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16.6.21

Newton and Leibniz - Newton y Leibniz

Newton and Leibniz

Sir Isaac Newton (1643-1727) was an English mathematician and scientist who is generally thought to be one of the greatest mathematicians of all time. He identified the principle of gravitation and the fact that it applied to all bodies throughout the Universe, establishing a formula to predict its effect in all circumstances. He formulated the three laws of motion and, by using a prism, established that white light was made up or a spectrum of colours. One of his greatest achievements was the invention of the calculus.

Gottfried von Leibniz (1646-1716) was a German mathematician who, independently of Newton, but about the same time, also invented the calculus. Though their methods were the same in principle, they differed widely in the notation they used. Controversy over which was the better dragged on for almost a century, but it is the Leibniz notation we use today.

Newton y Leibniz

Sir Isaac Newton (1643-1727) fue un matemático y científico inglés que generalmente se piensa que es uno de los más grandes matemáticos de todos los tiempos. Identificó el principio de gravitación y el hecho de que se aplicaba a todos los cuerpos del Universo, estableciendo una fórmula para predecir su efecto en todas las circunstancias. Formuló las tres leyes del movimiento y, con el uso de un prisma, estableció que la luz blanca estaba compuesta de un espectro de colores. Uno de sus grandes logros fue la invención del cálculo (*).

Gottfried von Leibniz (1646-1716) fue un matemático alemán, que independientemente de Newton, pero sobre la misma fecha, también inventó el cálculo. Aunque sus métodos eran en principio los mismos, se diferenciaban mucho en la notación que usaron. La controversia sobre cuál era la mejor, se mantuvo durante casi un siglo, pero es la notación de Leibniz la que usamos hoy.

(*) A la rama matemática desarrollada por Newton y Leibniz, en inglés se le ha dado el nombre de calculus, pero en español la palabra cálculo tiene la acepción general de "cómputo que se hace de algo por medio de operaciones matemáticas". Por tanto, una traducción más específica de calculus sería cálculo infinitesimal, y también análisis matemático.

Nota: el texto en inglés ha sido extraído y adaptado del libro Oxford Study Mathematics Dictionary.

14.11.17

[El Problema de la Semana] Noche fría

Este es un problema muy adecuado para las temperaturas que estamos empezando a sufrir.

-¿Recuerdas aquella noche fría del año pasado, la primera verdadera nevada en muchos años? -preguntó Tony-. Tú querías que condujera hasta el centro.
-No lo hiciste, y por eso nos perdimos una buena fiesta -replicó Nina-. No lo olvido. ¿Qué temperatura hacía?
-Una temperatura bastante curiosa -respondió su marido después de pensarlo-. El número de grados Fahrenheit y el de grados Celsius terminaban ambos en 5.

¿Qué valores son esos?

La solución, tiritando, más abajo.

Este diseño ha sido tomado de Vexels. Es un ejemplo de la colección "copo de nieve". Sin embargo no coinciden con la forma de los copos reales. Los copos de nieve reales tienen una forma hexagonal (seis puntas) y en este diseño, todos los "copos" tienen una forma octogonal (ocho puntas). Aunque los dibujos son parecidos a los copos de nieve de verdad, matemáticamente sería como dibujar un perro con seis patas, o un pájaro con cuatro alas.

Solución:

Debemos buscar la manera de convertir grados Celsius en Fahrenheit o al revés. Hay un par de fórmulas que relacionan un tipo de grados con otros. Por ejemplo tenemos la fórmula:

F = 1.8 · C + 32

Donde C es la cantidad en grados Celsius o centígrados y F el resultado en grados Fahrenheit. Ahora basta ir probando con cantidades en Celsius que terminen en 5, sin olvidarse de los números negativos.

Para 5º C, su temperatura equivalente es 41º F.
Para 15º C, su temperatura equivalente es 59 º F.
Para 25º C, su temperatura equivalente es 77º F.
Para 35º C, su temperatura equivalente es 95º F. ¿Hemos encontrado la respuesta? ¡No! ¡El problema nos dice que la noche es fría, no calurosa! Hay que buscar temperaturas más bajas.

