Superficies Algebráicas: Una colección de animaciones

Aquí presento una colección de superficies algebraicas animadas con SURFER. Espero se aprecie la poesía y la belleza inmersa en las Matemáticas. El software SURFER, puede descargarse desde la página oficial de Imaginary  (Haz click aquí).

Paraguas de Whitney
Paraguas de Whitney
Superficie elicoidal
Superficie elicoidal
Toro
Toro
Spitz
Spitz
Spindel
Spindel
Silla de montar
Silla de montar
Plop animation
Plop
Octdong
Octdong
Tres planos perpendiculares entre si.
Tres planos perpendiculares entre si.
Lima
Lima
Colibri
Colibri
Cono seccionado por un plano.
Cono seccionado por un plano.
Cono
Cono
Himmel und Hoelle
Himmel und Hoelle
Herz
Herz
Fingernagel
Fingernagel
Fanfarria
Fanfarria
Ellipsis
Ellipsis
Dullo-Donuts
Dullo-Donuts
Dingdong
Dingdong
Diabolo
Diabolo
Caliz
Caliz
Calypso
Calypso

Zeck animation

Vídeo: C.R. Ipiéns

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Cuarto problema de Apolonio (PPC)

Circunferencia que pasa por dos puntos dados y es tangente a otra circunferencia dada.
Circunferencia que pasa por dos puntos dados y es tangente a otra circunferencia dada.

En esta entrada presento un breve apunte geométrico del Cuarto problema de Apolonio, sigue de la entrada hecha ya en este blog, sobre los problemas 1 y 2 de Apolonio (Click aquí) y el tercer problema (click aquí)

En este cuarto problema se resuelve el caso de encontrar una circunferencia que pasa por dos puntos y es tangente a otra circunferencia dada. Como preliminares, introducimos la noción de Potencia de un punto respecto a una circunferencia y la de Eje radical.

El clip es una presentación PowerPoint pasada a vídeo, recomendable ver en HD a pantalla completa.

 

Pensadores influyentes en la Historia de la Ciencia

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De la página oficial  del MUNCYT (Museo Nacional de Ciencia y Tecnología), tomo:

Una vez más, el MUNCYT se ocupa de acercarnos la historia. Si una de sus misiones, para empujarnos al futuro, radica en la popularización y comprensión de la ciencia que se está creando, que mueve nuestro mundo y que vemos asomar en los medios de comunicación, otros objetivos nos invitan a mirar al pasado, tratando de fortalecer las raíces que sustentan nuestra cultura.

En esta obra, y en la exposición que la acompaña, los expertos han querido seleccionar, con la limitación en número que aconseja toda tarea de este género, el conjunto de libros que podríamos considerar más destacados por su trascendencia en la historia del pensamiento científico. Abarcan un período tan amplio como el de la cultura humana, y el índice de mayor o menor frecuencia a lo largo de los siglos respectivos puede ser un indicador de la presencia de las crisis y revoluciones en el mundo de las ideas. Siempre definiendo un progreso.

Si los libros representan la historia del pensamiento, este proyecto quiere recordarnos que todas la ideas científicas nacen o se hacen en el encuentro con el mundo material, con objetos de nuestro mundo. Cada libro se presenta vinculado a un objeto, en la mayor parte de los casos de la colección del MUNCYT, que nos invita a pensar en clave de historia y a poner personalmente en marcha el proceso de intervención imprescindible para que, al menos mentalmente, se puedan generar conceptos a partir de la percepción de hechos.

En esta entrada recojo los veintiséis retratos realizados por Eulogia Merle de los científicos que forman parte de la exposición ‘Libros inmortales, instrumentos esenciales’, sobre las obras que han cambiado el curso del pensamiento humano, así como una breve biografía de ellos. La muestra se inaugura el 17 de octubre de 2013 en la sede de A Coruña del Museo Nacional de Ciencia y Tecnología (MUNCYT). El catálogo de esta muestra se puede descargar desde la web del MUNCYT.

‘Tratados Hipocráticos’ de Hipócrates de Cos (460-380 a. C.). Nace la medicina como ciencia.
‘Tratados Hipocráticos’ de Hipócrates de Cos (460-380 a. C.). Nace la medicina como ciencia.

Al llamado “Padre de la medicina” le podemos reconocer tres importantes aportaciones: el racionalismo, la observación cuidadosa y la necesidad de unas normas éticas. Según la tradición era médico y nacido en la Isla de Cos, incluso emparentado con Asclepio, dios griego de la medicina. Con certeza poco o nada se sabe de su vida; quizás viajó por toda Grecia realizando observaciones y tratando enfermos, lo que le serviría para compilar toda su experiencia en una serie de escritos de medicina que se le atribuyen y que siglos más tarde dieron forma al Corpus Hippocraticum. Defiende la concepción de la enfermedad como la consecuencia de un desequilibrio entre los humores del cuerpo, teoría que desarrollaría más tarde Galeno y que dominaría hasta la Ilustración. Entre las aportaciones de la medicina hipocrática destacan: la consideración del cuerpo como un todo, el énfasis en la observación minuciosa de los síntomas y la valoración del historial clínico. En el campo de la ética médica se le atribuye el célebre “juramento hipocrático” que compromete a quien lo pronuncia a «entrar en las casas con el único fin de cuidar y curar a los enfermos» y a «mantener el secreto». Murió en la ciudad de Larissa (Tesalia) dejando tras de sí el mayor compendio médico de su época.

‘Física’ de Aristóteles de Estagira (384-322 a. C.). El primer paradigma centrado en el estudio de la naturaleza de las cosas.
‘Física’ de Aristóteles de Estagira (384-322 a. C.). El primer paradigma centrado en el estudio de la naturaleza de las cosas.

Se le conoce como El Estagirita, por haber nacido en la ciudad de Estagira (Tracia). Era hijo del médico del rey de Macedonia. Creció en la corte y al inicio de su juventud marchó a Atenas, para estudiar en la Academia de Platón, donde estuvo durante veinte años. Viajó por el Egeo, y entre otras materias estudió la zoología y botánica de la isla de Lesbos, tras lo cual fue invitado por el rey Filipo II para ser tutor de su hijo, quien años más tarde sería Alejandro Magno. A su vuelta a Atenas estableció su propia escuela en el Liceo. Había cumplido sesenta años cuando se trasladó a la isla de Eubea, donde murió. Destaca como filósofo, conocedor e integrador de múltiples disciplinas. Se le considera el fundador de la lógica deductiva en filosofía. Como científico, escribió sobre física, astronomía, anatomía, embriología, geografía, geología, meteorología y zoología. En la Física plantea tres principios básicos para explicar el movimiento de los cuerpos, distinguiendo entre movimientos naturales y movimientos forzados. Su visión cosmológica propone la delimitación de una región sublunar en la que sitúa a la Tierra, donde los movimientos naturales son verticales y pasajeros, y una supralunar que considera perfecta, donde el movimiento natural es circular y constante.

‘Elementos’ de Euclides (c. 295 a. C.). Comienza la historia de la geometría.
‘Elementos’ de Euclides (c. 295 a. C.). Comienza la historia de la geometría.

Es difícil precisar datos de la biografía del más destacado matemático de la antigüedad grecolatina, considerado el Padre de la Geometría. Solo se conocen con certeza dos hechos indiscutibles: vivió en una época intermedia entre los discípulos de Platón y los de Arquímedes, y formó una gran escuela de matemáticas en Alejandría. Según el filósofo bizantino Proclo, Euclides enseñó en esta ciudad del delta del Nilo durante el mandato de Ptolomeo I Sóter, es decir, entre los años 323 y 285 a. C. Murió en torno al año 270 a. C. Su fama radica en ser el autor de los Elementos, un tratado de geometría que ha servido de libro de texto en la materia hasta comienzos del siglo XX.

Está compuesto por trece libros que tratan de geometría en dos y tres dimensiones, proporciones y teoría de números. Presenta toda la geometría basándose en teoremas que pueden derivarse a partir de cinco axiomas o postulados muy simples que se aceptan como verdaderos.

‘Sobre los cuerpos flotantes’ de Arquímedes de Siracusa (c. 287-212 a. C.). Ideas que integran ingeniería, mecánica y matemáticas.
‘Sobre los cuerpos flotantes’ de Arquímedes de Siracusa (c. 287-212 a. C.). Ideas que integran ingeniería, mecánica y matemáticas.

Aunque resulte paradójico, por exceso de referencias –y datos discrepantes se conocen escasos detalles que sean fidedignos de la vida del renombrado matemático e ingeniero de la antigua Grecia. La biografía escrita por su amigo Heracleides no ha llegado a nuestros días, y hemos de limitarnos a historias posteriores, como las de Plutarco, Tito Livio y otros. Sabemos que visitó Alejandría, estudiando con los sucesores de Euclides, pero la mayor parte de su vida transcurrió en la ciudad-estado de Siracusa, en la isla de Sicilia, donde estaba relacionado con su rey, Hierón II. Allí compuso la mayor parte de su obra, hasta su muerte en el saqueo romano de la ciudad después de una histórica defensa. Se le atribuyen diversos ingenios mecánicos, como el llamado tornillo sin fin, la polea compuesta, o el espejo ustorio. Entre sus importantes trabajos matemáticos destacan los relacionados con el análisis de problemas hidrostáticos como Sobre los cuerpos flotantes, que contiene en su proposición séptima el celebérrimo Principio que vinculamos a su nombre. Se dice que las figuras de la esfera y el cilindro fueron grabadas en su tumba.

