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Origen de la teoría de Probabilidades Curso bimodal de capacitación para docentes de Secundaria: Uso de tecnología y Uso de historia de las Matemáticas. 2013 Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria 2 Tabla de contenidos Origen de la teoría de Probabilidades .......................................................................... 2 Problema ............................................................................................................................. 3 Análisis del problema ........................................................................................................... 3 Indicaciones metodológicas ............................................................................................... 10 Consideraciones finales ..................................................................................................... 11 Recursos adicionales .......................................................................................................... 12 Lecturas complementarias ................................................................................................. 12 Créditos ..................................................................................................................... 13 Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 2 Origen de la teoría de Probabilidades Lea cuidadosamente el siguiente texto tomado del libro de Isaac Todhunter (1949) A history of the mathematical theory of probability from the time of Pascal to that of Laplace: Cierto día del año 1654, el matemático francés Blaise Pascal (1623 - 1662) hacía un viaje en compañía de un jugador más o menos profesional conocido como el caballero de Meré, quien era una persona apasionada por todo lo relacionado con el juego de los dados y las cartas, siendo además un hombre noble e ilustrado. Este caballero creía que había encontrado una "falsedad" en los números al analizar el juego de los dados, observando que el comportamiento de los dados era diferente cuando se utilizaba un dado que cuando se empleaban dos dados. (…) Para el caballero debía existir una relación proporcional entre el número de jugadas necesarias para conseguir el efecto deseado en uno y otro caso. (…) Este y otros problemas planteados por el caballero a Pascal sobre cuestiones relacionadas con diferentes juegos de azar, dieron origen a una correspondencia entre el propio Pascal y algunos de sus amigos matemáticos, sobre todo con Pierre de Fermat (1601-1665) de Toulouse, abogado de profesión, pero gran amante de las matemáticas. (p.5) Esta correspondencia constituye el origen de la teoría moderna de la probabilidad. Antoine Gombaud era el nombre del Caballero de Meré, un escritor francés que vivió entre 1607 y 1685. Usó el título de Caballero (Chevalier) para un personaje de sus escritos que expresaba sus opiniones. Blaise Pascal (1623 - 1662) Imagen con derechos adquiridos por el MEP Pierre de Fermat (1601-1665) Imagen tomada de http://www.ugr.es/~eaznar/fotos_fermat.htm ¿Cuál era la “falsedad” que planteó este escritor? Esta falsedad puede plantearse de la siguiente manera: Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 3 La probabilidad de obtener un seis al lanzar un dado cuatro veces es igual a la probabilidad de obtener un doble seis al lanzar dos dados veinticuatro veces, lo cual refleja la existencia de una proporcionalidad entre ambos casos. I Imagen con derechos adquiridos por el MEP Imagen con derechos adquiridos por el MEP Problema Esta creencia vinculada con la proporcionalidad de los resultados generados al lanzar dados, es un error común que históricamente se ha cometido, por ejemplo, considere la siguiente proposición: Debido a que la probabilidad de obtener un doble seis al lanzar dos dados es: 𝟏 𝟑𝟔 entonces la probabilidad de obtener un doble seis, en uno de dos lanzamientos de dos dados es 𝟐 ∙ 𝟏𝟑𝟔 = 𝟏 𝟏𝟖 Análisis del problema Este problema puede ser analizado, al menos mediante dos estrategias: una directa y otra indirecta según se detallan: 1) Estrategia directa El estudiantado comprueba que la probabilidad del evento, es diferente a ! !" , como se indica a la proposición del problema. 