Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
ISSN 1988-6047 DEP. LEGAL: GR 2922/2007 Nº 15 – FEBRERO DE 2009 “CÁLCULO DE RAÍCES” AUTORÍA PATRICIA PÉREZ ORTIZ TEMÁTICA MATEMÁTICAS ETAPA ESO Y BACHILLERATO Resumen Los métodos aproximativos y recursivos no están muy presentes en la Enseñanza Secundaria. Sin embargo estos métodos permiten ejercitar el conocimiento de las desigualdades, las acotaciones y el cálculo de errores. Este artículo encierra un intento de utilización de las hojas de cálculo como vehículo de introducción a tales métodos. Y lo hará a través del cálculo concreto de raíces cuadradas, cúbicas, séptimas… Palabras clave Raíces, Hoja de Cálculo 1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS El origen de las técnicas aproximativas se remonta al menos a la civilización babilónica y entre los matemáticos de nombre conocido a los griegos Arquitas (428-365 a.C.) y Herón de Alejandría (ca. 100 d.C.). Sorprende que algunas cuestiones relacionadas, como el método iterativo y el estudio de las aproximaciones, no sugiriese a los matemáticos babilónicos o posteriores nuevos análisis sobre el concepto de número. En su lugar, como buenos ingenieros y astrónomos, construyeron tablas de multiplicar, de inversos, tablas de cuadrados y de cubos, de raíces cuadradas y cúbicas, escritas en el sistema sexagesimal cuneiforme. El descubrimiento y desarrollo del análisis infinitesimal en los siglos XVI y XVII introdujo nuevas herramientas al incluir las ecuaciones dentro de la teoría general de funciones y al aproximar éstas localmente mediante las funciones lineales y su correlato geométrico: las rectas tangentes. 2. ANTECEDENTES METODOLÓGICOS El recurso a las raíces permite resolver sencillas ecuaciones polinómicas. Las ecuaciones de la forma nx a con a>0, una vez que se dispone de las funciones inversas de las funciones potenciales, son resolubles de forma exacta o algebraica y su única solución positiva se designa por n a . ISSN 1988-6047 DEP. LEGAL: GR 2922/2007 Nº 15 – FEBRERO DE 2009 En la enseñanza no universitaria los alumnos principalmente acceden al conocimiento matemático de forma práctica. Así no parece lógico enseñar las operaciones de sumar, restar, multiplicar y dividir aparte de sus algoritmos de cálculo. Las potencias al apoyarse en la multiplicación no necesitan algoritmos especiales, lo que a la larga permite la familiaridad con las funciones potenciales. Tal hecho no ocurre con las funciones radicales, inversas de aquellas. A los alumnos en general no se les enseña a calcular raíces, simplemente se les asegura su existencia. El profesor o la calculadora asegurarán que la raíz quinta de 7 es 1,4757732…pero el alumno tiene todo el derecho a preguntarse cómo demonios lo habrá calculado. Es como si puesto que ya se ha enseñado a multiplicar no se enseñaran los algoritmos de la división y ésta se despachara afirmando que es la operación inversa de la multiplicación. Los métodos aproximativos aplicados al cálculo de raíces permiten rellenar el vacío anteriormente aludido y poner a los alumnos por vez primera en contacto con nuevas y potentes herramientas. En el mencionado cálculo podrán probar su utilidad así como muchas de las dificultades que guardan en su