‘Historia natural’ de Plinio Segundo (23-79 d. C.). La más detallada enciclopedia de las maravillas del mundo conocido.
‘Historia natural’ de Plinio Segundo (23-79 d. C.). La más detallada enciclopedia de las maravillas del mundo conocido.

Conocido también como Plinio el Viejo, nació en Comum (la actual ciudad de Como, en Italia) en el seno de una próspera familia, miembro de la clase social de los caballeros romanos. En Roma estudió botánica, filosofía y retórica. A los veintitrés años inició su carrera militar en Germania y durante años dedicó su vida al ejército. Regresó a la capital del Imperio y se dedicó al estudio y cultivo de las letras, recibiendo importantes cargos de confianza. Fue procurador en Galia e Hispania. Los investigadores señalan que en sus últimos años solía dirigirse cotidianamente al palacio de Vespasiano quizá en calidad de consejero privado. A él se le atribuyen varias obras entre las que destaca su Historia Natural –presentada a Tito en el año 77 y publicada por su sobrino en el año 79-, un compendio enciclopédico que reúne gran parte del saber de su época en treinta y siete libros, cada uno dedicado a un área de conocimiento: cosmología, astronomía, geografía, zoología, botánica, agricultura, medicina y minerales. La muerte le sobrevino mientras trataba de socorrer a los ciudadanos en la erupción del Vesubio.

‘Almagesto’ de Claudio Ptolomeo (siglo II). La búsqueda de orden cósmico a través de la geometría y el número.
‘Almagesto’ de Claudio Ptolomeo (siglo II). La búsqueda de orden cósmico a través de la geometría y el número.

El hecho de que ninguno de los biógrafos griegos posteriores le dedique literatura hace suponer a los estudiosos que este ciudadano romano, probablemente de origen griego, tuvo una existencia pacífica dedicada al estudio. Por sus observaciones se estima que trabajó en Alejandría, entre los años 125 y 141 d.C. y que después de esta fecha redactó su obra Gran composición matemática de la astronomía, más conocida por su título árabe Almagesto. Dedicó su vida a la matemática, la astronomía, la geografía y la astrología. A partir de las ideas aristotélicas y de sus observaciones construyó un modelo geométrico del mundo que servía para explicar con alto grado de precisión los movimientos aparentes (vistos desde la Tierra) de los antiguos planetas o estrellas que cambian de constelación, es decir el Sol, la Luna, Marte, Mercurio, Júpiter, Venus y Saturno; era un sistema geocéntrico, según el cual la Tierra se encuentra inmóvil en el centro del universo. Por todo ello, el sistema podía usarse para predecir eclipses. Sus ideas influyeron en astrónomos y matemáticos hasta el siglo XVI.

‘Sobre el movimiento de las esferas celestes’ de Nicolás Copérnico (1473-1543). La revolución del heliocentrismo entra en escena.
‘Sobre el movimiento de las esferas celestes’ de Nicolás Copérnico (1473-1543). La revolución del heliocentrismo entra en escena.

Nació en Polonia en el seno de una adinerada familia. Quedó huérfano y bajo la tutela de su tío, obispo de Warmia. Ingresó en la Universidad de Cracovia y años más tarde en Bolonia estudió derecho canónico, recibió la influencia del humanismo italiano comenzando a mostrar interés por la astronomía. En Padua completó sus estudios con los de medicina, doctorándose en derecho canónico por la Universidad de Ferrara, regresó a su país y se incorporó a la corte episcopal. En 1513 escribió el Commentariolus –manuscrito que circuló sin que se supiera su autoría-, donde esbozaba su nuevo sistema astronómico. Fue invitado a reformar el calendario juliano. Los últimos años de su vida los dedicó a la redacción de su gran obra, De Revolutionibus Orbium Coelestium, donde defendía la hipótesis heliocéntrica. Su discípulo Rheticus llevó en 1542 una copia del manuscrito a la imprenta, publicándose en 1543. Falleció en Frombork y su teoría fue condenada por la Iglesia en 1616. Permaneció en el Índice de libros prohibidos hasta 1758.

‘De la estructura del cuerpo humano’ de Andrés Vesalio (1514-1564). El nacimiento de la anatomía moderna.
‘De la estructura del cuerpo humano’ de Andrés Vesalio (1514-1564). El nacimiento de la anatomía moderna.

Andries van Wesel – o Andreas Vesalius, su nombre latino-, nacido en Bruselas, es considerado unánimemente como el padre de la anatomía moderna. Se formó en las universidades de Lovaina, París y finalmente Padua, donde obtuvo el título de doctor en medicina magna cum laude, y fue profesor. Aplicando el método científico de observación y disección de cadáveres superó las premisas de Galeno basadas en el estudio de animales, y no de seres humanos, imperantes durante más de mil años. Solo unos pocos pioneros, como Leonardo da Vinci, a quien podemos considerar el fundador de la ilustración anatómica pocos decenios antes, se habían atrevido a realizar disecciones humanas y a hacerlo público. Una vez publicada en 1543 su obra fundamental, De humani corporis fabrica –que detalla y esclarece la anatomía humana-, Vesalio renunció a sus investigaciones en Padua por la práctica de la medicina al servicio del emperador Carlos V, y más tarde de su hijo Felipe II, en los Países Bajos y España. Al regreso de un viaje de peregrinación a Jerusalén naufragó en la isla griega de Zante, donde murió en extrañas circunstancias a los 50 años.

‘Astronomía nueva’ de Johannes Kepler (1571-1630). Las leyes matemáticas pasan a gobernar el cielo.
‘Astronomía nueva’ de Johannes Kepler (1571-1630). Las leyes matemáticas pasan a gobernar el cielo.

El científico que abrió la senda de la astronomía moderna nació en Weil der Stadt, en la actual Alemania. La miopía y la visión doble que padeció desde niño a causa de la viruela no le impidieron desvelar las leyes que rigen el movimiento de los planetas alrededor del Sol. Formado en teología en la universidad de Tubinga, su profesor de astronomía, Michael Mastlin, pronto se apercibió de su inusual capacidad intelectual ilustrándole sobre la teoría heliocéntrica de Copérnico. Su itinerante vida transcurrió principalmente entre las ciudades de Graz, Praga y Linz. Fue en la segunda donde, asalariado por el astrónomo Tycho Brahe y más tarde como Matemático Imperial bajo la protección de Rodolfo II, desarrolló sus grandes obras, como las Tabulae Rudolphinae y Astronomia Nova (1609). Es en esta última donde expuso dos de las tres leyes fundamentales que describen el movimiento de los planetas: la tercera la plasmó en Harmonices mundi Libri V (1619). Kepler fue el primer científico en demandar explicaciones físicas a los fenómenos celestes.

‘Diálogos sobre los sistemas del mundo’ de Galileo Galilei (1564-1642). Órdago por la racionalidad a modo de lección de física.
‘Diálogos sobre los sistemas del mundo’ de Galileo Galilei (1564-1642). Órdago por la racionalidad a modo de lección de física.

Uno de los máximos exponentes de la Revolución Científica, nació en Pisa, en una familia perteneciente a la baja nobleza. Inició la carrera de medicina, pero pronto la abandonó y reorientó sus estudios hacia la física y las matemáticas. Inspirado por el trabajo de Arquímedes, comenzó a realizar experiencias, y de esta primera época son sus descubrimientos sobre caída de los cuerpos, convencido de que la naturaleza le permitía contrastar las ideas de Aristóteles y de que las ideas podían defenderse libremente con razonamientos basados en la experiencia. El fallecimiento de su padre, músico, le obligó a hacerse cargo de su familia. En el invierno de 1609 utilizó un telescopio fabricado por él mismo y por primera vez lo dirigió hacia los cielos, donde se encontró con revolucionarias observaciones –como la existencia de satélites en Júpiter- y las describió en el Sidereus Nuncius. La interpretación de las mismas le llevaron a convencerse de la validez del modelo heliocéntrico de Copérnico. En 1632 publicó Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo Tolemaico, e Copernicano, donde defendía la cosmología copernicana en forma de un diálogo razonado. El libro fue prohibido por el Papa, y fue condenado por herejía. Tras abjurar de sus ideas, arrodillado ante los cardenales de la Inquisición, fue condenado a arresto domiciliario.

‘Disertación anatómica sobre el movimiento del corazón’ de William Harvey (1578-1637). La sangre se mueve en circuito cerrado por el cuerpo humano.
‘Disertación anatómica sobre el movimiento del corazón’ de William Harvey (1578-1637). La sangre se mueve en circuito cerrado por el cuerpo humano.

Nacido en Kent, Inglaterra, estudió medicina en Cambridge y completó su formación en la universidad de Padua. Ejerció la medicina en Londres y fue elegido como uno de los médicos del rey Jaime I así como de su sucesor, Carlos I. Entre sus amistades se contaban Francis Bacon y Thomas Hobbes. La publicación de su obra Exercitatio Anatomica de Motu Cordis et Sanguinis in Animalibus (1628) -donde anunció el descubrimiento de la circulación de la sangre en el cuerpo humano- le otorgó un lugar de primer orden en la historia de la ciencia y la medicina. Si bien otros ya habían avanzado respecto a las ideas de Galeno sobre la función y anatomía del corazón, las arterias, venas y pulmones, fue Harvey quien, tras multitud de experimentos cuantitativos, llegó a la conclusión de que el flujo de sangre por el cuerpo se realizaba en un circuito cerrado, donde el papel de bombeo correspondía a un órgano maravilloso, el corazón, que él denominó “sol del microcosmos”.