Para -5º C, su temperatura equivalente es 23º F.
Para -15º C, su temperatura equivalente es 5º F. ¡Eureka! ¡Ésta es la temperatura!

La solución por tanto es -15º C, o lo que es lo mismo, 5º F.

Ampliación: la fórmula que relaciona los grados Celsius con los Fahrenheit es un ejemplo de función lineal. La variable independiente es C, y la dependiente es F. Resolver este problema de la semana equivale a darle valores enteros terminados en 5 a la variable dependiente C hasta encontrar en F un valor correspondiente también entero y terminado en 5.

La función se puede representar gráficamente. Su gráfica es una línea recta, de pendiente 1.8.

Gráfica de la función que relaciona grados Celsius con Fahrenheit. Está señalado el punto solución del problema.
La gráfica está hecha con el programa Geogebra.

Nota: este problema ha sido extraído del libro de Jaime Poniachik: Situaciones problemáticas.

4.3.15

[El Problema de la Semana] El corredor extraterrestre

Durante las dos últimas semanas, nuestro compañero matenavegante Pablo Viedma nos ha dado varias explicaciones sobre el puzle Las Torres de Hanoi y su trasfondo matemático. También nos ha traído el enunciado del problema que esta semana proponemos:

Imagina un ser (extraterrestre) que emprende una carrera, y que en cada paso emplea un segundo de tiempo, pero el primer paso es de 1 metro de longitud, el segundo de 2 metros, el tercero de 4 metros, y así sucesivamente, tardando un segundo en cada paso y doblando en cada paso la longitud del paso anterior.
¿Será capaz de superar a Usain Bolt que corrió 100 metros en 9,56 segundos? ¿Y cuánto tardará en hacer la distancia de Granada a Madrid, que es aproximadamente de 420 kilómetros? 

La solución viene debajo de la foto de Usain.


[la imagen ha sido tomada de una web de la Universidad de Cambridge dedicada a las Matemáticas y el Deporte]

SOLUCIÓN:

En el primer segundo el corredor ha dado un paso de 1 metro. Cuando han pasado dos segundos, el corredor ha avanzado 1 + 2 = 3 metros. Cuando han pasado tres segundos, el corredor lleva 1 + 2 + 4 = 7 metros. Se trata de ir sumando potencias de 2. Si seguimos sumando nos damos cuenta de que cuando han pasado siete segundos ha avanzado

1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + 64 = 127 metros,

luego en menos de 7 segundos ha superado la marca de los 100 metros. Por tanto sí es más rápido que Usain Bolt

Para averiguar el tiempo que el corredor extraterrestre tarda en cubrir la distancia de Granada a Madrid podemos seguir con el mismo método de ir sumando distancias dobles hasta sobrepasar los 420 km = 420.000 metros. Como es una progresión geométrica, los números crecen rápidamente y no hay que esperar demasiado para alcanzar esa distancia. Pero vamos a buscar una fórmula que nos simplifique el trabajo.

Lo que estamos haciendo es sumar una progresión geométrica de razón 2. Entonces podemos ver (porque conocemos la fórmula de la suma de una progresión geométrica o porque simplemente nos hemos dado cuenta) que sumando n términos el resultado es igual a 2 elevado a n menos 1:

1 = 21 – 1
1 + 2 = 3 = 22 – 1
1 + 2 + 4 = 7 = 23 – 1
...
1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + 64 = 127 = 27 – 1

Según esto, basta ir probando con las potencias de 2 y nos damos cuenta que 
219 = 524.288, y por tanto después de 19 pasos el corredor extraterrestre habrá recorrido:
219 – 1 = 524.287 metros

Luego la respuesta es que tardará menos de 19 segundos en hacer la distancia de Granada a Madrid

AMPLIACIÓN:

Si nos metemos en un nivel matemático más superior y pensamos también en términos de física, a este problema todavía se le puede sacar bastante jugo. Pero para eso debemos abandonar la superficie del planeta Tierra. Y entonces tiene todavía más sentido que al corredor le hayamos calificado de extraterrestre.