2) Estrategia indirecta El estudiantado evidencia la falsedad de la proposición del problema, con base en su conocimiento previo, de que 0 ≤ P(A) ≤ 1, para todo evento A. A continuación se presenta un análisis de la solución al problema, según la estrategia escogida, por los estudiantes 1) Estrategia directa: Al lanzar un dado se tienen seis resultados simples igualmente probables {1, 2, 3, 4, 5, 6}, por lo que, la probabilidad de obtener una seis en un lanzamiento, de acuerdo con la definición clásica (o Laplaciana) de probabilidad, efectivamente es !!. Al lanzar dos dados, el número de resultados simples es 62 = 36, tal como se muestra: Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 4 Primer dado Segundo dado 1 2 3 4 5 6 1 (1,1) (1,2) (1,3) (1,4) (1,5) (1,6) 2 (2,1) (2,2) (2,3) (2,4) (2,5) (2,6) 3 (3,1) (3,2) (3,3) (3,4) (3,5) (3,6) 4 (4,1) (4,2) (4,3) (4,4) (4,5) (4,6) 5 (5,1) (5,2) (5,3) (5,4) (5,5) (5,6) 6 (6,1) (6,2) (6,3) (6,4) (6,5) (6,6) Figura 1 Entonces la probabilidad de obtener una pareja de seis es ! !" . Del mismo modo, al lanzar dos dados dos veces el número de resultados simples es (36)2 = 1296, serían de la forma que se resume en el siguiente cuadro Primer lanzamiento Segundo lanzamiento 1 2 3 ⋯ 36 (1,1) (1,2) (1,3) ⋯ (6,6) 1 (1,1) [(1,1), (1,1)] [(1,1), (1,2)] [(1,1), (1,3)] ⋯ [(1,1), (6,6)] 2 (1,2) [(1,2), (1,1)] [(1,2), (1,2)] [(1,2), (1,3)] ⋯ [(1,2), (6,6)] 3 (1,3) [(1,3), (1,1)] [(1,3), (1,2)] [(1,3), (1,3)] ⋯ [(1,3), (6,6)] ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 36 (6,6) [(6,6), (1,1)] [(6,6), (1,2)] [(6,6), (1,3)] ⋯ [(6,6), (6,6)] Figura 2 De los 1296 resultados simples que teóricamente están representados en el cuadro, solamente en la última fila y en la última columna aparece el resultado esperado que corresponde a una pareja de seis en alguno de los lanzamientos. Solamente el elemento denotado con [(6,6), (6,6)] representa a dos parejas de seis. Por ello, hay 36 + 36 – 1 = 71 elementos a favor de obtener una pareja de seis en uno de los lanzamientos al lanzar dos veces dos dados. Por lo anterior, la probabilidad de obtener un doble seis en solo uno de dos lanzamientos de dos dados es !" !"#$ = 0,0547…, el cual es diferente a 2 ∙ ! !" = ! !" =0,0555…Con lo cual se comprueba que es falso el supuesto de proporcionalidad para estos eventos. Además de que el estudiante compruebe que !" !"#$ ≠ 2 ∙ ! !" se le puede solicitar que amplifique la fracción, del miembro derecho, de tal forma que las fracciones sean homogéneas, obteniendo !" !"#$ ≠ !" !"#$ y más aún que !" !"#$ < !" !"#$ . 2) Estrategia indirecta Dentro delas principales propiedades que tienen las probabilidades (Axiomas de Kolmogorov) se tiene que la probabilidad de cualquier evento es un valor numérico entre cero (evento imposible) y 1 (evento seguro). Una forma alternativa (o por contradicción) de probar la falsedad de la proposición incluida en el problema, consiste en utilizar dicha propiedad, pues si efectivamente se presentara dicha proporcionalidad, entonces debido a que la probabilidad de obtener un doble seis al lanzar dos dados es 𝟏 𝟑𝟔 , con lo cual la probabilidad de obtener un doble seis en uno de 37 lanzamientos de Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 5 dos dados sería 37 ∙ 𝟏𝟑𝟔 = !" !" > 1. Esto es imposible, por ello este criterio de proporcionalidad sería falso. Este problema debe introducirse en X año, debido a que se requiere de cierta madurez para reflexionar sobre los alcances del problema. En la discusión que se realice, debe estar presente el hecho de que el desarrollo de las probabilidades, así como otras áreas matemáticas, han surgido a partir de controversias o paradojas, cuya solución permite avanzar en el conocimiento del tema. Por esta razón, el docente debe crear las condiciones para que este propósito se logre y motivar hacia la importancia