seno. 3. LA RAÍZ CUADRADA DE 2 Es éste un número especialmente querido por los matemáticos, que tiene en su haber ser uno de los primeros “monstruos” irracionales o uno de los números que no son razón de números enteros. Geométricamente la raíz cuadrada de 2 “mide” la diagonal del cuadrado de lado unidad, así como el lado del cuadrado cuya superficie es 2 unidades cuadradas. Al obtenerse ésta elevando el lado al “cuadrado” (nombre que por ello recibe la potencia de exponente 2), la medida del lado del cuadrado de superficie 2 es el número 2 . Superficie= 2 El cálculo de su expresión decimal puede llevarse a cabo mediante los pasos siguientes: Paso 1: Donde entra en escena un nuevo personaje: el rectángulo de área 2 unidades cuadradas, uno de cuyos lados mide 1. ISSN 1988-6047 DEP. LEGAL: GR 2922/2007 Nº 15 – FEBRERO DE 2009 Intenta imitar al cuadrado, pero evidentemente es un mal imitador. El tal rectángulo no es un cuadrado, y lo que se busca es un cuadrado de área 2 unidades cuadradas, no un rectángulo. El rectángulo es más alargado y más estrecho que el cuadrado, lo que permite deducir que el lado del cuadrado está comprendido entre los lados del rectángulo: 1 2 2 . Uno se queda corto, el otro se pasa. Paso 2: El rectángulo se transforma, se muda. Se construye un nuevo rectángulo, también de área 2, uno de sus lados sea la media de la medida de los lados del rectángulo anterior. El lado del nuevo rectángulo estará así comprendido entre los lados del rectángulo anterior, no medirá ni tanto como su lado mayor ni tan poco como su lado menor. Su medida será 1 1 2 2 =1’5. Al mantenerse constante el área el otro lado medirá aproximadamente 1’33 ( 3 4 para los amantes de la exactitud). Esta vez se han cambiado la tornas: el primer lado, 1’5, se ha pasado y el segundo, 1’33, se ha quedado corto: 1'33 2 1'5 ¡El nuevo rectángulo se va pareciendo más al cuadrado! Paso 3: El proceso se repite cuantas veces se desee El recurso a las hojas de cálculo aporta sin duda claridad y sencillez al proceso de generación de los sucesivos rectángulos. Cálculo de la raíz cuadrada de 2 rectángulo 1 rectángulo 2 rectángulo 3 rectángulo 4 rectángulo 5 rectángulo 6 lado 1 1 1,5 1,4166666 7 1,4142156 9 1,4142135 6 1,41421356 ISSN 1988-6047 DEP. LEGAL: GR 2922/2007 Nº 15 – FEBRERO DE 2009 lado 2 2 1,3333333 3 1,4117647 1 1,4142114 4 1,4142135 6 1,41421356 He aquí la misma hoja con las fórmulas que contiene. A B C D E F G 1 Cálculo de la raíz cuadrada de 2 2 rectángulo 1 rectángulo 2 rectángulo 3 rectángulo 4 rectángulo 5 rectángulo 6 3 lado 1 1 =0,5*(B3+B4) =0,5*(C3+C4) =0,5*(D3+D4) =0,5*(E3+E4) =0,5*(F3+F4) 4 lado 2 =2/B3 =2/C3 =2/D3 =2/E3 =2/F3 =2/G3 Las celdas de la fila 3 contienen la media de los lados del rectángulo anterior y las celdas de la fila 4 calculan el otro lado del rectángulo de forma que el producto de ambos sea 2. El contenido de las celdas B4 y C3 es el núcleo del diseño de esta hoja de cálculo pues ambas definen el proceso de generación de los lados de los rectángulos. El resto de la hoja resulta de aplicar el proceso anterior de forma iterativa, para la cual basta con arrastrar (o copiar) la celda B4 a la celda C4, arrastrando a continuación el bloque C3:C4 sobre el bloque D3:G4. El proceso