Hay varias cosas que llaman la atención. La primera es evidente: al tratarse de una progresión geométrica, la distancia avanzada aumenta enormemente en muy pocos pasos. Al corredor le bastan 7 pasos para sobrepasar los 100 metros, pero con 12 pasos más ya ha recorrido más de 500 kilómetros. 

Pero si nos fijamos en la velocidad implicada, entonces la situación empieza a tomar mayor interés. Si con 7 segundos avanza más de 100 metros, su velocidad, aunque mayor que la de ningún corredor humano hasta la fecha, no es equiparable todavía a la de un coche: cuando en la autopista alcanzamos 120 kilómetros por hora entonces se tardan 3 segundos en recorrer 100 metros.

Pero esa velocidad aumenta rápidamente. Para llegar a Madrid en menos de 19 segundos entonces estamos hablando de que el corredor ya está avanzando a velocidades superiores a 20 kilómetros por segundo. Esta velocidad es superior a la velocidad de escape de la superficie de la Tierra. Al corredor le resultaría ya imposible, corriendo a esta velocidad, dar los pasos sobre la superficie terrestre, porque estaría volando. En cuanto superase la velocidad de escape terrestre (11,2 km/s) la fuerza de gravedad no sería suficiente para que el corredor regresara a la Tierra a dar el siguiente paso.

Ya que estamos hablando de velocidades, podemos utilizar expresiones más avanzadas para calcular las velocidades con exactitud. Por lo que hemos visto más arriba, el espacio recorrido se puede calcular en función del tiempo con la siguiente fórmula:

s = 2t – 1

Donde s sería el espacio en metros, y t el tiempo en segundos. Los que conozcan un poco de física cinemática saben que la velocidad es "la derivada del espacio respecto al tiempo", y entonces derivando la fórmula anterior:

v = ds/dt = 2t · ln2

La velocidad viene expresada en metros por segundo. En la fórmula aparece ln2 que es el "logaritmo neperiano de 2", ln2 = 0,693147181. Podemos calcular cuándo el corredor alcanza la velocidad de escape terrestre, de 11,2 km/s = 11.200 metros por segundo, sustituyendo la velocidad en la fórmula y despejando el tiempo:

11.200 = 2t · ln2
2t = 11.200 / ln2 
 
t = log2(11.200 / ln2) = 13,979977485 segundos

El corredor extraterrestre supera la velocidad de escape de la Tierra a los 14 segundos aproximadamente, y ya no puede dar más pasos, porque su cuerpo ya está separándose de la superficie terrestre y entrando en órbita.

Puede ser un debate interesante decidir si el paso número 14 lo da o no lo da porque ya se haya separado lo suficiente de la superficie. Para ello tendríamos que entrar en ecuaciones físicas más complicadas, en las que se defina un vector de posición de dos coordenadas en función del tiempo, y luego se compare con la curvatura de la superficie de la Tierra. Puede ser un problema interesante de física, pero no vamos a profundizar en ello.

También podemos calcular otros hitos importantes: la barrera del sonido se alcanza a los 1234,8 km/h, es decir, a los 343 metros por segundo. Si averiguamos el tiempo:

343 = 2t · ln2
2t = 343 / ln2 
 
t = log2(343 / ln2) = 8,950831139 segundos

A los 8,95 segundos se produce el boom sónico, y el corredor supera la barrera del sonido.

