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C´alculo del Radio Terrestre:
Erat´ostenes al Desnudo
Alumno: Carlos Andr´es M´unera
Gu´ıa: Miguel Monsalve
Curso: Astronom´ıa
Maestr´ıa en la Ense˜nanza de las Ciencias Exactas y Naturales
Facultad de Ciencias Exactas
Universidad Nacional de Colombia
Sede Medell´ın
2010
´Indice general
1. Estado del Arte: Difracci´on de Reflexi´on Refractada 4
1.1. Vivencia Cotidiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1. Preludio Docente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. Precedentes 10
2.1. Movimiento del Sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.1. D´ıa Solar Medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2. D´ıa Sid´ereo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3. De Ptolomeo a Cop´ernico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2. Geometr´ıa Plana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1. Datos Hist´oricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2. Algunos Conceptos B´asicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3. Trigonometr´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.1. Datos Hist´oricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2. Algunos Conceptos B´asicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.3. Teorema de Pit´agoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1
3. Erat´ostenes 43
3.1. Ubicaci´on Espacio Temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.1. ´Epoca y Lugar de Incidencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.2. Su Educaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.3. Referencias Personales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.4. Haza˜nas (Algunos Aportes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.5. Logro Motivador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2. C´alculo Del Radio Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.1. Conjeturando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4. Relaciones y Patrones Expuestos 54
4.1. Detalles T´ecnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.1. Posible Proceder de Erat´ostenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.2. Observaciones Importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2. Medida Conjunta Del Radio Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.1. Pr´actica en Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5. Medici´on del Radio Terrestre 61
5.1. Pr´actica 1: Similar a Erat´ostenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1.1. Gu´ıa Para Medir el Radio Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2. Pr´actica 2: Otro M´etodo Para Medir el Radio Terrestre . . . . . . . . . . 63
5.2.1. Construcci´on Reloj Solar de Cuadrante Ecuatorial . . . . . . . . . 64
5.2.2. Observatorio Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.3. Gu´ıa 2: Estimar la Medida del Radio Terrestre . . . . . . . . . . . 69
2
Agradecimientos
A mi hija Victoria.
Por ser fuente constante de mi inspiraci´on.
Y por ser, simplemente..
Victoria.
Cap´ıtulo 1
Estado del Arte: Difracci´on de
Reflexi´on Refractada
En el pasar del tiempo, al ir creciendo como ser humano, social, comen-
zamos a relacionar e inquietarnos. En principio, experimentamos simples
sensaciones, percibidas de porciones del mundo que nos rodea, ayudados
´unicamente por nuestros sentidos naturales, independientes entre s´ı. Y
Notamos del universo:
El Movimiento
Estrellas en un vaiv´en c´osmico, Tierra y sat´elites girando, traslad´andose
(en nuestras mentes en un vaiv´en cosmog´onico).
Oc´eanos y mares agitados ondulando. R´ıos con aguas en constante fluir.
Viento soplando calmo o Hurac´an tormentoso.
Veh´ıculos de toda ´ındole viajan a todo lugar, lentos o raudos.
Maquinaria, bielas y engranajes giran y crujen.
Sensores de precisi´on asombrosa leen y corroboran datos.
Cuerdas musicales vibran al temblar del aire.
4
Pero, al razonar ciertas respuestas sensoriales, patrones observados que
suceden alrededor e intentar explicarlos, replicarlos, predecirlos o pronos-
ticarlos, m´agicamente, estos sentidos ’paren’ un sexto sentido no f´actico:
el ENTENDIMIENTO.
Se inicia as´ı, El viaje sin regreso.
Buscando, siempre adaptando nuevos sentidos no naturales, pr´otesis arti-
ficial, metamorfoseando la naturaleza para sondear m´as all´a, en b´usqueda
de ”sin l´ımites”.
Dispositivos sensoriales que permitan develar secretos del universo local
y, con nuestras ciencias como amalgama, potenciar el saltar, de un estado
mec´anico a uno cu´antico, pasando por situaciones el´ectricas, electr´onicas,
mecatr´onicas . . .
Creciendo en inferencias inductivas, l´ogicas, deductivas, en interpolaciones
lineales y multi variables, regresiones m´aximo veros´ımiles, extrapolando
por abducci´on, ¿magia?.
Nos entrometemos irreverentes, desafiando la prioritaria e in negociable
misi´on que nos destin´o la Naturaleza (y nos revel´o la Biolog´ıa), sucumbi-
endo al eterno placer de descubrir mundos in imaginados pero m´as reales
que el que toscamente construimos en un inicio (fantas´ıa burda. Prejuiciosa
declaraci´on para vanamente calmar nuestra sedienta y curiosa conciencia).
Pero siempre adelante, sin dejar de transpirar, el ser humano en su es-
fuerzo por comprender cada vez m´as, logra de manera exponencial (seg´un
la calidad de sus argumentos), crear sus mayores obras de arte (inclu-
so, m´as sublimes que las bellas creaciones del arte), experiencias inesper-
adas, jam´as so˜nadas, pero acordes con el comp´as de partituras que compo-
nen nuestro universo, nuestra existencia misma vista desde nuestra propia
imaginaci´on, en una espiral Arquimediana, que espero, nunca termine.
5
1.1. Vivencia Cotidiana
Todos los d´ıas, al levantarme, aprecio, sin falla conocida, que el sol, o muchos con las
mismas caracter´ısticas pero s´olo uno a la vez, en las ma˜nanas sale por una regi´on cercana
al punto cardinal que denominamos Este (Oriente), durante el transcurso del d´ıa se eleva
por encima de nuestras cabezas y, al terminar el d´ıa, comenzando la noche, desciende
para ocultarse por una regi´on cercana a otro punto cardinal que denominamos Oeste (Oc-
cidente), siempre movi´endose en l´ınea recta y a una velocidad angular uniforme. Supongo
que es un s´olo sol y que repite este ciclo (girar alrededor de la tierra, aparentemente)
desde antes de los hombres (y seguramente despu´es de ellos) en promedio, a velocidad an-
gular constante. Esto me lleva a pensar en la forma de la tierra y su tama˜no. El aparente
hundimiento de un barco que se adentra en el oc´eano, visto desde la playa, o la sombra
curva de la tierra, que logro apreciar algunas noches despejadas sobre la superficie lunar,
entre muchas otras experiencias de vida, me llevan a postular como candidata para la
forma geom´etrica de la tierra, a la esfera (aproximadamente).
La idea, aqu´ı, es emprender, como el buen inspirador Erat´ostenes, una empresa que a
simple vista parece monumental e imposible para un s´olo hombre, pero que en la medi-
da en que este utiliza su genio para combinar y asociar, astutamente, herramientas con
conocimientos heredados (baluartes de la humanidad), vislumbra a lo lejos un espejismo
que cada vez se concretiza m´as, hasta materializarse y cambiar la visi´on del mundo.
A continuaci´on se busca tejer la trama y urdimbre, del contexto conceptual y protag´onico,
que enmarca la proeza realizada por el gran Erat´ostenes, el hombre, y se detalla su posi-
ble experiencia basados en registros hist´oricos, mitos tipificados y nuestras propias con-
jeturas, concluyendo con otra experiencia similar, la cual creo, igual de hermosa por ser
testimonio preciso y concreto de interdisciplina espacio temporal entre Matem´atica ideal
y F´ısica vivencial (se abaratan los costos en todo sentido).
1.1.1. Preludio Docente.
El maestro, despu´es de presentar un tema, debe fijar sus esfuerzos en un conjunto de ejem-
plos, ejercicios y cuestionamientos relacionados ´ıntimamente con cada parte y el todo de
los t´opicos presentados. Los ejemplos ilustran la aplicaci´on b´asica de los conceptos.
A menudo indican con detalle, la exposici´on de sugerencias sobre la organizaci´on y
sobre como abordar los problemas del tema estudiado. Deben haber, tambi´en, intercala-
dos con los ejemplos, un conjunto de ejercicios propuestos. A diferencia de los ejemplos
propiamente dichos, con su amplitud y detalle, los ejercicios se piensan m´as esquem´aticos.
6
Los ejercicios sirven al prop´osito de adquirir cierta destreza y confianza en la aplicaci´on
de lo estudiado. En ocasiones se dan sugerencias de trabajo, resultados parciales, se
ofrece soluciones esbozadas omitiendo desarrollos intermedios, proponiendo variantes o
aplicaciones del ejemplo, dando s´olo el resultado. Los ejercicios deben proponerse como
problemas que el estudiante intenta por s´ı mismo solucionar. El estudiante debe
acudir a la soluci´on propuesta s´olo para cotejar su propia soluci´on o para orientarse en
caso de que encuentre dificultades que no haya superado.
El aprendizaje de la F´ısica no es pasivo. Requiere abordar problemas diversos.1
Despu´es un conjunto de situaciones, no numeroso, cuidadosamente elegido, de modo que
abarque un abanico razonablemente amplio, sin caer en trivialidad por un lado, ni en
dificultad excesiva (desalentadora) por el otro. En ocasiones se dan resultados finales o
bien algunos casos particulares para cotejar.
M´etodo, Orden y Claridad en la aplicaci´on de modelos f´ısicos, son esenciales al estu-
diar y solucionar situaciones problema.
Consideraci´on al Ense˜nar Trigonometr´ıa
En secundaria el alumno adquiere conocimientos geom´etricos en cada curso. En 5o
se
tratan conceptos como ´angulo, recta, mediatriz, bisectriz, relaci´on angular, pol´ıgonos,
simetr´ıas en figuras planas. De 6o
a 8o
se trabajan tri´angulos, cuadril´ateros, pol´ıgonos
regulares y la circunferencia. En 9o
los estudiantes asimilan el teorema de Pit´agoras, el
teorema de Thales, los poliedros, per´ımetros, ´areas, vol´umenes. Es en 10o
cuando ven en
qu´e consiste la trigonometr´ıa como tal. Luego, en 11o
, descubren la utilidad de la misma
en todo tipo de c´alculos geom´etricos. Posteriormente, el estudiante continua ampliando
sus conocimientos y aplicaciones sobre la trigonometr´ıa, tal y como viene recogido en
los curr´ıculos vigentes. El tratamiento de esta unidad en el grado 10o
no es f´acil, ya que
la trigonometr´ıa, pese a ser visual, es de las ramas de la matem´atica m´as t´ecnicas que
se ven en la escuela. Por ello, la unidad de trigonometr´ıa que se imparta en este grado
debe ser tratada por el profesorado con especial cuidado, intentando siempre motivar y
animar a los alumnos para que conf´ıen en sus propias capacidades y hacerles ver el lado
m´as pr´actico de la trigonometr´ıa. [1]
La unidad dedicada a la trigonometr´ıa, en secundaria, deber´a tener objetivos propios
b´asicos, como:
1
Es all´ı donde se decantan, afianzan y esclarecen los conceptos flexibilizando su aplicaci´on.
7
Conocer las razones trigonom´etricas de un ´angulo y sus relaciones. Utilizar la cal-
culadora para efectuar c´alculos trigonom´etricos.
Aplicar relaciones trigonom´etricas para calcular distancias y ´angulos reales.
Utilizar conocimientos geom´etricos para efectuar mediciones indirectas en situa-
ciones de contextos cotidianos.
Desarrollar y utilizar equivalencias de expresiones trigonom´etricas.
Podemos ampliar la lista de objetivos incluyendo:
• Identificar la semejanza entre figuras planas.
• Conocer el enunciado del teorema de Thales.
• Definir las razones trigonom´etricas en el tri´angulo rect´angulo, de un ´angulo
agudo y de un ´angulo cualquiera en la circunferencia unitaria.
• Obtener ´angulos con la calculadora a partir de razones trigonom´etricas.
• Obtener el signo de las razones trigonom´etricas de un ´angulo en funci´on del
cuadrante en el que se encuentre.
• Hallar razones trigonom´etricas de un ´angulo a partir de una de ellas. Obten-
er relaciones entre las razones trigonom´etricas de ´angulos complementarios,
´angulos suplementarios y ´angulos opuestos.
• Resolver un tri´angulo rect´angulo conociendo dos lados, conociendo un lado y
un ´angulo.
• Aplicar relaciones trigonom´etricas en problemas diversos: c´alculo de distancias,
de ´areas, etc.
Una observaci´on m´as
El esquema general de la presentaci´on de contenidos por temas ser´a siempre el mismo y
debe corresponder con las explicaciones que se den desde el primer tema, sirviendo como
gu´ıa. A medida que se va explicando la estructura general, el estudiante debe desarrollar
todas las actividades propuestas. El maestro apoyar´a, en la medida de lo posible, y
siempre con esa intenci´on como premisa, la explicaci´on con contenido din´amico que
resalte la zona a la que se hace referencia. La idea inicial con los materiales que el maestro
prepare, deben propender por hacer un desarrollo visual y manipulable de los conceptos
trigonom´etricos m´as habituales en la ense˜nanza secundaria, que sirvan para comprender
y ver la Trigonometr´ıa.
8
Figura 1.1: Visiones.
9
Cap´ıtulo 2
Precedentes
Siempre nos est´an diciendo la verdad de las cosas, y por inercia y simple comodidad,
aceptamos esas aseveraciones, sin objetar, en muchas ocasiones, que sus inferencias
chocan de frente, con las experiencias cotidianas del diario vivir.
Aqu´ı trataremos, en lo posible, conjeturar y deducir, recurriendo ´unicamente a las eviden-
cias aportadas por el empirismo y nuestra propia percepci´on del mundo que nos rodea.
Se buscar´a estar acorde al sistema de referencia del que podemos dar fe, un ser humano
parado en la superficie del planeta, sin informaci´on directa del espacio exterior.
2.1. Movimiento del Sol
10
Remembranza
Desde Cop´ernico sabemos que la Tierra gira alrededor de su eje completando una vuelta
en 23 horas 56 minutos y 4 segundos, aproximadamente, (un d´ıa sid´ereo).
No obstante se sigue con la concepci´on tolem´aica, asumiendo que el movimiento de la
esfera celeste es aparente (siendo la Tierra la que gira realmente). [2]
Situado en el plano del horizonte y al cabo de un d´ıa observamos a los astros dar una
vuelta alrededor del eje del mundo, en direcci´on este - sur - oeste mirando hacia el sur, o
bien en sentido este - norte - oeste mirando hacia el norte. Los ´unicos puntos de la esfera
celeste que permanecen fijos son los polos celestes; todos los dem´as, con las estrellas
parecen girar en c´ırculos conc´entricos alrededor de la tierra, idea que apoya la creencia
de ser a imagen y semejanza de Dios.1
2.1.1. D´ıa Solar Medio
Movimiento diurno del Sol. Seg´un estemos en el hemisferio norte o en el sur el
sentido del movimiento diurno del Sol ser´a visto de distinta manera. El movimiento de
la esfera celeste observado en el transcurso de un d´ıa (incluido el sol), es un movimiento
retr´ogrado, de sentido horario mirando hacia el Sur, y de sentido anti horario mirando
hacia el Norte (ver figura 2.1).
Tomemos como ejemplo el Sol que sale por el Este y se pone por el Oeste, desde el
hemisferio Norte se aprecia como un movimiento en sentido horario, aunque ligeramente
m´as lento que las estrellas lejanas. ´Estas se mueven acordes al tiempo sid´ereo, mientras
que el movimiento aparente del Sol es acorde al tiempo solar. [6]. En la figura 2.1
Figura 2.1: Movimiento aparente del sol
1
¿Dios necesita esf´ınteres para evacuar sus divinas heces, al igual que cualquier animal? (simio).
11
Figura 2.2: Esquema del movimiento del sol, visto desde distintos marcos referenciales.
se representa a dos observadores que desde hemisferios distintos miran el movimiento
aparente de nuestra estrella. En perspectiva, el Sol se representa como un disco sobre
el Ecuador, interpuesto entre el observador norte y el observador sur. Es evidente que
el observador norte ve al Sol en direcci´on Sur, mientras que el observador sur lo ve en
direcci´on Norte. En el hemisferio norte la luz del Sol y su calor proceden del sur, mientras
que en el hemisferio sur proceden del norte.2
.
Se denomina d´ıa, del lat´ın dies, al tiempo que tarda la Tierra desde que el sol est´a en el
punto m´as alto sobre el horizonte hasta que vuelve a estarlo. Esta fue la primera forma
que tuvo el hombre de medir el tiempo. [10] La Astronom´ıa mostr´o que, dependiendo de
la referencia usada para medir un giro, se trata de tiempo solar o de tiempo sid´ereo. 3
En caso de no acompa˜nar el t´ermino d´ıa con otro vocablo, se entiende como d´ıa solar
medio, base del tiempo civil. Se divide en 24 horas, cada hora en 60 minutos y cada
minuto en 60 segundos, durando cerca de 86.400 segundos. Con igual referencia, el Sol,
tiene el a˜no tropical o a˜no tr´opico, lapso que demora la Tierra en su movimiento anual.
En un a˜no tr´opico la Tierra da 365.24219 vueltas en torno a su eje. [2]
2
Ambos observadores coincidir´an en que amanece por el este, y el ocaso sucede en el oeste.
