algunha potencia de 2 que teña por primeiras cifras 103? Se a resposta é afirmativa,  haberá algunha potencia de 2 que comence por abcdef....., unha serie de cifras determinada calquera?

segunda-feira, 6 de março de 2017

"O universo matemático", apuntes para o bacharelato

Sacado de Xerais
O universo matemático. Das ideas e das técnicas é o segundo libro da colección de Xerais Básicos Ciencia. O propio autor, Antóm Labranha, explica moi claramente os parámetros baixo os que se move o texto:
Este libro trata os contidos matemáticos propios do bacharelato, intentando poñer de manifesto reflexións, habitualmente implícitas, acerca do sentido dos conceptos, das propiedades e das fórumas que utilizamos...
Como un anxo da garda, un espírito da xustificación percorre todo o libro. Para ilustralo vou centrarme nun aspecto concreto: nalgún punto do currículo aparece a distribución normal. Cuestión chea de espiñas é a de como presentar nunha aula a función de densidade desta ditribución: $$f\left( x \right) =\frac { 1 }{ \sqrt { 2\pi  }  } { e }^{ \frac { -1 }{ 2 } { x }^{ 2 } }$$ Pódese dicir que caeu do ceo, e a enorme extensión do currículo do bacharelato parece indicar que isto é o que se lle pide ao profesorado neste, e en moitos outros aspectos. Labranha presenta unha alternativa baixo o estudo natural da función exponencial y=ex. Ampliando, y=e-x2, un bo exemplo de función par, xenaralizando y=e-ax2, con a un número positivo calquera. A segunda derivada desta última función: $$y''=-2a{ e }^{ -a{ x }^{ 2 } }\left( 1-2a{ x }^{ 2 } \right) $$ lévanos a determinar que terá puntos de inflexión cando $$a=\frac { 1 }{ 2{ x }^{ 2 } } $$ Polo tanto, se os puntos de inflexión se deran cando x=+1 e x=-1 (lembremos que é par), teremos que forzar a que a=½, neste caso a función será y=e-½x2.. Cal será a área que garda esta función? Neste punto teremos que recorrer á análise multidemensional. O cálculo de $$\int _{ -\infty }^{ \infty }{ { e }^{ \frac { -1 }{ 2 } { x }^{ 2 } } } =\sqrt { 2\pi } $$ pode consultarse aquí. Finalmente, cando estamos á procura dunha función de densidade, bastará dividir a nosa última función por √2𝛑: $$f\left( x \right) =\frac { 1 }{ \sqrt { 2\pi  }  } { e }^{ \frac { -1 }{ 2 } { x }^{ 2 } }$$
Propostas para a aula
Estou afeito a explicar a regra de l' Hopital como unha consecuencia do teorema de Cauchy (teorema do valor medio xeneralizado). Labranha ofrece unha alternativa interesante, fundamentada na idea da recta tanxente a unha función nun punto como aproximación da función na veciñanza dese punto. Se partimos de dúas funcións f(x) e g(x), as respectivas rectas tanxentes nun punto x0, no que ambas as dúas función toman o valor cero:
f(x)≃ y=f''x0)(x-x0)
g(x)≃ y=g'(x0)(x-x0)
Polo tanto $$\lim _{ x\rightarrow { x }_{ 0 } }{ \frac { f\left( x \right)  }{ g\left( x \right)  }  } \simeq \lim _{ x\rightarrow { x }_{ 0 } }{ \frac { f'({ x }_{ 0 })(x-{ x }_{ 0 }) }{ g'({ x }_{ 0 })(x-{ x }_{ 0 }) } =\lim _{ x\rightarrow { x }_{ 0 } }{ \frac { f'({ x }_{ 0 }) }{ g'{ (x }_{ 0 }) } =\lim _{ x\rightarrow { x }_{ 0 } }{ \frac { f'\left( x \right)  }{ g'\left( x \right)  }  }  }  } $$ En varias ocasións Labranha aproveita para ofrecer unha presentación das ideas mediante valores heurísticos.Todo isto lévanos a unha aposta por alternativas ás clases autoritarias. En definitiva, estamos ante un libro pensado como complemento para afrontar o bacharelato que ben pode ser un punto de referencia para o profesorado da materia, un lugar do que partir para levar a cabo o traballo na aula.