‘Discurso del método’ de René Descartes (1596-1650). La filosofía, camino hacia la certeza.
‘Discurso del método’ de René Descartes (1596-1650). La filosofía, camino hacia la certeza.

Filósofo, matemático y físico francés, considerado el padre de la geometría analítica y de la filosofía moderna, nació en el pueblo francés de La Haye en el seno de una familia de la baja nobleza. Se licenció en derecho por la Universidad de Poitiers y partió hacia los Países Bajos, donde sirvió como soldado durante un corto periodo de tiempo. Regresó a Francia y vendió sus posesiones para garantizarse una vida independiente. Entre 1619 y 1628 viajó y residió en varias zonas de Europa, en las que estableció contacto con prestigiosos científicos. Después de años de estudio, desarrolló un método universal de razonamiento deductivo basado en las matemáticas, en el que proponía una duda metódica, que sometiese a juicio todos los conocimientos, y que quedó formulada en su obra Discours de la méthode (1637). Su filosofía empezó a ser conocida, lo cual le acarreó amenazas de persecución religiosa. En 1649 se desplazó a Estocolmo, donde murió a consecuencia de una neumonía.

‘Micrografía’ de Robert Hooke (1635-1703). El microscopio como herramienta de investigación.
‘Micrografía’ de Robert Hooke (1635-1703). El microscopio como herramienta de investigación.

Está considerado el científico experimental más importante del siglo XVII. Estudiante en Oxford, su carrera científica despegó como discípulo de Robert Boyle estudiando la relación entre la presión y el volumen de un gas. Participó en la investigación sobre el problema marítimo de la longitud y presentó multitud de experimentos a lo largo de quince años en la Royal Society de Londres, en cuya fundación había participado. En 1665 publicó Micrographia, una de las obras maestras de la ciencia de esta centuria, profusamente ilustrada con detalladísimos dibujos al microscopio, cuyo impacto rivalizó con Sidereus Nuncius de Galileo. Tras el gran incendio de Londres de 1666 fue nombrado, en calidad de arquitecto, uno de los tres supervisores de la reconstrucción de la ciudad. Su sencilla aproximación a la ley de la elasticidad, que lleva su nombre, así como el acercamiento a la ley de la gravitación universal Newton, su gran rival, se sirvió de algunas de las deducciones de Hooke- constituyen otras de sus grandes contribuciones. Fue también inventor de aparatos mecánicos e instrumentos científicos de medida.

‘Principios matemáticos de la filosofía natural’ de Isaac Newton (1642-1727). Una síntesis de la mecánica, para Cielos y Tierra.
‘Principios matemáticos de la filosofía natural’ de Isaac Newton (1642-1727). Una síntesis de la mecánica, para Cielos y Tierra.

La mañana del día de Navidad en Inglaterra, 4 de enero en el resto de Europa, nació un niño prematuro al que los médicos desahuciaron. El abandono de su madre marcó su carácter introvertido, silencioso e irascible que le haría mantener grandes enfrentamientos con científicos de su época. Desde niño aprendió sobre todo de sus lecturas. Alentado por sus tíos ingresó en el Trinity College de Cambridge, donde obtuvo la cátedra Lucasiana de matemáticas; en esta época desarrolló la mayor parte de sus investigaciones. La llegada de la peste negra a Londres y su retiro en el campo lo alejaron momentáneamente de sus obligaciones como profesor, lo que le proporcionó un tiempo de estudio que culminó en 1687 con la publicación de Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, obra en la que recoge los principios básicos de la dinámica, enunciando sus tres famosas leyes de la gravitación universal, y explicando con las mismas tanto el movimiento de los planetas según las leyes de Kepler como la caída acelerada de los cuerpos en la Tierra. Así se culminó la gran Revolución que destronó de la cultura la dualidad aristotélica entre cielos y tierra. Fue honrado con funerales de Estado, y sepultado en la Abadía de Westminster.

‘Sistema natural’ de Carlos Linneo (1707-1778). El punto de partida formal de la nomenclatura biológica.
‘Sistema natural’ de Carlos Linneo (1707-1778). El punto de partida formal de la nomenclatura biológica.

Naturalista y médico sueco, la vida de Carl von Linné se enmarca en una época fértil en exploraciones científicas, tanto en Europa como en América: las novedades y descubrimientos en el mundo natural apremiaron a la búsqueda de un sistema para su organización. Si bien estudió medicina, su temprano interés por la botánica –estudiando las montañas escandinavas y Laponia- decantó su trabajo hacia el desarrollo de un innovador sistema de clasificación de los seres vivos: una nueva nomenclatura binomial heredera de la lógica aristotélica que plasmaría en su obra capital, Systema Naturae (1735). Profesor de medicina y botánica en la universidad de Uppsala, su herbario se nutrió de las semillas y plantas enviadas desde remotos lugares del planeta por sus discípulos, muchos de los cuales perecieron en estas misiones. Linneo alcanzó fama mundial a través de sus minuciosas descripciones taxonómicas, principalmente del mundo vegetal.

‘Enciclopedia’ de Denis Diderot (1713-1784)y Jean Le Rond D’Alembert (1717- 1783). Una condensación del saber humano, entre los mayores best sellers de la historia.
‘Enciclopedia’ de Denis Diderot (1713-1784)y Jean Le Rond D’Alembert (1717- 1783). Una condensación del saber humano, entre los mayores best sellers de la historia.

Las vidas del filósofo y escritor Diderot y del científico y pensador D´Alembert, ambos franceses, se cruzaron en París en el año 1746, momento en el que recibieron el encargo del editor Le Breton para trabajar en el proyecto común de Encyclopèdie. El primero, licenciado en artes en la Universidad de París en 1732, procedía de una familia acomodada; destaca en él su amor al trabajo y su honradez, desechó la idea de sus padres de ser religioso y se dedicó a una vida bohemia y centrada en el trabajo. Fue quien se hizo cargo de la dirección en solitario del proyecto enciclopédico cuando D´Alembert abandonó la empresa debido a la continua campaña –contraria al proyecto- de los reaccionarios. Éste destacó por sus trabajos científicos en física y matemáticas, que le llevaron a formar parte de la Académie des Sciences con sólo veinticinco años. Encyclopèdie ou Dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers, editada entre 1751 y 1772 se convirtió en el símbolo del proyecto de la Ilustración al contener la síntesis de los principales conocimientos de la época pero “ni las vidas de los santos ni la genealogía de las casas nobles, sino la genealogía de las ciencias más valiosas para quienes pueden pensar”.

‘Tratado elemental de química’ de Antoine Lavoisier (1743-1794). La partida de nacimiento de la ciencia química, con la colaboración de su esposa Marie Anne.
‘Tratado elemental de química’ de Antoine Lavoisier (1743-1794). La partida de nacimiento de la ciencia química, con la colaboración de su esposa Marie Anne.

El padre de la química moderna nació en París durante el Siglo de las Luces, recibiendo una exquisita educación en materia científica y humanística. En 1764 se graduó en derecho, aunque él orientaba sus trabajos hacia materias científicas; dos años más tarde obtuvo la medalla de oro de la Académie des Sciences, fue admitido como miembro y la dirigió en 1785. Su más estrecha colaboradora fue su esposa, quien incluso tradujo al inglés los artículos del científico. En 1789, fundó Annales de Chimie. La expansión de sus ideas se vio favorecida con la publicación en 1789 de su obra Traité Élémentaire de Chimie en el que cabe destacar la formulación de un primer enunciado de la ley de la conservación de la materia, el primer enunciado cuantitativo de la ciencia química. Durante el Terror, fue acusado de traición debido a su posición en la Ferme Générale; tras un juicio al uso, un tribunal revolucionario lo condenó a la guillotina. Todos sus bienes fueron confiscados -incluyendo los cuadernos de notas y el laboratorio- pero su mujer logró salvar mucha documentación.

‘Principios de geología’ de Charles Lyell (1797-1875). Una obra clave en la fundación de la geología moderna.
‘Principios de geología’ de Charles Lyell (1797-1875). Una obra clave en la fundación de la geología moderna.

Heredero de una familia de terratenientes escoceses, recibió una amplia educación humanística y científica basada en la lectura, la observación de la naturaleza e innumerables viajes. Desde temprana edad su interés se decantó por la geología, disciplina que Lyell consagraría como una nueva ciencia, sometiéndola a rigurosos razonamientos. Sus observaciones en numerosos viajes le encaminaron a la tesis de que los cambios geológicos ocurridos en el pasado no eran fruto de catástrofes, sino de procesos ordinarios como los que suceden actualmente y que actuaban gradualmente en un periodo de tiempo largo. Esta teoría uniformista la fundamentará a lo largo de los volúmenes profusamente ilustrados de Principles of Geology (1830), cuyo primer tomo Darwin llevó consigo durante su travesía en el Beagle, y que inspiró sus ideas para desarrollar la teoría de la evolución. Lyell, asimismo, animó a Darwin, tras su regreso, a la publicación de The Origin of Species. A su muerte, fue enterrado en la Abadía de Westminster.