3
El primero toma como referencia al Sol y el segundo toma como referencia a las estrellas.
12
2.1.2. D´ıa Sid´ereo
Rotaci´on de la Esfera Celeste. Llamado d´ıa sideral, es el lapso entre dos tr´ansitos
sucesivos del equinoccio medio o, de manera equivalente, es el lapso entre dos culmina-
ciones sucesivas de una estrella en el meridiano local. Para un observador determinado
el d´ıa sid´ereo comienza cuando Aries atraviesa su meridiano (ver figura 2.2).
En un a˜no tr´opico la Tierra da 365.242189 vueltas en torno a su eje respecto al Sol,
pero respecto a las estrellas da una vuelta m´as (366.242189). [11] Se puede obtener una
aproximaci´on suficientemente buena del valor de una hora sideral:
Un a˜no Tr´opico:
365.242189 d´ıas = 8765.8125 horas.
Un d´ıa Sid´ereo:
8765.8125 h
366.242189
= 23.9345 horas.
El d´ıa sid´ereo resulta ser algo menor de 24 horas: 23 horas 56 minutos 4 segundos, aprox-
imadamente. Supongamos que hoy alineamos una estrella y anotamos la hora. Ma˜nana
la estrella alcanzar´a la misma alineaci´on unos 3 minutos 55.9 segundos antes. Por otra
parte, hay que distinguir entre el periodo de rotaci´on de la Tierra respecto a las estrellas
y el d´ıa sid´ereo propiamente dicho. Al ser el equinoccio medio un punto m´ovil debido a la
precesi´on, el d´ıa sid´ereo es 0.0084 segundos m´as corto que el periodo rotacional respecto
a las estrellas. [2] Resumiendo:
Periodo rotacional respecto a las estrellas:
366.242189 d´ıas civiles.
D´ıa sid´ereo (medio):
23 horas 56 minutos 4.0905 segundos.
La duraci´on del d´ıa y la noche cambia en el transcurso del a˜no, siendo de 12 horas
(en todas las latitudes) en los equinoccios, de m´as de 12 horas en primavera y verano
(alcanzando el d´ıa m´as largo en el solsticio de verano, con la noche m´as corta), y de
menos de 12 horas en oto˜no e invierno (alcanz´andose en el solsticio de invierno el d´ıa
m´as corto y la noche m´as larga). Este efecto se acent´ua m´as cuanto mayor es la latitud.
13
En alguna ´epoca del a˜no hay d´ıa o noche permanente en las regiones polares (tanto del
Hemisferio Norte como del Hemisferio Sur) caracterizadas por estar a una latitud que,
en valor absoluto, es mayor que λ = 90o
− 23o
26 = 66o
34 .4
2.1.3. De Ptolomeo a Cop´ernico
La astronom´ıa observacional, desde los comienzos de la civilizaci´on, ha obtenido durante
milenios datos de una precisi´on maravillosa. Pero el problema esencial es c´omo interpre-
tar esos datos. Y esto puede verse en una forma pat´etica en la transici´on del modelo
geoc´entrico desarrollado por Ptolomeo (siglo II d.C.) al modelo helioc´entrico propuesto
por Cop´ernico (1473-1543). [8]
Las observaciones de Ptolomeo lo obligaron a concebir un modelo de c´ırculos que inclu´ıa
Figura 2.3: Idea en la que se basa el movimiento de los astros seg´un Ptolomeo.
una ´orbita deferente alrededor de la tierra y un epiciclo con centro en un punto sobre la
deferente (figura 2.3). As´ı, un planeta, visto desde la tierra, se mueve sobre el epiciclo
mientras el centro de ´este se mueve alrededor de la tierra describiendo ´orbita deferente.
Se adopta aqu´ı un punto de vista simplificado deferente - epiciclo para tratar de dar
unas pistas sobre la forma como se pas´o de un modelo a otro, y para extraer consecuen-
cias importantes que se derivan de ese cambio de mirada. En realidad, este modelo de
c´ırculos se fue sobrecargando de epiciclos de epiciclos para ponerse a tono con los datos
observacionales y se complicaba cada vez m´as. Se precisaba una simplificaci´on.
El movimiento, seg´un Ptolomeo, de los planetas conocidos para Cop´ernico (los visibles a
simple vista) podr´ıa simplificarse en la figura 2.4, referente a deferentes y epiciclos con
sus respectivos per´ıodos.
4
Esta es precisamente la definici´on de c´ırculo polar.
14
Figura 2.4: Ajuste en epiciclos y deferentes para el movimiento de los astros, seg´un Ptolomeo.
Mientras para los planetas interiores el per´ıodo de la deferente es 1 a˜no, para los planetas
exteriores es el epiciclo el que dura 1 a˜no. ¿No deber´ıa asignarse esta circunstancia a
una proyecci´on en el cielo de la propia ´orbita de la Tierra? Cop´ernico vio en la deferente
de Venus (ejemplo de un planeta interior) la propia ´orbita de la Tierra alrededor del
Sol (figura 2.5). Tambi´en vio en el epiciclo de J´upiter (ejemplo de planeta exterior) la
proyecci´on del movimiento de la propia Tierra en el movimiento observado de J´upiter
(figura 2.5). El per´ıodo de los epiciclos fue la clave. [8]
Al final de este reporte se incluye un ap´endice que busca revelar el secreto para el ´exito
logrado por el modelo tolemaico, durante tantos siglos.
15
Figura 2.5: Visi´on de Cop´ernico cambiando el marco de referencia.
2.2. Geometr´ıa Plana
2.2.1. Datos Hist´oricos
La historia del origen de la Geometr´ıa es similar a la de la Aritm´etica, siendo sus concep-
tos m´as antiguos (consecuencia de las actividades pr´acticas). [21] Los primeros hombres
llegaron a formas geom´etricas a partir de la observaci´on de la naturaleza. [10]
El sabio griego Eudemo de Rodas 5
, atribuy´o a los egipcios el descubrimiento de la
geometr´ıa, ya que, seg´un ´el, necesitaban medir constantemente sus tierras debido a que
las inundaciones del Nilo borraban continuamente sus fronteras. [21] 6
5
Eudemo de Rodas. Vivi´o 300 a˜nos a.C. Fil´osofo griego, natural de Rodas, disc´ıpulo de Arist´oteles.
Sus escritos como los de otros de su escuela, se han confundido con los de su maestro.
6
Recordemos que, precisamente, la palabra geometr´ıa significa medida de tierras. [14]
16
Los egipcios se centraron principalmente en el c´alculo de ´areas y vol´umenes. Sin em-
bargo, hasta ah´ı, el desarrollo geom´etrico adolece de falta de teoremas y demostraciones
formales. Tambi´en se tienen nociones geom´etricas en la civilizaci´on mesopot´amica, con-
stituyendo los problemas de medida el bloque central en este campo: ´area del cuadrado,
del c´ırculo, vol´umenes de determinados cuerpos, semejanza de figuras.
Las culturas china e indiaLa no sobresalieron en geometr´ıa, limit´andose a la resoluci´on
de problemas sobre distancias y semejanzas de cuerpos. [16]
La geometr´ıa plana es una rama de las matem´aticas. Se ocupa de las propiedades del
espacio, como: punto, recta, plano, pol´ıgono, poliedro, curva, superficie, etc. Sus or´ıgenes
se remontan a la soluci´on de problemas relativos a medidas y es la justificaci´on te´orica
de instrumentos, como el comp´as, el teodolito y el pant´ografo. [21]
As´ı mismo, la geometr´ıa da fundamento te´orico a inventos como el sistema de posi-
cionamiento global (en combinaci´on con el an´alisis matem´atico y con las ecuaciones
diferenciales). La geometr´ıa se propone ir m´as all´a de lo alcanzado por la intuici´on.
[19] Por ello, es necesario un m´etodo riguroso en el que no se cometan errores; para con-
seguirlo se han utilizado hist´oricamente los sistemas axiom´aticos.
El primer sistema axiom´atico fue el de Euclides7
, pero hoy se sabe que este sistema
eucl´ıdeo es incompleto. David Hilbert 8
propuso a principios del siglo XX otro sistema
axiom´atico, ya completo. [26]
7
Matem´atico y ge´ometra griego, que vivi´o alrededor del 300 a. C. Se le conoce como El Padre de la
Geometr´ıa. Su vida es poco conocida. Vivi´o en Alejandr´ıa (Egipto) durante el reinado de Ptolomeo I.
(algunos autores ´arabes afirman que Euclides era hijo de Naucrates). Se barajan tres hip´otesis:
a) Euclides fue un personaje hist´orico que escribi´o Los elementos y otras obras atribuidas a ´el.
b)Euclides fue el l´ıder de un equipo de matem´aticos que trabajaba en Alejandr´ıa. Todos ellos con-
tribuyeron a escribir las obras completas de Euclides, incluso firmando los libros con el nombre de
Euclides despu´es de su muerte.
c) Las obras de Euclides fueron escritas por un equipo de matem´aticos de Alejandr´ıa, que tom´o el nombre
Euclides del personaje hist´orico Euclides de Megara, que hab´ıa vivido unos cien a˜nos antes. [16]
8
David Hilbert (23 de enero de 1862, K¨onigsberg, Prusia Oriental - 14 de febrero de 1943, G¨ottingen,
Alemania). Matem´atico alem´an, reconocido como uno de los m´as influyentes del siglo XIX y principios
del XX. Hilbert y sus estudiantes proporcionaron partes de la infraestructura matem´atica necesaria para
la mec´anica cu´antica y la relatividad general. Fue uno de los fundadores de la teor´ıa de la demostraci´on,
la l´ogica matem´atica y la distinci´on entre matem´atica y metamatem´atica. Adopt´o y defendi´o vivamente
la teor´ıa de conjuntos y los n´umeros transfinitos de Cantor. Un ejemplo famoso de su liderazgo mundial
en la matem´atica es su presentaci´on en 1900 de un conjunto de problemas que establecieron el curso
de gran parte de la investigaci´on matem´atica del siglo XX. En la pugna por demostrar correctamente
algunos de los errores cometidos por Einstein, en la teor´ıa general de la relatividad, David Hilbert se
adelant´o a las correcciones de Einstein, sin embargo nunca se otorg´o el m´erito. [14]
17
Como en todo sistema formal, debe tenerse en cuenta que las definiciones, axiomas y
teoremas no s´olo pretenden describir el comportamiento de unos objetos. Cuando se ax-
iomatiza algo, se convierte ese comportamiento en el objeto de estudio, pudiendo olvidar
ya los objetos iniciales del estudio (que se denominan modelos). Esto significa que en
adelante, las palabras punto, recta y plano deben de perder todo significado visual. Si se
conserva la idea de punto, recta y plano como lo que com´unmente se comprende como
tales, las definiciones y axiomas, e incluso algunos de los teoremas parecer´an evidentes y
carentes de importancia. Algunos tipos de geometr´ıas, son:
Geometr´ıa Euclidea, Geometr´ıa anal´ıtica, Geometr´ıa hiperb´olica, Geometr´ıa proyec-
tiva, Geometr´ıa el´ıptica, Geometr´ıa ampudiana, Geometr´ıa anal´ıtica, Geometr´ıa difer-
encial, Geometr´ıa proyectiva, Geometr´ıa descriptiva, Geometr´ıa espacial, Geometr´ıa de
incidencia, Geometr´ıa de dimensiones bajas y Geometr´ıa plana.
La Geometr´ıa plana estudia las propiedades de superficies y figuras planas, como el
tri´angulo o el c´ırculo, y se conoce como geometr´ıa Eucl´ıdea, en honor a Euclides. Su
extenso tratado: Los Elementos se mantuvo como texto autorizado de geometr´ıa has-
ta la aparici´on de las llamadas Geometr´ıa no euclideas en el siglo XIX. Estudia las
propiedades del plano y el espacio tridimensional. En ocasiones los matem´aticos usan el
t´ermino para englobar geometr´ıas de dimensiones superiores con propiedades similares.
Sin embargo, con frecuencia, geometr´ıa euclidiana es sin´onimo de geometr´ıa plana. [26]
Una parte importante de la geometr´ıa plana son las construcciones con regla y comp´as.
Definiciones de Geometr´ıa Euclideana m´as espec´ıficas, pueden ser:
1. Desde un punto de vista historiogr´afico, la geometr´ıa euclidiana es aquella geometr´ıa
que postul´o Euclides, en su libro Los elementos, dejando al margen las aporta-
ciones que se hicieron posteriormente, desde Arqu´ımedes hasta Steiner. [26]
2. Seg´un la contraposici´on entre m´etodo sint´etico y m´etodo algebraico anal´ıtico, la ge-
ometr´ıa euclidiana ser´ıa, el estudio sint´etico de los invariantes de un espacio
vectorial real de dimensi´on 3 dotado de un producto escalar. 9
3. Seg´un el Programa de Erlangen,10
la geometr´ıa euclidiana ser´ıa el estudio de los
invariantes de las isometr´ıas en un espacio euclidiano (espacio vectorial real
de dimensi´on finita, dotado de un producto escalar).
9
Frecuentemente denominado producto escalar habitual.
10
Erlangen es una ciudad universitaria de Franconia Media, en el Estado federado de Baviera, que
se encuentra en el sur de Alemania. Es la octava ciudad de Baviera. Las ciudades m´as cercanas son
F¨urth (14 km al sur) y N´uremberg (16 km al sureste). Junto con los pueblos vecinos, constituyen el ´area
metropolitana de N´uremberg, una de las once m´as importantes de Alemania. [26]
18
Figura 2.6: Fragmento de Los elementos de Euclides, en papiro, hallado en Oxirrinco, Egipto.
2.2.2. Algunos Conceptos B´asicos
El punto Es la representaci´on del m´ınimo lugar geom´etrico. Es el primer objeto y origen
de los dem´as. No tiene dimensiones y generalmente se representa por un peque˜no c´ırculo,
nombr´andolo con una letra may´uscula.
Un segmento Es el conjunto de puntos que se encuentran entre dos puntos fijos, dados,
A y B. La longitud del segmento es la distancia entre sus extremos A y B.
Una Recta es el conjunto de puntos comprendidos entre dos puntos fijos considerados
a una distancia infinita. No tiene origen ni fin (su longitud es infinita).
Una semirrecta es cada una de las partes en que un punto divide a una recta. La
semirrecta tiene origen, pero no fin.
´Angulos y Tipos de ´angulos. Un ´angulo es cada una de las 4 regiones en que queda
dividido el plano al dibujar en ´el 2 rectas que se cortan. Recogemos aqu´ı la nomenclatura
para algunos de los tipos de ´angulos m´as usuales, de una manera parecida a la realizada
por los matem´aticos griegos, concretamente a la recogida por Euclides.
´Angulo Recto: Cuando dos l´ıneas que se cortan forman 4 ´angulos iguales, cada
uno de ellos es un ´angulo recto y a ambas rectas se les llama perpendiculares.
´Angulo LLano: Fijamos un punto cualquiera sobre una recta. Cada una de las
regiones que queda a ambos lados de la misma es un ´angulo llano. En consecuencia,
un ´angulo llano equivale a dos ´angulos Rectos.
´Angulo Agudo: aqu´el que es menor que un ´angulo Recto.
´Angulo Obtuso: aqu´el que es mayor que un ´angulo Recto.
19
Dos ´angulos se dicen Complementarios si juntos suman un ´angulo Recto.
Dos ´angulos se dicen Suplementarios si suman dos ´angulos rectos (un ´angulo Llano).
La figura 2.7 muestra dos rectas paralelas, L1 y L2, 11
cortadas por una secante. Esta
Figura 2.7: Rectas paralelas cortadas por una secante
disposici´on origina ocho ´angulos, cuatro entre L1 con la recta secante y cuatro m´as, cor-
respondientes, entre L2 y la recta secante.
Los ´angulos que est´an en la misma configuraci´on se denominan correspondientes. As´ı,
en la figura 2.7 son ´angulos correspondientes: α con θ, β con ε, χ con µ y δ con ν.
Afirmaci´on. ´Angulos correspondientes entre paralelas cortadas por una misma secante,
son congruentes (tienen medida igual).
Tambi´en relacionamos los ´angulos β con θ y δ con µ llam´andolos ´angulos alternos inter-
nos entre paralelas cortadas por una misma secante. 12
An´alogamente, relacionamos los ´angulos α con ε y χ con ν llam´andolos ´angulos alternos
externos entre paralelas cortadas por una misma secante. 13
Afirmaci´on. ´Angulos opuestos por el v´ertice, son congruentes.
Prueba. En la figura 2.8 vemos que,
ω + σ = λ + σ ⇐⇒ ω = λ
11
En Geometr´ıa Plana se puede considerar que dos rectas son paralelas si su intersecci´on es vac´ıa.
12
Son los ´angulos que se encuentran al interior de las paralelas pero en lado opuesto de la secante.
13
Son los ´angulos que se encuentran al exterior de las paralelas pero en lado opuesto de la secante.