antes descrito de manera geométrica y recurriendo a las hojas de cálculo podría también describirse mediante el lenguaje más críptico de las sucesiones: 1n para 2 , 2 1n para)( 2 1,),( 2 1,1 1 1 111121 n n nnn a b a b baabaaa La sucesión primera ‘a’ define el lado 1 del rectángulo, la sucesión segunda ‘b’ el lado 2 del mismo. La hoja de cálculo se presta a plantear ciertas cuestiones y actividades: 1) Antes de cualquier otra consideración es necesario comprender y explicar su diseño y funcionamiento, para lo que sin duda ayudará el enfoque geométrico. 2) En el primer rectángulo el lado 1 es menor que el lado 2, en el segundo rectángulo el lado 1 está comprendido entre los lados del rectángulo precedente, en el tercer rectángulo el lado 1 está comprendido entre los lados del rectángulo precedente… ¿Por qué? 3) ¿Por qué 2 está atrapado entre las medidas de los lados de cada rectángulo? 4) ¿Por qué las diferencias entre el lado 1 y el lado 2 de cada rectángulo disminuyen? 4. LA RAÍZ CÚBICA ¿Es aplicable la técnica anterior al cálculo de raíces cúbicas? Intentemos calcular por ejemplo la raíz cúbica de 6: 3 6 . Paso 1: Entre en escena un nuevo personaje: el paralelepípedo recto de volumen 6 unidades cúbicas. ISSN 1988-6047 DEP. LEGAL: GR 2922/2007Nº 15 – FEBRERO DE 2009 3 6 es la medida del lado del cubo de volumen 6 unidades cúbicas. Al igual que en el cálculo de la raíz cuadrada la aproximación se producía mediante rectángulos el cálculo de la raíz cúbica puede hacerse mediante paralelepípedos o cajas rectas. Para que no intervengan muchas variables éstas pueden considerarse de base cuadrada y de volumen constante 6 unidades cúbicas. Para empezar el proceso iterativo puede tomarse un valor sencillo, por ejemplo 2, como medida de la base de la primera caja. Su altura sería, pues, 2 35'1 2 6 2 . Al igual que ocurría en el ejemplo de la raíz cuadrada, el número 3 6 estaría comprendido entre 2 y 1’5, ya que 23 es 8, y 1’53 = 3’375, números respectivamente mayor y menor que 6. Paso 2: El paralelepípedo recto se transforma Se construye una nueva caja recta de base cuadrada y de volumen 6, en la que el lado de la base sea la media entre la medida de la base y de la altura de la caja inicial. La base de la nueva caja será 1 (2 1'5) 1'75 2 , estando así comprendida entre base y la altura de la caja inicial. Al mantenerse constante el volumen la altura medirá aproximadamente 1’96. Otra vez se han cambiado la tornas: el primer lado, 1’75, se ha quedado corto y el segundo, 1’96, se ha pasado. 31'75 6 1'96 Paso 3: El proceso se repite cuantas veces se desee De nuevo recurrimos a las hojas de cálculo. Cálculo de la raíz cúbica de 6 caja 1 caja 2 caja 3 caja 4 caja 5 caja 6 base 2 1,75 1,85459184 1,79951296 1,82618368 1,81265641 altura 1,5 1,95918367 1,74443408 1,8528544 1,79912913 1,82608198 He aquí la misma hoja con las fórmulas que contiene. A B C D E F G 1 Cálculo de la raíz cúbica de 6 2 caja 1 caja 2 caja 3 caja 4 caja 5 caja 6 3 base 2 =0,5*(B3+B4) =0,5*(C3+C4) =0,5*(D3+D4) =0,5*(E3+E4) =0,5*(F3+F4) 4 altura =6/B3^2 =6/C3^2 =6/D3^2 =6/E3^2 =6/F3^2 =6/G3^2 La única diferencia importante con la hoja en la que se calculaba la raíz cuadrada de 2 está en que en el cálculo de la altura de las cajas