Pero también tenemos la velocidad de la luz, de 300.000 kilómetros por segundo, o más exactamente de 299.792.458 metros por segundo, y si averiguamos el tiempo

299.792.458 = 2t · ln2
2t = 299.792.458 / ln2 
 
t = log2(299.792.458 / ln2) = 28,688155221 segundos

Poco después de los 28 segundos, nuestro extraterrestre alcanzaría la velocidad de la luz; ya no se le puede llamar corredor, porque desde el paso 14 abandonó la superficie de la Tierra, podemos llamarlo volador, porque estaría probablemente atravesando el espacio. Si hay coches que aceleran de 0 a 100 km/h en menos de 3 segundos, nuestro volador extraterrestre acelera de 0 a la velocidad de la luz en menos de 29 segundos. Según la física relativista, ya no puede aumentar más su velocidad y habría alcanzado el límite absoluto. 

¿Cuánto habrá recorrido en esos casi 29 segundos? s = 228,688155221 – 1 = 432.509.091 metros, más de 432.500 kilómetros; como la Luna está a 384.400 kilómetros de la Tierra, nuestro volador extraterrestre estará más allá de la órbita de la Luna.


2.5.11

[El Problema de la Semana] Una cuerda y dos palos

Supongo que al lector le pasará algo parecido a lo que me pasó a mí cuando leí este problema por primera vez. Inmediatamente me imaginé una complicada situación de análisis matemático en la que debía calcular el mínimo de una función exponencial. Pero no es así. La situación es mucho más sencilla de lo que parece.

Una cuerda de 40 metros de longitud tiene sus extremos atados a la parte superior de dos palos de 22 metros de altura. Si la cuerda cuelga a 2 metros del suelo, ¿cuál es la separación entre los dos palos?

La solución cuelga más abajo, aunque no a 22 metros de distancia.

[Cuando una cuerda cuelga entre dos palos o postes, la gravedad hace que forme una curva, llamada catenaria. En las líneas férreas, los trenes eléctricos suelen tomar la electricidad de cables colgados de postes que discurren por encima del tren, y a estas líneas de cables también se les llama catenarias. La imagen procede de esta web, en donde también se puede obtener más información sobre estos puntos.]

Solución:
Nada más hay que fijarse en que la cuerda tiene que bajar desde un palo y subir al otro, y como mide 40 metros estará 20 bajando y otros 20 subiendo; pero los palos miden 22 metros, y el extremo inferior de la cuerda cuelga a dos metros del suelo, por tanto la cuerda no puede formar una curva, tiene que bajar 20 metros en vertical y subir 20 metros en horizontal, y esto solo es posible si los dos palos están juntos. Luego la separación entre los dos palos es de 0 metros, no hay separación.

Ampliación:
La fórmula matemática que adopta la curva de una cuerda colgada entre dos postes, la llamada catenaria, palabra que se deriva de cadena, es la del coseno hiperbólico. La expresión básica del coseno hiperbólico es f(x) = ch(x) = (ex + e-x)/2, y la forma de cualquier cuerda se puede obtener con una fórmula derivada de esta, del tipo f(x) = a(ex/a + e-x/a)/2. Si le pedimos a la cuerda que tenga una longitud de 40 metros, entonces tenemos que entrar en el cálculo de integrales, porque la longitud de una curva se calcula con una integral.
Si el problema nos dijera que la cuerda cuelga a 5 metros del suelo, por ejemplo, entonces calcular la distancia a la que tienen que estar los postes no es un problema trivial, sino de análisis matemático avanzado.
Por supuesto, siempre podemos tomar dos palos de 22 metros, atar a sus puntas una cuerda de 40 metros,  ir separando los palos hasta que la cuerda cuelgue a 5 metros del suelo exactamente y medir la separación de los dos palos. Pero encontrar y manejar dos palos de 22 metros de largo (la altura de un edificio de siete pisos) y desplazarlos de forma que en todo momento estén verticales, no debe ser nada fácil.

Nota: este problema ha sido extraído del libro El país de las mates, 100 problemas de ingenio 1, de Miquel Capó Dolz, editorial El rompecabezas.

