Grecia, patria del conocimiento de occidente.

Existen tres problemas principales que preocuparon a los matemáticos griegos y que no pudieron resolver geométricamente, sólo con la ayuda de una regla (sin graduación) y un compás. Se trata de la duplicación del cubo, de la trisección de un ángulo (ambos problemas están relacionados con la obtención de la raíz cúbica de un número entero con métodos geométricos) y la cuadratura del círculo, relacionado con la trascendencia del número pi (pi no puede ser obtenido algebráicamente con ningún polinomio). Fue Proclo y otros comentaristas los que atribuyen a Hipias la construcción de la cuadratriz , que recibe también el nombre el nombre de “trisectriz de Hipias”, que es una curva que permite realizar la trisección de un ángulo y que posteriormente Dinóstrato utilizó también para hallar la cuadratura del círculo, denominándose por ello: cuadratriz. Nota: Esta curva y su construcción ha sido tratada en este blog, este es el enlace: Cuadratriz.

Cuadratriz de Hipias

Los griegos, intuitivamente llegaron a concluir que los tres problemas no se podían resolver sólo con regla y compás; debieron pasar aproximadamente dos milenios para que Lamber y Legendre demostraran que el número π no es racional (siglo XVIII). Fue hasta 1882, que Linderman, en una memoria publicada en los Mathematische Annalen demuestra que el número π es trascendente, siguiendo un proceso similar al descubierto por Hermite en 1873 con respecto a la trascendencia del número e.

En 1837, Pierre Wantzel publicó en el Journal de Liouville la demostración del siguiente teorema: “Un número real es construible con regla y compás si verifica dos condiciones (además son necesarias y suficientes): (1) El número es algebraico sobre Q; (2) El polinomio irreducible que lo contiene como raíz es una potencia de 2” . Con este resultado Wantzel pone fin a la antigua polémica sobre si un problema geométrico puede o no ser resuelto mediante regla y compás, demostrando así que los tres problemas son irresolubles con las condiciones impuestas en sus inicios.

Algo de Leyenda sobre la duplicación del cubo.

Según el historiador griego Plutarco, los habitantes de la ciudad griega de Atenas sufríeron una epidemia de peste allá por el 429 a.C. Como adoraban al dios Apolo y éste era patrón de la ciudad de Delfos, algunos atenienses fueron a Delfos a consultar a un oráculo de este dios griego sobre cómo podrían detener la epidemia.

Delfos

El oráculo les respondió que debían sustituir el altar a Apolo por otro del doble de volumen (desde luego, una respuesta de dudosa utilidad). El altar era cúbico, y los griegos eran muy aficionados a la geometría. Así que se planteó el dilema de cómo calcular el lado u>0 de un cubo de volumen doble de otro cubo dado, de lado a>0. Este problema se conoce como la duplicación del cubo. Evidentemente, la ecuación a resolver era:

u3=2a3

siendo a conocido y u incógnita. Nosotros sabemos despejar u en esa ecuación, pero lo que los griegos querían no era despejarla sino construir el nuevo altar.

Pero veamos con algo de más detenimiento como evolucionó la solución de este problema sin regla graduada y compás.

Hipócrates de Quíos y la duplicación del cubo

Isla de Chios -Grecia-

Hipócrates de Quíos fue un matemático, geómetra y astrónomo griego, que vivió aproximadamente entre el 470 y el 410 a. C..

Hipócrates de Quios

Nació en la isla de Quíos, enfrente de las costas de la actual Turquía. Hipócrates de Quíos es conocido por su cuadratura de la lúnula, esto es, la cuadratura mediante regla y compás, de una lúnula de características muy específicas.

Fue el primero en calcular áreas de regiones delimitadas por segmentos curvilíneos no rectos, en relación con el problema de la cuadratura del círculo. Para ello se valió del teorema que afirma que «la razón entre el área de dos círculos es la misma que la razón entre el cuadrado de sus radios».

Este estudio sobre Hipócrates, sus lúnulas y la cuadratura del círculo serán objeto de una futura entrada en este blog.

Las Lúnulas de Hipócrates. Solución parcial de la tarea «cuadratura del círculo», sugerida por Hipócrates. La superficie de la figura sombreada es igual a la del triángulo ABC. No es una solución completa del reto (la solución completa se ha demostrado que es imposible con regla y compás).

Las proporciones continuas

En relación con la duplicación del cubo probó que esta era posible siempre que pudieran encontrarse medias proporcionales entre un número y su duplo.

Las cuadraturas de Hipócrates tienen una gran importancia, no tanto como intentos dirigidos a la cuadratura del círculo cuanto como reflejo del nivel de la matemática de la época, ya que nos muestran hasta qué punto dominaban los matemáticos atenienses de la época las transformaciones de áreas y las proporciones. En particular no tenían evidentemente ninguna dificultad en convertir un rectángulo de lados “a” y “b” en un cuadrado, lo que requería hallar la media proporcional o geométrica entre sus lados; es decir, que si debía verificarse la proporción a/x=x/b, los geómetras de la época sabían perfectamente construir el segundo “x”. Era natural, pues, que estos mismos geómetras intentaran generalizar el problema al de interpolar dos medias  entre dos magnitudes dadas “a” y “b”; es decir, dados dos segmentos a y b intentaran construir otros dos segmentos x e y tales que a/x=x/y=y/b. Se dice que Hipócrates fue el primero en reconocer que este problema es equivalente al de la duplicación del cubo si tomamos b=2ª, ya que entonces la proporción continua conduce, por eliminación de y, a la conclusión de que x3=2a3 , es decir, a la obtención de la raíz cúbica de 2.