‘El origen de las especies’ de Charles Darwin (1809-1882). La teoría que revolucionó la biología: las especies evolucionan por selección natural.
‘El origen de las especies’ de Charles Darwin (1809-1882). La teoría que revolucionó la biología: las especies evolucionan por selección natural.

Nació en Inglaterra en el seno de una familia acomodada, hijo y nieto de prestigiosos médicos. Desde niño dio muestras de interés por la historia natural, en especial por el coleccionismo. Por decisión de su padre estudió medicina, pero prefería cazar y observar la naturaleza. Abandonó los estudios y por recomendación paterna ingresó en el Christ’s College de Cambridge para dedicarse a los estudios eclesiásticos. Allí contactó con el reverendo Henslow, un botánico y entomólogo que le proporcionó la oportunidad de embarcarse con el naturalista Robert Fitzroy en un viaje alrededor del mundo a bordo del Beagle. Cuando regresó, descartó la idea de una vida religiosa, se casó y tuvo diez hijos. Ya estaba convencido de que la selección era la clave del éxito humano en la obtención de mejoras útiles. En 1856 Lyell le aconsejó que trabajara en el completo desarrollo de sus ideas acerca de la evolución de las especies. Emprendió la redacción de su obra On the Origin of Species, que publicaría en 1859 y que supondría toda una revolución en su época. Está sepultado en la Abadía de Westminster.

‘Introducción al estudio de la medicina experimental’ de Claude Bernard (1813-1878). La biblia de la fisiología, la medicina se iguala a las ciencias experimentales.
‘Introducción al estudio de la medicina experimental’ de Claude Bernard (1813-1878). La biblia de la fisiología, la medicina se iguala a las ciencias experimentales.

Científico y fisiólogo francés, nació en una humilde familia de viticultores de Beaujolais, y comenzó trabajando de mancebo en una farmacia. Estudió en la facultad de medicina de París, interesándose más tarde por la biología y la filosofía; tardó en encontrar su verdadera vocación: la experimentación fisiológica. Su métodode investigación se fundamentó en la vivisección animal y en el cuestionamiento de toda teoría o doctrina establecida. Sus descubrimientos sobre el papel del páncreas en la digestión, la función glucogénica del hígado, el sistema nervioso simpático o las sustancias tóxicas y medicinales le condujeron a los más altos reconocimientos en Francia y Europa antes de su muerte, acaecida en 1878 por una enfermedad renal. Introduction à l’étude de la médecine expérimentale (1865), su obra fundamental, desborda el puro ámbito científico incidiendo en el filosófico. Bernard defendió un “racionalismo experimental” por el cual la medicina se constituiría en auténtica ciencia cuando se sustentara sobre el método experimental de la fisiología.

‘Un tratado sobre electricidad y magnetismo’ de James Clerk Maxwell (1831-1879). La síntesis electromagnética, unificación de luz, electricidad y magnetismo.
‘Un tratado sobre electricidad y magnetismo’ de James Clerk Maxwell (1831-1879). La síntesis electromagnética, unificación de luz, electricidad y magnetismo.

Su indiscutible influencia se proyecta hasta nuestros días. El propio Albert Einstein elevó el genio de este físico escocés a la altura de las contribuciones de Isaac Newton. Hijo único de una acomodada familia de clase media, dotado de una gran curiosidad y de extraordinaria inteligencia, presentó su primer artículo científico con solo quince años. Formado en las universidades de Edimburgo y Cambridge, fue en esta última donde sus excepcionales capacidades fueron reconocidas. En 1873 publicó su obra A Treatise on Electricity and Magnetism. Desarrolló las ecuaciones que rigen el comportamiento de las fuerzas eléctricas y magnéticas, llamadas en su honor “ecuaciones de Maxwell”, que sentaron las bases de la electrodinámica y sirvieron de inspiración a teorías posteriores como la relatividad y la cuántica. Dedujo que la luz es en sí misma una onda electromagnética, uno de los hallazgos esenciales de la física. Ocupó la cátedra de Física Experimental de la Universidad de Cambridge, siendo fundador y primer director del célebre Laboratorio Cavendish asociado a dicho puesto.

‘Textura del sistema nervioso del hombre y los vertebrados’ de Santiago Ramón y Cajal (1852-1934). El origen de la neurociencia y obra cumbre de la ciencia española.
‘Textura del sistema nervioso del hombre y los vertebrados’ de Santiago Ramón y Cajal (1852-1934). El origen de la neurociencia y obra cumbre de la ciencia española.

El gran pionero de la exploración del cerebro y el sistema nervioso estudió medicina en la universidad de Zaragoza, especializándose en anatomía. Catedrático en las universidades de Barcelona y Madrid, su trabajo fue reconocido con el Premio Nobel de Fisiología en 1906, junto con Camillo Golgi -cuyo método de tintura mediante cromato de plata, así como el desarrollo industrial de la óptica y la química de colorantes que impulsaron la microscopía, facilitaron la investigación de Cajal de los tejidos nerviosos-. Con la publicación de su obra, capital en la historia de la medicina, Textura del sistema nervioso del hombre y de los vertebrados (1904), estableció los fundamentos citológicos e histológicos de la neurología moderna, así como la estructura y función del sistema nervioso. Dueño de una biblioteca de ocho mil volúmenes, autor literario y pionero de la fotografía, su biografía remite a una inagotable curiosidad intelectual y científica.

‘Tratado de radioactividad’ de Marie Curie (1867-1934). Se desvelan los secretos de los átomos más activos.
‘Tratado de radioactividad’ de Marie Curie (1867-1934). Se desvelan los secretos de los átomos más activos.

Maria Sklodowska, más conocida como Marie Curie, física y química nacida en Varsovia y luego nacionalizada francesa, es una de las figuras científicas más insignes del siglo XX. En 1891 se trasladó a París para estudiar en la Sorbona, y se casó con Pierre Curie cuatro años después. Junto con él, halló dos nuevos elementos químicos, el polonio y el radio, y denominó radiactividad al fenómeno -descubierto por Becquerel- de la extraña emisión de unos rayos invisibles, de gran poder de penetración, por parte de ciertos elementos como el uranio. Obtuvo el Premio Nobel en dos ocasiones: de Física en 1903, compartido con Pierre y con Becquerel, y de Química en 1911. En 1910 había publicado Traité de radioactivité, una recopilación de los nuevosconocimientos, cuatro años después de haber fallecido Pierre. En la I Guerra Mundial auxilió a los aliados instruyendo en el manejo de aparatos de rayos X. Murió de anemia aplásica a los 66 años, posiblemente a causa de la exposición continuada a la radiación. En 1995 sus restos mortales fueron trasladados al Panteón de París, convirtiéndose en la primera mujer en alcanzar este honor.

‘Teoría de la relatividad especial y general’ de Albert Einstein (1879-1955). Un nuevo paradigma del universo.
‘Teoría de la relatividad especial y general’ de Albert Einstein (1879-1955). Un nuevo paradigma del universo.

Nació en Alemania en el seno de una emprendedora familia judía. Se le atribuye un carácter tímido, retraído, paciente y metódico. Aunque incómodo con el sistema escolar, en general sacaba buenas notas, destacando sobre todo en ciencias naturales. En 1905, su año glorioso, en cuatro trabajos publicados en los Annalen der Physik, sentó las bases de la teoría de la relatividad especial y presentaba por primera vez la posibilidad de transformar masa en energía que se expresa con la famosa ecuación E=mc². En 1917 publica su obra Über die spezielle und die allgemeine Relativitästheorie: Gemeinverständlich donde divulga sus ideas sobre la teoría de la relatividad y a ello hace referencia la última palabra del título: Gemeinverständlich (comprensible para todos) . El Premio Nobel de Física le llegó por sus trabajos “sobre el movimiento browniano y su interpretación del efecto fotoeléctrico”, otro de los publicados en 1905. La I Guerra Mundial lo separó de su familia y se manifestó abiertamente antibelicista. Tras el acceso de Hitler al poder se trasladó a Estados Unidos, donde pasó los últimos años de su vida en el Instituto de Estudios Superiores de Princeton, ciudad en la que murió.

‘Principios de mecánica cuántica’ de Paul Dirac (1902-1984). Una nueva dimensión para la física.
‘Principios de mecánica cuántica’ de Paul Dirac (1902-1984). Una nueva dimensión para la física.

Nacido en Bristol, Inglaterra, de carácter introvertido, desde muy joven mostró una sobresaliente capacidad para la ciencia y las matemáticas. Conciso y profundo, se entregó a una presentación técnica precisa y clara -“matemáticamente bella”- de sus trabajos. Realizó la mayor parte de su carrera en Cambridge: solamente diez años después de su llegada a la universidad fue galardonado, junto con Erwin Schrödinger, con el Premio Nobel de Física de 1933 “por el descubrimiento de nuevas teorías atómicas productivas.” Su obra maestra, The principles of quantum mechanics (1930), continúa siendo la referencia de texto sobre la materia. La tecnología actual es en buena medida heredera de estas investigaciones. Su destreza matemática le hizo ganar la cátedra Lucasiana de la universidad de Cambridge que en su día ocupara Newton. Fue uno de los fundadores de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica, siendo considerado por algunos como el físico más relevante del siglo XX.

