dilluns, 30 d’abril del 2018

Història de la geometria 3: geometria no Euclideana

Durant 2000 anys molts matemàtics van dedicar el seu temps i els seus esforços a completar amb nous teoremes aquesta gran construcció que és la geometria d'Euclides. Alguns d'ells van tractar de reduir el nombre inicial de postulats, ja que es pensava que el 5º postulat podia demostrar-se a partir dels altres quatre. És a dir, volien convertir el 5º axioma en teorema, en aquest cas bastaria acceptar els quatre primers axiomes i prendre'ls com a punt de partida per a obtenir finalment la mateixa geometria.


De la mateixa forma que un arquitecte calcula els fonaments precisos perquè la torre que desitja construir siga el més esvelta possible, així fan els matemàtics quan cerquen els axiomes més convenients per a la seua teoria i, quants menys axiomes utilitzen, més elegant serà el resultat final.

Per a convertir el 5º postulat en un teorema, era necessari obtenir una demostració, i a açò es van dedicar sense èxit molts matemàtics al llarg de diversos segles. Va ser a principis del segle XIX quan tres matemàtics, Lobachevski en Russia, Gauss a Alemanya i Bolyai a Hongria, van donar amb un resultat inesperat que va llançar una nova llum sobre aquesta qüestió. Van treballar independentment uns d'uns altres en l'elaboració de models geomètrics que mantenien els quatre primers postulats d'Euclides alhora que negaven el cinquè. Esperaven que una geometria en la qual es negara que "per un punt exterior a una recta pasa una única paral·lela", seria una geometria incoherent i plena de contradiccions.

Existeixen diverses propostes i tipus de Geometries no Euclidianas, alguns exemples són: Geometria Hiperbòlica, Geometria Esfèrica. Les Geometries no Euclidianas són molt importants per al desenvolupament de la Física, específicament en l'Astronomia. També és fonamental per a conèixer l'Univers matemàtic, ampliar l'Horitzó de dues i tres dimensions a un possible Univers de n dimensions.

Un triangle en una superfície amb forma de una sella de muntar (un paraboloide hiperbòlic), i dues rectes paral·leles divergents. Font

Història de la geometria II: Els postulats de la geometria Euclidea

Els postulats d'Euclides que s'inclouen en "Els Elements", obra de la qual parlem en l'última entrada del blog, donen lloc a la geometria que encara avui coneixem amb el nom de Geometria Euclideana. 


La presentació tradicional de la geometria euclidiana es fa en un format axiomàtic, en el qual tots els teoremes («declaracions vertaderes») deriven d'un xicotet nombre d'axiomes. Un sistema axiomàtic és aquell que, a partir d'un cert nombre de proposicions que es pressuposen «evidents» (conegudes com a axiomes) i mitjançant deduccions lògiques, genera noves proposicions el valor de les quals de debò és també lògic.
Euclides va plantejar cinc postulats en el seu sistema:
  1. Donats dos punts es pot traçar una recta que els uneix.
  2. Qualsevol segment pot perllongar-se de manera contínua en qualsevol sentit.
  3. Es pot traçar una circumferència amb centre en qualsevol punt i de qualsevol ràdio.
  4. Tots els angles rectes són congruents.
  5. Si una recta curta a altres dues formant, a un mateix costat de l'assecant, dos angles interns aguts, aqueixes dues rectes perllongades indefinidament es tallen del costat en el qual estan aquests angles.

Representació geométrica dels postulats d'Euclides.

Història de la geometria I: Euclides

Euclides va nàixer prop del 325 a.C i va morir cap al 265 a. de C. a Alexandria, ciutat situada al nord del que actualment és Egipte. Va ser un matemàtic grec, l'obra principal del qual, "Elements de geometria", és un extens tractat de matemàtiques en 13 volums sobre matèries tals com a geometria plana, proporcions, propietats dels nombres, magnituds incommensurables i geometria de l'espai. Probablement va estudiar a Atenes amb deixebles de Plató. Va ensenyar geometria a Alexandria i allí va fundar una escola de matemàtiques.

Els Elements
Els Elements d'Euclides es van utilitzar com a llibre de text durant 2.000 anys, i fins i tot avui, una versió modificada dels seus primers llibres constitueix la base de l'ensenyament de la geometria plana en les escoles secundàries. La primera edició impresa de les obres d'Euclides que va aparèixer a Venècia en 1482, va ser una traducció de l'àrab al llatí.