20
Afirmaci´on. ´Angulos alternos internos entre paralelas cortadas por una misma secante,
Figura 2.8: ´Angulos opuestos por el v´ertice
son congruentes y ´angulos alternos externos entre paralelas cortadas por una misma
secante tambi´en son congruentes (tienen igual medida).
Medida de ´Angulos. La manera m´as extendida en nuestro entorno para dar la me-
dida de los ´angulos se basa en el principio de definir:
Un Grado Sexagesimal como la medida del ´angulo que resulta de dividir un ´angulo
total de circunferencia en 360 partes iguales.
Cuando hablamos simplemente de grados en el contexto de la medida de ´angulos nos
referiremos siempre a grados sexagesimales y la manera de expresar un ´angulo de x
grados es: xo
[1].
En las calculadoras, cuando queremos trabajar en grados sexagesimales debemos ele-
gir el modo adecuado que, normalmente se denota por DEG. Lo m´as probable es que
esta divisi´on tan arbitraria de 360 partes tenga que ver con la medida del tiempo y
el hecho observado de que el movimiento de traslaci´on de la Tierra alrededor del Sol
(o del Sol alrededor de la Tierra como se pens´o y defendi´o en alg´un momento) duraba
aproximadamente 360 d´ıas. Con ello, un grado ser´ıa una aproximaci´on del ´angulo que se
recorr´ıa en el periodo de un d´ıa en ese movimiento.
Un ´angulo llano (una semicircunferencia) mide 180o
y un ´angulo recto (1
4
de circun-
ferencia) mide 90o
. Sin embargo, la palabra Sexagesimal la motiva el hecho de que, cada
grado se divide en 60 minutos y cada minuto en 60 segundos.14
14
La divisi´on en 360 partes tiene una motivaci´on hist´orica pero es totalmente arbitraria y, de hecho,
con ser la m´as extendida, no es la ´unica que se usa.
21
La popularizaci´on de esta medida contrasta con la dificultad de dibujar un ´angulo de
un grado sexagesimal si no se cuenta con un instrumento de medida adecuado (un trans-
portador de ´angulos, por ejemplo).15
Definici´on: Un Grado Centesimal ´o Gradi´an es la medida del ´angulo que resulta de
dividir un ´angulo total de circunferencia en 400 partes iguales. Muchas calculadoras ad-
miten este tipo de grados y es habitual que se abrevie con el modo GRAD que no hay
que confundir con el anterior. En nuestro medio, la medida de ´angulos en Gradianes no
es habitual. La otra medida de ´angulos m´as usual, es el Radi´an.
Definici´on: El Radi´an
Puesto que la longitud de la circunferencia es proporcional al radio, se puede definir
el Radi´an como la medida de un ´angulo central de una circunferencia tal que el arco que
abarca tiene la misma longitud que el radio.
En particular, ya que la longitud de la circunferencia, en funci´on del radio r, es 2πr,
el ´angulo total de la circunferencia ser´a de 2π radianes. De este modo podemos concluir
que, el radio r es la raz´on de proporcionalidad entre la medida de un arco y la medida de
su ´angulo central correspondiente, en radianes, de acuerdo a la figura 2.9, tenemos que:
r =
AB
θ
=
Longitud del arcoAB
Angulo AOB
Asociada tradicionalmente a un cap´ıtulo tan importante de la actividad humana como
es el de la observaci´on astron´omica, la noci´on de ´angulo es b´asica en geometr´ıa (y ob-
viamente en trigonometr´ıa). Su aparente sencillez no ha de ocultar el hecho de que el
tratamiento de los ´angulos como magnitudes susceptibles de ser medidas encierra una
considerable complejidad; en efecto, un sistema de medici´on de los ´angulos que permita
compararlos eficazmente con otras magnitudes geom´etricas, como la longitud o la super-
ficie, requiere tratarlos como magnitudes lineales, lo que s´olo se consigue adecuadamente
asoci´andolos a arcos de circunferencia.
Pero el c´alculo de la longitud de la circunferencia hace intervenir una magnitud irracional,
el n´umero π; esto implica que cuestiones aparentemente sencillas, como por ejemplo la
divisi´on de un ´angulo cualquiera en tres partes iguales, no puedan resolverse mediante
una construcci´on geom´etrica que se sirva exclusivamente de la regla y el comp´as.
15
Si nos limitamos a manejar s´olo regla y comp´as, no es posible hacerlo.
22
Figura 2.9: Arco subtendido por el ´angulo θ
Tri´angulos. El tri´angulo es el pol´ıgono m´as simple y fundamental, ya que todo pol´ıgono
puede resolverse v´ıa tri´angulos, trazando todas las diagonales a partir de un v´ertice, o
uniendo todos los v´ertices con un mismo punto interior al pol´ıgono.
Clasificaci´on de los tri´angulos por Lados
Is´osceles. Es el tri´angulo que tiene dos lados iguales, el tercer lado se llama base.
Los ´angulos en la base son iguales. Rec´ıprocamente, si dos ´angulos de un tri´angulo
son iguales, entonces los lados opuestos a dichos ´angulos tambi´en ser´an iguales.
Equil´atero. Es el tri´angulo que tiene los tres lados iguales. Luego, es is´osceles para
cualquier par de lados (los tres ´angulos de un tri´angulo equil´atero son iguales, cada
uno mide 60o
). Rec´ıprocamente, si los tres ´angulos de un tri´angulo son iguales, es
equil´atero. Cabe mencionar que al tri´angulo que tiene los tres ´angulos iguales se le
llama equil´atero, pero tambi´en es llamado equi´angulo.
Escaleno. Tri´angulo que tiene sus tres lados distintos entre s´ı.
23
Clasificaci´on de los tri´angulos por ´angulos
Acut´angulo. Un tri´angulo que tiene sus tres ´angulos agudos (cada uno mayor que
0o
pero menor que 90o
).
Rect´angulo. Cuando uno de los ´angulos es recto (igual a 90o
).
Obtus´angulo. Cuando uno de los ´angulos es obtuso (mayor que 90o
pero menor
que 180o
).
Postulados de Geometr´ıa Plana
La presentaci´on tradicional de la geometr´ıa euclidiana se hace en un formato axiom´atico.16
Euclides plante´o cinco postulados en su sistema, los cuales son:
1. Dados dos puntos se puede trazar una y s´olo una recta que los une.
2. Cualquier segmento puede prolongarse de forma continua en cualquier sentido.
3. Se puede trazar una circunferencia con centro cualquiera y radio arbitrario.
4. Todos los ´angulos rectos son iguales.
5. Si una recta al cortar a otras dos, forma ´angulos no rectos, esas dos rectas prolon-
gadas se cortan del lado en el que est´an los ´angulos menores que dos rectos.
El ´ultimo postulado, conocido como postulado de las paralelas, fue reformulado como:
5. Por un punto exterior a una recta, pasa una ´unica paralela a dicha recta.
Este postulado parece menos obvio que los otros cuatro. Muchos ge´ometras, incluido
Euclides, intentaron deducirlo de los anteriores. Cuando intentaron reducirlo al absurdo
neg´andolo, surgieron dos nuevas geometr´ıas: la el´ıptica, llamada geometr´ıa de Riemann
o riemanniana (dada una recta y un punto exterior a ella, no existe recta alguna que pase
por el punto y sea paralela a la recta dada) y la hiperb´olica o de Lobachevsky (existen
varias rectas paralelas que pasan por un punto exterior a una recta dada).
16
Un sistema de axiomas es aquel que, a partir de un cierto n´umero de postulados que se presumen
verdaderos (conocidos como axiomas) y a trav´es de operaciones l´ogicas, genera nuevos postulados cuyo
valor de verdad es tambi´en positivo.
24
El quinto postulado result´o que si bien es compatible con los otro cuatro, es en cierto
modo independiente. [19]
Es decir, tanto el quinto postulado como la negaci´on del quinto postulado, son compati-
bles con los otros postulados. Una limitaci´on del trabajo de Euclides fue no reconocer la
posibilidad de sistemas geom´etricos perfectamente consistentes donde el quinto axioma
no era v´alido.
Es decir, para Euclides y los ge´ometras posteriores hasta el siglo XVIII pas´o inadver-
tida la posibilidad de geometr´ıas no euclidianas, hasta el trabajo de Nikol´ai Lobachevski
17
, Gauss 18
y Riemann 19
.
Durante el siglo XIX se consider´o que las geometr´ıas no euclidianas eran un artefacto
matem´aticamente interesante, e incluso con cierto inter´es pr´actico pero limitado, como
es el caso de la trigonometr´ıa esf´erica usada en astronom´ıa.
17
Nikol´ai Iv´anovich Lobachevski (1 de diciembre de 1792 - 24 de febrero de 1856). Matem´atico ruso del
siglo XIX. Entre sus logros se encuentra la demostraci´on de varias conjeturas relacionadas con el c´alculo
tensorial aplicados a vectores en el espacio de Hilbert. Aplic´o un tratamiento cr´ıtico a los postulados
fundamentales de la geometr´ıa euclidiana. Naci´o en Nizhni N´ovgorod y estudi´o en la Universidad de
Kaz´an. Ense˜n´o en Kaz´an desde 1812 hasta 1846, y lleg´o a ser profesor de matem´aticas en 1823. Antes de
Lobachesvski, los matem´aticos intentaban deducir el quinto postulado de Euclides a partir de los otros
axiomas; sin embargo, Lobachevsky se dedic´o a desarrollar una geometr´ıa en la cual el quinto postulado
puede no ser cierto o, mejor dicho, no ser v´alido. Para esto, entre otras cuestiones propuso un sistema
geom´etrico basado en la hip´otesis del ´angulo agudo, seg´un la cual, en un plano, por un punto fijo pasan
al menos 2 paralelas a una recta (en realidad tal soluci´on da noci´on de la existencia de tri´angulos curvos).
Entre sus obras destacan Sobre los principios de la geometr´ıa (1829) y Geometr´ıa imaginaria (1835).
Muri´o en Kaz´an en 1856. [26]
18
Johann Carl Friedrich Gauss (30 de abril de 1777, Brunswick - 23 de febrero de 1855, G¨ottingen).
Matem´atico, astr´onomo y f´ısico alem´an. Contribuy´o en la teor´ıa de n´umeros, an´alisis matem´atico, ge-
ometr´ıa diferencial, geodesia, magnetismo y ´optica. Considerado Pr´ıncipe de las matem´aticas y el mayor
matem´atico desde la antig¨uedad. Influenci´o muchos campos de la matem´atica y de la ciencia. Fue de los
primeros en extender el concepto de divisibilidad a otros conjuntos. Fue un ni˜no prodigio de quien existen
muchas an´ecdotas acerca de su asombrosa precocidad, e hizo sus primeros descubrimientos mientras era
adolescente. Complet´o su magnum opus, Disquisitiones Arithmeticae a los veinti´un a˜nos (1798),
aunque no ser´ıa publicado hasta 1801. Un trabajo que fue fundamental para que la teor´ıa de los n´umeros
se consolidara y ha molde´o esta ´area hasta hoy. [26]
19
Georg Friedrich Bernhard Riemann (Breselenz, Alemania, 17 de septiembre de 1826 - Verbania,
Italia, 20 de julio de 1866). Matem´atico alem´an, realiz´o contribuciones en an´alisis y geometr´ıa diferencial,
allanando el camino para el desarrollo de la relatividad general. Su nombre est´a conectado con la funci´on
zeta, la integral de Riemann, el lema de Riemann, las variedades de Riemann, las superficies de Riemann
y la geometr´ıa de Riemann. [26]
25
Pero en cierto modo se consideraba, que la geometr´ıa del espacio f´ısico era euclidiana
y por tanto las geometrias no euclidianas eran s´olo un artificio abstracto ´util para ciertos
problemas pero en ning´un modo descripciones realistas del mundo. Sin embargo, el tra-
bajo de Albert Einstein. 20
, hizo ver que entre las necesidades de la f´ısica moderna est´an
las geometr´ıas no euclidianas, para describir el espacio - tiempo curvo.
Cualquier conjunto de objetos que verifique las definiciones y axiomas cumplir´a todos
los teoremas de la geometr´ıa en cuesti´on, y su comportamiento ser´a id´entico al del mod-
elo tradicional. Por ejemplo, si en la noci´on de punto se considera el modelo en el que
un punto cualquiera es un polinomio cualquiera de segundo grado:
f(x) = ax2
+ bx + c
Si una recta es entonces una familia de polinomios o en lo consiguiente una familia de
binomios o monomios de la manera:
λ · f(x) : λ ∈ R
y un plano es entendido como el conjunto:
λ · f(x) + µ · g(x) : λ, µ ∈ R
Todos los resultados de las distintas geometr´ıas son v´alidos para este modelo. [19]
20
Albert Einstein (Ulm, Alemania, 14 de marzo de 1879 - Princeton, Estados Unidos, 18 de abril
de 1955). F´ısico alem´an, nacionalizado suizo y estadounidense. En 1905, public´o su teor´ıa de la rela-
tividad especial. Probablemente, la ecuaci´on m´as conocida de la f´ısica a nivel popular, es la expresi´on
matem´atica de la equivalencia masa energ´ıa, E = mc2
, deducida por ´el como una consecuencia l´ogica
de esta teor´ıa. Public´o trabajos que sentaron las bases de la f´ısica estad´ıstica y la mec´anica cu´antica.
En 1915 present´o la teor´ıa de la relatividad general, reformulando por completo el concepto de gravedad.
Una de las consecuencias fue el surgimiento del estudio cient´ıfico del origen y evoluci´on del Universo por
la rama de la f´ısica denominada Cosmolog´ıa. En 1919, cuando las observaciones brit´anicas de un eclipse
solar confirmaron sus predicciones acerca de la curvatura de la luz, fue idolatrado por la prensa. Por sus
explicaciones sobre el efecto fotoel´ectrico y sus contribuciones a la f´ısica te´orica, en 1921 obtuvo el Pre-
mio Nobel de F´ısica y no por la Teor´ıa de la Relatividad, pues el cient´ıfico a quien se encomend´o la tarea
de evaluarla, no la entendi´o, y temieron correr el riesgo de que posteriormente se demostrase err´onea.
Ante el ascenso del nazismo en diciembre de 1932, el cient´ıfico abandon´o Alemania con destino a Estados
Unidos, donde imparti´o docencia en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton. Se nacionaliz´o es-
tadounidense en 1940. Intent´o integrar en una teor´ıa la fuerza gravitatoria y la electromagn´etica. Aunque
es considerado el padre de la bomba at´omica, abog´o en sus escritos por el pacifismo, el socialismo y el
sionismo. Fue proclamado como el m´as eminente cient´ıfico por la c´elebre revista Time. [26]
26
Congruencia de Tri´angulos
La congruencia de tri´angulos estudia los casos en que dos o m´as tri´angulos presentan
´angulos de igual medida, as´ı como lados de igual medida. Para que se d´e la congruencia
de dos o m´as tri´angulos, sus lados respectivos deben ser congruentes (igual medida). Las
figuras congruentes son aquellas que tienen la misma forma y el mismo tama˜no. Las
partes coincidentes de las figuras congruentes se llaman hom´ologas o correspondientes.
Para corroborar que dos tri´angulos son congruentes se debe asegurar la congruencia de
todos los lados de uno con todos los lados correspondientes del otro y la congruencia de
todos los ´angulos de uno con todos los ´angulos correspondientes del otro.
Congruencia de tri´angulos Dos tri´angulos son congruentes cuando sus tres lados y
tres ´angulos tambi´en lo son. Puede demostrarse la congruencia de dos tri´angulos si se
sabe ciertas de sus partes correspondientes son hom´ologas. Las condiciones m´ınimas para
que dos tri´angulos sean congruentes se denominan criterios de congruencia. Son:
Criterio LLL: Si en dos tri´angulos los tres lados de uno son respectivamente con-
gruentes con los del otro, entonces los tri´angulos son congruentes.
Criterio LAL: Si los lados que forman un ´angulo, y ´este, son congruentes con dos
lados y el ´angulo comprendido por estos de otro tri´angulo, entonces los tri´angulos
son congruentes.
Criterio ALA: Si dos ´angulos y el lado entre ellos son respectivamente congruentes
con los mismos de otro tri´angulo, entonces los tri´angulos son congruentes.
Criterio LLA: Si dos tri´angulos que tienen dos lados y el ´angulo opuesto al mayor
de ellos es respectivamente congruente, entonces son congruentes.
Razones y Proporciones
Una raz´on es una forma de comparar dos cantidades expresadas en la misma unidad
de medida. En una proporci´on se cumple lo que se denomina propiedad fundamental,
y se conoce como producto cruzado, pues en realidad corresponde a la igualdad que se
presenta al multiplicar los t´erminos extremos entre s´ı y lo mismo entre los t´erminos
medios, quedando:
a
b
=
c
d
⇐⇒ a · d = b · c
27
La proporcionalidad es una relaci´on entre magnitudes medibles. Es uno de los escasos
conceptos matem´aticos ampliamente difundido en la poblaci´on. Esto se debe a que es
en buena medida intuitiva y de uso muy com´un. La proporcionalidad directa es un ca-
so particular de las variaciones lineales. El factor constante de proporcionalidad puede
utilizarse para expresar las relaciones entre las magnitudes.