de resolver el problema para comprender esos principios. Conviene que el docente, proponga otros problemas similares (monedas, objetos que solo difieren en el color, dados en forma de tetraedro, entre otros), para asegurarse de que el estudiantado comprendió bien en que radica el error del razonamiento del caballero En el análisis de este problema se involucran los siguientes conocimientos y habilidades Conocimientos Habilidades específicas Eventos • Relaciones entre eventos - Unión - Intersección - Complemento • Eventos mutuamente excluyentes Probabilidades • Reglas básicas de las probabilidades: - 0 ≤ P(A) ≤ 1, para todo evento A - Probabilidad del evento seguro es 1 y del evento imposible es 0 - P(A ∪ B) = P(A) + P(B) para eventos A y B mutuamente excluyentes Otras propiedades - Probabilidad de la unión: - P(A ∪ B) = P(A) + P(B) – P(A ∩ B) - Probabilidad del complemento: - P(Ac) = 1– P(A) 1. Describir relaciones entre dos o más eventos de acuerdo con sus puntos muestrales, utilizando para ello las operaciones: unión “∪”, intersección “∩” y complemento “c” e interpretar el significado dentro de una situación o experimento aleatorio. 2. Representar mediante diagramas de Venn las operaciones entre eventos. 3. Reconocer eventos mutuamente excluyentes en situaciones aleatorias particulares. 4. Deducir mediante situaciones concretas las reglas básicas (axiomas) de las probabilidades. 5. Deducir las propiedades relacionadas con la probabilidad de la unión y del complemento. 6. Aplicar los axiomas y propiedades básicas de probabilidades en la resolución de problemas e interpretar los resultados generados. Las habilidades previas son las siguientes: • Identificar el espacio muestral y sus puntos muestrales como resultados simples en una situación o experimento aleatorio y representarlos por medio de la numeración de sus elementos o de diagramas. • Determinar eventos y sus resultados a favor dentro de una situación aleatoria. • Identificar eventos seguros, probables e imposibles en una situación aleatoria determinada. Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 6 • Diferenciar entre eventos más probables, menos probables e igualmente probables, de acuerdo con los puntos muestrales a favor de cada evento. • Determinar la probabilidad de un evento como la razón entre el número de resultados favorables entre el número total de resultados. • Valorar la importancia de la historia en el desarrollo de la teoría de probabilidad • Deducir las propiedades de las probabilidades que están vinculadas con valores que puede tomar la probabilidad para evento seguro, probable e imposible. • Plantear y resolver problemas vinculados con el cálculo de probabilidades. • Utilizar probabilidades para favorecer la toma de decisiones en problemas vinculados con fenómenos aleatorios. También se requiere tener conocimiento de la siguiente habilidad de sétimo año en Relaciones y Álgebra: • Analizar relaciones de proporcionalidad directa e inversa de forma verbal, tabular, gráfica y algebraica. El problema planteado es tiene elementos de reproducción, pero aunque si bien es cierto se espera que el estudiante tenga habilidades previas que le permiten enfrentar el problema; también es cierto que por medio de este problema el estudiante debe integrar diferentes conocimientos que involucran una gran cantidad de habilidades que trasciende la simple reproducción y más bien incluye elementos de conexión y reflexión. Posibles dificultades Si los estudiantes optan por la primera estrategia e solución, es posible no visualicen que al lanzar un dado cuatro veces se generan 1296 y no puedan deducir la información resumida en la Figura 2, por lo que se requieren buscar otras estrategias. Una posibilidad consiste en utilizar una pareja de dados y ejemplificar el problema por medio de la observación para que busquen alguna forma de representar los resultados que permita visualizar los posibles resultados correspondientes a las parejas de seis. Además de la representación tabular que se presenta en la Figura 2, se pueden emplear otras estrategias tales como el diagrama de árbol entre otras técnicas de conteo, entre otras formas que pueden surgir de la discusión académica con los estudiantes. Es posible, que a pesar de la orientación anterior y de otras sugerencias que pueda realizar el docente, si los estudiantes enfrenten problemas para visualizar los posibles resultados al lanzar dos veces dos dados, se les puede sugerir que completen el siguiente cuadro para que los estudiantes completen la información. Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 7 Primer lanzamiento Segundo lanzamiento 1 2 3 ⋯ 36 (1,1) (1,2) (1,3) ⋯ (6,6) 1 (1,1) ⋯ 2 (1,2) ⋯ 3 (1,3) ⋯ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ (6,6) ⋯ Hay que recordar que el propósito básico del problema, no es el que los estudiantes lleven a cabo este conteo, por ello, la sugerencia anterior no distorsiona dicho propósito. Sin embargo, se debe dar la oportunidad para que puedan analizar la situación. Si los estudiantes tuvieran problema para comprender el trasfondo el resultado obtenido, se les puede plantear las siguientes preguntas generadoras: • ¿En qué radica el error cometido por el caballero de Mére? • Para el problema planteado, ¿cuáles son los resultados favorables al evento de obtener un doble seis en el primer lanzamiento, al lanzar dos veces, dos dados? y ¿cuáles son los resultados favorables de obtener un doble seis en el segundo lanzamiento, al lanzar dos veces, dosdados? ¿Qué se puede notar de estos resultados? ¿Cómo se podría representar los resultados obtenidos? En caso de que los estudiantes opten por la segunda estrategia, es decir, traten de buscar una contradicción entre lo propuesto en la proposición y las propiedades de las probabilidades, es necesario garantizar que se tiene pleno conocimiento del trasfondo de estas propiedades. En caso contrario, se requiere realizar una reflexión sobre las mismas. Clausura En la clausura se recomiendan dos etapas: En primer lugar, vincular la solución encontrada por los estudiantes con los conocimientos previos que poseen. Una forma simple de hacer esto sería la siguiente: De acuerdo con el análisis realizado, es falso que sean proporcionales los eventos de obtener un seis al lanzar un dado respecto a obtener una pareja de seis al lanzar dos dados. El error del Caballero de Meré consistió en que supuso que los eventos de lanzar dos o más dados eran mutuamente excluyentes entre sí, por lo que las probabilidades se podían sumar, lo cual es falso. Una forma de ejemplificar esto, consiste en observar los resultados simples generados al lanzar dos veces un dado. Si se consideran los eventos: • A: Obtener un seis en el primer lanzamiento • B: Obtener un seis en el segundo lanzamiento Dos o más eventos son mutuamente excluyentes si no pueden ocurrir de forma simultánea Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 8 Entonces la unión de estos eventos se representa en el siguiente diagrama: Además, dentro de los resultados posibles del experimento hay 24 resultados en los que no se obtiene un seis. En términos de los resultados simples de los eventos y del espacio muestral la distribución se muestra en el siguiente diagrama: Por esta razón la probabilidad de obtener un seis en el primer lanzamiento o un seis en el segundo lanzamiento es igual a: ( ) ( ) ( ) ( ) 6 6 1 11 36 36 36 36P A B P A P B P A B∪ = + − ∩ = + − = El ejemplo anterior, puede ser utilizado para favorecer la comprensión de lo que ha ocurrido con el problema planteado. Específicamente, en relación con dicho problema, si se consideran los eventos • C: Obtener un doble seis en el primer lanzamiento, de dos dados, que se lanzan dos veces. • D: Obtener un doble seis en el segundo lanzamiento, de dos dados, que se lanzan dos veces. Por medio de un diagrama se puede apreciar la cantidad de resultados simples involucrados con cada evento. Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 9 Por esta razón la probabilidad de obtener un doble seis en el primer lanzamiento o un doble seis en el segundo lanzamiento es igual a: ( ) ( ) ( ) ( ) 36 36 1 71 1296 1296 1296 1296 P C D P C P D P C D∪ = + − ∩ = + − = Pero, en ambos casos el supuesto básico del Caballero de Meré que fue simplificado en el problema planteado, provenía del hecho de que los eventos eran mutuamente excluyentes, por lo que: ( ) ( ) ( ) 1 1 1 12 11 6 6 3 36 36 P A B P A P B∪ = + = + = = ≠ O equivalentemente para los eventos C y D ( ) ( ) ( ) ( ) 36 36 72 71 1296 1296 1296 1296 P C D P C P D P C D∪ = + − ∩ = + = ≠ El análisis anterior es una importante estrategia para vincular la solución con los conocimientos y habilidades del programa de estudios. La segunda parte de la clausura debe señalar la importancia de la historia para comprender los orígenes y las perspectivas de la disciplina. Esta historia en la teoría de probabilidades muestra el carácter eminentemente humano de la Probabilidad y las Matemáticas. Además es una oportunidad para visualizar su importancia para la resolución de problemas de la cotidianidad. Se puede añadir más información sobre Pascal y Fermat, o dejar como asignación investigar un poco sobre ellos. Es muy importante que los estudiantes tengan claro el concepto de proporcionalidad directa, en el sentido de que si dos eventos A y B son directamente proporcionales entonces P(A) = k P(B), donde k es la constante de proporcionalidad. En términos de la creencia del Caballero de Meré, suponía que la probabilidad de obtener un seis al lanzar un dado cuatro veces es igual a la probabilidad de obtener un doble seis al lanzar dos dados veinticuatro veces, lo cual refleja la existencia de una proporcionalidad entre ambos casos. Esto pues si se representa con M la probabilidad de obtener un seis al lanzar un dado cuatro veces, entonces se requería para obtener un doble seis y obtener la probabilidad M se requería multiplicar el número de repeticiones por seis (o sea seis por cuatro veces). Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 10 Indicaciones metodológicas Para desarrollar esta actividad en el aula, se propone al docente que: 1. Recomiende a los estudiantes que no avancen en la búsqueda de una solución al problema, antes de que comprendan plenamente los diferentes componentes del problema. 2. Es posible que para lograr esto, además de realizar varias lecturas al fragmento histórico, se requiera esquematizar el problema para favorecer su comprensión. 3. Si el concepto de proporcionalidad no estuviera suficientemente claro en los estudiantes, puede proponer ejemplos por medio de los cuales el mismo se clarifique 4. Si los estudiantes optan por una estrategia directa de solución, debe permitirles que continúen avanzando en esa dirección. Aunque la segunda estrategia sea de más fácil comprensión, no se debe limitar su motivación y más bien, se requiere estar atento para orientarles en el proceso. Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 11 Consideraciones finales La actividad propiciará el desarrollo de varios procesos matemáticos (MEP, 2012, páginas 24-26, 56-58) - Conectar: por medido de este problema se logra visualizar la forma en que las probabilidades presentan un carácter eminentemente humano, cuyo desarrollo se conecta directamente con el desarrollo de la humanidad y con las respuestas a los problemas que los mismos seres humanos fueron encontrando dentro de su innata curiosidad. Cabe resaltar, la importancia de los contextos, en este caso, aquel que se vincula con los juegos de azar - Representar: Los estudiantes deben utilizar diferentes tipos de representaciones en la búsqueda de una solución. Por ejemplo, el simple empleo de términos tales como (1,1) o [(1,1), (1,1)], o el uso de representaciones tabulares, son ejemplos de la forma en que estos procesos se activan en la búsqueda de una solución del problema. - Razonar y argumentar: En el proceso de solución del problema, la discusión y el análisis están presentes en todo momento. Independientemente de la técnica de solución que los estudiantes utilicen, se requiere de un proceso de razonamiento