En aquesta obra es presenta de manera formal, partint únicament de cinc postulats, l'estudi de les propietats de línies i plànols, cercles i esferes, triangles i cons, etc.; és a dir, de les formes regulars. Probablement cap dels resultats dels elements haja sigut demostrat per primera vegada per Euclides però l'organització del material i la seua exposició, sens dubte es deuen a ell. De fet, hi ha molta evidència que Euclides va usar llibres de text anteriors quan escrivia Els Elements.
Un dels fragments més antics que es conserven de l'obra d'Euclides.
Va ser trobat en Oxirrinco i data de l'any 100 D. de C.
 Font: Universitat de la Columbia Britànica


Tesel·lació III: Fes-ho tu mateix!

Ha arribat l'hora de fer les teues propies tesel·lades utilitzant el que vam aprendre en les entrades anteriors. Et proposem l'eina "Tessellation artist"que hem trobat en el lloc web www.mathisfun.com.
Enllaç a "Tessellation artist"

És una mica difícil d'utilitzar al principi però el maneig és bastant intuïtiu i podràs crear les teues pròpies tessel·lacions en uns minuts. Es poden utilitzar polígons regulars, cercles, línies, i fins i tot hi ha una eina de dibuix a mà alçada. Simplement dibuixa una forma i a continuació arrossega els punts roig i blau per a variar la posició i l'angle. A més, el programa et permet l'opció d'imprimir-ho.

Et mostrem  a continuació una tessel·lada que hem creat a partir d'hexàgons regulars i rombes, encara que segur que pots fer dissenys més complexos amb una mica més de temps.



Tesel·lació II: Tesel·lades semiregulars

Hem vist que els termes tessel·lació i tessel·lada fan referència a una regularitat o patró de figures que recobreixen o pavimenten completament una superfície plana que compleix amb dos requisits:

  1. Que no queden espais.
  2. Que no es superposen els figures.
A més, les tessel·lades regulars que estudiem en l'entrada anterior estan formats exclusivament per polígons regulars: triangles, quadrats i hexàgons. Vegem ara un tipus de tessel·lacions una mica més complexos.

Tessel·lades semiregulars
Una tessel·lació semiregular està feta amb dos o més polígons regulars. El patró ha de ser el mateix en tots els vèrtexs! Per a donar-li un nom a una tessel·lació, ens situem en un vèrtex i donem la volta anotant quants costats té cada polígon en ordre... per exemple "3.12.12". I sempre es comença per un polígon que tinga el mínim nom de costats, així que és "3.12.12", no "12.3.12".

Només existeixen vuit tessel·lacions semiregulars, et vam mostrar a continuació la trucada 3.3.4.3.4 (font:Wikimedia Commons):



Tesel·lació I: Tessel·lada regular

Definició de tessel·lada
Anem a veure ara un tema que està molt relacionat amb els moviments que estudiem en les entrades anteriors del Blog: les tessel·lacions o tessel·lades.


Una tessel·lada o tessel·lació consisteix en una regularitat o patró de figures que cobreixen completament una superfície plana, de manera que no queden espais ni tampoc se superposen les figures.


Les tessel·lades es creen usant transformacions isomètriques (sense variar les dimensions ni l'àrea) sobre una figura inicial, és a dir, còpies idèntiques d'una o diverses peces o tessel·les amb les quals es componen figures per a recobrir totalment una superfície. Fixem-nos en primer lloc en la tessel·lada més bàsica que és la tessel·lada regular, en la qual s'utilitza solament un tipus de polígon regular.

Tessel·lada regular
Doncs bé, solament són possibles tessel·lades regulars emprant triangles equilàters, quadrats i hexàgons regulars. Amb un pentàgon regular, per exemple, no es pot. I per què sols triangles equilàters, quadrats i hexàgons regulars? Si ho pensem una mica, la raó és bastant senzilla.

Si volem cobrir tot el plànol sense superposicions ni buits, en un vèrtex qualsevol de la tessel·lada la suma dels angles interiors dels polígons que tenen aqueix vèrtex en comú ha de ser de 360º.

Atès que, com he comentat abans, la tessel·lada regular es fa amb un únic tipus de polígon regular, aquest polígon ha de tenir un angle interior que siga divisor de 360º. Doncs ocorre que els únics polígons regulars els angles interiors dels quals són divisors de 360º són el triangle equilàter (60º), el quadrat (90º) i l'hexàgon regular (120º). T'ho ensenyem en el següent vídeo:


Moviments en el pla IV: Composició de moviments

Quan s'apliquen a una mateixa figura diversos moviments es diu que s'ha fet una composició de moviments. Un moviment compost pot estar format per qualsevol combinació dels moviments que ja hem vist. Per exemple podem realitzar:

  • dues translacions;
  • tres girs;
  • un gir i una translació;
  • una translació, un gir i una simetria axial.
La composició de moviments és un altre moviment doncs conserva la forma i la grandària de les figures.