Arquitas y la duplicación del cubo

Arquitas fue un filósofo, matemático, astrónomo, estadista y general contemporáneo de Platón. Nació en Tarento (Magna Grecia, hoy Italia) en el año 428 a. C. y falleció en un naufragio en el mar Adriático en el año 347 a. C. Fue alumno de la escuela de Filolao de Crotona. Más tarde aprendió matemáticas de Eudoxo de Cnidos, siendo a su vez maestro de Menecmo. Influenció a Euclides.

Columnas dóricas en Tarento, sur de Italia, antigua Magna Grecia.

Es muy probable que Arquitas tuviera acceso a algún tratado anterior sobre los elementos de la matemática y, de hecho, el proceso iterativo para el cálculo de raíces cuadradas que se conoce a veces con el nombre de Arquitas había sido usado mucho antes en Mesopotamia (Ver entrada en este blog: Matemáticas en Mesopotamia). No obstante sabemos que a Arquitas se le deben también algunos resultados originales importantes. Su contribución más sorprendente fue, sin duda, una solución tridimensional al problema de la duplicación del cubo de Delfos, que podemos hoy haciendo uso de la geometría analítica explicar de manera sencilla:

Sea “a” la arista del cubo que hay que duplicar, y considérense tres circunferencias de radio “a” con centro en el punto (a,0,0) y situadas cada una en un plano perpendicular a cada uno de los ejes de coordenadas. Por la circunferencia perpendicular al eje OX trácese el cono circular de vértice el origen (0,0,0); Sobre la circunferencia situada sobre el plano OXY considérese el cilindro circular recto de eje paralelo al eje OZ, y hágase girar por último la circunferencia situada en el plano OXZ alrededor del eje Oz para generar así un toro. Las ecuaciones de estas superficies son respectivamente,  x2=y2+z2, 2ax=x2+y2  y (x2+y2+z2)=4 a2(x2+y2), estas tres superficies se cortan en un punto cuya coordenada “x” es  a. 3 V2, exactamente la arista del cubo buscado.

Menecmo y la duplicación del cubo

Menecmo (ca. 380 – ca. 320 a. C. ) fue un matemático y geómetra griego. Nació en el primer tercio del siglo IV antes de Cristo, en Alopeconnesus (actualmente en Turquía). Era hermano de Dinóstrato.

Alopeconnesus (actualmente en Turquía)

Fue discípulo de Platón y Eudoxo, y tutor de Alejandro Magno.

Su estudio teórico de las secciones cónicas fue célebre en la antigüedad, por eso estas curvas tuvieron el nombre de curvas de Menecmo.

Menecmo no podía prever la cantidad de bellas propiedades que el futuro se iba a encargar de descubrir en sus curvas. El había dado con las cónicas como  resultado de una afortunada búsqueda de curvas que tuvieran las propiedades requeridas para resolver el problema de la duplicación del cubo.

Parabológrafo de Cavalieri basado en la teoría de proporciones de Menecmo.

Utilizando la notación moderna puede obtenerse fácilmente la solución del siguiente modo:

Si queremos duplicar un cubo de arista “a” construiremos dos parábolas como secciones de un cono recto, una de “latus rectum a (eje vertical)” y otra de “latus rectum 2.a (eje horizontal)” . El punto de intersección de estas dos parábolas tendrá de coordenadas (x,y) que satisfacen la proporción continua establecida por Hipócrates de Quios: a/=x/y=y/2.a , con x= a.3V2, e y= a.3V4, siendo x la arista del cubo buscado.

Es probable que Menecmo supiera también que la duplicación del cubo se puede obtener de la intersección de una hipérbola (xy=a2) y una parábola (y2=(a/2).x)

La Cisoide, Diocles y la duplicación del cubo.

Diocles (Διοκλῆς en griego antiguo , ca 240 AC -.. ca 180 aC) matemático y geómetra griego.

Aunque se sabe poco sobre la vida de Diocles, se sabe que fue contemporáneo de Apolonio y que floreció hacia finales del siglo tercero antes de Cristo y el comienzo del segundo siglo antes de Cristo.

Fragmentos de una obra de Diocles titulada  Los espejos incendiarios fueron conservados por Eutocius en su comentario dirigido a  Arquímedes “Sobre la esfera y el cilindro”. Históricamente, su obra los espejos incendiarios tuvo una gran influencia sobre los matemáticos árabes, especialmente en al-Haytham , el gran pensador del siglo 11 de El Cairo, a quien los europeos conocían como “Alhazen”.

Ibn al-Haytham (Alhacen)

El tratado contiene dieciséis proposiciones que están probadas por las secciones cónicas . Uno de los fragmentos contiene proposiciones (siete y ocho), que proporcionan una solución al problema de dividir una esfera por un plano de modo que los dos volúmenes resultantes están en una relación dada. La proposición diez da una solución al problema de la duplicación del cubo. Esto es equivalente a resolver una cierta ecuación cúbica . Otro fragmento contiene proposiciones (once y doce), que utilizan la cisoide para resolver el problema de encontrar dos medias proporcionales entre dos magnitudes.

Las distintas ecuaciones, polar, paramétricas e implícita de la cisoide:

En este clip, presento la construcción de la cisoide y la obtención de un segmento de longitud la raíz cúbica de 2. (Ver a 720p, pantalla completa en HD)

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