Semejanza de Tri´angulos
Una semejanza es la composici´on de una materia (una rotaci´on y una posible reflexi´on
o simetr´ıa axial) con una homotecia (una transformaci´on af´ın que, a partir de un punto
fijo, multiplica todas las distancias por un mismo factor. En general una homotecia de
raz´on diferente de 1 deja un ´unico punto fijo, llamado centro de la transformaci´on).
En la rotaci´on se puede cambiar el tama˜no y la orientaci´on de una figura pero no se
altera su forma. Por lo tanto, dos tri´angulos son semejantes si tienen similar forma.
En el caso del tri´angulo, la forma s´olo depende de sus ´angulos (no as´ı en el caso de
un rect´angulo, por ejemplo, donde uno de sus ´angulos es recto pero cuya forma puede
ser m´as o menos alargada, es decir que depende del cociente
base
altura
).
Se puede simplificar as´ı la definici´on: dos tri´angulos son semejantes si sus ´angulos son
iguales dos a dos. Una similitud tiene la propiedad (que la caracteriza) de multiplicar
todas la longitudes por un mismo factor.
Por tanto, son iguales todas las razones
longitud imagen
longitud origen
, lo que da una segunda car-
acterizaci´on de tri´angulos semejantes:
Dos tri´angulos son semejantes si las razones de los lados correspondientes
son congruentes.
Corolarios
Todos los tri´angulos equil´ateros son semejantes.
Si dos tri´angulos tienen dos ´angulos iguales, los terceros tambi´en son iguales.
28
2.3. Trigonometr´ıa
La trigonometr´ıa es la rama de las matem´aticas que estudia las relaciones entre los lados
y los ´angulos de tri´angulos, de las propiedades y aplicaciones de funciones trigonom´etricas
de ´angulos.
Sus dos ramas son, fundamentalmente, la plana, que se ocupa de figuras contenidas en
un plano, y la esf´erica, que se ocupa de tri´angulos que forman parte de la superficie de
una esfera.
Incidencia
Las aplicaciones iniciales de la trigonometr´ıa se hicieron en campos de la navegaci´on, la
geodesia y la astronom´ıa [10] [21], en las que el principal problema era determinar una
distancia inaccesible (como la distancia entre la Tierra y la Luna, o una distancia que no
sea posible medir de forma directa).
Otras aplicaciones de la trigonometr´ıa se pueden encontrar en f´ısica, en qu´ımica y, en
general, en todas las ramas de ingenier´ıa, sobre todo en el estudio de fen´omenos peri´odicos,
como el sonido o el flujo de corriente alterna.
2.3.1. Datos Hist´oricos
Inicios. Hace ya m´as de 3000 a˜nos los babilonios y los egipcios empleaban ´angulos de
tri´angulos y razones trigonom´etricas para medir, en agricultura los primeros, y en con-
strucci´on de pir´amides los segundos.
Aplicaron los primeros estudios de astronom´ıa para calcular la posici´on de cuerpos ce-
lestes y la predicci´on de sus ´orbitas, en los calendarios y el c´alculo del tiempo, y en
navegaci´on para mejorar la exactitud de la posici´on y de las rutas. [2] [16]
Los egipcios establecieron medir los ´angulos en grados, minutos y segundos, manteni´endose
hasta hoy.
29
En el siglo II a.C. el astr´onomo Hiparco de Nicea21
, conocido como Hiparco de Ro-
das (190 a.C. - 120 a.C.), de Bitinia22
, compil´o una tabla trigonom´etrica para resolver
tri´angulos, comenzando con un ´angulo de 7o
, yendo hasta 180◦
con incrementos de 7◦
, la
tabla da la longitud de la cuerda delimitada por los lados del ´angulo central dado que
corta a una circunferencia de radio r. [14] 300 a˜nos m´as tarde el astr´onomo Tolomeo23
utiliz´o r = 60, pues los griegos hab´ıan adoptado el sistema num´erico sexagesimal (base
60) de los babilonios. Tolomeo incorpor´o en su libro de astronom´ıa, el Almagesto, una
tabla de cuerdas con incrementos, desde 0◦
a 180◦
, con un error menor que 1
3600
de unidad
angular, y a lo largo del libro da ejemplos de c´omo calcular elementos de un tri´angulo.
Tolomeo domin´o el pensamiento cient´ıfico hasta el siglo XVI por teor´ıas y
explicaciones astron´omicas.
Maduraci´on. A finales del siglo VIII los astr´onomos ´arabes, que recibieron la herencia
de las tradiciones griegas, y de la India, prefirieron trabajar con la funci´on seno. A finales
del siglo X completaron la funci´on seno junto con las otras cinco funciones. Descubrieron
y demostraron varios teoremas fundamentales de la trigonometr´ıa tanto para tri´angulos
planos como esf´ericos. Varios matem´aticos sugirieron el uso del valor r = 1 en vez de
r = 60, lo que produjo los valores modernos de las funciones trigonom´etricas. Los ´arabes
calcularon tablas precisas en divisi´on sexagesimal, destacando Abu al - Wafa al - Buzad-
jami (940 d.C. - 997 d.C.) por las divisiones en cuarto de grado, con cuatro posiciones
sexagesimales. Occidente conoci´o la trigonometr´ıa ´arabe a trav´es de traducciones de li-
bros de astronom´ıa, desde el siglo XII. En el siglo XV, el primer trabajo importante en
esta materia en Europa fue, De triangulus escrito por el matem´atico y astr´onomo alem´an
Johann M¨uller24
. Durante el siguiente siglo, El astr´onomo alem´an Georges Joachim 25
(conocido como R´etico), introdujo el concepto de funciones trigonom´etricas como pro-
porciones en vez de longitudes de ciertas l´ıneas.
21
Hiparco fue un astr´onomo, ge´ografo y matem´atico griego (nacido en Nicea alrededor de 190 a.C. y
muere alrededor de 120 a.C.). Nace dos a˜nos antes de la muerte de Erat´ostenes, del que fue sucesor en
la direcci´on de la Biblioteca de Alejandr´ıa. Entre sus aportaciones cabe destacar: el primer cat´alogo de
estrellas, el descubrimiento de la precesi´on de los equinoccios, distinci´on entre a˜no sid´ereo y a˜no tr´opico,
mayor precisi´on en la medida de la distancia Tierra - Luna y de la oblicuidad de la ecl´ıptica, la invenci´on
de la trigonometr´ıa y de los conceptos de longitud y latitud geogr´aficas. [26]
22
Hoy Iznik, Turqu´ıa.
23
Claudio Ptolomeo, (Tolemaida, Tebaida, 100 d.C. C´anope, 170 d.C.) Astr´onomo, qu´ımico, ge´ografo
y matem´atico greco egipcio, llamado en espa˜nol Ptolomeo (o Tolomeo). [26]
24
K¨onigsberg in Bayern (Franconia), 6 de junio 1436 - Roma, 6 de julio de 1476. Prol´ıfico astr´onomo
y matem´atico alem´an. Su nombre real es Johann M¨uller K¨onigsberg. [26]
25
Primer Vizconde de Goschen; Londres, 1831 - Seacox Heath, 1907. Pol´ıtico brit´anico. Brillante
economista, consigui´o reducir la deuda p´ublica. [26]
30
Desarrollo. En el siglo XVII, aparece Sir Isaac Newton26
En las universidades se inicia
con C´alculo diferencial (Newton comienza su desarrollo del c´alculo con integraci´on) para
continuar con C´alculo integral, partiendo de funciones reales de variable real, para llegar
a funciones multi variables de variable compleja. Uno de los fundamentos del trabajo
de Newton fue la representaci´on de funciones matem´aticas utilizando series infinitas de
potencias de la variable x. Newton encontr´o la serie para sin(x) y series similares para
cos(x) y tan(x). Con la invenci´on del c´alculo las funciones trigonom´etricas fueron in-
corporadas al an´alisis, donde todav´ıa hoy desempe˜nan un papel importante tanto en las
matem´aticas puras como en las aplicadas.27
Por ´ultimo, en el siglo XVIII, el matem´atico suizo Leonhard Euler28
fund´o la trigonometr´ıa
moderna y defini´o las funciones trigonom´etricas utilizando expresiones con exponenciales
de n´umeros complejos. Esto convirti´o a la trigonometr´ıa en una de las muchas aplicaciones
de los n´umeros complejos. Tambi´en se le debe a este matem´atico el uso de las min´uscu-
las latinas a, b, c para los lados de un tri´angulo plano o esf´erico y el de las may´usculas
correspondientes A, B, C para los ´angulos opuestos.
La Trigonometr´ıa es la parte de las matem´aticas que analiza las medidas de los tres
´angulos y los tres lados de un Tri´angulo. Las relaciones entre sus ´angulos, sus lados, ...
26
Naci´o el 4 de enero de 1643 y muri´o el 31 de marzo de 1727. F´ısico, fil´osofo, te´ologo, inventor,
alquimista y matem´atico ingl´es, autor de los Philosophiae naturalis principia mathematica, m´as cono-
cidos como los Principia, donde describi´o la ley de gravitaci´on universal y estableci´o las bases de la
mec´anica cl´asica mediante las leyes que llevan su nombre. Entre sus descubrimientos cient´ıficos destaca
el desarrollo del c´alculo matem´atico y comparte con Leibniz el cr´edito por el desarrollo del c´alculo in-
tegral y diferencial, que utiliz´o para formular sus leyes de la f´ısica. [14] Entre sus hallazgos cient´ıficos
se encuentran, entre muchos otros, su propuesta de una teor´ıa sobre el origen de las estrellas y fue el
primero en demostrar que las leyes naturales que gobiernan el movimiento en la Tierra y las que gob-
iernan el movimiento de los cuerpos celestes son las mismas. Es, a menudo, calificado como el cient´ıfico
m´as grande de todos los tiempos, y su obra como la culminaci´on de la revoluci´on cient´ıfica.
27
Al tiempo que Newton, en Inglaterra, desarrolla el C´alculo (de forma geom´etrica), otro hombre en
Alemania: Leibniz, desarrolla la misma teor´ıa (de manera algebraica), gener´andose para Leibniz un
problema por derechos de autor, hasta el punto de solicitar infructuosamente , de manera reiterada, una
audiencia (en Inglaterra) con la Real Sociedad de Ciencias (de la cual Newton fue director). [26]
28
Su nombre completo era Leonhard Paul Euler. Fue un respetado matem´atico y f´ısico. Naci´o el 15 de
abril de 1707 en Basilea (Suiza) y muri´o el 18 de septiembre de 1783 en San Petersburgo (Rusia). Se le
considera el principal matem´atico del siglo XVIII y como uno de los m´as grandes de todos los tiempos.
Vivi´o en Rusia y Alemania la mayor parte de su vida y realiz´o importantes descubrimientos en ´areas
tan diversas como el c´alculo o la teor´ıa de grafos. Se le conoce por sus trabajos en los campos de la
mec´anica, ´optica y astronom´ıa. Euler ha sido uno de los matem´aticos m´as prol´ıficos, y se calcula que
sus obras completas reunidas podr´ıan ocupar entre 60 y 80 vol´umenes. [14] El asteroide (2002) Euler
recibi´o ese nombre en su honor. [26]
31
Pero la mayor parte de las relaciones y resultados que se estudian en Trigonometr´ıa se
basan en algunos principios b´asicos de Geometr´ıa y, fundamentalmente, en la Propor-
cionalidad. El maestro desde antes de comenzar el tema como tal, debe ir introduciendo
cuestiones b´asicas relacionadas con ´angulos y tri´angulos, con proporcionalidad, ...
Para la mayor´ıa de los alumnos de secundaria, muchos conceptos y procedimientos ge-
om´etricos que siempre han sido competencia de la Matem´atica, son ahora vistos como
Dibujo T´ecnico y, en muchos casos, sin sus justificaciones formales. Por ello, el maestro
debe introducir muchos resultados auxiliares, necesarios o no, que acerquen la Geometr´ıa
Plana a las Matem´aticas, su lugar natural.
Debemos procurar que una premisa b´asica est´e siempre presente y gu´ıe muchos de nue-
stros procesos para comprender mejor los conceptos y resultados que estudiamos:
Si se puede dibujar con regla y comp´as, se puede calcular
Recordaremos as´ı a los maestros griegos y sus sencillas herramientas de trabajo. Ver la
geometr´ıa y, en este caso, la Trigonometr´ıa, de forma constructivista, tiene enormes
beneficios en la comprensi´on de conceptos estudiados en secundaria y universidad.
2.3.2. Algunos Conceptos B´asicos
La distancia desde un punto situado al pie de una monta˜na hasta su cima, por ejemplo,
o desde una embarcaci´on hasta un determinado punto de la costa, o la que separa dos
astros, pueden resultar inaccesibles a la medici´on directa; en cambio, el ´angulo que forma
la visual dirigida a un accidente geogr´afico, o a un punto de la b´oveda celeste, con otra
visual fijada de antemano (como puede ser la dirigida seg´un la horizontal), acostumbra
ser f´acil de medir mediante instrumentos relativamente sencillos.
El objetivo de la trigonometr´ıa es establecer las relaciones matem´aticas entre las me-
didas de las longitudes de los segmentos que forman los lados de un tri´angulo con las
medidas de las amplitudes de sus ´angulos, de manera que resulte posible calcular las unas
mediante las otras.
Un tipo particular de tri´angulos, los tri´angulos rect´angulos, se caracterizan por satisfacer
una relaci´on m´etrica, el llamado teorema de Pit´agoras (ver la tercer subsecci´on
de la tercer secci´on del segundo cap´ıtulo, 2.3.3), que es la base de nuestro concepto de
medida de las dimensiones espaciales.
32
Funciones Trigonom´etricas
La raz´on se define como la comparaci´on por cociente (divisi´on) de dos magnitudes de la
misma especie (se trata de un n´umero abstracto). Las funciones trigonom´etricas son fun-
ciones cuyos valores son extensiones del concepto de raz´on trigonom´etrica en un tri´angulo
rect´angulo trazado en una circunferencia unitaria (de radio uno).
Definiciones m´as modernas las describen como series infinitas o como la soluci´on de
ciertas ecuaciones diferenciales, permitiendo su extensi´on a valores positivos y negativos,
e incluso a n´umeros complejos.
Dado un ´angulo agudo, tomemos un punto cualquiera sobre uno de sus lados; por ejem-
plo, el punto M, situado sobre el lado OM (O es el v´ertice). Si por M trazamos una
perpendicular, que cortar´a al otro lado del ´angulo, en el punto S, quedan determinados
tres segmentos, los cuales forman un tri´angulo rect´angulo.
En un tri´angulo rect´angulo, al lado m´as grande (el que est´a frente al ´angulo de 90o
)
se le denomina hipotenusa, y a los otros dos lados se les llama catetos. Con los tres
segmentos definidos, se pueden obtener seis razones distintas, que son:
33
1. Seno, sin(θ): Se obtiene dividiendo el cateto opuesto entre la hipotenusa.
sin(θ) =
opuesto
hipotenusa
2. Coseno, cos(θ): Se obtiene dividiendo el cateto adyacente entre la hipotenusa.
cos(θ) =
adyacente
hipotenusa
3. Tangente, tan(θ): Se obtiene dividiendo el cateto opuesto entre el cateto adya-
cente.
tan(θ) =
opuesto
adyacente
=
sin(θ)
cos(θ)
4. Cotangente, cot(θ): Se obtiene dividiendo el cateto adyacente entre el cateto
opuesto.
cot(θ) =
adyacente
opuesto
=
cos(θ)
sin(θ)
=
1
tan(θ)
5. Secante, sec(θ): Se obtiene dividiendo la hipotenusa entre el cateto adyacente.
sec(θ) =
hipotenusa
adyacente
=
1
cos(θ)
6. Cosecante, csc(θ): Se obtiene dividiendo la hipotenusa entre el cateto opuesto.
csc(θ) =
hipotenusa
opuesto
=
1
sin(θ)
Las funciones seno y coseno son funciones anal´ıticas. Su serie de Maclaurin viene dada
por:
sin(x) =
∞
i=1
(−1)k
x2k+1
(2k + 1)!
=
x
1!
−
x3
3!
+
x5
5!
. . .
cos(x) =
∞
i=1
(−1)k
x2k
(2k)!
=
1
0!
−
x2
2!
+
x4
4!
. . .
Estas identidades son usadas como las definiciones de las funciones seno y coseno. Con
frecuencia se utilizan como punto de partida para el tratamiento riguroso de las funciones
trigonom´etricas y sus aplicaciones (por ejemplo en las Series de Fourier).
Debido a que la teor´ıa de las series infinitas puede ser desarrollada a partir de la base del
sistema de n´umeros reales, independientemente de cualquier consideraci´on geom´etrica.
La diferenciabilidad y continuidad de estas funciones es entonces establecida a partir de
las definiciones de series por si misma.