22.8.09

Sobre la Curva de Agnesi

Cuaderno de bitácora: un par de circunstancias han modificado el rumbo de la matenavegación, llevándonos a visitar nuevas tierras desconocidas para nosotros hasta ahora, y dándonos la oportunidad de aprender sobre la vida de algunas mujeres matemáticas.
En la historia, a través de las culturas, civilizaciones y países, han sido pocos en general los que han dedicado su vida al estudio de las ciencias, especialmente de las abstractas, como las matemáticas con todas sus ramas. Nadie duda de la enorme aplicación práctica de las matemáticas en la vida cotidiana, aunque es pequeño el porcentaje de la población en el que hay cierto interés y motivación por conocer a fondo el intrincado mundo de los axiomas, teoremas, principios, algoritmos y demás realidades de las Ciencias Exactas. Sin embargo, hoy podemos constatar que este pequeño porcentaje tiene una distribución similar entre hombres y mujeres. Aunque no lo he comprobado con rigurosidad, creo que si hacemos una estadística sobre el número de mujeres y hombres que estudian actualmente la carrera de Matemáticas, los porcentajes estarían bastante equilibrados. Como corroboración de esto último, el año pasado apareció un artículo periodístico en el que se afirmaba que entre los matemáticos españoles un 60% eran mujeres.
Por lo que sé, no sucede así con las demás carreras: el resto de carreras de ciencias, en especial las ingenierías, arquitectura, física, suele tener una mayor proporción de hombres matriculados que de mujeres; otras carreras de letras, como las filologías, tienen una proporción muy alta de mujeres frente a hombres. La licenciatura de Filología Inglesa en la Universidad de Granada, por ejemplo, tiene una proporción de entre un ochenta y un noventa por ciento de mujeres entre los matriculados.
Las matemáticas puras interesan a pocos; sin embargo, interesan en la misma proporción a hombres que a mujeres. No obstante, en la historia de las matemáticas apenas se conocen mujeres que destacaran en sus estudios. Habitualmente son los hombres los que se mencionan como autores y descubridores de teorías, herramientas, proposiciones, etc.
Hoy en día se está tratando de hacer justicia a todas las mujeres matemáticas olvidadas por la historia, y así podemos descubrir grandes científicas que en su época, a pesar de las dificultades, supieron destacar en el campo de la investigación.
Uno de mis sobrinos, alumno de Primaria, aprendió hace unos meses la existencia de la llamada Curva de Agnesi. Cuando esto llegó a mis oídos, me di cuenta que jamás había oído hablar de dicha curva. Los temarios que se estudian en Primaria y Secundaria van cambiando con el paso de los años, y las matemáticas, aunque parecen tener una resistencia especial al paso del tiempo, ya que tratan de una ciencia eterna, no se ven exentas de sufrir cambios en el currículo de la asignatura. La Curva de Agnesi no formó parte de lo que aprendí en el Barco Escuela, ni en la EGB, ni en el BUP, ni en el COU, ni siquiera en la Universidad. Entonces, ¿por qué se está enseñando ahora?
Sólo puede haber un motivo: recuperar la memoria de una insigne matemática italiana, María Gaetana Agnesi, que vivió en Milán desde 1718 a 1799. Además de a las matemáticas, se dedicó también a la lingüística, a la filosofía y a la teología. En 1748, con treinta años, publicó Instituzioni analítiche ad uso della gioventú italiana, al que se le atribuye ser el primer libro de texto que trata conjuntamente el cálculo diferencial y el integral, y que sería prontamente traducido al francés y al inglés.
Diversos méritos tiene este libro, entre ellos la exposición, clara y sencilla, de conceptos muy novedosos para la época, en la que todavía persistía la separación entre las teorías de Newton y las de Leibnitz sobre el cálculo infinitesimal. El texto, además, está ilustrado con numerosos ejemplos, muy bien escogidos. Uno de esos ejemplos es precisamente, la Curva de Agnesi. Como suele suceder con otros conceptos en matemáticas, a pesar de que esta curva lleva el apellido de nuestra matemática María Gaetana, no fue ella la primera que la descubrió, sino que ya había sido estudiada por Fermat y Grandi en años anteriores.