‘La teoría del gen’ de Thomas Hunt Morgan (1866-1945). El encuentro entre la genética y la evolución.
‘La teoría del gen’ de Thomas Hunt Morgan (1866-1945). El encuentro entre la genética y la evolución.

El biólogo que desarrolló la teoría de los genes nació en Lexington (Kentucky). Desde niño mostró gran interés en la historia natural, y pasó varios veranos realizando trabajos de biología y geología en las montañas. Tras doctorarse en la Universidad John Hopkins en 1890 comenzó a estudiar el desarrollo embrionario de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster), que luego se convertiría en el objeto preferido para sus investigaciones en genética. En 1894 fue profesor de biología en Pennsylvania y diez años más tarde profesor de zoología experimental en Nueva York, donde continuó trabajando –junto a sus alumnos- sobre la herencia mendeliana. En 1910 descubrió que algunos caracteres se heredan ligados al sexo. Fruto de sus investigaciones escribió su obra The theory of the gene (1926). Desde 1928 hasta su muerte dirigió los laboratorios de ciencias biológicas en el Instituto de Tecnología de California. En 1933 recibió el Premio Nobel de Fisiología y Medicina por la demostración de que los cromosomas son los portadores de los genes, lo que ayudó a convertir la biología en una ciencia experimental.

Dalí y La Divina Proporción

Salvador Felipe Jacinto Dalí i Domènech, marqués de Dalí y de Púbol (Figueras, 11 de mayo de 1904 – ibídem, 23 de enero de 1989)
Salvador Felipe Jacinto Dalí i Domènech, marqués de Dalí y de Púbol (Figueras, 11 de mayo de 1904 – ibídem, 23 de enero de 1989)

Según Carme Ruiz -Jefa de Conservación y Restauración de la Fundació Dalí-

“Salvador Dalí era un hombre de muchas inquietudes. Una de ellas era el mundo científico, tal como nos muestran tanto su obra como el legado de su vida. En su biblioteca encontramos un centenar de libros, con anotaciones y comentarios en los márgenes, sobre diferentes aspectos científicos: física, mecánica cuántica, origen de la vida, evolución, matemática… Sabemos que al final de sus días estaba muy interesado en la obra de Stephen Hawking La historia del tiempo, además de en la teoría de las catástrofes del matemático René Thom, con quien mantenía una gran amistad. Pero no sólo encontramos estos libros, sino muchas revistas científicas que le hacían estar continuamente al día y a las cuales estuvo suscrito hasta el momento de su muerte. De esta forma, a través de su obra podemos realizar un recorrido histórico por los acontecimientos científicos de este siglo, al menos por los que le impresionaron especialmente”.

Es Matila Ghyka que entonces enseñaba en la Universidad de San Diego, quien pone en conocimiento de Dalí  La Divina proporción mediante Luca Paccioli y su uso en el arte. En estos dos cuadros que presento se hace un uso absolutamente intencionado de todos los elementos áureos: La divina proporción, el Rectángulo Áureo, El pentágono o Pentalfa que contiene a Fi, la Espiral áurea,…

Semitaza Gigante Volante, con anexo inexplicable de cinco metros de longitud.
Semitaza Gigante Volante, con anexo inexplicable de cinco metros de longitud.

Esta obra se puede considerar como un homenaje exclusivo al rectángulo de oro y a la espiral áurea. Por otro lado, ese “anexo inexplicable” del título del cuadro y que sale del asa de la taza, obligando a prolongar el dibujo hacia arriba, es, en realidad, totalmente explicable: las dimensiones del cuadro (50 × 31 centímetros) están en proporción áurea, siendo tal anexo el elemento que justifica dichas dimensiones.

Gala Eluard Dalí (7 de septiembre de 1894, Kazán - 10 de junio de 1982, Portlligat) fue musa de varios artistas y la mujer de Salvador Dalí. Su nombre de nacimiento fue Elena Ivanovna Diakonova.
Gala Eluard Dalí (7 de septiembre de 1894, Kazán – 10 de junio de 1982, Portlligat) fue musa de varios artistas y la mujer de Salvador Dalí. Su nombre de nacimiento fue Elena Ivanovna Diakonova.
Leda Atómica
Leda Atómica

Leda atómica es un famoso cuadro del pintor español Salvador Dalí pintado en 1949. Está hecho mediante la técnica del óleo sobre lienzo, es de estilo surrealista y sus medidas son 61.1 x 45.3 cm. Se conserva en la Fundación Gala-Salvador Dalí, en Figueras, España.

Dalí escribió sobre el cuadro:

“La Leda atómica es el cuadro clave de nuestra vida. Todo está suspendido en el espacio, sin que ninguna cosa toque a otra. El propio mar se eleva a distancia de la tierra”.

Gala, la esposa de Dalí es representada como Leda, quien, según la leyenda, fue seducida por el dios griego Zeus transformado en cisne y dio a luz el huevo del que nacieron los dioscuros, Cástor y Pólux y las hermanas Helena y Clitemnestra.

Dalí quiere personificarse como el cisne pero a la vez, relaciona a Cástor y Pólux como dos almas gemelas analógicamente iguales a Gala y él mismo.

Leda está sentada sobre un alto pedestal, con los pies sobre pequeños pedestales flotantes, mientras acaricia al cisne volador. Todo en el cuadro flota, incluso el mar flota sobre la arena y nada tiene contacto con ninguna cosa, siguiendo la teoría física intra-atómica.

Entre los objetos que flotan están una escuadra de madera, un libro rojo que bien puede ser una Biblia, tres gotas concentradas de agua y un cascarón de huevo, símbolo de la vida, muy importante para Dalí.

Es importante mencionar el realismo con que es pintada Gala, de forma casi fotográfica. Al igual que el cisne, los cuadros de Dalí mostraban desde esa etapa un realismo increíble y muy elaborado.

La versión definitiva fue precedida de varios estudios a tinta china y de una pintura al óleo del mismo tema que no llegó a terminar. Con la ayuda de un matemático rumano a quien había conocido en California, el príncipe Matila Ghyka, Dalí realizó complicados cálculos teóricos durante tres meses que dieron lugar a la peculiar composición del cuadro. La pintura sintetiza siglos de tradición matemática y simbólica, especialmente pitagórica. Se trata de una filigrana basada en la proporción áurea, pero elaborada de tal forma que el espectador no la aprecia a simple vista. En el boceto de 1947 se advierte la precisión del análisis geométrico realizado por Dalí basado en el pentagrama místico pitagórico, el cual es una estrella de cinco puntas (Pentalfas). El triángulo central que encierra la figura de Leda es también áureo.

Espero que este clip sea de su agrado. Visionarlo en HD y en pantalla completa es una opción aconsejable.

 

Vídeo: Dalí y La Divina Proporción.

Autor: C. R. Ipiéns.

Los números transfinitos: La hipótesis del continuo; Hablemos del infinito (Parte IV)

Matrix
Matrix

Los números reales pueden clasificarse en dos tipos de diferentes maneras, por ejemplo, como hemos visto en la entrada anterior en racionales e irracionales, o en algebraicos y transcendentes.

Llamamos números construibles a los números que con ayuda de los instrumentos clásicos de dibujo (regla y compás) y, sólo éstas, se pueden representar sobre una recta en la que hemos señalado dos puntos que representan al 0 (origen) y al 1 (unidad de medida). Todos los números racionales son construibles y algunos irracionales también.

Un número decimos que es algebraico, si es raíz de una ecuación polinómica, por ejemplo el número 5 es algebraico, pues puede obtenerse como solución de la sencilla ecuación: 2x – 10= 0; También lo es “el número áureo” , que además es irracional, pues se obtiene como solución de la ecuación cuadrática:

xxxx

Nota: Sobre este número y sus construcciones, así como las que origina puede verse en este blog el post: La divina proporción.

Todos los racionales son algebraicos, y, también lo son todos los irracionales construibles. Al revés no es cierto, de manera que los números construibles son un subconjunto estricto o propio (no igual) de los algebraicos. Los números transcendentes son el resto, entre los que se encuentran los famosos pi, e,…

Cantor probó que la clase de los números algebraicos, que es mucho más extensa que la de los números racionales, tiene sin embargo, la misma potencia que el conjunto de los números naturales: 0, es decir, es un conjunto infinito numerable. Por lo tanto, son los números transcendentes los que les dan al sistema de los números reales el fuerte carácter de densidad que trae como consecuencia su potencia más alta.

En resumen, podemos decir:

• Dentro del conjunto de los irracionales existe un conjunto de números que no son algebraicos. A esos números los llamamos trascendentes.

• Como los números algebraicos son numerables, el resto de números reales, los trascendentes, tienen que tener la potencia del continuo.

Una vez que en 1874, Cantor demuestra que el cardinal del conjunto de los naturales es estrictamente menor al de los números reales y, después de analizar la numerabilidad de los conjuntos de números algebraicos y transcendentes. Lo siguiente a preguntarse es si existen conjuntos cuyo cardinal esté incluido estrictamente entre el de ambos conjuntos, es decir:

¿Existe algún conjunto A, cuyo tamaño sea MAYOR que el de los números naturales, pero MENOR que el de los números reales?

Georg Cantor
Georg Cantor

Cantor nos responde con “La hipótesis del continuo” (en lo sucesivo HC).

HC: “No existen conjuntos cuyo tamaño esté comprendido estrictamente entre el de los Naturales y el de los números Reales”.