34
Figura 2.10: Razones trigonom´etricas de ´angulos notables
Relaci´on con la exponencial compleja. Existe una relaci´on importante entre la
exponenciaci´on de n´umeros complejos y las funciones trigonom´etricas:
eix
= cos(x) + i sin(x)
Esta relaci´on puede probarse usando el desarrollo en serie de Taylor para la funci´on ex-
ponencial y el obtenido en la secci´on anterior para las funciones seno y coseno. Separando
ahora en parte real e imaginaria en la expresi´on anterior se encuentran las definiciones
de seno y coseno en t´erminos de exponenciales complejas:
cos(x) =
eix
+ e−ix
2
sin(x) =
eix
− e−ix
2i
La importancia de los radianes. Los radianes especifican un ´angulo midiendo la
longitud alrededor del camino del circulo unitario y constituyen un argumento especial
para las funciones seno y coseno. En particular, solamente los senos y cosenos que mapean
radianes a radio satisfacen las ecuaciones diferenciales que los describen tradicionalmente.
Si un argumento para el seno o el coseno en radianes es escalado por frecuencia,
y = f(x) = sin(kx)
35
Figura 2.11: Signos de razones trigonom´etricas en diferentes cuadrantes del plano cartesiano
entonces las derivadas escalan por amplitud.
y = f (x) = k cos(kx)
k es una constante que representa un mapeo entre unidades. Si x esta en grados, entonces
k =
π
180o
. As´ı, la segunda derivada de seno en grados no satisface la ecuaci´on diferencial
y = −y, sino y = −k2
y. El coseno de la segunda derivada se comporta similar. Esto
quiere decir que estos senos y cosenos son funciones diferentes, y que la cuarta derivada
del seno es nuevamente el seno, ´unicamente si el argumento est´a definido en radianes.
El concepto de raz´on Trigonom´etrica de un ´angulo agudo se generaliza sin problema a
cualquier tipo de ´angulo. De hecho, las relaciones de proporcionalidad son gen´ericas. Sin
embargo, para hacer esta generalizaci´on, no nos vale el patr´on de un tri´angulo rect´angu-
lo porque todos sus ´angulos son menores o iguales a un recto. Por ello se trabaja con
la circunferencia goniom´etrica. Un goni´ometro es un instrumento que sirve para medir
´angulos. Una circunferencia goniom´etrica es una circunferencia especial que se utiliza
para medir ´angulos y definir las razones trigonom´etricas de los mismos.
Consideremos una circunferencia de radio 1. Como todas las relaciones trigonom´etricas
son razones de proporcionalidad, el valor del radio nos resultar´a indiferente pero, si lo
consideramos como 1, simplificar´a los c´alculos. Los ´angulos se situar´an sobre la circun-
ferencia siguiendo los siguientes principios:
1. El v´ertice en el centro de la circunferencia.
2. Uno de sus lados coincide con el semieje positivo de las abscisas x.
3. El otro lado se coloca donde le corresponda, abriendo el ´angulo en sentido contrario a
las agujas del reloj.
4. Cuando se abre el ´angulo en el mismo sentido de las agujas del reloj, se considera su
valor como negativo.
36
Identidades Trigonom´etricas B´asicas.
No perdamos de vista que las funciones trigonom´etricas aparecen al relacionar los catetos
y la hipotenusa de todo tri´angulo rect´angulo.29
Pero, al analizar estas relaciones como
funciones en un plano cartesiano, ellas pasan a definirse en t´erminos de proyecciones sobre
el eje x 30
y sobre el eje y 31
de una varilla de longitud 1, sujeta en uno de sus extremos
en el origen (0, 0), con posibilidad de girar, de tal manera que su otro extremo recorre
la trayectoria de la circunferencia unitaria (radio 1). Esta idea nos puede servir para
Figura 2.12: Varilla fija en el origen. El otro extremo recorre la circunferencia unitaria
comprender varias propiedades de las funciones trigonom´etricas, en particular sin(α) y
cos(α). Por ejemplo, la figura 2.12 muestra que podemos reemplazar a x con cos(α) y a
y con sin(α), y as´ı obtenemos una de las identidades fundamentales.
cos2
(α) + sin2
(α) = 1
29
Es posible que la trigonometr´ıa se originara como consecuencia de relacionar longitudes de gnomones,
con sus sombras y los ´angulos involucrados, pr´acticas obligatorias para los hombres que iniciaron la
astronom´ıa. Luego, seguramente, para ubicar rutas mar´ıtimas.
30
Podemos imaginar al coseno del ´angulo como la longitud de la sombra de la varilla en el eje x cuando
esta es iluminada con la fuente de luz ubicada en el lugar ad.
31
Podemos imaginar al seno del ´angulo como la longitud de la sombra de la varilla en el eje y cuando
esta es iluminada con la fuente de luz ubicada en el lugar op.
37
Algunas identidades trigonom´etricas
Razones de la suma y diferencia de 2 ´angulos
a) sin (α ± β) = sin (α) · cos (β) ± cos (α) · sin (β)
b) cos (α ± β) = cos (α) · cos (β) sin (α) · sin (β)
c) tan (α ± β) =
tan (α) ± tan (β)
1 tan (α) · tan (β)
Razones del ´angulo doble. Si en las anteriores identidades, hacemos α = β,
donde 2α = α + β, tenemos que
a) sin (2α) = sin (α) · cos (α) + cos (α) · sin (α) = 2 · sin (α) · cos (α)
b) cos (2α) = cos (α) · cos (α) − sin (α) · sin (α) = cos2
(α) − sin2
(α)
c) tan (2α) =
tan (α) + tan (α)
1 − tan (α) · tan (α)
=
2 · tan (α)
1 − tan2
(α)
Razones del ´angulo medio
a) sin
α
2
= ±
1 − cos (α)
2
b) cos
α
2
= ±
1 + cos (α)
2
c) tan
α
2
= ±
1 − cos (α)
1 + cos (α)
Sumas y Diferencias de senos y cosenos
a) sin (α) + sin (β) = 2 · sin
α + β
2
· cos
α − β
2
b) sin (α) − sin (β) = 2 · cos
α + β
2
· sin
α − β
2
c) cos (α) + cos (β) = 2 · cos
α + β
2
· cos
α − β
2
d) cos (α) − cos (β) = −2 · sin
α + β
2
· sin
α − β
2
38
Dos Teoremas Para Todo Tri´angulo
Si en un tri´angulo cualquiera trazamos una de sus alturas, el tri´angulo queda dividido
en dos tri´angulos rect´angulos. Haciendo esto con cada una de las tres alturas relativas
a cada uno de los lados y recordando los resultados iniciales b´asicos que expresaban
la proyecci´on ortogonal de un lado del tri´angulo sobre la base en funci´on del Coseno
y la altura en funci´on del Seno, obtenemos dos Teoremas de mucha utilidad pr´actica
en problemas que tengan como objetivo resolver tri´angulos cualesquiera. Anteriormente
se presentaron resultados para tri´angulos rect´angulos, pero en general, las situaciones
problema que involucran tri´angulos no necesariamente rect´angulos.
Figura 2.13: Esquema de un tri´angulo gen´erico
Teorema del Seno. Para todo tri´angulo, de acuerdo a las convenciones de la figura
2.13, se cumple que:
ABC :
a
sin α
=
b
sin β
=
c
sin θ
Teorema del Coseno. Para todo tri´angulo, de acuerdo a las convenciones de la figura
2.13, se cumple que:
ABC :
a2
= b2
+ c2
− 2bc cos (α)
b2
= a2
+ c2
− 2ac cos (β)
c2
= a2
+ b2
− 2ab cos (θ)
39
2.3.3. Teorema de Pit´agoras
Pit´agoras de Samos. Fil´osofo y matem´atico. Naci´o en la isla de Samos (582 a.C.). De
joven viaj´o a Mesopotamia y Egipto y luego regres´o a Samos. Sus doctrinas eran reglas
estrictas de conducta. Su escuela (rigurosamente esot´erica) estaba abierta a hombres y
mujeres, (la conducta discriminatoria estaba prohibida). Sus estudiantes pertenec´ıan a
todas las razas, religiones, y estratos econ´omicos y sociales. Aprendi´o a tocar la lira, a
escribir poes´ıa y a recitar a Homero. El esfuerzo para generalizar un teorema matem´atico a
partir de casos particulares muestra el m´etodo pitag´orico para la purificaci´on y perfecci´on
del alma. El universo era un cosmos, conjunto ordenado en el que los cuerpos celestes
guardaban disposici´on arm´onica. En un sentido sensible, la armon´ıa era musical; pero su
naturaleza inteligible era de tipo num´erico y, si todo era armon´ıa, el n´umero resultaba
ser la clave de todas las cosas. Los pitag´oricos atribu´ıan todos sus descubrimientos a
Pit´agoras por lo que es dif´ıcil determinar con exactitud cuales resultados son obra del
maestro y cuales de los disc´ıpulos. Entre sus descubrimientos est´an:
Una prueba del teorema de Pit´agoras. Si bien los pitag´oricos no descubrieron este
teorema (ya era conocido y aplicado en Babilonia y la India desde hac´ıa tiempo),
s´ı fueron los primeros en demostrar formalmente el teorema. Tambi´en demostraron
el converso del teorema (si los lados de un tri´angulo satisfacen la ecuaci´on, entonces
el tri´angulo es recto).
Ternas pitag´oricas. Es una terna de n´umeros enteros (a, b, c) tales que a2
+b2
= c2
.
Aunque los babilonios ya sab´ıan generar tales ternas en ciertos casos, los pitag´ori-
cos extendieron el estudio encontrando resultados como cualquier entero impar es
miembro de una terna pitag´orica primitiva.
S´olidos regulares. Los pitag´oricos descubrieron el dodecaedro y demostraron que
s´olo existen 5 poliedros regulares.
N´umeros perfectos. Estudiaron aquellos n´umeros que son iguales a la suma de sus
divisores propios (por ejemplo 6=1+2+3). Encontraron una f´ormula para obtener
ciertos n´umeros perfectos pares.
N´umeros amigables. Un par de n´umeros son amigables si cada uno es igual a la
suma de los divisores propios del otro.
N´umeros irracionales. El descubrimiento de que la diagonal de un cuadrado de lado
1 no puede expresarse como un cociente de n´umeros enteros marca el descubrimiento
de los n´umeros irracionales.
40
Medias. Los pitag´oricos estudiaron la relaci´on entre las medias aritm´etica, geom´etri-
ca y arm´onica de dos n´umeros y obtuvieron la relaci´on
2ab
a + b
≤
√
ab ≤
a + b
2
N´umeros figurados. Un n´umero es triangular, cuadrangular, pentagonal, etc., si tal
n´umero de guijarros se pueden acomodar formando el pol´ıgono correspondiente con
lados 1,2,3, etc.
Pit´agoras protesta contra la imagen de dioses mitol´ogicos. Ense˜na la existencia de un
´unico Dios que mantiene el mundo unido en la justicia. Este Dios no piensa como hu-
mano ni tiene forma humana. Su cuerpo es una esfera y la divinidad se manifiesta en el
movimiento circular del fuego de los astros. Pit´agoras muere cerca del a˜no 507 a.C. [26]
Pit´agoras fue el iniciador de la filosof´ıa idealista. Seg´un ´el, los n´umeros constituyen la
sustancia de las cosas, ellas guardan una relaci´on num´erica que las distingue de las dem´as.
Uno de sus muchos aportes es el teorema que lleva su nombre.
El teorema dice que, en todo tri´angulo rect´angulo, El cuadrado de la hipotenusa es
igual a la suma de los cuadrados de los catetos.
A continuaci´on se da una peque˜na demostraci´on del teorema.
Como lo muestra la figura 2.14, primero se elabor´o un cuadrado de lados (a + b), los
cuales se pueden separar en dos segmentos, a y b; despu´es, se unen los cuatro puntos en
que se cortan los lados (a + b), y se forma lo que aparentemente es otro cuadrado.
Para demostrar que efectivamente es un cuadrado, se puede observar con facilidad que sus
lados son iguales, ya que las hipotenusas de los cuatro tri´angulos que forman el cuadrado
son iguales, pues sus catetos son a y b, por lo tanto la hipotenusa mide lo mismo en todos
los tri´angulos; a ´esta le llamaremos c.
Para confirmar que sus ´angulos son rectos, basta suponer que uno de los ´angulos del
tri´angulo mide Ao
y el otro medir´a (90o
− Ao
), por lo tanto al juntar estos dos ´angulos,
medir´an 90o
y el ´angulo que queda en medio, para completar los 180o
que deben medir
los tres juntos, tendr´a que medir, 90o
; as´ı, los otros tres ´angulos, del cuadrado interno
tambi´en son rectos.
Por ´ultimo, vamos a medir el ´area de las figuras.
El ´area del cuadrado interno mide c2
. El ´area del cuadrado grande mide
(a + b)(a + b) = a2
+ 2ab + b2
41
Figura 2.14: Cuadrado formado con cuatro tri´angulos rect´angulos congruentes
y el ´area de los cuatro tri´angulos mide
4
ab
2
= 2ab
Por lo tanto si al ´area del cuadrado grande le restamos la de estos tri´angulos, obtendr´ıamos
la del cuadrado interno, es decir,
a2
+ 2ab + b2
− 2ab = a2
+ b2
Finalmente, igualamos las dos ´areas que obtuvimos del cuadrado interno:
c2
= a2
+ b2
As´ı, queda demostrado el teorema de Pit´agoras, uno de los m´as grandes fil´osofos y
matem´aticos de la historia.
42
Cap´ıtulo 3
Erat´ostenes
Este cap´ıtulo busca identificar, lo m´as veraz posible, el tiempo en el que datamos los
primeros rastros sobre el conjeturar, pero a´un m´as relevante, sobre el demostrar, el hecho
de que nuestro planeta tiene forma geom´etrica casi esf´erica. 1
Tambi´en trata este cap´ıtulo
de determinar, con fundamento, el lugar geogr´afico donde se gest´o la idea de una tierra
redonda, y su vivir para tratar de estimarlo. Adem´as, este cap´ıtulo pretende, en espe-
cial, dar reconocimiento a la mente humana que concibi´o la idea de redondear nuestro
planeta, y del c´omo registr´o, con rigurosidad cient´ıfica, estimaciones muy precisas que
argumentan, sin lugar a duda, dicha afirmaci´on.2
Apesar de que ninguna de las obras de
Erat´ostenes nos lleg´o completa, sabemos suficiente para considerarlo una de las figuras
m´as importantes de aquella edad de oro de las ciencias, la ´epoca helen´ıstica. [20]
1
Sabemos, desde Sir Isaac Newton, que la forma de la superficie terrestre, vista desde lejos, no es
exactamente esf´erica sino, achatada en los polos (debido a la rotaci´on alrededor de un eje, present´andose
fuerzas centr´ıfugas que en el pasar de los millones de a˜nos, la deformaron, experimentando mayor ve-
locidad tangencial cerca del ecuador).
2
No perdamos de vista que, mil setecientos a˜nos despu´es, la humanidad est´a quemando, en holocausto,
a las personas que se atreven afirmar que la tierra es redonda, entre otras herej´ıas.
43
3.1. Ubicaci´on Espacio Temporal
3.1.1. ´Epoca y Lugar de Incidencia
Figura 3.1: Alejandr´ıa, Egipto (Norte de ´Africa). Fuente: Google earth
Museo de Alejandr´ıa. El Museo de Alejandr´ıa era un santuario que acog´ıa un zo-
ol´ogico, jardines, una gran sala para reuniones e incluso un laboratorio. Durante siglos,
los Ptolomeos apoyaron y conservaron la biblioteca que, desde su origen, mantuvo un
ambiente de estudio y de trabajo. Dedicaron grandes sumas a la adquisici´on de libros,
con obras de Grecia, Persia, India, Palestina, ´Africa y otras culturas, predominando la
literatura griega. La biblioteca del Museo constaba de diez estancias dedicadas a la inves-
tigaci´on, cada una dedicada a una disciplina diferente. Gran n´umero de poetas y fil´osofos,
que llegaron a ser m´as de cien en sus mejores a˜nos, se ocupaban de su mantenimiento,
con dedicaci´on total. [16] En realidad se consideraba el edificio del Museo un verdadero
templo dedicado al saber. Desde el principio, la biblioteca fue un apartado al servicio del
Museo. Pero m´as tarde, al adquirir importancia y volumen, se cre´o un anexo. Se cree que
esta segunda biblioteca (biblioteca hija) fue creada por Ptolomeo III Evergetes (Entre el
246 a. C. y el 221 a. C.), y se estableci´o en la colina del barrio de Racotis (hoy Karmuz),
en un lugar de Alejandr´ıa alejado del mar, en el antiguo templo erigido por los primeros
Ptolomeos al dios Serapis, llamado el Serapeo, considerado uno de los edificios m´as bellos
de la Antig¨uedad. [26] En la ´epoca del Imperio romano, los emperadores la protegieron y
modernizaron en gran medida, incorporando calefacci´on central mediante tuber´ıas (para
mantener los libros, secos en dep´ositos subterr´aneos).3
3
Los redactores de la biblioteca eran conocidos en Grecia por su trabajo sobre los textos hom´ericos.