Existe una anécdota sobre la traducción al inglés de la curva. El término italiano que Agnesi utiliza para denominarla, versiera, que significa "cabo o cuerda que se utiliza para girar la vela en una embarcación", es confundido por el traductor John Colson con la palabra avversiera, "diablesa", y que este traductor convierte en witch, "bruja". Por eso es normal que los libros de texto se refieran a esta curva como la Bruja de Agnesi.
La definición de la Curva es sencilla: dado un parámetro, a, tómese una circunferencia de radio a/2 y centro (0, a/2). La circunferencia, por tanto, tiene centro en el eje OY y es tangente al eje OX en el (0, 0), y además corta al eje OY en el punto (0, a). En la figura se puede apreciar una circunferencia en la que el parámetro a=10.
Una vez dibujada la circunferencia, se toma la recta horizontal que pasa por el (0, a), llamémosle r, y se van trazando rectas que pasen por el origen de coordenadas. Estas rectas cortan a la circunferencia en el punto B, y a la recta r en el punto A. Se dibuja la horizontal que pasa por B y la vertical que pasa por A, y estas dos rectas se cortan en un punto P. Este punto P pertenece a la Curva de Agnesi. Variando las rectas que pasan por el (0, 0) se van obteniendo todos los puntos de la Curva, resultando un gráfico como el que tenemos: una curva que se eleva suavemente hasta alcanzar un máximo en el punto (0, a) y luego desciende a derecha e izquierda, acercándose de forma asintótica hacia el eje OX.
Es sencillo encontrar que la expresión algebraica de la curva en forma de ecuación implícita es
y a los matenavegantes avezados en travesías mateoceánicas les recordará inmediatamente a la función derivada del arcotangente.
La vida de Maria Gaetana Agnesi se sale de lo habitual y nos dice mucho de su carácter y su vocación. Hija de Pietro Agnesi, un rico hombre de negocios, fue la mayor de los 21 hijos que su padre tuvo con tres diferentes esposas. Siendo la mayor, le tocó ser la cuidadora de sus hermanos, y a la mayoría de ellos tendría la desgracia de verlos morir en la infancia. Su carácter era serio y retraído, y su padre le dio una esmerada educación a través de preceptores y profesores particulares. Su padre también se encargó de organizar tertulias en el salón familiar, a las que acudían los principales intelectuales de Milán, y en ellas presentaba a su hija, que destacaba precozmente en el dominio de varias lenguas, como el latín, el griego, el hebreo, el francés, el español y el alemán.
Conforme fue creciendo, logró irse apartando de estas tertulias que la incomodaban, y se dedicó al estudio de las matemáticas y la teología. Después de publicar el libro Instituciones Analíticas antes mencionado, el Papa Benedicto XIV la nombra en 1750 catedrática en la Universidad de Bolonia, cátedra que ocuparía hasta la muerte de su padre en 1752. Se dice que el título fue solo honorífico, pues María Gaetana no ejercería la enseñanza, manteniendo una vida de retiro. A la muerte de su padre se dedicó por completo a su vocación religiosa y a las obras de caridad, en las que gastó toda su fortuna, abandonando las matemáticas y las demás cuestiones mundanas. En 1771 fue nombrada directora del Hospicio Trivulzio de Milán, donde se concentró en el cuidado de los menesterosos y enfermos, especialmente de mujeres mayores. En este mismo hospicio moriría como una más de las acogidas el 9 de enero de 1799.
Resulta un contraste extraño que por un error de traducción la Curva de Agnesi haya sido recordada y mantenida como Bruja de Agnesi, siendo la propia Agnesi una mujer tan humilde, piadosa y caritativa. Como citan María Molero Aparicio y Adela Salvador Alcaide en su biografía sobre María Gaetana Agnesi publicada en Divulgamat, parece un chiste sin gracia o hecho con mala intención. No sería el primero ni el último en la historia de la humanidad, y muchos personajes famosos tienen que sufrir este tipo de equivocaciones y tergiversaciones que luego se perpetúan y son tan difíciles de borrar.