Hipótesis del continuo
Hipótesis del continuo

Cantor trató en vano demostrar la hipótesis del continuo, era sólo una “conjetura”.

David Hilbert (1862-1943)
David Hilbert (1862-1943)

La demostración (o negación) de la Hipótesis del Continuo es uno de los 23 problemas de Hilbert (de hecho, es el primero), algunos de los cuales todavía no han sido resueltos. Fueron propuestos por Hilbert en 1900 como desafío a las generaciones presentes y futuras de matemáticos.

Al igual que la geometría euclídea se sustenta en un “paquete” de postulados o axiomas, la Teoría de Conjuntos también lo hace en base a un sistema de axiomas que denominamos Axiomática Zermelo-Fraenkel, en lo sucesivo axiomática ZF; Cuando añadimos a este conjunto de axiomas el llamado y muy cuestionado “Axioma de elección”, el sistema lo notamos por ZFC.

Kurt Gödel (1906-1978)
Kurt Gödel (1906-1978)

Pues bien, el no menos genial Kurt Gödel demostró en 1940 que no se podía demostrar como falsa la hipótesis del continuo partiendo de la axiomática  ZF (Zermelo-Fraenkel), incluso si se añadía el Axioma de Elección (ZFC). Pero, años más tarde, en 1963, Paul Cohen, demostró, a su vez, lo contrario, esto es: que tampoco podía probarse su veracidad partiendo de dichos axiomas. Así pues, la HC es indecidible (indemostrable): ni puede afirmarse, ni puede negarse.

Paul J. Cohen (1934-2007)
Paul J. Cohen (1934-2007)

Dicho de otro modo Gödel nos asegura que puede construirse una teoría de conjuntos consistente donde la HC fuese cierta y, simultáneamente Cohen también nos asegura la construcción de una teoría de conjuntos consistente donde la HC es falsa. Es decir, obtenemos sistemas axiomáticos consistentes en ambos casos. Una situación análoga a la que se obtiene cuando en geometría admitimos como cierto el quinto axioma o postulado de las paralelas o lo negamos en todas sus formas posibles, el resultado provoca la existencia de geometrías distintas y consistentes, las llamadas geometrías no euclídeas: la propia euclídea, la debida a Riemann (Geometría elíptica) y la de Bolyai-Lobachevsky (Geometría hiperbólica).

Geometrías no euclídeas
Geometrías no euclídeas

Hemos visto en este trayecto como la densidad determina la cardinalidad o potencia de un conjunto. Cantor, nos sube ahora un peldaño de su particular escalera y comienza a plantearse si la dimensión determina de alguna manera la potencia de un conjunto.

Nota:

En matemáticas decimos que una recta es un objeto de dimensión 1 (un punto de una recta viene determinado por un número real), un plano de dimensión 2 (un punto del plano viene determinado por dos números reales), el espacio tridimensional de dimensión 3 (un punto de nuestro espacio cotidiano viene determinado por una terna de números reales: tres), etc.

Y nos propone la pregunta: ¿Dónde hay más puntos en un segmento o en un cuadrado?

O, aún más fuerte: ¿dónde hay más puntos, en un segmento, en un cuadrado o en un cubo?

Dimensiones: Segmento, cuadrado, cubo.
Dimensiones: Segmento, cuadrado, cubo.

De nuevo nos pone la imaginación a prueba.

Y, Cantor de nuevo destroza la intuición con su imponente genio, demostrando que:

“El segmento, el cuadrado y el cubo (objetos de dimensiones distintas) poseen la misma potencia: la potencia del continuo, 1”.

Para ello, en un derroche de elegancia  propone el siguiente emparejamiento (biyección de nuevo) entre los puntos del segmento [0,1] y los del cuadrado que tiene por lado la misma longitud que el segmento, esto es: 1.

Biyección entre los puntos de un segmento y los de un cuadrado.
Biyección entre los puntos de un segmento y los de un cuadrado.

Si tomamos un punto cualquiera de la superficie del cuadrado de coordenadas (x,y), ocurrirá, por como ha sido construido el cuadrado que, x e y serán  números reales entre el 0 y el 1.

Tomemos en particular un punto concreto del cuadrado, el de la imagen:

(x,y)=(0,3143256408876…, 0,6244356998124…)

Cantor asocia ahora este punto con un único punto del segmento [0,1] del siguiente modo:

El nuevo número “r”, se obtiene alternando los decimales de x e y, así, su primera cifra decimal será la primera cifra decimal de x, su segunda cifra decimal será la primera cifra decimal de y, la tercera cifra decimal será la segunda de x, la cuarta la segunda de y, la quinta la tercera de x,…y de nuevo “así sucesivamente”.

El número que hemos construido “r”, será:

r=0,36124434235566490988817264…

De este modo ni un solo punto del cuadrado se quedará sin pareja en el segmento. La biyección está establecida y, por tanto, la potencia del cuadrado coincide con la del segmento [0,1], que como ya hemos visto es 1.

Y, ¿qué ocurre con el cubo?, pues exactamente igual:

Biyección entre un segmento y un cubo
Biyección entre un segmento y un cubo

En este caso, tenemos un punto (x,y,z) del espacio tridimensional de coordenadas:

x=0,3143256408876…, y=0,6244356998124…, Z=0,7763423906215…

El nuevo número “r”, se obtiene de nuevo alternando los decimales ahora de x, y, z así, su primera cifra decimal será la primera cifra decimal de x, su segunda cifra decimal será la primera cifra decimal de y, la tercera cifra decimal será la primera de z, la cuarta la segunda de x, la quinta la segunda de y, la sexta la segunda de z,…y de nuevo “así sucesivamente”.

El número que hemos construido “r”, será:

r=0,367127446343234552663499090…

Y de este modo establecemos otra biyección que permite asegurar que la potencia del cubo coincide con la del segmento [0,1], es decir, 1.

¡Sorprendentemente, aunque se amplíe el conjunto de puntos de un segmento al de los puntos de un cuadrado o un cubo, no hay más puntos en el cubo ni en el cuadrado que en el segmento, por más raro que esto resulte no incrementamos realmente el número de objetos con los que trabajamos!

Este resultado que puede ampliarse al hiper-espacio (Espacio de dimensión 4) o a otros de mayor dimensión, chocaba tan frontalmente con la intuición que Cantor mismo escribía en una ocasión a Dedekind, en 1877 con ocasión, precisamente de su construcción de la biyección entre el segmento y el cuadrado: <<Je le vois, mais je ne le crois pas>> (<<Lo veo pero no lo creo>>), y le pedía vehementemente a su amigo que revisase cuidadosamente la demostración.

Pero el incansable Cantor, sigue subiendo peldaños y ahora, a la vista de los resultados, piensa si las dos únicas potencias son la de los naturales 0  y la del continuo 1, y se pregunta:

¿Existirán conjuntos con un cardinal o potencia mayor que 1?

Aleph
Aleph

La respuesta es afirmativa y en la próxima y espero que última entrada sobre este apasionante tema, veremos de qué conjuntos se trata.

El Área y la Integral: Algo de Historia

Introducción

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Encontrar la tangente a una curva, y hallar el área limitada por una curva, han sido dos problemas geométricos tratados sistemáticamente a lo largo de la historia por el cálculo; ambos quedan resueltos por medio de un “paso al límite” y ambos como veremos están íntimamente ligados.

Por intuición sabemos todos lo que es un área, del mismo modo que creemos saber los significados de longitud, tiempo, velocidad, volumen…; somos también conscientes de que estamos utilizando estas palabras en dos sentidos: unas veces para significar una cantidad física y otras veces para significar una «medida» de dicha cantidad. Por ejemplo la palabra «área» significa un pedazo libre de terreno llano, pero para evitar circunloquios decimos el área es de 5 fanegas donde la palabra área quiere decir la medida del área. El uso y su significado queda por lo general claro a través del contexto.

Algo de Historia

Las culturas babilonias y egipcias son ya precursoras de una incipiente geometría muy aritmetizada. En ambas culturas (los babilonios, parece ser, fueron mejores algebristas que los egipcios y peores geómetras) se relacionaba el área de una figura plana con su perímetro. Se conocían métodos correctos para obtener áreas de triángulos y rectángulos, y buenas aproximaciones a partir de la comparación con el cuadrado del pentágono, hexágono…(2200a.C).

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El paso siguiente de obtener áreas de figuras planas limitadas por curvas específicas, tales como un arco parabólico, no se alcanzó aparentemente hasta los tiempos de Arquímedes (287-212 a.C.). Antes, Antifonte (430 a.C.) y Eudoxo (409-356 a.C.), como nos ha transmitido Euclides en sus Elementos, obtienen el área de un círculo mediante una sucesión de polígonos regulares inscritos y calculan volúmenes como los del cono, la pirámide…

ARQUÍMEDES Y EL MÉTODO DE EXHAUCIÓN

Arquímedes - José de Ribera - 1630. Óleo sobre lienzo. Museo del Prado.
Arquímedes – José de Ribera – 1630. Óleo sobre lienzo. Museo del Prado.

