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3 de febrero de 2014

Con Danica McKellar ¡las matemáticas también son sexys!

“Saber matemáticas es la puerta de entrada a una serie de carreras universitarias increíbles que las estudiantes nunca han considerado.” Danica McKellar se refiere a las carreras STEM, acrónimo en inglés de Science, Technology, Engineering & Mathematics (Ciencia, Técnica, Ingeniería y Matemáticas). Famosa actriz de televisión (para quienes tienen más de 30 años) por ser Winnie Cooper en la serie “Aquellos maravillosos años” (1988–1993), ha escrito cuatro libros para tratar que las chicas adolescentes sepan que ser sexy y saber matemáticas no son cosas que estén reñidas. Sus libros son bestsellers (según el New York Times). ¿Cuándo se traducirán/adaptarán estos libros al español? Quizás conviene recordarlo, aunque ya lo conté en “Matemáticas para jovencitas de la mano de una actriz de televisión,” LCMF, 02 Nov 2008.



Las mujeres son mayoría en todos los niveles de enseñanza, sin embargo, están infrarrepresentadas en los estudios científico-tecnológicos. En relación al aprendizaje de las matemáticas son muchos los factores que influyen en las diferencias que se detectan entre varones y mujeres, como  las creencias y concepciones previas, la motivación, la auto-confianza para trabajar en Matemáticas y otros aspectos afectivos. Estas diferencias de género en las actitudes hacia las matemáticas en la enseñanza obligatoria (más en secundaria y bachillerato que en primaria) han sido muy estudiadas, pero que yo sepa no existe una fórmula magistral que las resuelva.

Por ello, todas las iniciativas que busquen acercar las matemáticas a las adolescentes me parecen muy interesantes y acertadas. Danica McKellar nos ofrece un buen listado de problemas matemáticos elementales relacionados con los interesados de las adolescentes, que en muchos casos difieren de los de los adolescentes. Habrá muchas chicas interesada en el fútbol y en los coches, pero la mayoría consideran que estos temas “no son de chicas.” Reescribir los libros de texto para poner en pie de igualdad los intereses adolescentes de chicas y chicos en los problemas de materias científico-tecnológicas puede ser un camino a explorar a la hora de corregir las diferencias de género.



Fuente:

La ciencia de la Mula Francis

30 de enero de 2014

Cauchy y el rigor en el análisis matemático



Muchos historiadores de la matemática afirman que el rigor en matemáticas nació con Augustin-Louis Cauchy. Todo un revolucionario, Cauchy trató de establecer una base rigurosa para el análisis matemático. Un buen ejemplo fue su demostración del teorema del valor intermedio, que afirma que toda función real f(x) continua en un intervalo [a,b] asume cada valor posible entre f(a) y f(b) en ese intervalo. Parece obvio gracias a la idea intuitiva de continuidad y de hecho hasta Cauchy nadie pensó que fuera necesario demostrarlo, pero hoy en día todos los estudiantes de matemáticas se pelean con su demostración rigurosa (aunque sin saberlo, como homenaje en memoria de Cauchy). Por cierto, Cauchy enseñó la demostración de este teorema por primera vez en el curso que impartió en la École Royale Polytechnique en 1816. Su libro de texto de 1821, admirado por más de una generación de matemáticos, presenta dos demostraciones diferentes; la más famosa, la que todos los estudiantes de matemáticas aprenden, fue relegada a un apéndice. Nos lo recuerda Michael J. Barany, “Stuck in the Middle: Cauchy’s Intermediate Value Theorem and the History of Analytic Rigor,” Notices of the AMS 60: 1334-1338, Nov. 2013.


La Revolución Francesa, bajo las consignas de libertad, igualdad y fraternidad, fue acompañada de una revolución matemática. Por primera vez, la élite de los ingenieros militares y civiles comenzó a recibir una formación matemática en París que comprendía las matemáticas más avanzadas del momento. Estos ingenieros aplicaron las matemáticas que estudiaron a los problemas más acuciantes del mundo moderno: infraestructuras, la navegación, la minería, la energía e incluso a la guerra. El buque insignia de esta revolución fue la École Polytechnique (que fue rebautizada como École Royale Polytechnique tras la derrota de Napoleón y el regreso de la monarquía). En esta institución Cauchy dejó su huella como estudiante y como profesor.

Cauchy fue un profesor impopular tanto entre los estudiantes como entre sus compañeros de facultad. Sus clases eran muy densas y difíciles de seguir, muchas veces prolongaba la clase más allá de su horario oficial y además realizaba continuas revisiones del temario. Para Cauchy las matemáticas del siglo XVIII eran una disciplina que había perdido el norte. Todo un siglo de innovaciones matemáticas maravillosas que habían sido logradas a costa del rigor. Matemáticos como Euler manejaban series que no eran convergentes y expresiones formales sin sentido que producían conclusiones absurdas. No estaban claros conceptos tan básicos como el de infinito, el de límite, los números imaginarios y muchos más. Cauchy admiraba la formulación axiomática de la geometría realizada por Euclides. El álgebra presentaba un estado similar, pero era considerada por los matemáticos del siglo XVIII como una herramienta, versátil, pero de poca utilidad a la hora de resolver problemas prácticos. Por el contrario, el análisis era muy útil en todo tipo de problemas prácticos, pero carecía de un formulación rigurosa. Cauchy quería que el status de la geometría y del álgebra fuera extendido al análisis. Por ello decidió revisar todo el análisis desde el punto de vista de la geometría y apoyado por el álgebra como herramienta.

Por supuesto, el “Curso de Análisis” de Cauchy, como suele ocurrir con todo trabajo pionero, carece de rigor en muchos aspectos. Por ejemplo, Cauchy asume que todas las funciones continuas son diferenciables. Sin embargo, lo importante del proyecto de reforma del análisis iniciado por Cauchy, que trata de llevar el rigor al análisis de la mano de la geometría y del álgebra, es que inició un camino hacia el rigor cuya culminación fue el motor de gran parte de la matemática de todo el siglo XIX, con la honrosa excepción del genial Henri Poincaré que vio en el rigor un corsé del que había que deshacerse.