para la búsqueda de una alternativa que conduzca a una solución y luego plantear argumentos sólidos que comprueben que la solución encontrada reúne las condiciones adecuadas. - Comunicar: Los estudiantes que participan en el proceso, requieren mantener una comunicación constante tanto con los compañeros como con el docente, además,deben ser convincentes al comunicar la solución encontrada. - Plantear y resolver problemas: En el desarrollo de la actividad, los estudiantes enfrentan no solamente el proceso de resolución, sino que deben plantearse sub- problemas que surgen en el mismo proceso de resolución. Por ejemplo, en la primera estrategia de resolución, un sub-problema que deber ser planteado y resuelto, lo constituye, el poder llevar a cabo el conteo correspondiente a los resultados a favor del evento de obtener una pareja de seis cuando se lanzan dos dados dos veces. Es importante subrayar que cuando se suscitaron estos hechos en el siglo XVII no existían estrategias para determinar las probabilidades, ni para determinar de una manera simple el número de resultados a favor de eventos complejos. Ni siquiera se utilizaba la simbología que se emplea hoy día, por lo que debían recurrir a estrategias que combinaban análisis cuantitativos con valoraciones cualitativas basados en las experiencias observadas; lo cual, provocaba que se cometieran errores como aquellos en los que incurrió el Caballero de Meré. Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 12 Recursos adicionales Perero, Mariano. Historias e historia de las matemáticas. Editorial Iberoamérica, México. 1994, pp. 88-94. Lecturas complementarias Para el presente material se han consultado los siguientes materiales, por lo que se recomienda complementar el trabajo con algunas lecturas adicionales: • Historia de la Probabilidad. http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/barcelo/historia/Historia de la probabilidad.pdf Recuperado 10-02-2013 • Historia de la Probabilidad. http://www.ahepe.es/Documentos/IJornadas- Madrid2001/historia de la probabilidad y la estadistica I.pdf . Recuperado 11-02-2013 • Mateos, G. y Morales, A. (2002). Historia de la Probabilidad (desde sus orígenes hasta Laplace) y su relación con la Historia de la Teoría de la Decisión. En A.H.E.P.E. (2002). Historia de la Probabilidad y de la Estadística. Madrid: Editorial AC. • Batanero, Carmen; Contreras, José Miguel, Díaz, Carmen y Arteaga, Pedro. Paradojas en la historia de la probabilidad como recurso didáctico. Universidad de Granada. Recuperado en febrero del 2013 de http://www.ugr.es/~batanero/ARTICULOS/TallerParadojas.pdf Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas en la Educación Secundaria Origen de la teoría de Probabilidades 13 Créditos Este documento es una unidad didáctica sobre Uso de la historia de las Matemáticas en la enseñanza de las Matemáticas de la Educación Secundaria para ser utilizada en el Curso bimodal de capacitación para docentes de Secundaria: Uso de tecnología y Uso de historia de las Matemáticas, que forma parte del proyecto Reforma de la Educación Matemática en Costa Rica. Este proyecto del Ministerio de Educación Pública de Costa Rica es apoyado por la Fundación Costa Rica-Estados Unidos de América para la Cooperación. Autor Edwin Chaves Editor Hugo Barrantes Editor gráfico Hugo Barrantes y Miguel González Revisores Ángel Ruiz Jonathan Espinoza Edison de Faria Director general del proyecto Reforma de la Educación Matemática en Costa Rica. Ángel Ruiz Imagen de señal de “check” en color verde cortesía de digilart en FreeDigitalPhotos.net Para referenciar este documento Ministerio de Educación Pública de Costa Rica, Proyecto Reforma de la Educación Matemática en Costa Rica (2013). Origen de la teoría de Probabilidades. San José, Costa Rica: autor. Origen de la teoría de Probabilidades por Ministerio de Educación Pública de Costa Rica se encuentra bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial- CompartirIgual 3.0 Unported
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