Se suele citar a Arquímedes como el precursor del cálculo integral. En su libro SOBRE LA CUADRATURA DE LA PARÁBOLA, nos presenta el conocido Método de Exhaución (Agotamiento); de un modo sencillo puede describirse así: dada una región cuya área deseamos determinar, se inscribe en ella una región poligonal que se aproxime a la dada, y cuya área sea conocida o de fácil cálculo. Luego se elige otra región poligonal que dé una aproximación mejor, continuándose el proceso tomando cada vez polígonos de mayor número de lados y que tiendan a llenar la región dada inicialmente.

Arquímedes utilizó el método exhaustivo para conseguir el valor aproximado del número π.
Arquímedes utilizó el método exhaustivo para conseguir el valor aproximado del número π.

Una de sus comprobaciones elementales consistía en recortar la región en un material de densidad uniforme y comparar su peso con el de una forma poligonal del mismo material y de área conocida. Más allá del cálculo de algunas áreas limitadas por curvas, es el método (esencialmente el mismo que utiliza Cauchy y Riemann) el que lo hace precursor del cálculo integral. En él se deja entrever la construcción de una sucesión de valores, su convergencia y la unicidad del límite.

Arquímedes demostró que el área del segmento parabólico de la figura superior es igual a 4/3 de la del triángulo inscrito de la figura inferior.
Arquímedes demostró que el área del segmento parabólico de la figura superior es igual a 4/3 de la del triángulo inscrito de la figura inferior.

EL SIGLO XVII

bonaventura cavalieri 1598-1647
bonaventura cavalieri 1598-1647

 En los diecinueve siglos que separan a Arquímedes de Cavalieri no se encuentran progresos esenciales en la vía abierta por el “Siracusano”. Buenaventura Cavalieri (1591? – 1647) es otro gran precursor del cálculo integral, y su Geometría Indivisíbilus Continuorum (1645) significa un progreso considerable en dirección distinta a la de Kepler. Mientras el gran astrónomo alemán persiste en la vía arquimediana de sumar los elementos infinitesimales en que se descompone cada figura, vano empeño casi siempre, el jesuita italiano evita la sumación directa y se limita a comparar dos figuras para deducir la extensión de una mediante la otra. Cada recinto plano lo considera como suma de infinitos segmentos paralelos, y cada cuerpo como suma de sus infinitas secciones paralelas. Tales segmentos y secciones planas son los llamados “indivisibles” de Cavalieri. No se sabe cuales fueran los indivisibles de Galileo, que también estaba en posesión de una teoría análoga, pues no llegó a publicar nada, pero en su obra “Discursi” (1638) efectúa una verdadera integración de la función g.t, para llegar a la ley de caída de los graves: ½.g.t2

Mientras que el método exhaustivo (agotamiento) utilizado por Arquímedes opera sobre las propias figuras, el método de los indivisibles sustituye a una figura dada por la suma de una infinidad de elementos que tienen una dimensión menos.

El tratado de los indivisibles de Cavalieri es oral y no muy claro. El autor no dice en ninguna parte de su obra qué entiende exactamente por el término «indivisible»  que caracteriza a los elementos infinitesimales utilizados en su método.

El resultado fundamental de la geometría de Cavalieri es su famoso principio (ver Nota 1): dos figuras planas o espaciales que tienen equivalentes sus secciones paralelas son equivalentes.

«Si dos áreas planas son tales que toda paralela a una dirección dada las corta, según segmentos cuyas longitudes están en una proporción constante, las áreas están en la misma razón» (Figura1)

figura 1
Principio de Cavalieri: ambas torres de monedas tienen el mismo volumen, no importa la inclinación sino el área de cada sección y la altura total.

 Estas afirmaciones son prácticamente equivalentes a los razonamientos actuales del tipo: Se dan dos figuras limitadas por el eje OX, las rectas x=a, x=b y las curvas dadas por y1 =f1(x) , y2=f2(x). La relación entre las áreas, viene dada por:

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John Wallis

Jhon Wallis por Sir Godfrey Kneller, Btoleo sobre lienzo, (1701)
Jhon Wallis por Sir Godfrey Kneller, Bt
oleo sobre lienzo, (1701)

Gran progreso estaba reservado al cálculo integral, por obra de Jhon Wallis (1616 – 1703), que abandona el método geométrico de los matemáticos continentales, abordando la integración aritméticamente; y para poner de manifiesto su designio, titula su obra Arithmetica Infinitorum (1655).

Mientras que Cavalieri había llegado al resultado: Estas afirmaciones son prácticamente equivalentes a los razonamientos actuales del tipo: Se dan dos figuras limitadas por el eje OX, las rectas x=a, x=b y las curvas dadas por y1 =f1(x) , y2=f2(x). La relación entre las áreas, viene dada por:

daum_equation_1355570101640

Con este principio llega en 1647 a resultados que equivalen, con el tecnicismo actual, a calcular las integrales de las potencias xn de exponente natural. por medio de una laboriosa correspondencia entre indivisibles, Wallis abandona el marco geométrico y en su Arithmetica Infinitorum aritmetiza la Geometría Indivisibilibus de Cavalieri.

Básicamente su idea consiste en asociar valores numéricos a los infinitos indivisibles deCavalieri.

Para ilustrar el método de Wallis consideremos el problema de calcular el área bajo la curva   y= xk (k = 1, 2,. . . ) y sobre el segmento [0, a].

Siguiendo a Cavalieri, Wallis considera la región PQR formada por un número infinito de líneas verticales paralelas, cada una de ellas con longitud igual a xk.

Wallis

Por tanto, si dividimos el segmento PQ = AB = a en n partes de longitud h = a/n, donde n es infinito, entonces la suma de estas infinitas líneas es del tipo

Imagen4

Análogamente, el área del rectángulo ABCD es:

Imagen5

La razón entre el área de la región PQR y el rectángulo ABCD es:

Imagen6

Esto lleva a Wallis a estudiar el valor de esta expresión para n infinito.

Después de estudiar varios casos para valores de k = 1, 2, 3 haciendo, en cada caso, sumas para distintos valores de n = 1, 2, 3, 4, por ejemplo para k=2, se tiene:

daum_equation_1355580028015

Wallis observa ciertas regularidades en las mismas y, con tan débil base, acaba afirmando que para n infinito y para todo k = 1, 2, . . . , se verifica que:

bbb

Naturalmente, de aquí deduce el valor del área de la región PQR

tggg

Este resultado ya era conocido anteriormente, pero Wallis no se paraba aquí y extendía la validez de la igualdad (6) a todos los exponentes racionales positivos. Su peculiar razonamiento tiene interés pues en él se basó Newton para obtener la serie binomial.

Junto a los antes mencionados Cavalieri y Wallis, merecen destacarse en el mismo orden matemáticos como Descartes (1596–1650), Pascal (1623–1662) y Fermat (1601–1665).

Isaac Barrow (1630-1677), profesor de Isaac Newton.
Isaac Barrow (1630-1677), profesor de Isaac Newton.

Barrow (1630–77), fue el primero que ideó la determinación de la tangente mediante el cociente de incrementos y quién en 1669 mostró mediante su regla que el problema de las tangentes se relaciona con el problema del área limitada por una curva, vinculándolo así con el cálculo integral, que evolucionaba desde tiempos más remotos por cauces muy distintos. Desde entonces ambos problemas se entrelazan y se complementan, por lo que su evolución histórica debe seguirse simultáneamente.

La importancia de la regla o resultado de Barrow no se puede ponderar suficientemente:

Para una función continua, si consideramos la Integral Definida como una función de su límite superior:

nbvc

Entonces se demuestra que F es derivable y que además F´(x)=f(x). Representa la sencilla fórmula:

uytre

Nexo de unión, como sabemos, conocido como Teorema fundamental del Cálculo, que nos informa como la derivación deshace la integración y la integración deshace la derivación. Nace el concepto de Función Primitiva, herramienta para el cálculo de la integral definida, concepto que no podemos confundir con el propio de la integral definida. La integral definida la interpretamos como un área y la función primitiva será la herramienta natural para su cálculo.

El cálculo integral de Arquímedes, que se proponía la evaluación de áreas por artificios de sumación tan ingeniosos como infecundos y el cálculo diferencial, nacido en el siglo XVII, para la resolución del problema de la tangente, por obra de Fermat, Pascal, etc. Disciplinas ambas que parecían condenadas a la esterilidad, de cuya conjunción expresada por la fórmula anterior nació el Análisis Moderno, por obra de Leibnitz (1646–1665) y Newton (1642–1727), descubridores y responsables del desarrollo de las ideas básicas del cálculo integral. Su mayor logro fue relacionar el cálculo integral con el cálculo diferencial, inaugurando así una etapa de desarrollo sin precedentes de la matemática.

Siglos XIX y XX

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En la segunda mitad del siglo XIX y principios de XX, la clarificación del concepto de integral hace estudiar con precisión el concepto de área con carácter general, y aclarar los dos problemas fundamentales: ¿Cómo se puede definir el área? ¿Tiene área cualquier región del plano? ¿Cómo puede calcularse el área de una región? Cauchy (1789 –1857), a principios del siglo XIX, Riemann (1826 –1866), a mediados del XIX y Lebesgue (1875 – 1941), a principios del XX, han sido los sucesivos constructores del cálculo integral, habiendo en este siglo extensiones muy importantes con las que se ha podido abordar problemas inaccesibles con las herramientas clásicas. Así, hablando grosso modo, la construcción de la integral definida.