El cénit del rigor en las matemáticas llegó en el siglo XX con Nicolas Bourbaki, el nombre colectivo de un grupo de matemáticos franceses que, en los años 1930, se pusieron a revisar todos los fundamentos de las matemáticas con una exigencia absoluta en el rigor tratando de combatir la corriente que había nacido con Poincaré. Matemáticos como Jean Dieudonné, André Weil, Henri Cartan, Claude Chevalley, y otros antiguos alumnos de la Escuela Normal Superior de París recogieron el guante de Cauchy e impusieron a toda la matemática el concepto de rigor matemático como definición de la labor del matemático.

Un matemático es una máquina de demostrar teoremas con absoluto rigor. La máxima revolucionaria de Bourbaki es Vive la rigueur!

Fuente:

La Ciencia de la Mula Francis

2 de octubre de 2013

Algebra de Boole: Matemáticas del siglo XIX sin las que no funcionaría internet


Estamos inmersos en plena era digital, donde los aparatos electrónicos que funcionan, básicamente, a base de recoger ceros y unos, y tratarlos de forma lógica, haciendo cosas que hasta ahora solo eran posibles en los libros de ciencia ficción. Pero como para casi todo en ciencia, hay una base matemática: El álgebra de Boole.
Historia

George Boole, (2 de noviembre de 1815 - 8 de diciembre de 1864), fué  primer profesor de matemáticas del entonces Queen's College, Cork en Irlanda (en la actualidad la Universidad de Cork , en la biblioteca, lectura de metro complejo teatral y el Centro de Boole para la Investigación en Informática se nombran en su honor) en 1849. Pero fué antes, en 1847 cuando escribió un pequeño folleto llamado "The Mathematical Analysis of Logic" , que completo con otro libro " The Laws of Thought" publicado en 1854.
Pero esto quedó en poco más que una curiosidad matemática, hasta 1948, cuando Claude Shannon la utilizó para diseñar circuitos de conmutación eléctrica biestables, aunque ya el propio Alan Touring había utilizado este mismo álgebra de forma teórica, en su diseño de la máquina de Turing (1936). Y con ello, comenzó la era de la computación digital.

Bases

Basada en la teoría de conjuntos (Teoría de Conjuntos - Matemática Aplicada a la Ingeniería), el álgebra de Boole sirve para manejar operaciones lógicas en sistemas de numeración binarios, es decir, basados en ceros y unos. De esta manera se nos permite realizar operaciones matemáticas, como sumas, restas, multiplicaciones, divisiones u operaciones lógicas, como "no algo" ó "esto y lo otro", o "si y solamente si...", tal y como esperaríamos en cualquier sistema de lógica aristotélica. Esto nos permite utilizar tablas de decisión y diagrámas de flujo de datos en los circuitos lógicos.
Para cualquier sistema algebraico existen una serie de postulados iniciales, de aquí se pueden deducir reglas adicionales, teoremas y otras propiedades del sistema, el álgebra booleana a menudo emplea los siguientes postulados:
  • Cerrado. El sistema booleano se considera cerrado con respecto a un operador binario si para cada par de valores booleanos se produce un solo resultado booleano.
  • Conmutativo. Se dice que un operador binario " º " es conmutativo si A º B = B º A para todos los posibles valores de A y B.
  • Asociativo. Se dice que un operador binario " º " es asociativo si (A º B) º C = A º (B º C) para todos los valores booleanos A, B, y C.
  • Distributivo. Dos operadores binarios " º " y " % " son distributivos si A º (B % C) = (A º B) % (A º C) para todos los valores booleanos A, B, y C.

  • Identidad. Un valor booleano I se dice que es un elemento de identidad con respecto a un operador binario " º " si A º I = A.
  • Inverso. Un valor booleano I es un elemento inverso con respecto a un operador booleano " º " si A º I = B, y B es diferente de A, es decir, B es el valor opuesto de A.
Para nuestros propósitos basaremos el álgebra booleana en el siguiente juego de operadores y valores:
  • - Los dos posibles valores en el sistema booleano son cero y uno, a menudo llamaremos a éstos valores respectivamente como falso y verdadero.
  • - El símbolo ·  representa la operación lógica AND. Cuando se utilicen nombres de variables de una sola letra se eliminará el símbolo ·,  por lo tanto AB representa la operación lógica AND entre las variables A y B, a esto también le llamamos el producto entre A y B.
  • - El símbolo "+" representa la operación lógica OR, decimos que A+B es la operación lógica OR entre A y B, también llamada la suma de A y B.
  • - El complemento lógico, negación ó NOT es un operador unitario, en éste texto utilizaremos el símbolo " ' " para denotar la negación lógica, por ejemplo, A' denota la operación lógica NOT de A.
  • - Si varios operadores diferentes aparecen en una sola expresión booleana, el resultado de la expresión depende de la procedencia de los operadores, la cual es de mayor a menor, paréntesis, operador lógico NOT, operador lógico AND y operador lógico OR. Tanto el operador lógico AND como el OR son asociativos por la izquierda. Si dos operadores con la misma procedencia están adyacentes, entonces se evalúan de izquierda a derecha. El operador lógico NOT es asociativo por la derecha.
  • Utilizaremos además los siguientes postulados:
  • P1 El álgebra booleana es cerrada bajo las operaciones AND, OR y NOT
  • P2 El elemento de identidad con respecto a ·  es uno y con respecto a +  es cero. No existe elemento de identidad para el operador NOT
  • P3 Los operadores ·   y + son conmutativos.
  • P4 ·   y + son distributivos uno con respecto al otro, esto es, A· (B+C) = (A·B)+(A·C) y A+ (B·C) = (A+B) ·(A+C).
  • P5 Para cada valor A existe un valor A' tal que A·A' = 0 y A+A' = 1. Éste valor es el complemento lógico de A.
  • P6 ·   y + son ambos asociativos, ésto es, (AB) C = A (BC) y (A+B)+C = A+ (B+C).
(Fuente - http://www.monografias.com/trabajos14/algebra-booleana/algebra-booleana.shtml)

Porqué el álgebra de Boole

Obviamente, la respuesta es bastante sencilla. Todas las máquinas digitales funcionan con electricidad, a partir de diferencias de voltaje. Así que a cierto rango de voltaje le asignamos un cero y a otro le asignamos un uno (ceros y unos). De esta manera, gracias al álgebra de boole, podemos operar con estas diferencias de voltaje.
 