se eleva la base al cuadrado. Al contrario de lo que ocurría con la 2 los pares base y altura de cada caja convergen mucho más lentamente a 3 6 . Serán necesarias más iteraciones para encontrar una aproximación aceptable, en la que el error sea menor que una milésima, por ejemplo. ISSN 1988-6047 DEP. LEGAL: GR 2922/2007 Nº 15 – FEBRERO DE 2009 La convergencia mejoraría considerablemente si en el diseño de la hoja se introdujera una pequeña variación: en vez de apoyarse en la media de la base y la altura se hiciera sobre la media de las 3 dimensiones de la caja Nuevo cálculo de la raíz cúbica de 6 caja 1 caja 2 caja 3 caja 4 caja 5 caja 6 base 2 1,83333333 1,81726354 1,8171206 1,81712059 1,81712059 altura 1,5 1,78512397 1,81683472 1,81712057 1,81712059 1,81712059 He aquí la misma hoja con las fórmulas que contiene. A B C D E F G 1 Nuevo cálculo de la raíz cúbica de 6 2 caja 1 caja 2 caja 3 caja 4 caja 5 caja 6 3 base 2 =1/3*(2*B3+B4) =1/3*(2*C3+C4) =1/3*(2*D3+D4) =1/3*(2*E3+E4) =1/3*(2*F3+F4) 4 altura =6/B3^2 =6/C3^2 =6/D3^2 =6/E3^2 =6/F3^2 =6/G3^2 En las hojas que han permitido calcular la raíz cúbica de 6 nuevamente aparecen algunas de las características observadas en la hoja que calculaba la raíz cuadrada de 2. El valor a calcular, 3 6 , está siempre comprendido entre la base y al altura de cada caja. Cada iteración permite estrechar más el cerco o, en lenguaje más matemático, la diferencia entre ambos valores, base y altura, disminuye con cada nueva iteración. 5. UN ÚLTIMO EJEMPLO Vamos a calcular la raíz séptima de 10, 7 10 , generalizando el método anterior. Tomemos 1 como valor inicial que permita arrancar el proceso. Al igual que en el cálculo de la raíz cúbica para calcular el par asociado al valor inicial se dividía el radicando entre el cuadrado del valor inicial, en el cálculo de la raíz décima el par asociado se obtendrá dividiendo 10 entre la potencia sexta del valor inicial. Mediante el recurso del lenguaje de las sucesiones: 1n para 10 , 10 1n para)6( 7 1,),6( 7 1,1 66 1 1 111121 n n nnn a b a b baabaaa Traslación de las sucesiones anteriores a una hoja de cálculo e introducción de una nueva variable que mida la cota de error, para lo cual se recurre a la función valor absoluto (ABS): Cálculo de la raíz séptima de 10 caja 1 caja 2 caja 3 caja 4 caja 5 caja 6 ISSN 1988-6047 DEP. LEGAL: GR 2922/2007 Nº 15 – FEBRERO DE 2009 base 1 2,285714286 1,969201426 1,712386656 1,524421867 1,420481038 altura 10 0,070124269 0,171498036 0,396633133 0,796836062 1,217271226 cota error 9 2,215590017 1,79770339 1,315753523 0,727585805 0,203209812 Cálculo de la raíz séptima de 10 caja 1 caja 2 caja 3 caja 4 caja 5 caja 6 base 1 =1/7*(6*B3+B4) =1/7*(6*C3+C4) =1/7*(6*D3+D4) =1/7*(6*E3+E4) =1/7*(6*F3+F4) altura =10/B3^6 =10/C3^6 =10/D3^6 =10/E3^6 =10/F3^6 =10/G3^6 cota error =ABS(B3-B4) =ABS(C3-C4) =ABS(D3-D4) =ABS(E3-E4) =ABS(F3-F4) =ABS(G3-G4) La convergencia es muy lenta, los términos de la sucesión fluyen lentamente a su destino, 7 10 . Si el valor inicial hubiera sido otro la convergencia podría haber mejorado como se puede comprobar a partir de las tablas que siguen en la primera de las cuales se ha tomado como valor inicial 2, y en la segunda 1’3. Cálculo de la raíz séptima de 10 