miércoles, 21 de septiembre de 2011

Teorema de Viviani: elegante y sencillo

El Teorema de Viviani dice que la suma de las distancias, de un punto P situado en el interior de un triángulo equilátero, a los tres lados, con independencia de la situación donde esté el punto es igual a la altura del triángulo.

Este teorema debe su nombre al matemático italiano Vincenzo Viviani (1622-1703) nacido en en Florencia. Galileo Galilei quedó tan impresionado por el talento de Viviani que lo contrató como colaborador con sólo 17 años, trabajaron juntos, en su villa de Arcetri, donde se había retirado al ser condenado por la Iglesia, hasta su muerte en 1642.

Tras la muerte de Galileo, Viviani recopiló y publicó su obra en 1655 y además escribió una biografía de Galileo que fue publicada póstumamente en 1717.

En el museo de Historia de Florencia se encuentra la pintura de Tito Lessi que muestra a Galileo Galilei junto a su asistente Vincenzo Viviani.

En 1690 publicó la versión italiana de los Elementos de Euclides y tradujo trabajos de Arquímedes y Apolonio.
También hizo estudios de ingeniería y resistencia de materiales. Junto con Borelli calculó la velocidad del sonido en el aire, que dio como resultado 350m/s. Esta aproximación era mucho mejor que la que se tenía hasta entonces que era de 478m/s y se aproxima a la actual de 331.29m/s.

También, Una curva lleva su nombre La curva de Viviani que está definida como la intersección de un cilindro y una esfera cuyo radio es igual al diámetro del cilindro, con la condición que el cilindro pase por el centro de la esfera.

El Teorema de Viviani es un teorema interesante por la cantidad de demostraciones que tiene y por su utilidad pedagógica a la hora de enseñar geometría, hay varios problemas de ingenio sobre este teorema: ¿En una isla con forma de triángulo equilátero ¿dónde colocar una cabaña de modo que la suma de las distancias a los tres playas sea mínima?....Es asombroso que da igual en qué punto esté. Todos los puntos del triángulo cumplen esa propiedad.

Veamos dos demostraciones: Demostración1, Mostración2

Este artículo participa en la Edición 2.6. del Carnaval de Matemáticas que en esta ocasion se encuentra albergado en el blog anfitrión La vaca esférica.

Una demostración sencilla del Teorema de Viviani

Una demostración sencilla sería:
1..- Dado el triángulo equilátero ABC de lado a y un punto P en su “interior”.

2.- Construimos los triángulos ABP, ACP, y BCP

3.- El área del triángulo ABC será a•h/2 ( con h la altura del triángulo equilátero ABC)

3.- El área de ABP será a•n/2; la del ACP a •m/2 y la del BCP a •l/2

4.- Igualando a•h/2 = a•n/2 + a•m/2+a•l/2 = a•(l+m+n)/2

de donde se deduce que h = l + m + n siendo h la altura del triángulo ABC.

Esbozo de una "mostración" del teorema de Viviani

Vamos a esbozar geométricamente el Teorema de Viviani .
Como se verá no es una demostración rigurosa, ni siquiera demuestra sino "muestra" este teorema pero pensamos que puede dar bastante juego en alguna clase de la ESO para manipular y trabajar con triángulos equiláteros.


1.- Construimos un triángulo equilátero ABC y un punto P en su interior y trazamos las perpendiculares desde ese punto a los lados y la altura del ABC. (Fig. 1 )

2.- Construimos triángulos equiláteros con un vértice en P en los que esas perpendiculares, son las alturas. ( rayados en verde)

3.- En este ejemplo trasladamos el triángulo, rayado, más pequeño hacia el vértice C. ( también se podría trasladar el triángulo grande al vértice C).

4.- Observamos que la suma de las alturas de los tres triángulos rayados es igual a la altura del triángulo ABC.

Manipulación sencilla donde se nos "muestra" el Teorema de Viviani

Este teorema tiene un sinfín de demostraciones que son muy ilustrativas y que resultan un buen ejercicio de geometría para los alumnos.

martes, 13 de septiembre de 2011

La magia del 6.174. La constante y el número de Kaprekar

Leyendo este verano El club McLaurin de Félix Remirez Salinas, un relato matemático, finalista del concurso literario “Relatos Cortos RSME-ANAYA 2009” que está publicado en el libro La conjetura de Borges (2011), recopilación de relatos matemáticos finalistas de dicho concurso aparece el número 6.174 como la constante de Kaprekar.

Este número, que se llama así por el matemático indio Shri Dattatreya Ramachandra Kaprekar, (1905–1986) que la descubrió en 1949 , tiene una interesante y casi mágica propiedad a saber:

1.- Tomamos un número de cuatro dígitos distintos. ( también sale si hay 2 ó 3 cifras repetidas, sólo con los cuatro repetidos no sale)
2.- Se ordenan de mayor a menor esos dígitos y obtenemos el mayor número que se obtiene de esos dígitos
3.-
Ordenamos de menor a mayor obteniendo el menor número posible que se puede formar con esos dígitos.
4.-
Los restamos
5.-
Si el resto no da 6.174 volvemos a repetir los pasos anteriores, hallamos el mayor y menor número que se pueden formar con esos dígitos y restamos.
6.-
y así sucesivamente entonces SIEMPRE se llaga al 6.174.

Ejemplo:
1.- Sea el 6.354
2.- Se forman el 6.543 y el 3.456 que restamos y da 3.0873.
3.- Con 3.087 se forma 8.730 y 0.378 que restados da 8.3524
4.- Con 8.352 se forma 8.532 y 2.358 y restados da 6.174

Esto ocurre con cualquier número de 4 cifras y en un máximo de 7 pasos se llega al número 6.174. Curioso, ¿verdad?.

Si para los números de 4 cifras existe una constante de Kaprekar, ¿Existirá para los de tres, y de cinco…?

Para los de tres sí existe es el 495. Para los de 5 no existe.

Hasta el momento, ningún matemático tiene claro por qué sucede todo esto y por qué con tres y cuatro dígitos se llega a un único número, mientras que con otro número de dígitos no se llega a ninguno sino a ciclos,( con 5 cifras y 7) o por qué para complicar la cosa a veces se llega a varios números posibles ( con 8 y 9 cifras) y también a varios números y ciclos( para 6 cifras y 10) . ¿Habrá algún número con más dígitos que converja en un solo número parecido al 6174? No se sabe. Es uno de los muchos misterios de la Teoría de Números, y bien podría ser simplemente algo puramente circunstancial: una gran coincidencia.El nombre de Kaprekar además de estar asociado a su constante está asociado a los números de Kaprekar.

Un número de Kaprekar
es aquel entero no negativo tal que, en una base dada, los dígitos de su cuadrado en esa base pueden ser separados en dos números que sumados dan el número original.

Ejemplos de números de Kaprekar

Ejemplo1: El 9, pues, 9 al cuadrado es 81 que se descompone en 1 + 8 = 9
Ejemplo2
: El 297 su cuadrado es 88209 y vemos que 88 + 209 = 297
Ejemplo3: El 703 pues 703 al cuadrado es 494209 que se descompone en 494 + 209 = 703

En base 10 los primeros números Kaprekar son : 1, 9, 45, 55, 99, 297, 703, …
En base 2 todos los números perfectos son números de Kaprekar.
En cualquier base existen infinitos números de Kaprekar, en particular, dada una base b, todos los números que resultan de restar la unidad a b elevado a n , con n un número entero son números de Kaprekar.
Así en base 10 :
100 -1 = 99, también 1000-1 = 999; también 1000 -1=9.999;...