Tomado de:

Enamorado de la Ciencia

14 de julio de 2013

Como desarrollar el Pensamiento Algebraico en niños de Educación Primaria

El año 2010 llegó con sorpresas, la escuela tenía un nuevo direcotr, y el nuevo director lanzó un reto: enseñar álgebra desde el primer hasta el sexto grado de primaria. ¿Cómo? Ni el mismo lo sabía. Pero el reto estaba lanzado, tendriamos que empezar desde cero, repasar viejos libros empolvados (bueno, yo revise mis PDFs, incluido el Álgebra de Aurelio Baldor), crear secuencias didácticas para generar ideas algebraicas partiendo de la vida diaria de los cachorros, diseñar medios y materiales para cristalizar dichas secuencias y, finalmente, generar una propuesta curricular del álgebra en las escuelas primarias. ¡Todo un reto!

Y, ojo, no se trata de enseñar el álgebra a los niños tal como se enseña en la secundaria y en la mayor parte de los libros de texto. Cuando ser lanzó el reto se habló de generar pensamiento algebraico en los cachorros.

Y ¿Qué es el pensamiento algebraico? Lea:



El reto del Director de la escuela

Durante las dos últimas décadas del pasado siglo (años ochenta y noventa, cuando YO recién empezaba a luchar por ser el jefe de la manada) se estudiaba en las principales universidades del planeta la manera de facilitar el aprendizaje del álgebra a los cachorros de las escuelas (educación primaria). Inmediatamente se abrieron dos frentes: a) los que abogaban por introducir el álgebra desde los primeros grados de primaria con el fin de facilitar su aprendizaje en la secundaria y b) los que abogaban por generar un pensamiento algebraico en los cachorros, no necesariamente resilviendo ejercicios del tipo que nos encontramos en los libros de texto.

Es en este siglo XXI, globalizado y decadente, que las investigaciones sobre álgebra en la escuela primaria se han multiplicado, la gran mayoría de estos trabajos en inglés (Grrrrrrrrrr, qué coraje), y estas dos tendencias siguen en pugna.

Aquí en nuestra provincia (provincia de Barranca, región Lima Provincias) muchos colegios privados sigue el primer enfoque, es decir se introduce el álgebra desde los primeros grados pero, muchísimo ojo, se enseña el álgebra de la misma manera como se enseña en la escuela secundaria. Y, lo que es peor, se enseña el álgebra con el exclusivo fin de desarrollar problemas tipo y lograr que, en el futuro, los cachorros, ya jóvenes, puedan ingresar a un universidad.

Este enfoque, desgraciadamente, es el imperante en el Perú (mi gran país). ¿Por que digo desgraciadamente? Por dos razones:

a) En primer lugar por la gran distorsión (o aberración) que es señalar el fin de la educación básica (primaria y secundaria) como el ingreso a la Universidad.

¿Y dónde queda la felicidad? Grrrrrrrrrrrrrrrrrr!!!!! ¡Se supone que estudiamos para ser felices en el futuro! ¿Y dónde queda la libertad? Sólo se alcanza la felicidad cuando se es libre, libre como individuo y libre como colectivo (como sociedad). Y sólo se es libre cuando se es consciente, consciente del mundo social y natural en que estamos inmersos, consciente de nuestra historia, de nuestro potencial como sociedad y, sobre todo, consciente de las trabas que nos impiden ser felices y ser libres.

Pero la sociedad de consumo, tecnocrática, burocrática, injusta y deshumanizante en que vivimos nos responde: ¿Felicidad? ¿Libertad? Esas son estupideces (y no se por que se me viene a la mente la imagen de la hiena Cipriani). Y los líderes consumistas, tecnocráticos, burocráticos injustos y deshumanizados nos advierten: Y, menos, se dediquen a hablar sobre la educación como instrumento para la transformación y perfeccionamiento de la sociedad, por que sino te cierro el blog, la radio, el periódico o la editorial y encima te meto en una carceleta (y se me viene a la mente el jabalí García P.).

Pero gran número de padres de familia, sobre todo aquellos que aún no sabían leer cuando el jabalí García lo embarraba todo por vez primera, envían a sus hijos a los colegios privados (de 80 lucas al mes) para que sus hijos tengan ingreso directo a la universidad.

b) Y lo peor de todo, casi todos estos centros privados de deformación enseñan matemáticas y álgebra de manera libresca, teórica, memorística y, por ende, aburrida. Parten de conceptos, leyes, fórmulas. No enseñan a los niños la esencia de la matemática que es buscar y encontrar relaciones entre los objetos del mundo que nos rodea, ya sea en cantidades o en magnitudes. Y mucho menos buscan que los alumnos encuentren maneras de aplicar los conocimientos matemáticos en nuestra vida real y cotidiana: desde la resolución de problemas hasta la creación de modelos matemáticos.

Pero que se puede esperar de los promotores de estos centros de deformación que contratan a jóvenes universitarios en vez de docentes titulados y calificados, amén de otorgarles un mísero salario (y encima a destiempo y sin colocarlos en planillas). Y ni hablemos de los libros de texto Corefo, Coveñas, etc. (bueno, si hablaremos de ellos, pero será en otro post).