Pràctica
Anem a utilitzar novament el applet GeoGera per a analitzar un moviment compost format per una translació i una simetria axial. Et proposem que seguisques els següents passos:
  • Marca la casella Translació per a veure el primer moviment.
  • Marca a continuació la casella Simetria per a veure el segon moviment.
  • Amb les dues caselles marcades, modifica el vector o i la direcció de l'eix per a veure diferents variants d'aquesta composició

Moviments en el pla III: Simetries

Arribem a la tercera part d'aquesta sèrie de quatre entrades en la qual abordarem els anomenats moviments en el pla.

A hores d'ara hauries d'estar familiaritzat amb el maneig del applet GeoGebra i amb els dos primers moviments que estudiem: translació i gir. Si no és així, et recomane que tornes a la primera entrada de la sèrie i seguisques practicant, ja que aquest moviment és una mica més complex que els anteriors. Si ja tens suficient pràctica, et propose que realitzes l'exercici a continuació per a experimentar amb les simetries.

Teoria
Es diu simetria axial S, d'eix i, a un moviment que transforma un punt P en un altre P' de manera que i és mediatriu del segmente PP', o el que és el mateix, d(P, i) = d(P', i).

Pràctica
En el següent applet apareix un triangle, crea un eix i aplica una simetria axial. Els passos a seguir són:
  1. Primer hem de crear l'eix de simetria. Selecciona la 3era icona de la cantonada superior esquerra i selecciona els dos punts pels quals passa l'eix de simetria.
  2. Fes clic sobre la 5ena icona de la cantonada superior esquerra i selecciona l'opció "Simetria axial".
  3. Fes clic sobre el triangle i a continuació fes clic novament sobre l'eix de simetria que definim en el primer pas.

Moviments en el pla II: Girs

Arribem a la segona part d'aquesta sèrie de quatre entrades en la qual abordarem els anomenats moviments en el pla.

Si no has tingut problemes per a superar la primera activitat, ja estaràs familiaritzat amb el applet GeoGebra. Et propose un nou exercici per a seguir experimentat amb el moviment de gir.

Teoria
Anomenem gir de centre O i angle ß a un moviment que fa correspondre a cada punt P un altre punt P' tal que : d(O, P) =d (O, P') i angle(POP') = ß. Quan l'angle de gir és de 180º es diu que és una simetria central de centre O.

Pràctica
En el següent applet apareix un triangle, crea un punt i aplica un gir amb centre de rotació en aquest punt. Fes que es mostre l'angle de rotació. Els passos a seguir són:
  1. Selecciona la 5ena icona de la cantonada superior esquerra i tria l'opció "gire".
  2. Fes clic sobre el triangle per a seleccionar-ho.
  3. Fes clic sobre la pantalla per a definir el centre del gir. En la finestra de diàleg que s'obri, introdueix l'angle del gir i el sentit (horari o anti-horari).
  4. Per a fer que es mostre l'angle de rotació, selecciona la 4ta icona de la cantonada superior esquerra. A continuació fes clic sobre un punt qualsevol del primer triangle, clic una altra vegada sobre el centre de gir, i un últim clic sobre el punt anàleg al primer punt seleccionat, però aquesta vegada del segon triangle.


Moviments en el pla I: Translacions

En aquesta sèrie de quatre entrades abordarem el que anomenem moviments en el pla. Un moviment en el pla és una transformació geomètrica que conserva els angles i les distàncies (la forma i la grandària). Es distingeixen tres tipus de moviments: Translació, gir i simetria.

Per a poder experimentar i facilitar l'aprenentatge, comptarem amb l'ajuda d'un applet que ens permetrà estudiar-los d'una forma molt gràfica i interactiva.

Teoria
Com segurament haurem estudiat en classe, Es diu translació T de vector lliure AB a una transformació que associa a cada punt P del plànol altre punt P'=T(P) de manera que el vector PP' siga igual al vector AB.

Pràctica
En el següent applet apareix un triangle. Crea un vector i aplica una translació. Els passos a seguir són:

  1. Selecciona la 5ena icona de la cantonada superior esquerra i tria l'opció translació. 
  2. Fes clic sobre el triangle per a seleccionar-ho.
  3. Defineix el vector lliure de la translació fent un clic en qualsevol lloc de la pantalla per a seleccionar el primer punt, i un segon clic per a seleccionar el punt final.