Resolución de ecuaciones - Rescate geométrico

Introducción

La búsqueda de raíces de polinomios tiene la siguiente particularidad: Luego de un primer impulso en la Grecia clásica en Babilonia y en lo que ahora es India (Euclides, Brahmagupta, Bhaskara) hubo una gran brecha temporal donde no se registraron progresos. Recién en el Renacimiento, con el florecimiento de un lenguaje matemático más algebraico se retoman los avances (Cardano, Tartaglia, Viete). Generalmente en los cursos actuales de introducción al álgebra en enseñanza media es frecuente que se trabaje con los métodos algebraicos de esta segunda etapa. 

Los métodos gráficos de la antigüedad han sido olvidados.

El planteo de este trabajo es rescatar estos métodos gráficos por su valor histórico. Además dan una alternativa que puede ser de provecho para los estudiantes que se inician en álgebra dado que es clave poder mostrarles distintas representaciones para abordar un mismo problema.

Un Best- Seller

Si nos referimos al libro récord de todos los tiempos en cuanto a geometría se refiere, "Elementos de Euclides" vigente desde hace 2400 años podemos encontrarnos con que en la proposición 4 del Libro II dice:

"Si se corta al azar una línea recta, el cuadrado de la recta entera 

es igual a los cuadrados de los segmentos y dos veces el 

rectángulo comprendido por los segmentos." 

Expresado en una notación más actual sería equivalente a

producto notable

Fórmula que conocemos como "Cuadrado del binomio"

Relacionar el texto de la proposición puede no ser evidente para todos y eso debe tener que ver con que la notación algebraica de la fórmula se desarrolló muchos siglos después a la proposición de Euclides.

Pero podemos tender un puente entre el texto y la fórmula mediante la siguiente imagen.

cuadrado del binomio

Con este ejemplo queremos ilustrar el hecho de que muchas relaciones algebraicas han tenido inicialmente su origen en razonamientos de tipo geométrico.

Sin ir mucho más lejos podemos encontrar el LIBRO VI de los Elementos de Euclides proposiciones que muestran cómo resolver ciertas ecuaciones cuadráticas empleando métodos geométricos.

Observemos por ejemplo la siguiente figura:

De buenas a primeras la figura puede no significar nada o muchas cosas. ¿que tal si agregamos que la figura representa la factorización de un polinomio de segundo grado donde el cuadrado grande tiene lado x y los cuadraditos de la esquina inferior derecha tienen lado 1 ? ¿te animas a determinarlo? ¿y cuál es su descomposición factorial?

Es posible que las siguiente imágenes aclaren un poco el panorama: 

Si eso no es suficiente puedes ver el video donde mostramos la factorización propuesta

Así es como factorizaban los griegos primero y los árabes después hasta hace unos mil años atrás.

               

Esta forma de trabajar con cuadráticas considerando los "cuadrados" como "áreas de cuadrados" y los productos de magnitudes de primer grado como "áreas de rectángulos" han caído en el olvido y han sido sustituidas por un lenguaje algebraico cargado de notación en pos de la formalización. Con el nuevo lenguaje del álgebra se obtienen muchos beneficios indiscutibles pero el costo es, a veces, una pérdida en la visualización e intuición. De todas formas, este tipo de visualizaciones forman parte del trabajo cotidiano de los matemáticos y de toda persona que quiera comprender y utilizar estas herramientas matemáticas.

 ¿A qué llamamos completar el cuadrado?

Por lo general con ese título nos referimos a un procedimiento algebraico alternativo a la fórmula de Bhaskara pero observemos un procedimiento geométrico que bien puede llevar el mismo nombre.

Para ver la deducción de la fórmula conocida como " de Bhaskara" pueden consultarse este recurso:

www.montereyinstitute.org

Método de Euclides

Para ecuaciones de la forma    

con valores positivos de n y m,  los griegos empleaban también el siguiente método

Hecha la construcción, la longitud del segmento BE corresponde a una de las raíces positivas de la ecuación en caso de que tenga.

En la siguiente presentación puedes ensayar la construcción cambiando los parámetros m y n

Ejercicio: ensayar para qué valores de los parámetros m y n es posible obtener solución con este método.

Circunferencia de Carlyle

Otro método geométrico interesante es el ideado por Eduard Lill (1830-1900), Ingeniero Austríaco que en 1867 en la Exposition Universelle en París, presentó una máquina mecánica para determinar raíces de polinomios.