Las escuelas públicas contamos con un diseño curricular desfasado y chapucero, antihistórico e idealista; donde no se contemplan temas como el descubrimiennto de la ciudad de Caral, los ocho planetas del sistema solar, la vida y obra de Simón Bolívar o de Túpac Amaru II, la clonación de la oveja Dolly o cómo funcionan los celulares e Internet. Y, como ya podrán imaginarse, menos hablarán de pensamiento algebraico.

Por lo tanto el reto del director es tomado como:

a) un programa para revivir la investigación educativa y promover la innovación permanente en la forma de enseñar y

b) un medio para generar el pensamiento algebraico en los cachorros, enfoque que debe nacer de la vida diaria y debe culminar en la vida diaria también.




El proyecto Álgebra Fácil (del profesor Leoardo Sánchez Coello)

Con un rugido largo y potente asumí el reto y me puse manos a la obra sin pérdida de tiempo, busqué todos los libros que tenía sobre álgebra y, como podrán adivinar, no encntré nada sobre álgebra para niños. Entonces ingresé a la red y,¿qué creen?, tampoco encontré gran cosa, salvo investigaciones parciales,y casi todas ellas, en inglés (Grrrrrrrrr!!!!)

Entonces se abrío el cielo y cayó una luz sobre mi cabeza. Me iluminé y descubrí la VERDAD: Tengo que hacer todo este trabajo por mi mismo.

Les dejo a continuación la primera parte de mi quehacer que, en parte de fichas de trabajo, estoy realizando.

Primera Parte: 



Y esta es la Segunda Parte: 

 

Reitero que no se trata de enseñar álgebra, sino de enseñar pensamiento algebraico. Dedebemos de considerar que: 

a) El ágebra es considerada una rama dura de la matemática y buscamos acercar a los cachorros al estudio de las cantidades y magnitudes de la manera menos traumática posible. 

b) El pensamiento algebraico es poder expresar, en lenguaje matemático, los diversos objetos, situaciones o relaciones del mundo en que vivimos; pasando de situaciones concretas a situaciones abastractas y de situaciones con relaciones sencillas a situaciones con relaciones complejas (Grrrrrrrr!!!! ¿qué tal me quedó la definición? ¿eh?).

Bien, ahora surge la pregunta ¿cómo representar los objetos algebraicamente? Pongamos un ejemplo para comprender mejor.

En primer lugar necesitamos materiales que los niños pueden encontrar fácilemnte en su entorno: fósforos, chapitas, clips, alfileres, botones, cajitas, mondadientes, frejoles, pallares, maicitos, etc...


Los cachorros, por lo general espontáneamente, empiezan a a grupar estos elemntos de diversas maneras, buscando siempre un patrón u orden.



Luego se dirá a los alumnos que representen un objeto cualquiera con una letra. De esta manera si tenemos dos objetos diferentes (como clips y palitos) denominaremos a unos objeto con la letra a y a otros objetos con la letra b (así tendriamos que los clips = a, y los palitos = b).

Simbolizamos, y si es necesario graficamos, en el pizarrón.



Entonces se les dirá a los cachorros:
¿Cuánto será a + b?

Los niños responderán que la respuesta es un clip y luego un palito.

Luego preguntamos:
¿Y cuánto será 2a + 2b?

Los niños respoderán que dos clips y dos palitos.

Luego vendría la exploración con material concreto.



También puede explorar realizando el proceso inverso, es decir los niños realizarán patrones de manera espontánea y luego crearán una expresión algebraica para cada patrón realizado.

Estos son los trabajos de los cachorros del 3º "H" de la escuela Los Pelones de Barranca. La ecuación que se les presenta es, por decirlo de alguna manera, la instrucción o la orden a seguir. Los cachorros, partiendo de dichas instrucciones, construyen sus seriaciones con materiales concretos. Vean:








Los patrones con objetos concretos desarrolan el sentido de orden y espacio en los alumnos así como su sentido estético. Y, no olvidemos nuestro objetivo, los cachorros han traducido al lenguaje algebraico el orden de detrminados objetos de su entorno inmediato: han representado objetos algebraicamente.

Ahora intentemos realizar experiencias similares con fotografías de animales, personas que se encuentran en determinado orden; también podemos salir al patio y construir con nuestros cuerpos diversos patrones; las direcciones (simbolizadas con flechas) también son representaciones algebraicas; los bloque lógicos y las diversas ordenaciones que se pueden hacer con ello también se pueden representar algebraicamente.

Por ejemplo tenemos esta seriación de bloque lógicos:



Estos bloque se pueden agrupar de acuerdo a la forma o al color. Veamos:

a) Por la forma. Si consideramos que:

a = círculo

b = cuadrado

Entonces las seriación se podría representar algebraicamente como:

3a + 3b

b) Por el color. Hay tres colores diferentes. Entonces:

a = rojo

b = amarillo

c = azul

Entonces las seriación se podría representar algebraicamente como:

a + b + c

Esto es sólo un inicio. Sé que se debe enseñar el algebra desde un perspectiva un tanto informal, buscando formas lúdica, relacionada con el mundo que nos rodea y, sobre todo, tomando el algebra como un medio para desarrollar y estructurar el pensameinto de los cachorros, el algebra siempre como un medio y no como un fin. Pero eso es todo lo que sé.

Y aunque no tengo aún bien claro el norte es maravilloso experimentar, convertir las aulas en laboratorios donde los cachorros y YO (el jefe de la manada) construimos, aprendemos y nos divertimos. Porqué ¿de que nos serviría el álgebra si no somos libres y felices? ¿De qué nos serviría el álgebra si no tenemos conciencia clara de la sociedad en la que vivimos y de la necesidad urgente de su transformación.

En la nueva sociedad que nos espera emplearemos el álgebra para construir caminos y puentes, hospitales y colegios, casas para ancianos y para huérfanos, pero también emplearemos el álgebra para descubrir nuevas medicinas, salvar vidas luego de terremotos, controlar epidemias y comprender mejor los ecosistemas... Y el álgebra también nos servirá para que no nos engañen con el vuelto y para pasar el rato, resolviendo ejercicios, cuando estemos aburridos.