caja 1 caja 2 caja 3 caja 4 caja 5 caja 6 base 2 1,736607143 1,540602985 1,427362668 1,392379505 1,389513353 altura 0,15625 0,364578037 0,747920764 1,182480528 1,372316445 1,389388345 cota error 1,84375 1,372029106 0,792682221 0,244882139 0,02006306 0,000125009 Cálculo de la raíz séptima de 10 caja 1 caja 2 caja 3 caja 4 caja 5 caja 6 base 1,3 1,41025173 1,390389818 1,389497218 1,389495494 1,389495494 altura 2,07176 1,271218349 1,384141617 1,389485151 1,389495494 1,389495494 cota error 0,77176 0,139033381 0,006248202 1,20672E-05 4,49121E-11 1,33227E-15 Diseño de un modelo para el cálculo de raíces El diseño de un modelo genérico obliga a discernir las variables que intervienen en el cálculo de raíces: Índice de la raíz (m) Radicando (R) Semilla generadora o valor inicial (s). Tales variables es conveniente que estén separadas del resto de la hoja, en un lugar destacado. Las referencias a las mismas en los cálculos deben ser absolutas. Los algoritmos de generación de los sucesivos pares, o de los términos de las dos sucesiones, vienen dados mediante las fórmulas: ISSN 1988-6047 DEP. LEGAL: GR 2922/2007 Nº 15 – FEBRERO DE 2009 1n para , 1n para)1(1,),1(1, 11 1 1 111121 m n nm nnn a Rb a Rb bam m abam m asa A continuación aparece la traslación de las fórmulas anteriores al lenguaje más vistoso de las hojas de cálculo. La primera de ellas visualiza las fórmulas y la segunda muestra un ejemplo concreto. Las fórmulas podían haberse confeccionado definiendo nombres para las variables. ISSN 1988-6047 DEP. LEGAL: GR 2922/2007 Nº 15 – FEBRERO DE 2009 índice 5 radicando 2 semilla 1 figura1 figura2 figura3 figura4 figura5 figura6 base =$B$6 =1/$B$4*(($B$4-1)*B10+B11) =1/$B$4*(($B$4-1)*C10+C11) =1/$B$4*(($B$4-1)*D10+D11) =1/$B$4*(($B$4-1)*E10+E11) =1/$B$4*(($B$4-1)*F10+F11) altura =$B$5/B10^($B$4-1) =$B$5/C10^($B$4-1) =$B$5/D10^($B$4-1) =$B$5/E10^($B$4-1) =$B$5/F10^($B$4-1) =$B$5/G10^($B$4-1) cota error =ABS(B10-B11) =ABS(C10-C11) =ABS(D10-D11) =ABS(E10-E11) =ABS(F10-F11) =ABS(G10-G11) variables Cálculo de raíces de números positivos Tabla índice 5 radicando 2 semilla 1 figura1 figura2 figura3 figura4 figura5 figura6 base 1 1,2 1,152901235 1,148728887 1,148698357 1,148698355 altura 2 0,964506173 1,132039494 1,148576237 1,148698349 1,148698355 cota error 1 0,235493827 0,02086174 0,00015265 8,11462E-09 4,44089E-16 variables Cálculo de raíces de númerospositivos Tabla ISSN 1988-6047 DEP. LEGAL: GR 2922/2007 Nº – MES DE 2008 C/ Recogidas Nº 45 - 6ºA 18005 Granada csifrevistad@gmail.com 10 6. OBJETIVOS El tema tratado se presta a múltiples enfoques y puede ser tratado desde diferentes puntos de vista. 1) Comprender y analizar las hojas de cálculo dadas u otras que se propongan. 2) Saber confeccionar y presentar hojas de cálculo de acuerdo a un esquema: título, variables, algoritmos. 3) Conocer de forma práctica y algorítmica las raíces de los números. 4) Saber utilizar las propiedades de las desigualdades y conocer el error cometido 5) Observar regularidades en las secuencias numéricas. 6) Razonar y si es posible demostrar las regularidades observadas. Autoría Nombre y Apellidos: Patricia Pérez Ortiz Centro, localidad, provincia: IES Torreblanca, Sevilla, Sevilla E-mail: patruki957@yahoo.es
Compartir