Thomas Carlyle (1795-1881) fue un historiador, escritor y poeta escocés que gustaba de la matemática y en sus ratos libres se entretenía con construcciones geométricas con regla y compás.

Carlyle empleó y difundió el método de Eduard Lill restringido a ecuaciones cuadráticas. Por ese motivo a la construcción que se debe realizar se la denomina "Circunferencia de Carlyle".

Descripción del método:

Si se quiere hallar las raíces de 

primero la reescribimos de la forma

En el sistema cartesiano de coordenadas se toman los puntos A(0,1) y D(S,P).

La circunferencia de diámetro AD corta al eje de abscisas en puntos cuyas abscisas son las raíces del polinomio. (si es tangente, la raíz es doble y si no corta la ecuación no tiene raíces reales).

Dos justificaciones de la construcción, una utilizando Geometría Analítica (Ecuación de la circunferencia) y otra aplicando Geometría Euclideana (Potencia, cuadriláteros cíclicos) quedan propuestas para realizar en las actividades al final de este trabajo.

Método de Lill

Ya comentamos en el apartado anterior que Lill ideó un método geométrico para construir con regla y compás soluciones de ecuaciones polinómicas. La circunferencia de Carlyle es una reducción del método para el caso de cuadráticas. Pero el sistema ideado por Lill puede trabajar incluso con ecuaciones cúbicas y mayores grados.

Descripción del método

Por ejemplo si se quieren hallar las raíces del polinomio

procedemos de la siguiente manera:  

Notemos que giramos 90º en sentido antihorario, si el coeficiente hubiera sido negativo el giro sería horario.

La poligonal resultante es la azul en el dibujo y es una forma gráfica no habitual de representar un polinomio. 

A continuación comenzamos a dibujar una nueva poligonal roja partiendo del origen pero abriendo un ángulo (alfa) con el primer segmento azul.

Si ambas poligonales tienen el mismo punto final, el valor -tan(alfa) es raíz del polinomio!!!

En la siguiente figura animada tenemos graficadas ambas poligonales. Puedes "mover" el punto azul para tratar de conseguir que los extremos coincidan. También tenemos graficado el polinomio y un punto de coordenadas (-tan(alfa), P(-tan(alfa))) para observar cuando se obtienen las raíces.

En el caso del ejemplo tenemos tres raíces reales, búscalas.

Biografía de Eduard Lill

http://www.biographien.ac.at/oebl/oebl_L/Lill_Eduard_1830_1900.xml 

Lecturas complementarias

Solving Cubics With Creases: The Work of Beloch and Lill, Thomas C. Hull

(Resolviendo ecuaciones cúbicas con plieges)

http://mars.wne.edu/~thull/papers/amer.math.monthly.118.04.307-hull.pdf

Margharita P. Beloch fue la primera persona, en 1936, que mostó como con origamis (plegando papel) era posible resolver ecuaciones cúbicas e ideó un método tan poderoso como las construcciones con regla y compás para hacerlo. El artículo presenta la prueba haciendo uso del método geométrico de Eduard Lill para encontrar raíces de ecuaciones polinómicas.

Carlyle Circles and the Lemoine simplicity of polygon constructions, Duane W. DeTemple.

http://apollonius.math.nthu.edu.tw/d1/ne01/jyt/linkjstor/regular/1.pdf

Artículo que muestra la aplicación del método de Lill y la reducción de Carlyle para la construcción de polígonos regulares. En particular se muestra el caso del pentágono regular, el polígono regular de 17 lados y el 65537-gono!!

Project Origami: Activities for Exploring Mathematics

http://www.crcpress.com/downloads/K16368/ProjectOrigami-Handouts.pdf

Libro de actividades que incluye la descripción del método de Lill para ejecutar con pliegues de papel.

Actividades

 

Proponemos las siguientes fichas de trabajo que pueden ser empleadas en cursos de enseñanza media para enriquecer los temas tratados.

La idea es que el uso de estos aspectos históricos en la enseñanza del álgebra puedan ser un aporte para que los estudiantes descubran el origen de algunos razonamientos que terminan conduciendo al conocimiento matemático actual. 

Poder hacer ver que la construcción de herramientas y conceptos que se emplean en el estudio de la matemática son producto de la creación humana y que son el resultado del esfuerzo de muchas personas a lo largo de la historia.