Hasta la próxima:

Leonardo Sánchez Coello
leonardo.sanchez.coello@gmail.com

19 de marzo de 2013

Situación de las raíces de la derivada, o “el teorema más maravilloso de las matemáticas”


Decir que un teorema es “el teorema más maravilloso de las matemáticas” es mucho decir teniendo en cuenta la gran cantidad de maravillas en forma de resultado matemático que podemos encontrar a lo largo y ancho del conocimiento de esta ciencia. Pero lo que no se le podrá negar al teorema que os presento en este post es que reúne una gran cantidad de detalles (enunciado simple, conclusión realmente sorprendente e inesperada y demostración relativamente elemental) de esos que convierten un resultado matemático en un teorema maravilloso.

Como puede leerse en el título, la cuestión trata sobre situar las raíces de una derivada. Bien, vamos a especificar un pelín más. Concretamente de la derivada de un polinomio de grado 3. ¿De un polinomio de grado 3 habitual, de esos con coeficientes reales? No solamente de esos, sino de, en general, cualquier polinomio con coeficientes números complejos, y cuya variable también es compleja.


Sabemos que estos polinomios, como todos los polinomios con variable y coeficientes complejos, cumplen que todas sus raíces (raíz de un polinomio: solución de la ecuación polinómica que nos queda al igual a cero dicho polinomio) son números complejos. Por tanto, nuestro polinomio de grado 3 tiene sus tres raíces dentro de los números complejos.

Supongamos que esas tres raíces no están alineadas (única condición que le vamos a poner al polinomio, que sus tres raíces no estén en la misma recta). Entonces con ellas podemos construir un triángulo, uniéndolas dos a dos con segmentos. Calculemos ahora la derivada del polinomio, que será un polinomio de grado 2. ¿Dónde estarán situadas las raíces de esta derivada? ¿Dentro de dicho triángulo? ¿Fuera de él? ¿Una dentro y otra fuera? ¿O tal vez sobre los propios segmentos que forman los lados del polinomio? Y estén donde estén, ¿podemos decir algo sobre su situación en relación con el triángulo o su situación es azarosa?

Bien, pues como muchos de vosotros podréis imaginar la situación de estas raíces de la derivada no es ni muchísimo menos azarosa, de hecho está muy relacionada con el propio triángulo cuyos vértices son las raíces del polinomio inicial. Veamos el enunciado del teorema que relaciona todo esto y después os sigo contando cosas.
Teorema de Marden:
Dado un polinomio p(z) de grado 3 con variable y coeficientes complejos, supongamos que sus raíces no están alineadas. Si consideramos el triángulo T cuyos vértices son dichas raíces, entonces las raíces de p^\prime (z), la derivada del polinomio, son los focos de la única elipse inscrita en T que es tangente a los tres lados de T exactamente en sus puntos medios.
Es decir, si tomamos los puntos medios de T existe una única elipse inscrita en T que es tangente a esos tres puntos, ¡¡y además los focos de dicha elipse son las raíces de la derivada del polinomio!! Para quedarse con la boca abierta…

Como hemos comentado antes, este teorema puede demostrarse utilizando técnicas y conocimientos relativamente elementales. Pero antes hablemos un poco sobre la historia de este resultado.

¿Por qué teorema de Marden? Pues porque en 2009 el matemático Dan Kalman escribió un interesante artículo (que fue premiado con el Lester R. Ford Award, premio que entrega la Mathematical Association of America) sobre este resultado, dando una demostración completa del mismo, y comentando que él había sabido de su existencia después de leer el libro Geometry of Polynomials, de Morris Marden y publicado en 1966. En realidad parece que fue Jörg Siebeck quien publicó inicialmente este resultado en 1864, o al menos es a él a quien el propio Marden se lo atribuye.

El caso es que la demostración que dio Marden de este teorema estaba incompleta. Demostró gran parte del mismo, pero se dejó un detalle: no demostró la unicidad de la elipse. Kalman comenta también que el propio Marden cita nueve trabajos más en los que se habla de este resultado, destacando uno publicado por Maxime Bôcher en 1892 con una demostración que, en cierto modo, también estaba incompleta.
Bien, pues lo que hizo Kalman en su artículo premiado, An Elementary Proof of Marden’s Theorem, es desarrollar una demostración de este teorema de Marden uniendo las ideas de las demostraciones de Bôcher y del propio Marden. Aunque podéis verla completa en su artículo, a continuación comento algunas cosas sobre ella.