Los redactores m´as famosos generalmente llevaron el t´ıtulo de bibliotecario principal.
44
Figura 3.2: Cirene, Libia (Norte de ´Africa). Fuente: Google earth
Erat´ostenes Naci´o en Cirene, ahora llamada Shaha (en una regi´on del norte de ´Africa,
que ahora es parte de Libia) en el a˜no 276 a.C.4
(fig. 3.2)
Destac´o en diversas actividades intelectuales. Como Astr´onomo midi´o la oblicuidad de
la ecl´ıptica, la distancia entre el sol y la luna, entre otros (ver figura 3.4).
A Erat´ostenes se le atribuye la invenci´on, hacia 255 a.C., de la esfera armilar que a´un se
empleaba en el siglo XVII. Aunque debi´o de usar este instrumento para diversas obser-
vaciones astron´omicas, s´olo queda constancia de la que le condujo a la determinaci´on de
la oblicuidad de la ecl´ıptica. Determin´o que el intervalo entre los tr´opicos (el doble de la
oblicuidad de la ecl´ıptica) equival´ıa a los 11
83
de la circunferencia terrestre completa, resul-
tando para dicha oblicuidad 23o
51 19”, cifra que posteriormente adoptar´ıa el astr´onomo
Claudio Ptolomeo. Seg´un algunos historiadores, Erat´ostenes obtuvo un valor de 24o
. [13]
Adem´as, seg´un Plutarco5
, de sus observaciones astron´omicas durante los eclipses, Er-
at´ostenes dedujo que la distancia al Sol era de 804 millones de estadios, la distancia a la
Luna 780 mil estadios y, seg´un Macrobio6
, que el di´ametro del Sol era 27 veces mayor
que el de la Tierra. [20]
Realmente el di´ametro del Sol es 109 veces el de la Tierra y la distancia a la Luna
es casi tres veces la calculada por Erat´ostenes, pero el c´alculo de la distancia al Sol,
admitiendo que el estadio empleado fuera de 185 metros, fue de 148 752060 km, muy
similar a la unidad astron´omica actual. [3]
4
Algunos investigadores ubican su nacimiento en el a˜no 273 a.C. [26]
5
Mestrio Plutarco, de Queronea, hoy desaparecida (48 d.C. - 120 d.C.). Naci´o en la regi´on griega de
Beocia, probablemente durante el gobierno del emperador romano Claudio. Fue historiador, bi´ografo y
ensayista griego. [26]
6
Macrobio fue un escritor y gram´atico romano, del ´ultimo cuarto del siglo IV d.C., de cuyos datos
biogr´aficos poco se conoce con certeza. [26]
45
3.1.2. Su Educaci´on
Fue disc´ıpulo de Lisanias de Cirene y del poeta Cal´ımaco, y tambi´en gran amigo de
Arqu´ımedes. Otros fil´osofos que influyeron en Erat´ostenes, fueron Arist´on de Quios y
Arcesilao de Pitane. Alrededor del a˜no 236 a.C. Ptolomeo III Evergertes de Egipto lo
llam´o para que se hiciera cargo de la Biblioteca de Alejandr´ıa7
, sucediendo a Apolonio
de Rodas, puesto que ocup´o hasta el fin de sus d´ıas. [7]
Erat´ostenes fue tutor del pr´ıncipe heredero, el futuro Ptolomeo IV Philopator y mantuvo
siempre una cercana relaci´on con la casa real. El apellido de Erat´ostenes fue Pentath-
los, nombre que se reservaba al atleta vencedor en las cinco competiciones de los Juegos
Ol´ımpicos. Suidas 8
afirma que tambi´en era conocido como el segundo Plat´on. [17]
Es posible que Erat´ostenes fuera responsable de la conservaci´on de varias obras cient´ıficas
realizando una labor de edici´on similar a la llevada a cabo con los textos literarios por
otros directores de la biblioteca (Zen´odoto, Arist´ofanes y Aristarco). Trabaj´o con proble-
mas de matem´aticas, solucionando el ”problema de Delos”.9 ´El construyo un instrumento
al cual llam´o Mesolabio, con el que era posible calcular medidas deseadas e invent´o el
primer reloj solar moderno, al que denomin´o Scrapel. [3] En las figuras 3.3 y 3.5 se
muestra reconstrucciones del siglo XIX con la visi´on del mundo de Erat´ostenes de Cirene.
M´as sim´etrico que exacto, las particiones fueron los precursores de paralelos y meridianos
(despu´es de Dicearco). La informaci´on geogr´afica que fue recogida por Alejandro Magno
y sus sucesores fue la fuente principal utilizada por Erat´ostenes, estudioso con la visi´on
para poner esta informaci´on en un marco l´ogico. [13]
El primer uso de mapas del mundo se introdujo, tempranamente, por Anaximandro, y
Her´odoto, basados en suposiciones precipitadas. Tampoco cabe duda de que los hallazgos
resultantes de las conquistas de Alejandro Magno y la ampliaci´on de los conocimientos
geogr´aficos bajo sus sucesores, gradualmente han encontrado su lugar en estos mapas.
Los estudiosos modernos conciben a Erat´ostenes como el padre de la geograf´ıa cient´ıfica,
al menos digno de ser el alfa en esa materia, sobre todo por su notable medici´on de la
circunferencia de la tierra. [13]
7
La Bilblioteca de Alejandr´ıa hab´ıa sido planeada por Ptolomeo I Soter y llevada a cabo por su hijo
Ptolomeo II Philadelfo. En el Museo florec´ıa una actividad intelectual, po´etica, musical o cient´ıfica. El
nombre viene porque las hijas de Zeus, las nueve musas, siendo al principio fuentes de inspiraci´on de los
poetas ´epicos, despu´es lo fueron de todos los poetas y los m´usicos y finalmente de todos los hombres de
letras, fil´osofos y cient´ıficos. [17] Anteriormente, el mismo Plat´on en su Academia o Arist´oteles despu´es
en su Liceo ten´ıan unos jardines con un peque˜no templo para el culto de las musas, el Museo.
8
Suidas fue un lexic´ografo griego del siglo X. Leg´o un glosario, recopilaci´on imprecisa que abarca
fragmentos de inter´es sobre la historia literaria, entre otros.
9
C´omo duplicar el volumen c´ubico del altar existente en el templo de Apolo situado en Delos.
46
Figura 3.3: Mapas de Erat´ostenes.
Seg´un declaraciones de Estrab´on10
, Erat´ostenes hizo objeto de su especial atenci´on el
reformar el mapa del mundo, cambi´andolo de como hab´ıa existido, para reconstruir-
lo con principios cient´ıficos. Este es el punto de vista filos´ofico que constituye su m´erito
especial, y lo faculta para ser llamado con justicia el padre de la geograf´ıa sistem´atica.
Con respecto a la idea fundamental de toda geograf´ıa: La posici´on y la figura de la
tierra, Erat´ostenes aprob´o el punto de vista vigente entre los astr´onomos de su ´epoca,
desde los tiempos de Arist´oteles11
y Euclides. La idea del globo terr´aqueo, presente en la
mente de Erat´ostenes y de de sus contempor´aneos, no difiri´o de la del ge´ografo moderno.
La diferencia entre teor´ıa geoc´entrica y teor´ıa helioc´entrica del universo era irrelevante.
10
de Amasia, Ponto, naci´o en el 64 o 63 a. C. y muri´o entre el 19 y el 24 d. C. Fue ge´ografo e historiador
griego, conocido principalmente por su obra Geograf´ıa. [26]
11
384 a. C. - 322 a. C. Fue fil´osofo, l´ogico y cient´ıfico de la Antigua Grecia. Sus ideas ejercieron
enorme influencia sobre la historia intelectual de Occidente por m´as de dos milenios. [16] Arist´oteles
escribi´o cerca de 200 tratados (de los cuales s´olo nos han llegado 31) sobre enorme variedad de temas,
incluyendo l´ogica, metaf´ısica, filosof´ıa de la ciencia, ´etica, filosof´ıa pol´ıtica, est´etica, ret´orica, f´ısica,
astronom´ıa y biolog´ıa. Transform´o muchas, si no todas, las ´areas del conocimiento que toc´o. Reconocido
como el padre fundador de la l´ogica y de la biolog´ıa, pues si bien existen reflexiones y escritos previos
sobre ambas materias, es en su trabajo donde se encuentran las primeras investigaciones sistem´aticas al
respecto. Entre muchas otras contribuciones, Arist´oteles formul´o la teor´ıa de la generaci´on espont´anea,
el principio de no contradicci´on, las nociones de categor´ıa, sustancia, acto, potencia, etc. Algunas de
sus ideas, que fueron novedosas para la filosof´ıa de su tiempo, hoy forman parte del sentido com´un de
muchas personas. Arist´oteles fue disc´ıpulo de Plat´on y de otros pensadores (como Eudoxo) durante los
20 a˜nos que estuvo en la Academia de Atenas, luego fue maestro de Alejandro Magno en el Reino de
Macedonia, y finalmente fund´o el Liceo en Atenas, donde ense˜n´o hasta un a˜no antes de su muerte. [26]
47
3.1.3. Referencias Personales
Arqu´ımedes 12
Tal vez el mayor matem´atico de la antig¨uedad, se dirigi´o cartas con
Erat´ostenes y le dedic´o su obra monumental El M´etodo. Se cree que Erat´ostenes fue el
primero en auto llamarse phil´ologos, y parece ser que era conocido como betha.13
Pero
la historia demuestra que era un l´ıder en numerosos campos como la astronom´ıa, la
geograf´ıa, la literatura, la poes´ıa, la filosof´ıa y las matem´aticas. Incluso siendo s´olo el
segundo mejor en muchas cosas, en una era de sorprendente progreso en las ciencias y
las artes, Erat´ostenes es uno de los mayores genios de todos los tiempos. [3]
Escribi´o muchos libros de los cuales s´olo se tienen noticias por referencias bibliogr´afi-
cas de otros autores. Su principal motivo de celebridad es la determinaci´on del tama˜no
de la Tierra. Invent´o y emple´o un m´etodo trigonom´etrico, adem´as de las nociones de
latitud y longitud, al parecer ya introducidas por Dicearco (por lo que bien merece el
t´ıtulo de padre de la geodesia).
12
Arqu´ımedes de Siracusa. 287 a. C. - 212 a. C. Fue matem´atico griego, f´ısico, ingeniero, inventor
y astr´onomo. Aunque se conocen pocos detalles de su vida, es considerado uno de los cient´ıficos m´as
importantes de la antig¨uedad cl´asica. Entre sus avances en f´ısica se encuentran sus fundamentos en
hidrost´atica, est´atica y la explicaci´on del principio de la palanca. Es reconocido por haber dise˜nado
innovadoras m´aquinas, incluyendo armas de asedio y el tornillo de Arqu´ımedes, que lleva su nombre.
Experimentos modernos han probado las afirmaciones de que Arqu´ımedes lleg´o a dise˜nar m´aquinas
capaces de sacar barcos enemigos del agua o prenderles fuego utilizando una serie de espejos. Se considera
que Arqu´ımedes fue uno de los matem´aticos m´as grandes de la antig¨uedad y, en general, de toda la
historia. Us´o el m´etodo de exhausci´on para calcular el ´area bajo el arco de una par´abola con la sumatoria
de una serie infinita, y dio una aproximaci´on extremadamente precisa del n´umero π Tambi´en defini´o la
espiral que lleva su nombre, f´ormulas para los vol´umenes de las superficies de revoluci´on y un ingenioso
sistema para expresar n´umeros muy largos. Enunci´o el principio de hidrost´atica que lleva su nombre
y que explica la flotaci´on de los botes, entre otros objetos. Muri´o durante el sitio de Siracusa (214 a.
C. - 212 a. C.), cuando fue asesinado por un soldado romano, a pesar de que exist´ıan ´ordenes de que
no se le hiciese da˜no alguno. A diferencia de sus inventos, los escritos matem´aticos de Arqu´ımedes no
fueron muy conocidos en la antig¨uedad. Los matem´aticos de Alejandr´ıa lo leyeron y lo citaron, pero la
primera compilaci´on integral de su obra no fue realizada hasta el 530 d. C. por Isidoro de Mileto. Los
comentarios de las obras de Arqu´ımedes escritas por Eutocio en el siglo VI las abrieron por primera
vez a un p´ublico m´as amplio. Las relativamente pocas copias de trabajos escritos de Arqu´ımedes que
sobrevivieron a trav´es de la Edad Media fueron una importante fuente de ideas durante el Renacimiento,
mientras que el descubrimiento en 1906 de trabajos desconocidos de Arqu´ımedes en el Palimpsesto de
Arqu´ımedes ha ayudado a comprender c´omo obtuvo sus resultados matem´aticos. [26]
13
Su curiosidad cient´ıfica lo ocup´o en muchas actividades de inter´es para diferentes ´areas, impidi´endole
sobresalir como el principal, el alfha en alguna de ellas. Muchos contempor´aneos de su ´epoca, des-
de˜nadores, envidiosos, lo apodaron el β, la segunda letra en el alfabeto griego. Dec´ıan que ´el era el
segundo mejor entre sus pares en todo. Otra versi´on dice que ese apodo se lo gan´o por representar una
nueva fuerza del conocimiento, una segunda era de la verdad.
48
Erat´ostenes termina su vida a edad avanzada (cerca de 80 a˜nos). Se cree que, al quedarse
ciego, renunci´o a tomar alimento y pereci´o. Suidas afirma que, tras perder la vista, se
dej´o morir de hambre a la edad de ochenta a˜nos; sin embargo, Luciano afirma que lleg´o a
la edad de ochenta y dos, y Censorino sostiene que falleci´o cuando ten´ıa ochenta y dos. [17]
3.1.4. Haza˜nas (Algunos Aportes)
Figura 3.4: Tabla realizada por Erat´ostenes sobre la oblicuidad de la ecl´ıptica (traducida).
Como historiador y ge´ografo midi´o el radio de la tierra y realiz´o numerosos mapas de-
tallados del mundo, como era conocido en ese momento. [5] En la figura 3.5 podemos
apreciar uno de los mapas dise˜nados por Erat´ostenes sobre el mundo conocido en su
´epoca y recreado en la actualidad. [3] [17]
49
Figura 3.5: Mapa dise˜nado por Erat´ostenes.
Como cron´ografo, fil´osofo y poeta 14
escribi´o el poema Elegiaco, el poema largo Er´ıgone,
Hermes y los Catasterismos (Katasterismoi)15
. Como cr´ıtico teatral es autor de un trata-
do sobre la Comedia Antigua. [17]
Como matem´atico escribi´o un m´etodo para encontrar n´umeros primos (la Criba de Er-
at´ostenes)16
y un tratado sobre las proporciones.17
Estudi´o en Alejandr´ıa y Atenas, Tuvo
contacto con las ense˜nanzas de Zen´on de Citio. [3]
3.1.5. Logro Motivador
Erat´ostenes tuvo el m´erito de hacer una valiosa aportaci´on: Su exitosa medida, nunca
antes hecha, sobre la circunferencia del globo terrestre. Una vez que la idea fue aceptada,
su medici´on era un paso l´ogico, incluso para los eruditos griegos que eran m´as dados a la
especulaci´on filos´ofica que a la cuantificaci´on y la experimentaci´on. [13] [20]
14
Los pensadores de ese tiempo, astr´onomos, fil´osofos, frecuentemente era mit´ografos y llamados poetas.
15
Erat´ostenes destac´o como mit´ografo, explicando las disposiciones de las estrellas del firmamento en
t´erminos de historias sucedidas a sus deidades. [17]
16
Es un algoritmo que permite hallar todos los n´umeros primos menores que un n´umero natural dado
N. Se forma una tabla con todos los n´umeros naturales comprendidos entre 2 y N y se van tachando
los n´umeros que no son primos de la siguiente manera: cuando se encuentra un n´umero entero que no
ha sido tachado, ese n´umero es declarado primo, y se procede a tachar todos sus m´ultiplos. El proceso
termina cuando el cuadrado del mayor n´umero confirmado como primo es mayor que N.
17
En mi parecer, el teorema de Tales, sobre la proporci´on, es un concepto crucial para el desarrollo
de las matem´aticas, y de las ciencias.
50
´El no era de hecho el primero que hab´ıa intentado la soluci´on de este problema, que,
naturalmente, llevar´ıa a cabo la atenci´on de los astr´onomos y ge´ometras, tan pronto co-
mo se convino en que la tierra era de una forma esf´erica. Arist´oteles se refiere al c´alculo
de los matem´aticos, que hab´ıan investigado el tema (sin nombrarlos) donde la circunfer-
encia de la tierra era de 400 mil estadios (distinci´on que puede pertenecer a Eudoxo de
Cnido). Un c´alculo de 300 mil estadios se acredita a Dicearco, disc´ıpulo de Arist´oteles.