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debida a Cauchy nos proporciona un método para medir la región (Trapecio Mixtilíneo) asociada a una función real no negativa y continua en un intervalo compacto de R que puede resumirse en la siguiente idea:

b1

Para hallar el área de una región limitada por la gráfica de una función positiva f definida en [a,b], se divide el intervalo [a,b] en un cierto número de subintervalos, por ejemplo «n», designando por Dxk la longitud del k-ésimo intervalo, se consideran las sumas de la forma:

a

en donde tk designa un cierto punto del intervalo k-ésimo Dxk . Una suma de este tipo es una aproximación mediante rectángulos del área que intentamos calcular.

Si f es una función con comportamiento suficientemente regular en [a,b] – por ejemplo continua- entonces cabe esperar que estas sumas tengan un límite cuando n se hace infinito, si hacemos las subdivisiones cada vez más finas.

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La noción de Integral de Riemann ofrece un método para extender la noción anterior a funciones «más generales» eludiendo la hipótesis de continuidad dada en Cauchy y ampliándola a funciones acotadas no demasiado discontinuas. (ver nota 2).

Existe otra generalización de la Integral de Riemann, la conocida Integral de Lebesgue (ver Nota 3).

Puede decirse que la integral de Riemann
iok

está bien construida, es fácil describirla y es útil a todas las necesidades del Cálculo elemental. Sin embargo, esta integral no cubre todas las necesidades del Cálculo superior.

Que las funciones muy discontinuas resulten no integrables es un primer inconveniente de la integral de Riemann, desde otra perspectiva la integral de Riemann posee un comportamiento anormal respecto a la operación del paso al límite, en el sentido que pueden encontrarse sucesiones de funciones integrables Riemann que convergen a una función no integrable Riemann.

El intento de Lebesgue de medir conjuntos arbitrarios de puntos de la Recta Real y de modelar un nuevo concepto de función para establecer el de función medible tiene su origen en los dos inconvenientes presentados anteriormente a la Integral de Riemann.

En un trabajo, ya clásico, -Integral, Longuer, Aire- publicado en 1902, Lebesgue da la definición de «medida» para un conjunto de puntos y lo aplica al desarrollo de esta nueva integral, estableciendo el concepto de medida de un conjunto como una fuerte generalización del concepto de longitud de un intervalo; La definición de medida que proporciona Lebesgue es la base de la definición de integral que lleva su nombre.

En su trabajo, Lebesgue, recurre a la Teoría de Conjuntos, a un nuevo concepto de función (Cantor-Borel) y a su Teoría de la medida para forjar su integral.

En la Integral de Lebesgue se cumplen un mayor número de Teoremas de convergencia.

Si una sucesión de funciones {fn } converge puntualmente hacia una función límite f en [a,b], sería deseable poder concluir que:

vcxz

con un mínimo de hipótesis adicionales. El resultado definitivo en este sentido lo proporciona el «Teorema de convergencia dominada de Lebesgue». El teorema es falso para las integrales de Riemann.

Henri Leon Lebesgue (1875-1941)
Henri Leon Lebesgue (1875-1941)

Veamos dos ejemplos didácticos que ilustran la diferencia estratégica existente entre Rieman y Lebesgue:

a)    Si se tratara de medir el dinero que supone una gran cantidad de monedas dispuestas sobre una mesa, Riemann cuadricularía la mesa en rectángulos y contaría las monedas en cada uno de ellos; Lebesgue, en cambio, clasificaría las monedas y contaría después.

b)    Supongamos que queremos obtener el número medio de personas que hacen uso del metro en una estación determinada en el periodo de un mes. Riemann representaría esta situación gráficamente en un sistema de eje horizontal el tiempo y vertical el número de personas que hacen uso del metro en un instante determinado.

Riemann dividiría el eje de los tiempos en días y multiplicaría la fracción 1/30 (supuesto meses de 30 días) por uno de los valores del número de personas que entran en la estación un instante determinado de cada día sumando los resultados obtenidos para cada uno de los 30 días. Repetiría el procedimiento haciendo una subdivisión, ahora más fina dividiendo el eje de tiempos en horas, obteniendo un resultado más aproximado. Continuaría indefinidamente subdividiendo el eje tiempo en subintervalos cada vez más pequeños… (con longitudes tendientes a cero) observando que los valores obtenidos cada vez que subdivide tienden a un número fijo. Lebesgue, utilizaría otro procedimiento: en lugar de subdividir el eje de los tiempos, él subdivide el de las personas entre las ordenadas máximas y mínimas. Por ejemplo una subdivisión en decenas de personas; así, los valores del tiempo para los cuales la función que describe la situación está comprendida, por ejemplo entre 40 y 50 personas, determinan un conjunto de puntos que admite una medida «m» (en el sentido Lebesgue). Así, consideraría el producto de una ordenada cualquiera comprendida entre 40 y 50 por el número m/30. Sumaría a continuación todos los productos relativos a cada uno de los intervalos de la subdivisión en decenas de individuos y obtendría un número M´. Repetiría este proceso con subdivisiones cada vez más pequeñas (con longitudes tendientes a cero), obteniendo una serie de valores M´, M´´,M´´´…, que puede admitir un límite finito que sería el valor encontrado por Lebesgue. Mientras Riemann divide el intervalo de integración en subintervalos jerarquizados por el orden, Lebesgue, pudiera decirse que subdivide el intervalo en conjuntos medibles liberándose la jerarquización que le impone el orden. Desde este primer trabajo de Lebesgue, tanto la «Teoría de la Medida» como la Teoría de la Integración han sufrido muchas generalizaciones y modificaciones. Los trabajos de Young, Daniell, Riesz, Stone y otros, han probado que la Integral de Lebesgue puede introducirse de tal manera que no dependa de la Teoría de la Medida sino que esté orientada directamente a las funcionesy sus integrales. Es más, por medio de la integral de Lebesgue, es posible desarrollar la Teoría de la Medida.

 Apéndice

La medida del Conjunto Perfecto de Cantor

El conjunto perfecto de Cantor, también llamado conjunto ternario de Cantor, es un subconjunto del Intervalo real I=[0,1], que se construye mediante el siguiente proceso:

P1 es el Intervalo centrado en I de longitud 1/3

cantor

Para k=2,3, …., Pk es la unión de los intervalos abiertos de longitud 1/3k centrados en cada uno de los 2k-1 intervalos cuya unión es el complementario en I de:

union

Se designa por P la unión de todos los Pk. El conjunto C ternario de Cantor es: C=I-P.

Interesa también considerar, para cada k, el conjunto:

ooi

Veamos algunas propiedades del conjunto de

Cantor:

No es vacío pues contiene los extremos de los intervalos que conforman los Pk.

Es cerrado, pues P es abierto.

No contiene intervalos.

Es denso en sí mismo.

Tiene la potencia del continuo.

Nos podemos preguntar ahora ¿Qué medida tiene C?

En la construcción del conjunto P a partir del intervalo [ 0,1] , hemos comenzado eliminando un intervalo adyacente de longitud 1/3, después 2 intervalos adyacentes de longitud 1/9, luego 4 de longitud 1/27, etc. De forma general, en el paso n-ésimo habremos suprimido 2n-1 intervalos de longitud 1/ 3n. Así pues, la longitud de todos los intervalos suprimidos será:

jkh

siendo esta suma la de los términos de una progresión geométrica de razón 2/3 y cuyo primer término es 1/3.

Por tanto su suma vale:

poiu

así pues la suma de los intervalos adyacentes al conjunto de Cantor es 1. Dicho de otra forma, la medida del conjunto abierto P complementario de C es 1. Por tanto, la medida de C es m (C) = 1- m (P) = 1 –1 = 0. Este ejemplo demuestra que existen conjuntos con la cardinalidad del continuo, con la misma cardinalidad que R cuya medida es 0.

NOTAS

Nota 1. Una crítica al principio de Cavalieri: Los indivisibles de las líneas son puntos y estos no son operativos lo que con su método se impide la obtención de longitudes de curvas.

Nota 2. Teorema o Criterio de Lebesgue para la existencia de una Integral de Riemann:

«Sea f una función definida y acotada en un intervalo I=[a,b] de R, entonces f es integrable según Riemann si y sólo si, el conjunto de puntos de discontinuidad de f en I es de medida nula».

Nota 3. Una función NO integrable Riemann y SI integrable según Lebesgue.

Como ejemplo calculamos la integral de la función de Dirichlet en [0,1]:

mkl

Puesto que la medida del conjunto de los Irracionales es 1 en [0,1], entonces:

nbm

La integral de Riemann de esta función no existe.

Tercer problema de Apolonio

Solución al Tercer problema de Apolonio. Cso tres rectas secantes dos a dos.
Solución al Tercer problema de Apolonio. Caso tres rectas secantes dos a dos.

En esta entrada presento un breve apunte geométrico del Tercer problema de Apolonio, sigue de la entrada hecha ya en este blog, sobre los diez problemas de Apolonio (Click aquí)

En este tercer problema se resuelve el caso de tangencia entre una circunferencia y tres rectas dadas, se generan tres situaciones distintas, dependiendo de la posición relativa de las rectas. Cuatro soluciones para el caso en que las rectas son secantes dos a dos, dos soluciones para el caso que dos de las rectas san paralelas y la otra secante a ambas y no ha y solución para el caso de las tres rectas paralelas.

El clip es una presentación PowerPoint pasada a vídeo, recomendable ver en HD a pantalla completa.