Las claves de la demostración que nos propone Kalman son tres lemas previos a la propia demostración del teorema, cuyas demostraciones vamos a obviar en este post (os remito al artículo de Kalman si estáis interesados en verlas). El primero de ellos es quizás el más engorroso de explicar aquí, por lo que no lo vamos a citar aquí (tranquilos, no hay que aplicarlo directamente en la demostración del teorema).
El lema 2 dice lo siguiente
Lema 2:
Sea p(z) un polinomio de grado tres cuyas raíces son no colineales y T el triángulo cuyos vértices son dichas raíces. Si Q es el punto medio de uno de los lados de T, entonces existe una única elipse, cuyos focos son las raíces de p^\prime (z), que pasa por Q, y de hecho esa elipse es tangente a ese lado de T en el propio punto Q.
Bueno, vamos bien. De hecho podría parecer que esto es el propio teorema de Marden, pero faltan cosas. Por ejemplo, ¿quién me asegura que esa elipse sea tangente también a los otros dos lados? Pues el lema 3:
Lema 3:
Sea p(z) un polinomio de grado tres cuyas raíces son no colineales y T el triángulo cuyos vértices son dichas raíces. Consideramos la elipse con los focos en las raíces de p^\prime (z) y que es tangente a un lado de T en su punto medio. Entonces esa elipse es tangente a los otros dos lados de T.
Ya está, ¿verdad? Con esto concluiríamos la demostración del teorema…Pues no, nos falta algo, concretamente demostrar que esa elipse es tangente a los otros dos lados exactamente en sus puntos medios. Vamos a concluir:
Demostración del teorema de Marden:
Tenemos nuestro polinomios y sus raíces formando T, como antes. Con las raíces de p^\prime (z) como focos dibujamos la elipse E que pasa por el punto medio de uno de los lados de T. El Lema 2 nos dice que E es tangente a ese lado del triángulo en su punto medio, y el Lema 3 dice que entonces E también es tangente a los otros dos lados. Lo que queremos es demostrar que exactamente es tangente a esos dos lados en sus puntos medios.
Si no fuera así, repetimos la construcción sobre otro de los lados del triángulo T, obteniendo así la elipse E’. Tenemos entonces dos elipses, E y E’, que tienen los mismos focos y que son tangentes a las mismas rectas (a las que contienen a los tres lados de T), por lo que E y E’ deben ser, efectivamente, la misma elipse. Pero eso significa que esta elipse es tangente a dos de los lados del triángulo en sus puntos medios. Para ver que también lo es en el punto medio del lado que falta, construimos la elipse que tiene los mismos focos que la anterior y que es tangente al otro lado en su punto medio. Al repetir el proceso anterior vemos que esta elipse debe ser de hecho la propia E. Por tanto, esta elipse es tangente a los tres lados en sus puntos medios, terminando así la demostración.
Para terminar, comentar que esta elipse se conoce con el nombre de inelipse de Steiner, y que las sorpresas no se quedan en la primera derivada. Si calculamos la segunda derivada, la única raíz de la misma está situada exactamente en el punto medio del segmento que une las dos raíces de p^\prime (z), siendo esta raíz por tanto el baricentro del propio triángulo. Impresionante.

Ah, y como no podía ser de otra manera este resultado se presta a ciertas generalizaciones: una de ellas tomando polinomios de mayor grado pero que sigan conservando exactamente tres raíces distintas y no colineales y otra con polígonos de un número mayor de lados. En la entrada de la Wikipedia inglesa dedicada al teorema de Marden podéis encontrar algo más de información al respecto.

Otro de esos resultados sorprendentes, inesperados, en los que parece que, milagrosamente, todo cuadra a la perfección. Otro de esos resultados por los que dedicarle algo de tiempo a las Matemáticas merece muy mucho la pena.

Fuente:

Gaussianos

12 de marzo de 2013

El acertijo matemático en el epitafio de Diofanto



La muerte del matemático alejandrino Diofanto nos trajo el siguiente acertijo, al menos según recoge una colección griega de acertijos del siglo V:

En esta tumba reposa Diofanto. ¡Ah, qué gran maravilla! La tumba cuenta científicamente la medida de su vida. Dios le concedió ser un muchacho durante la sexta parte de su vida, y añadiendo una doceava parte a ésta, revistió su mejilla de pelusa. Encendió la luz del connubio pasada una séptima parte, y cinco años después de su matrimonio le dio un hijo. ¡Ay! ¡Desdichado hijo tardío! Después de consolar su pena mediante el estudio de los números durante cuatro años, Diofanto terminó su vida.
¿Cuál fue la edad de muerte de Diofanto?

La respuesta es 84 años de edad (aunque ello no esté acreditado desde un punto de vista histórico). Los cálculos son los siguientes (siendo x la edad de Diofanto):

X = 1/6x + 1/12x + 1/7x + 5 + 1/2x + 4

Conocer Ciencia: Ciencia sencilla, ciencia divertida, ciencia fascinante...

13 de noviembre de 2012

Una razón recreativa para conocer sobre la división sintética (o método de Ruffini)

La división sintética, aquél proceso simplificado para dividir polinomios por un factor lineal para poder factorizarlas y graficarlas con efectividad. Hasta hace dos semana pensaba que ese era el único uso que tenía, hasta que en el pulguero me compré con uno de los volúmenes de Matemáticas Modernas de Dolciani de finales de la década de 1960.

Entre las páginas del texto de séptimo grado se encuentran varios temas que ahora servirían dentro del salón como método de avalúo: husos horarios, latitudes y longitudes, máquinas de funciones, números romanos, números egipcios, y los sistemas numéricos no-decimales. Con éstos útimos podemos descubrir que un caso específico del algoritmo de división sintética es usado para convertir numerales de base
n a numeros de base decimal.

Primero,
¿como convertimos un numeral de base decimal a uno no-decimal? 
  • Usted toma el numeral decimal y lo divide por la base n deseada, al estilo de escuela primaria (cociente entero y residuo). Si el residuo es mayor o igual que 10 sustituya con una letra del abecedario en mayúscula (10 = A; 11 = B; etc.)
  • El cociente entero resultante se convierte en el nuevo numeral decimal a dividir y repite el primer paso hasta que el cociente entero sea cero.
  • Fíjese en todos los residuos. Ordénelos desde el último encontrado hasta el primero. ésta secuencia será la conversión a base n del número decimal.
En términos matemáticos, utilizamos el algoritmo de división para convertir números base 10 a base n.
Ejemplo: Convierta el numeral decimal 255 a uno de base 6.

Ahora bien,
¿qué tiene que ver la división sintética en éste asunto? En el caso específico donde el término constante del factor lineal es negativo (del cual se usa su opuesto en la sustitución sintética) y los coeficientes de un polinomio son positivos, se puede utilizar como convertor de numerales base n a base decimal. A diferencia de la división sintética donde utiliza todos los totales resultantes,para esta aplicación solamente necesitaremos el último total, ya que éste es el numeral base n convertido a base 10.