Aristarco de Samos18
, ha sido llamado el Cop´ernico de la Antig¨uedad a causa de su adhe-
si´on a principios helioc´entricos en lugar de geoc´entricos, (quiz´a, sea m´as correcto llamar
a Cop´ernico el Aristarco del Renacimiento).
Los astr´onomos de la ´epoca ve´ıan a los planetas y al Sol dar vueltas sobre nuestro cielo
a diario. La Tierra, para muchos, deb´ıa encontrarse por ello en el centro de todo. Los
planteamientos del reconocido Arist´oteles hechos unos pocos a˜nos antes no dejaban lugar
a dudas y ven´ıan a reforzar dicha tesis. La Tierra era el centro del universo y los planetas,
el Sol, la Luna y las estrellas se encontraban en esferas fijas que giraban en torno a la Tier-
ra. Pero exist´ıan ciertos problemas a tales afirmaciones. Algunos planetas como Venus y,
sobre todo, Marte, describ´ıan trayectorias errantes en el cielo. Es decir, a veces se mov´ıan
adelante y atr´as. Antes que Aristarco, Her´aclides P´ontico encontr´o una posible soluci´on
al problema al proponer que los planetas podr´ıan orbitar el Sol y ´este a su vez la Tierra.
Esto ya fue un gran salto conceptual pero a´un era un modelo parcialmente geoc´entri-
co. Hubo que esperar a Aristarco para que este propusiera el primer modelo helioc´entrico.
Sus revolucionarias ideas astron´omicas no fueron bien recibidas y fueron pronto desechadas.
No fue hasta Cop´ernico, unos mil setecientos a˜nos m´as tarde, que empez´o a plantearse
el modelo helioc´entrico como una alternativa consistente. Por desgracia, del modelo he-
lioc´entrico de Aristarco solo nos quedan las citas de Plutarco y Arqu´ımedes. Los trabajos
originales probablemente se perdieron en uno de los varios incendios que padeci´o la bib-
lioteca de Alejandr´ıa.
En un periodo posterior a Arqu´ımedes se habla de 300 mil estadios como la medici´on
general. Pero no tenemos informaci´on del modo por el cual sus autores llegaron a sus re-
sultados. El m´etodo seguido por Erat´ostenes fue plenamente establecido y explicado por
el astr´onomo Cleomedes.19
Es notable que, si bien la medici´on terrestre fue inexacta, la
observaci´on de latitud como se deduce del gnomon en Alejandr´ıa, era una aproximaci´on
muy cercana a la verdad.
18
310 a. C. - 230 a. C. Fue un astr´onomo y matem´atico griego, nacido en Samos, Grecia. ´El es la
primera persona, que se conozca, que propone el modelo helioc´entrico del Sistema Solar, colocando el
Sol, y no la Tierra, en el centro del universo conocido. Aristarco fue uno de los muchos sabios que hizo
uso de la emblem´atica Biblioteca de Alejandr´ıa. [26]
19
Las fechas de su nacimiento y muerte no se conocen. Los historiadores han sugerido que escribi´o su
obra en alg´un momento entre mediados del siglo I y el IV d. C. basados en que Cleomedes se refiere
extensamente en sus escritos a la obra del astr´onomo Posidonio de Rodas (135 a, C. - 51 a. C.).
51
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Eratóstenes al desnudo

  • 1. C´alculo del Radio Terrestre: Erat´ostenes al Desnudo Alumno: Carlos Andr´es M´unera Gu´ıa: Miguel Monsalve Curso: Astronom´ıa Maestr´ıa en la Ense˜nanza de las Ciencias Exactas y Naturales Facultad de Ciencias Exactas Universidad Nacional de Colombia Sede Medell´ın 2010
  • 2. ´Indice general 1. Estado del Arte: Difracci´on de Reflexi´on Refractada 4 1.1. Vivencia Cotidiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.1. Preludio Docente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2. Precedentes 10 2.1. Movimiento del Sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.1. D´ıa Solar Medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2. D´ıa Sid´ereo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.3. De Ptolomeo a Cop´ernico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2. Geometr´ıa Plana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1. Datos Hist´oricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2. Algunos Conceptos B´asicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3. Trigonometr´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.1. Datos Hist´oricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.2. Algunos Conceptos B´asicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3.3. Teorema de Pit´agoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1
  • 3. 3. Erat´ostenes 43 3.1. Ubicaci´on Espacio Temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.1.1. ´Epoca y Lugar de Incidencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.1.2. Su Educaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1.3. Referencias Personales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.4. Haza˜nas (Algunos Aportes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1.5. Logro Motivador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2. C´alculo Del Radio Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.1. Conjeturando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4. Relaciones y Patrones Expuestos 54 4.1. Detalles T´ecnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.1.1. Posible Proceder de Erat´ostenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.1.2. Observaciones Importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.2. Medida Conjunta Del Radio Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.1. Pr´actica en Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5. Medici´on del Radio Terrestre 61 5.1. Pr´actica 1: Similar a Erat´ostenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.1.1. Gu´ıa Para Medir el Radio Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2. Pr´actica 2: Otro M´etodo Para Medir el Radio Terrestre . . . . . . . . . . 63 5.2.1. Construcci´on Reloj Solar de Cuadrante Ecuatorial . . . . . . . . . 64 5.2.2. Observatorio Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.3. Gu´ıa 2: Estimar la Medida del Radio Terrestre . . . . . . . . . . . 69 2
  • 4. Agradecimientos A mi hija Victoria. Por ser fuente constante de mi inspiraci´on. Y por ser, simplemente.. Victoria.
  • 5. Cap´ıtulo 1 Estado del Arte: Difracci´on de Reflexi´on Refractada En el pasar del tiempo, al ir creciendo como ser humano, social, comen- zamos a relacionar e inquietarnos. En principio, experimentamos simples sensaciones, percibidas de porciones del mundo que nos rodea, ayudados ´unicamente por nuestros sentidos naturales, independientes entre s´ı. Y Notamos del universo: El Movimiento Estrellas en un vaiv´en c´osmico, Tierra y sat´elites girando, traslad´andose (en nuestras mentes en un vaiv´en cosmog´onico). Oc´eanos y mares agitados ondulando. R´ıos con aguas en constante fluir. Viento soplando calmo o Hurac´an tormentoso. Veh´ıculos de toda ´ındole viajan a todo lugar, lentos o raudos. Maquinaria, bielas y engranajes giran y crujen. Sensores de precisi´on asombrosa leen y corroboran datos. Cuerdas musicales vibran al temblar del aire. 4
  • 6. Pero, al razonar ciertas respuestas sensoriales, patrones observados que suceden alrededor e intentar explicarlos, replicarlos, predecirlos o pronos- ticarlos, m´agicamente, estos sentidos ’paren’ un sexto sentido no f´actico: el ENTENDIMIENTO. Se inicia as´ı, El viaje sin regreso. Buscando, siempre adaptando nuevos sentidos no naturales, pr´otesis arti- ficial, metamorfoseando la naturaleza para sondear m´as all´a, en b´usqueda de ”sin l´ımites”. Dispositivos sensoriales que permitan develar secretos del universo local y, con nuestras ciencias como amalgama, potenciar el saltar, de un estado mec´anico a uno cu´antico, pasando por situaciones el´ectricas, electr´onicas, mecatr´onicas . . . Creciendo en inferencias inductivas, l´ogicas, deductivas, en interpolaciones lineales y multi variables, regresiones m´aximo veros´ımiles, extrapolando por abducci´on, ¿magia?. Nos entrometemos irreverentes, desafiando la prioritaria e in negociable misi´on que nos destin´o la Naturaleza (y nos revel´o la Biolog´ıa), sucumbi- endo al eterno placer de descubrir mundos in imaginados pero m´as reales que el que toscamente construimos en un inicio (fantas´ıa burda. Prejuiciosa declaraci´on para vanamente calmar nuestra sedienta y curiosa conciencia). Pero siempre adelante, sin dejar de transpirar, el ser humano en su es- fuerzo por comprender cada vez m´as, logra de manera exponencial (seg´un la calidad de sus argumentos), crear sus mayores obras de arte (inclu- so, m´as sublimes que las bellas creaciones del arte), experiencias inesper- adas, jam´as so˜nadas, pero acordes con el comp´as de partituras que compo- nen nuestro universo, nuestra existencia misma vista desde nuestra propia imaginaci´on, en una espiral Arquimediana, que espero, nunca termine. 5
  • 7. 1.1. Vivencia Cotidiana Todos los d´ıas, al levantarme, aprecio, sin falla conocida, que el sol, o muchos con las mismas caracter´ısticas pero s´olo uno a la vez, en las ma˜nanas sale por una regi´on cercana al punto cardinal que denominamos Este (Oriente), durante el transcurso del d´ıa se eleva por encima de nuestras cabezas y, al terminar el d´ıa, comenzando la noche, desciende para ocultarse por una regi´on cercana a otro punto cardinal que denominamos Oeste (Oc- cidente), siempre movi´endose en l´ınea recta y a una velocidad angular uniforme. Supongo que es un s´olo sol y que repite este ciclo (girar alrededor de la tierra, aparentemente) desde antes de los hombres (y seguramente despu´es de ellos) en promedio, a velocidad an- gular constante. Esto me lleva a pensar en la forma de la tierra y su tama˜no. El aparente hundimiento de un barco que se adentra en el oc´eano, visto desde la playa, o la sombra curva de la tierra, que logro apreciar algunas noches despejadas sobre la superficie lunar, entre muchas otras experiencias de vida, me llevan a postular como candidata para la forma geom´etrica de la tierra, a la esfera (aproximadamente). La idea, aqu´ı, es emprender, como el buen inspirador Erat´ostenes, una empresa que a simple vista parece monumental e imposible para un s´olo hombre, pero que en la medi- da en que este utiliza su genio para combinar y asociar, astutamente, herramientas con conocimientos heredados (baluartes de la humanidad), vislumbra a lo lejos un espejismo que cada vez se concretiza m´as, hasta materializarse y cambiar la visi´on del mundo. A continuaci´on se busca tejer la trama y urdimbre, del contexto conceptual y protag´onico, que enmarca la proeza realizada por el gran Erat´ostenes, el hombre, y se detalla su posi- ble experiencia basados en registros hist´oricos, mitos tipificados y nuestras propias con- jeturas, concluyendo con otra experiencia similar, la cual creo, igual de hermosa por ser testimonio preciso y concreto de interdisciplina espacio temporal entre Matem´atica ideal y F´ısica vivencial (se abaratan los costos en todo sentido). 1.1.1. Preludio Docente. El maestro, despu´es de presentar un tema, debe fijar sus esfuerzos en un conjunto de ejem- plos, ejercicios y cuestionamientos relacionados ´ıntimamente con cada parte y el todo de los t´opicos presentados. Los ejemplos ilustran la aplicaci´on b´asica de los conceptos. A menudo indican con detalle, la exposici´on de sugerencias sobre la organizaci´on y sobre como abordar los problemas del tema estudiado. Deben haber, tambi´en, intercala- dos con los ejemplos, un conjunto de ejercicios propuestos. A diferencia de los ejemplos propiamente dichos, con su amplitud y detalle, los ejercicios se piensan m´as esquem´aticos. 6
  • 8. Los ejercicios sirven al prop´osito de adquirir cierta destreza y confianza en la aplicaci´on de lo estudiado. En ocasiones se dan sugerencias de trabajo, resultados parciales, se ofrece soluciones esbozadas omitiendo desarrollos intermedios, proponiendo variantes o aplicaciones del ejemplo, dando s´olo el resultado. Los ejercicios deben proponerse como problemas que el estudiante intenta por s´ı mismo solucionar. El estudiante debe acudir a la soluci´on propuesta s´olo para cotejar su propia soluci´on o para orientarse en caso de que encuentre dificultades que no haya superado. El aprendizaje de la F´ısica no es pasivo. Requiere abordar problemas diversos.1 Despu´es un conjunto de situaciones, no numeroso, cuidadosamente elegido, de modo que abarque un abanico razonablemente amplio, sin caer en trivialidad por un lado, ni en dificultad excesiva (desalentadora) por el otro. En ocasiones se dan resultados finales o bien algunos casos particulares para cotejar. M´etodo, Orden y Claridad en la aplicaci´on de modelos f´ısicos, son esenciales al estu- diar y solucionar situaciones problema. Consideraci´on al Ense˜nar Trigonometr´ıa En secundaria el alumno adquiere conocimientos geom´etricos en cada curso. En 5o se tratan conceptos como ´angulo, recta, mediatriz, bisectriz, relaci´on angular, pol´ıgonos, simetr´ıas en figuras planas. De 6o a 8o se trabajan tri´angulos, cuadril´ateros, pol´ıgonos regulares y la circunferencia. En 9o los estudiantes asimilan el teorema de Pit´agoras, el teorema de Thales, los poliedros, per´ımetros, ´areas, vol´umenes. Es en 10o cuando ven en qu´e consiste la trigonometr´ıa como tal. Luego, en 11o , descubren la utilidad de la misma en todo tipo de c´alculos geom´etricos. Posteriormente, el estudiante continua ampliando sus conocimientos y aplicaciones sobre la trigonometr´ıa, tal y como viene recogido en los curr´ıculos vigentes. El tratamiento de esta unidad en el grado 10o no es f´acil, ya que la trigonometr´ıa, pese a ser visual, es de las ramas de la matem´atica m´as t´ecnicas que se ven en la escuela. Por ello, la unidad de trigonometr´ıa que se imparta en este grado debe ser tratada por el profesorado con especial cuidado, intentando siempre motivar y animar a los alumnos para que conf´ıen en sus propias capacidades y hacerles ver el lado m´as pr´actico de la trigonometr´ıa. [1] La unidad dedicada a la trigonometr´ıa, en secundaria, deber´a tener objetivos propios b´asicos, como: 1 Es all´ı donde se decantan, afianzan y esclarecen los conceptos flexibilizando su aplicaci´on. 7
  • 9. Conocer las razones trigonom´etricas de un ´angulo y sus relaciones. Utilizar la cal- culadora para efectuar c´alculos trigonom´etricos. Aplicar relaciones trigonom´etricas para calcular distancias y ´angulos reales. Utilizar conocimientos geom´etricos para efectuar mediciones indirectas en situa- ciones de contextos cotidianos. Desarrollar y utilizar equivalencias de expresiones trigonom´etricas. Podemos ampliar la lista de objetivos incluyendo: • Identificar la semejanza entre figuras planas. • Conocer el enunciado del teorema de Thales. • Definir las razones trigonom´etricas en el tri´angulo rect´angulo, de un ´angulo agudo y de un ´angulo cualquiera en la circunferencia unitaria. • Obtener ´angulos con la calculadora a partir de razones trigonom´etricas. • Obtener el signo de las razones trigonom´etricas de un ´angulo en funci´on del cuadrante en el que se encuentre. • Hallar razones trigonom´etricas de un ´angulo a partir de una de ellas. Obten- er relaciones entre las razones trigonom´etricas de ´angulos complementarios, ´angulos suplementarios y ´angulos opuestos. • Resolver un tri´angulo rect´angulo conociendo dos lados, conociendo un lado y un ´angulo. • Aplicar relaciones trigonom´etricas en problemas diversos: c´alculo de distancias, de ´areas, etc. Una observaci´on m´as El esquema general de la presentaci´on de contenidos por temas ser´a siempre el mismo y debe corresponder con las explicaciones que se den desde el primer tema, sirviendo como gu´ıa. A medida que se va explicando la estructura general, el estudiante debe desarrollar todas las actividades propuestas. El maestro apoyar´a, en la medida de lo posible, y siempre con esa intenci´on como premisa, la explicaci´on con contenido din´amico que resalte la zona a la que se hace referencia. La idea inicial con los materiales que el maestro prepare, deben propender por hacer un desarrollo visual y manipulable de los conceptos trigonom´etricos m´as habituales en la ense˜nanza secundaria, que sirvan para comprender y ver la Trigonometr´ıa. 8