Es además un aporte de aire fresco para el tratamiento de temas habitualmente de abordaje árido y que puede conducir a nuevas reflexiones. 

Actividad 1 - 3ºCB

Se propone realizar la circunferencia de Carlyle en distintos casos empleando el Geogebra con el objetivo de visualizar los valores de las raíces de ecuaciones cuadráticas.

Actividad 2 - 3ºCB

En esta actividad se propone a los alumnos que experimenten la factorización de polinomios de segundo grado empleando los métodos gráficos griegos derivados de los "Elementos" de Euclides

Actividad 1 - 2ºBD

Actividad guiada en la que el estudiante deduce la justificación analítica del método de Carlyle empleando la ecuación de la circunferencia. (MAT I 2ºBD cualquier orientación)

Actividad 2 - 2ºBD

Actividad guiada en la que el estudiante deduce la justificación empleando conceptos de Potencia de un punto y triángulos congruentes.

(MAT II 2ºBD, científica)

Actividad 1 - 3ºBD

Actividad propuesta para MAT II y MAT III de sexto año para explorar relación entre la circunferencia de Carlyle y la parábola correspondiente.

Actividad 2 - 3ºBD

En esta actividad el estudiante emplea la ecuación de la circunferencia, intersección recta circunferencia, relaciones entre coeficientes y raíces con el objeto de deducir la justificación del método de Carlyle

Referencias

Who was Who in polynomial factorization, Joachim von zur Gathen,

Universitat Bonn

http://www.sigsam.org/issac/2006/abstract/gathen.pdf

A History of Mathematics, Florian Cajori, 1909. 

http://www.gutenberg.org/ebooks/31061

HISTORY OF MODERN MATHEMATICS, DAVID EUGENE SMITH, 1906

http://www.gutenberg.org/dirs/etext05/hsmmt10p.pdf

First Course in the Theory of Equations, Leonard Eugene Dickson, 1922

http://www.gutenberg.org/files/29785

Mathematics and Its History, John Stillwell

Planteamiento y Solución de Problemas de Ecuaciones,

Usando Estrategias y Métodos Propuestos en el

Desarrollo Histórico de la Teoría de Ecuaciones, Luis Enrique Zambrano García, Universidad Nacional de Colombia, Tésis de Maestría

Geometric Construction of Roots of Quadratic Equation

http://www.cut-the-knot.org/Curriculum/Algebra/QuadraticRoots.shtml

DU COMPAS AUX INTEGRAPHES : LES INSTRUMENTS DU CALCUL GRAPHIQUE,

Dominique TOURNES

http://www.univ-irem.fr/commissions/reperes/consulter/50tournes.pdf

Vorlesungen Uber Die Entwicklung Der Mathematik Im 19. Jahrhundert, Felix Klein 

http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=urn:nbn:de:bsz:16-heidok-149480

Machines for solving algebraic equations, J. S. Frame

http://www.ams.org/journals/mcom/1945-01-009/S0025-5718-1945-0011196-2/

NOTE ON LILL'S METHOD OF SOLUTION OF NUMERICAL EQUATIONS, B. MEULENBELD

http://www.dwc.knaw.nl/DL/publications/PU00018797.pdf

M. E. Lill: Résolution Graphique des équations numériques de tous les degrées à une seule inconnue, et description d'un instrument inventé dans ce but, Nouvelles Annales de Mathematiques, Series 2, Vol. 6, 1867

http://archive.numdam.org/ARCHIVE/NAM/NAM_1867_2_6_/NAM_1867_2_6__359_0/NAM_1867_2_6__359_0.pdf

CONSTRUCTIONS D’EQUATIONS ALGEBRIQUES

http://www.univ-irem.fr/reperes/articles/59_article_411.pdf

Le Calcul Simplifié Par Les Procédés Mécaniques Et Graphiques: Histoire Et Description Sommaire Des Instruments Et Machines À Calculer, Tables, Abaques Et Nomogrammes (1905) del francés Maurice D´Ocagne

https://archive.org/details/lecalculsimplif00ocaggoog

Animation for Lill's Method by Dan Kalman

http://dankalman.net/ume/lill/

Theory of equations" de H. W. Turnbull (1946)

https://archive.org/details/theoryofequation029153mbp

Project Origami: Activities for Exploring Mathematics

http://www.crcpress.com/product/isbn/9781466567917