Para demostrarlo vamos a revertir el numeral base seis del caso anterior a un numeral decimal:



Para aquellos que no han conocido la división sintética, les proveo una explicación del algoritmo de división sintética del caso expuesto arriba:

  • Colocamos en el recuadro la base del numeral y al lado cada uno de los dígitos que componen dicho numeral.
  • Inmediatamente bajamos el primer dígito
  • Colocamos el producto del primer dígito y la base n debajo del segundo dígito.
  • Sume el segundo dígito y el producto.
  • El total generado se vuelve a multiplicar por la base y el producto se coloca debajo del próximo dígito y los suma.
  • Repita el paso anterior hasta que llegue al último dígito. El último total será la conversión a base 10.
 ¿Por qué ocurre ésto? Sencillamente éste caso específico de la división sintética es un casi un proceso inverso al algoritmo de división, inclusive en las operaciones que usa:
  • En el algoritmo de división, se divide, se resta y se separan los residuos, del último dígito numeral base n al primero
  • En el caso aplicativo de la división sintética, del primer dígito numeral base n al último, se juntan los residuos en la suma y se multiplica.
¿Y ésto, tiene alguna utilidad? En parte si. Recuerdo que hace unos meses atrás estaba dándole tutorías a un grupo de estudiantes de secundaria que tomaban clases de electrónica y una de las destrezas era poder convertir números decimales a numerales binarios, octales y hexadecimales. Como ya estaban al nivel de Álgebra II, mostrale éstos métodos hubiese sido bastante beneficioso, de haberlo conocido a tiempo.

Fuente:


El método de Ruffni tambén se puede aplicar a las matrices... vea el blog Series Divergentes: "De la división sintética al álgebra lineal"

4 de noviembre de 2012

Criptografía: Matemática para guardar secretos


No soy una persona que tenga mucho que esconder, pero hay cosas que más vale mantener en secreto. Por mi parte, lo típico: el pin del móvil y el de la tarjeta de crédito, las claves del banco, de las cuentas de correo, del ordenador, y poco más. Si alguien llegara a acceder a mi cuenta bancaria, dependiendo del día del mes, igual hasta le tocaba pagar, y en mi cuenta de correo tampoco hay ningún secreto de estado.

Sin embargo, hay secretos de los que dependen cosas mucho más importantes. A nadie se le escapa que la clave del correo de un presidente de gobierno o de un empresario importante es harina de otro costal. Con un poco de información privilegiada, ganar en la bolsa puede llegar a ser un juego de niños (está claro que no hay otra forma de acceder a esa información privilegiada que accediendo ilegalmente a sus correos, porque nadie duda de la integridad de los que manejan esa información ¿verdad?).

El caso es que aquella mañana de Lunes, durante el desayuno, alguien sacó el tema -creo que el sr. Lego- y, por supuesto, a pesar de mis intentos por desviar la conversación a ámbitos más mundanos, Sofía no podía resistir la tentación de enfrascarse en cualquier conversación que oliera a seguridad informática.

Ya, de perdidos al río -pensé- así que traté de volver a entrar en la conversación:

- ¿Os imagináis tener que mantener en secreto algo como los códigos de lanzamiento de unos misiles nucleares?

¡Vaya! Ya está Alberto con sus paranoias -pude leer en la expresión de el Sr. Lego.

Sofía, sin embargo, fue mucho más directa y menos sutil:

- ¡No digas tonterías! ¿tu te fiarías de alguien tanto como para darle las claves de lanzamiento de un misil nuclear? ¿Y si se vuelve loco y le da por desatar la tercera guerra mundial?

- Quizás se podría dividir la clave en varios fragmentos y repartirlos entre varias personas, así nadie sabe la clave completa y nadie puede lanzar los misiles por su cuenta -dije tratando de impresionar a Sofía.

- Entonces, si fuera un país enemigo sólo tendría que matar a uno de los que tienen la clave para evitar que pudiera lanzar los misiles... o bastaría esperar a que a alguno le de un infarto... ¡jaque mate!

- A ver -continuó el Sr. Lego- necesitamos una forma de repartir fragmentos de la clave entre varias personas de forma que ninguna conozca la clave completa, y además, queremos ser capaces de reconstruir la clave si falla una o más de una de las personas que tienen los fragmentos. Me parece que no es posible.

- Pues siento decir que te equivocas -sonrió Sofía.


En criptografía -continuó Sofía- para resolver este tipo de asuntos se utilizan los llamados esquemas de compartición de secretos. Para este caso concreto se utilizan los esquemas de umbral. Por ejemplo, si queremos repartir un secreto entre m personas y que el secreto pueda recuperarse con n personas, hablamos de un esquema de umbral (m,n), donde n es el umbral.

Parar a Sofía a estas alturas, estaba ya fuera del alcance de cualquier mortal, así que mi única salida fue preguntar, no sin cierta resignación:

Vale, pero ¿cómo funcionan esos esquemas?

Sofía apuró el café que le quedaba en el vaso, se detuvo unos instantes como para componer en su cabeza lo que iba a decir, y continuó:

Hay varios métodos, el más sencillo, quizás, es usar el esquema vectorial, introducido por el matemático George Blakley de la universidad A&M de Texas: Si queremos compartir un secreto con un esquema de umbral (m,n) hacemos corresponder el secreto con un punto P del espacio m-dimensional, y los fragmentos serán hiperplanos de dimensión m-1 que tienen a P como punto de intersección. De esta forma, con m hiperplanos, podemos reconstruir el secreto.

- Por la cara del Sr. Lego, hacía rato que ya no seguía a Sofía. Yo, por mi parte tampoco, pero creía que estaba controlando mejor mi expresión facial hasta que Sofía me miró y sonrió con esa sonrisa piedosa del que se sabe muy por encima de su interlocutor.

Está bien -dijo Sofía tratando de simplificar un poco el asunto- imaginemos que quiero compartir en secreto las tres siguientes cifras: 3,10,5. Y lo quiero hacer entre 4 personas, de forma que sólo con 3 pueda recuperar la clave. Como son tres cifras, podemos pensar en ellas como en un punto P(x,y,z) del espacio de 3 dimensiones. Sólo tendríamos que crear 4 ecuaciones como las siguientes.



Si damos una ecuación a cada una de las cuatro personas, ninguna de ellas podrá conocer el valor del punto P(x,y,z). Sin embargo, si cualquiera de ellas tres se reúnen y resuelven el sistema que forman sus tres ecuaciones, habrán conseguido descifrar el secreto P(3,10,5), aunque no esté una de las personas.

Bastante ingenioso -pensé- no se me hubiera ocurrido, y eso que una vez que conoces el sistema, es bastante obvio.

Otro esquema, algo más elaborado -continuó Sofía- es el esquema de Shamir, que inventó el matemático Adi Shamir. Este esquema es conceptualmente bastante simple, aunque su uso implica algo más que resolver un simple sistema de ecuaciones.

Sofía paró un momento como tratando de ordenar toda la información que tenía en la cabeza y seguidamente preguntó:

- Si dibujo dos puntos en un papel, ¿cuantas líneas rectas existen que pasen exactamente por esos dos puntos?

El Sr. Lego y yo nos miramos unos instantes antes de responder al unisono: una.

- Bien -continuó Sofía- del mismo modo que sólo necesito dos puntos para definir una recta, sólo necesito tres para definir una parábola ¿verdad?

Esto ya no era tan obvio, pero haciendo un acto de fe el Sr. Lego y yo asentimos con la cabeza.

En general, necesitamos n+1 puntos en el plano para definir una curva (polinomio) de grado n ¿os lo demuestro? -preguntó Sofía.

Me apresuré a decir que no era necesario antes de que se lanzara a hacer la demostración matemática.

En general -siguió Sofía- si quiero compartir un secreto repartiéndolos en m fragmentos y con un umbral de n fragmentos, tengo que construir un polinomio de grado n-1.

Imaginemos entonces que quiero compartir en secreto el pin de mi tarjeta de crédito que, digamos, es 3254. Y lo quiero hacer entre 4 personas con un umbral de 3. Necesito, por lo tanto, un polinomio de grado 2 (es decir n-1) que tendrá la forma siguiente:



A los términos a0, a1 y a2 los llamamos coeficientes del polinomio. A a0, que es el término independiente, le asignamos el valor del secreto: en este caso a0=3254. Al resto de coeficientes le asignamos valores aleatorios.

Por ejemplo: a1=12 y a2=25. Una vez definido nuestro polinomio, como quiero repartir el secreto entre 4 personas, necesito el valor de cuatro puntos cualesquiera de la función. Por ejemplo:



En este caso hemos escogido los puntos 1, 2, 3 y 4, pero podrían ser cualesquiera.

A cada una de las personas les damos un par con uno de los puntos y el valor que toma la función en dicho punto. Es decir tendríamos los siguientes cuatro fragmentos:

(1, 3291)
(2, 3378)
(3, 3515)
(4, 3702)

Pero según hemos dicho antes, un polinomio de grado n está definido de forma inequívoca por por n+1 puntos, así que como nuestro polinomio era de grado 2, sólo necesitamos 3 de los puntos (fragmentos) para poder reconstruirlo.

La idea está clara -respondí- pero ¿cómo se reconstruye un polinomio a partir de unos puntos?

No te preocupes, Alberto, eso lo resolvió Lagrange hace ya algunos añitos. Podemos usar el polinomio interpolador de Lagrange para obtener el polinomio original, pero ¿realmente necesitamos todo el polinomio original? -nos desafió Sofía.

No, sólo el término independiente del polinomio, que es el que contiene el secreto -respondió el Sr. Lego sorprendiendo a propios y a extraños.

Efectivamente Sr. lego. No voy a entrar en detalles matemáticos, que son un poco aburridos, pero tras jugar un poco con el polinomio de Lagrange, podemos llegar a la siguiente formulita que nos devuelve el término independiente del polinomio.



Siendo las x los puntos y las y los valores que toma la función en dichos puntos.

Como véis, la formulita de marras se puede modelar muy bien con un par de bucles así que es fácil hacer un programa para generar y develar secretos con el esquema de Shamir.

A la vuelta del desayuno, ya en la oficina, Sofía nos envió las siguientes dos funciones para generar secretos y para desvelarlos. Eso sí -nos advirtió- ningún secreto está a salvo para siempre.


  1. from math import ceil
  2. from random import random
  3. def gen_secret(secret, users, threshold):
  4.     out = []
  5.     max_value=100   # valor maximo factores
  6.     n=threshold     # grado del polinomio
  7.     # generar polinomio grado n
  8.     factores=[]
  9.     fragmentos=[]
  10.     factores.append(secret)
  11.     for i in range (1,n):
  12.         t=ceil(random()*max_value)
  13.         factores.append(t)
  14.    
  15.     # generar n fragmentos
  16.     for i in range(users):
  17.         # escogemos punto t de la funcion aleatorio
  18.         t=int(ceil(random()*max_value))
  19.         # calcular valor de f(t)
  20.         v=factores[0]
  21.         for j in range(1,n):
  22.           v=v+factores[j]*(t**j)
  23.      
  24.         fragmentos.append([t, int(v)])
  25.     out=fragmentos
  26.     return out
  27. def recover_secret(fragments, threshold):
  28.     out = 0
  29.     if len(fragments)<threshold:
  30.         print "faltan fragmentos"
  31.     else:
  32.         for i in range(threshold):
  33.             tmp_j=1
  34.             for j in range(threshold):
  35.                 if j!=i:
  36.                     tmp_j=tmp_j*(fragments[j][0]/float((fragments[j][0]-fragments[i][0])))
  37.             out=out+(fragments[i][1]*tmp_j)
  38.     return int(out)
  39. # calculamos 4 fragmentos para secreto 1234 con umbral 3
  40. s=gen_secret(1234,4,3)
  41. # recuperamos el secreto con 3 fragmentos
  42. print recover_secret(s, 3)

Fuente:

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