  • 11. Cap´ıtulo 2 Precedentes Siempre nos est´an diciendo la verdad de las cosas, y por inercia y simple comodidad, aceptamos esas aseveraciones, sin objetar, en muchas ocasiones, que sus inferencias chocan de frente, con las experiencias cotidianas del diario vivir. Aqu´ı trataremos, en lo posible, conjeturar y deducir, recurriendo ´unicamente a las eviden- cias aportadas por el empirismo y nuestra propia percepci´on del mundo que nos rodea. Se buscar´a estar acorde al sistema de referencia del que podemos dar fe, un ser humano parado en la superficie del planeta, sin informaci´on directa del espacio exterior. 2.1. Movimiento del Sol 10
  • 12. Remembranza Desde Cop´ernico sabemos que la Tierra gira alrededor de su eje completando una vuelta en 23 horas 56 minutos y 4 segundos, aproximadamente, (un d´ıa sid´ereo). No obstante se sigue con la concepci´on tolem´aica, asumiendo que el movimiento de la esfera celeste es aparente (siendo la Tierra la que gira realmente). [2] Situado en el plano del horizonte y al cabo de un d´ıa observamos a los astros dar una vuelta alrededor del eje del mundo, en direcci´on este - sur - oeste mirando hacia el sur, o bien en sentido este - norte - oeste mirando hacia el norte. Los ´unicos puntos de la esfera celeste que permanecen fijos son los polos celestes; todos los dem´as, con las estrellas parecen girar en c´ırculos conc´entricos alrededor de la tierra, idea que apoya la creencia de ser a imagen y semejanza de Dios.1 2.1.1. D´ıa Solar Medio Movimiento diurno del Sol. Seg´un estemos en el hemisferio norte o en el sur el sentido del movimiento diurno del Sol ser´a visto de distinta manera. El movimiento de la esfera celeste observado en el transcurso de un d´ıa (incluido el sol), es un movimiento retr´ogrado, de sentido horario mirando hacia el Sur, y de sentido anti horario mirando hacia el Norte (ver figura 2.1). Tomemos como ejemplo el Sol que sale por el Este y se pone por el Oeste, desde el hemisferio Norte se aprecia como un movimiento en sentido horario, aunque ligeramente m´as lento que las estrellas lejanas. ´Estas se mueven acordes al tiempo sid´ereo, mientras que el movimiento aparente del Sol es acorde al tiempo solar. [6]. En la figura 2.1 Figura 2.1: Movimiento aparente del sol 1 ¿Dios necesita esf´ınteres para evacuar sus divinas heces, al igual que cualquier animal? (simio). 11
  • 13. Figura 2.2: Esquema del movimiento del sol, visto desde distintos marcos referenciales. se representa a dos observadores que desde hemisferios distintos miran el movimiento aparente de nuestra estrella. En perspectiva, el Sol se representa como un disco sobre el Ecuador, interpuesto entre el observador norte y el observador sur. Es evidente que el observador norte ve al Sol en direcci´on Sur, mientras que el observador sur lo ve en direcci´on Norte. En el hemisferio norte la luz del Sol y su calor proceden del sur, mientras que en el hemisferio sur proceden del norte.2 . Se denomina d´ıa, del lat´ın dies, al tiempo que tarda la Tierra desde que el sol est´a en el punto m´as alto sobre el horizonte hasta que vuelve a estarlo. Esta fue la primera forma que tuvo el hombre de medir el tiempo. [10] La Astronom´ıa mostr´o que, dependiendo de la referencia usada para medir un giro, se trata de tiempo solar o de tiempo sid´ereo. 3 En caso de no acompa˜nar el t´ermino d´ıa con otro vocablo, se entiende como d´ıa solar medio, base del tiempo civil. Se divide en 24 horas, cada hora en 60 minutos y cada minuto en 60 segundos, durando cerca de 86.400 segundos. Con igual referencia, el Sol, tiene el a˜no tropical o a˜no tr´opico, lapso que demora la Tierra en su movimiento anual. En un a˜no tr´opico la Tierra da 365.24219 vueltas en torno a su eje. [2] 2 Ambos observadores coincidir´an en que amanece por el este, y el ocaso sucede en el oeste. 3 El primero toma como referencia al Sol y el segundo toma como referencia a las estrellas. 12
  • 14. 2.1.2. D´ıa Sid´ereo Rotaci´on de la Esfera Celeste. Llamado d´ıa sideral, es el lapso entre dos tr´ansitos sucesivos del equinoccio medio o, de manera equivalente, es el lapso entre dos culmina- ciones sucesivas de una estrella en el meridiano local. Para un observador determinado el d´ıa sid´ereo comienza cuando Aries atraviesa su meridiano (ver figura 2.2). En un a˜no tr´opico la Tierra da 365.242189 vueltas en torno a su eje respecto al Sol, pero respecto a las estrellas da una vuelta m´as (366.242189). [11] Se puede obtener una aproximaci´on suficientemente buena del valor de una hora sideral: Un a˜no Tr´opico: 365.242189 d´ıas = 8765.8125 horas. Un d´ıa Sid´ereo: 8765.8125 h 366.242189 = 23.9345 horas. El d´ıa sid´ereo resulta ser algo menor de 24 horas: 23 horas 56 minutos 4 segundos, aprox- imadamente. Supongamos que hoy alineamos una estrella y anotamos la hora. Ma˜nana la estrella alcanzar´a la misma alineaci´on unos 3 minutos 55.9 segundos antes. Por otra parte, hay que distinguir entre el periodo de rotaci´on de la Tierra respecto a las estrellas y el d´ıa sid´ereo propiamente dicho. Al ser el equinoccio medio un punto m´ovil debido a la precesi´on, el d´ıa sid´ereo es 0.0084 segundos m´as corto que el periodo rotacional respecto a las estrellas. [2] Resumiendo: Periodo rotacional respecto a las estrellas: 366.242189 d´ıas civiles. D´ıa sid´ereo (medio): 23 horas 56 minutos 4.0905 segundos. La duraci´on del d´ıa y la noche cambia en el transcurso del a˜no, siendo de 12 horas (en todas las latitudes) en los equinoccios, de m´as de 12 horas en primavera y verano (alcanzando el d´ıa m´as largo en el solsticio de verano, con la noche m´as corta), y de menos de 12 horas en oto˜no e invierno (alcanz´andose en el solsticio de invierno el d´ıa m´as corto y la noche m´as larga). Este efecto se acent´ua m´as cuanto mayor es la latitud. 13
  • 15. En alguna ´epoca del a˜no hay d´ıa o noche permanente en las regiones polares (tanto del Hemisferio Norte como del Hemisferio Sur) caracterizadas por estar a una latitud que, en valor absoluto, es mayor que λ = 90o − 23o 26 = 66o 34 .4 2.1.3. De Ptolomeo a Cop´ernico La astronom´ıa observacional, desde los comienzos de la civilizaci´on, ha obtenido durante milenios datos de una precisi´on maravillosa. Pero el problema esencial es c´omo interpre- tar esos datos. Y esto puede verse en una forma pat´etica en la transici´on del modelo geoc´entrico desarrollado por Ptolomeo (siglo II d.C.) al modelo helioc´entrico propuesto por Cop´ernico (1473-1543). [8] Las observaciones de Ptolomeo lo obligaron a concebir un modelo de c´ırculos que inclu´ıa Figura 2.3: Idea en la que se basa el movimiento de los astros seg´un Ptolomeo. una ´orbita deferente alrededor de la tierra y un epiciclo con centro en un punto sobre la deferente (figura 2.3). As´ı, un planeta, visto desde la tierra, se mueve sobre el epiciclo mientras el centro de ´este se mueve alrededor de la tierra describiendo ´orbita deferente. Se adopta aqu´ı un punto de vista simplificado deferente - epiciclo para tratar de dar unas pistas sobre la forma como se pas´o de un modelo a otro, y para extraer consecuen- cias importantes que se derivan de ese cambio de mirada. En realidad, este modelo de c´ırculos se fue sobrecargando de epiciclos de epiciclos para ponerse a tono con los datos observacionales y se complicaba cada vez m´as. Se precisaba una simplificaci´on. El movimiento, seg´un Ptolomeo, de los planetas conocidos para Cop´ernico (los visibles a simple vista) podr´ıa simplificarse en la figura 2.4, referente a deferentes y epiciclos con sus respectivos per´ıodos. 4 Esta es precisamente la definici´on de c´ırculo polar. 14
  • 16. Figura 2.4: Ajuste en epiciclos y deferentes para el movimiento de los astros, seg´un Ptolomeo. Mientras para los planetas interiores el per´ıodo de la deferente es 1 a˜no, para los planetas exteriores es el epiciclo el que dura 1 a˜no. ¿No deber´ıa asignarse esta circunstancia a una proyecci´on en el cielo de la propia ´orbita de la Tierra? Cop´ernico vio en la deferente de Venus (ejemplo de un planeta interior) la propia ´orbita de la Tierra alrededor del Sol (figura 2.5). Tambi´en vio en el epiciclo de J´upiter (ejemplo de planeta exterior) la proyecci´on del movimiento de la propia Tierra en el movimiento observado de J´upiter (figura 2.5). El per´ıodo de los epiciclos fue la clave. [8] Al final de este reporte se incluye un ap´endice que busca revelar el secreto para el ´exito logrado por el modelo tolemaico, durante tantos siglos. 15
  • 17. Figura 2.5: Visi´on de Cop´ernico cambiando el marco de referencia. 2.2. Geometr´ıa Plana 2.2.1. Datos Hist´oricos La historia del origen de la Geometr´ıa es similar a la de la Aritm´etica, siendo sus concep- tos m´as antiguos (consecuencia de las actividades pr´acticas). [21] Los primeros hombres llegaron a formas geom´etricas a partir de la observaci´on de la naturaleza. [10] El sabio griego Eudemo de Rodas 5 , atribuy´o a los egipcios el descubrimiento de la geometr´ıa, ya que, seg´un ´el, necesitaban medir constantemente sus tierras debido a que las inundaciones del Nilo borraban continuamente sus fronteras. [21] 6 5 Eudemo de Rodas. Vivi´o 300 a˜nos a.C. Fil´osofo griego, natural de Rodas, disc´ıpulo de Arist´oteles. Sus escritos como los de otros de su escuela, se han confundido con los de su maestro. 6 Recordemos que, precisamente, la palabra geometr´ıa significa medida de tierras. [14] 16
  • 18. Los egipcios se centraron principalmente en el c´alculo de ´areas y vol´umenes. Sin em- bargo, hasta ah´ı, el desarrollo geom´etrico adolece de falta de teoremas y demostraciones formales. Tambi´en se tienen nociones geom´etricas en la civilizaci´on mesopot´amica, con- stituyendo los problemas de medida el bloque central en este campo: ´area del cuadrado, del c´ırculo, vol´umenes de determinados cuerpos, semejanza de figuras. Las culturas china e indiaLa no sobresalieron en geometr´ıa, limit´andose a la resoluci´on de problemas sobre distancias y semejanzas de cuerpos. [16] La geometr´ıa plana es una rama de las matem´aticas. Se ocupa de las propiedades del espacio, como: punto, recta, plano, pol´ıgono, poliedro, curva, superficie, etc. Sus or´ıgenes se remontan a la soluci´on de problemas relativos a medidas y es la justificaci´on te´orica de instrumentos, como el comp´as, el teodolito y el pant´ografo. [21] As´ı mismo, la geometr´ıa da fundamento te´orico a inventos como el sistema de posi- cionamiento global (en combinaci´on con el an´alisis matem´atico y con las ecuaciones diferenciales). La geometr´ıa se propone ir m´as all´a de lo alcanzado por la intuici´on. [19] Por ello, es necesario un m´etodo riguroso en el que no se cometan errores; para con- seguirlo se han utilizado hist´oricamente los sistemas axiom´aticos. El primer sistema axiom´atico fue el de Euclides7 , pero hoy se sabe que este sistema eucl´ıdeo es incompleto. David Hilbert 8 propuso a principios del siglo XX otro sistema axiom´atico, ya completo. [26] 7 Matem´atico y ge´ometra griego, que vivi´o alrededor del 300 a. C. Se le conoce como El Padre de la Geometr´ıa. Su vida es poco conocida. Vivi´o en Alejandr´ıa (Egipto) durante el reinado de Ptolomeo I. (algunos autores ´arabes afirman que Euclides era hijo de Naucrates). Se barajan tres hip´otesis: a) Euclides fue un personaje hist´orico que escribi´o Los elementos y otras obras atribuidas a ´el. b)Euclides fue el l´ıder de un equipo de matem´aticos que trabajaba en Alejandr´ıa. Todos ellos con- tribuyeron a escribir las obras completas de Euclides, incluso firmando los libros con el nombre de Euclides despu´es de su muerte. c) Las obras de Euclides fueron escritas por un equipo de matem´aticos de Alejandr´ıa, que tom´o el nombre Euclides del personaje hist´orico Euclides de Megara, que hab´ıa vivido unos cien a˜nos antes. [16] 8 David Hilbert (23 de enero de 1862, K¨onigsberg, Prusia Oriental - 14 de febrero de 1943, G¨ottingen, Alemania). Matem´atico alem´an, reconocido como uno de los m´as influyentes del siglo XIX y principios del XX. Hilbert y sus estudiantes proporcionaron partes de la infraestructura matem´atica necesaria para la mec´anica cu´antica y la relatividad general. Fue uno de los fundadores de la teor´ıa de la demostraci´on, la l´ogica matem´atica y la distinci´on entre matem´atica y metamatem´atica. Adopt´o y defendi´o vivamente la teor´ıa de conjuntos y los n´umeros transfinitos de Cantor. Un ejemplo famoso de su liderazgo mundial en la matem´atica es su presentaci´on en 1900 de un conjunto de problemas que establecieron el curso de gran parte de la investigaci´on matem´atica del siglo XX. En la pugna por demostrar correctamente algunos de los errores cometidos por Einstein, en la teor´ıa general de la relatividad, David Hilbert se adelant´o a las correcciones de Einstein, sin embargo nunca se otorg´o el m´erito. [14] 17
  • 19. Como en todo sistema formal, debe tenerse en cuenta que las definiciones, axiomas y teoremas no s´olo pretenden describir el comportamiento de unos objetos. Cuando se ax- iomatiza algo, se convierte ese comportamiento en el objeto de estudio, pudiendo olvidar ya los objetos iniciales del estudio (que se denominan modelos). Esto significa que en adelante, las palabras punto, recta y plano deben de perder todo significado visual. Si se conserva la idea de punto, recta y plano como lo que com´unmente se comprende como tales, las definiciones y axiomas, e incluso algunos de los teoremas parecer´an evidentes y carentes de importancia. Algunos tipos de geometr´ıas, son: Geometr´ıa Euclidea, Geometr´ıa anal´ıtica, Geometr´ıa hiperb´olica, Geometr´ıa proyec- tiva, Geometr´ıa el´ıptica, Geometr´ıa ampudiana, Geometr´ıa anal´ıtica, Geometr´ıa difer- encial, Geometr´ıa proyectiva, Geometr´ıa descriptiva, Geometr´ıa espacial, Geometr´ıa de incidencia, Geometr´ıa de dimensiones bajas y Geometr´ıa plana. La Geometr´ıa plana estudia las propiedades de superficies y figuras planas, como el tri´angulo o el c´ırculo, y se conoce como geometr´ıa Eucl´ıdea, en honor a Euclides. Su extenso tratado: Los Elementos se mantuvo como texto autorizado de geometr´ıa has- ta la aparici´on de las llamadas Geometr´ıa no euclideas en el siglo XIX. Estudia las propiedades del plano y el espacio tridimensional. En ocasiones los matem´aticos usan el t´ermino para englobar geometr´ıas de dimensiones superiores con propiedades similares. Sin embargo, con frecuencia, geometr´ıa euclidiana es sin´onimo de geometr´ıa plana. [26] Una parte importante de la geometr´ıa plana son las construcciones con regla y comp´as. Definiciones de Geometr´ıa Euclideana m´as espec´ıficas, pueden ser: 1. Desde un punto de vista historiogr´afico, la geometr´ıa euclidiana es aquella geometr´ıa que postul´o Euclides, en su libro Los elementos, dejando al margen las aporta- ciones que se hicieron posteriormente, desde Arqu´ımedes hasta Steiner. [26] 2. Seg´un la contraposici´on entre m´etodo sint´etico y m´etodo algebraico anal´ıtico, la ge- ometr´ıa euclidiana ser´ıa, el estudio sint´etico de los invariantes de un espacio vectorial real de dimensi´on 3 dotado de un producto escalar. 9 3. Seg´un el Programa de Erlangen,10 la geometr´ıa euclidiana ser´ıa el estudio de los invariantes de las isometr´ıas en un espacio euclidiano (espacio vectorial real de dimensi´on finita, dotado de un producto escalar). 9 Frecuentemente denominado producto escalar habitual. 10 Erlangen es una ciudad universitaria de Franconia Media, en el Estado federado de Baviera, que se encuentra en el sur de Alemania. Es la octava ciudad de Baviera. Las ciudades m´as cercanas son F¨urth (14 km al sur) y N´uremberg (16 km al sureste). Junto con los pueblos vecinos, constituyen el ´area metropolitana de N´uremberg, una de las once m´as importantes de Alemania. [26] 18
  • 20. Figura 2.6: Fragmento de Los elementos de Euclides, en papiro, hallado en Oxirrinco, Egipto. 2.2.2. Algunos Conceptos B´asicos El punto Es la representaci´on del m´ınimo lugar geom´etrico. Es el primer objeto y origen de los dem´as. No tiene dimensiones y generalmente se representa por un peque˜no c´ırculo, nombr´andolo con una letra may´uscula. Un segmento Es el conjunto de puntos que se encuentran entre dos puntos fijos, dados, A y B. La longitud del segmento es la distancia entre sus extremos A y B. Una Recta es el conjunto de puntos comprendidos entre dos puntos fijos considerados a una distancia infinita. No tiene origen ni fin (su longitud es infinita). Una semirrecta es cada una de las partes en que un punto divide a una recta. La semirrecta tiene origen, pero no fin. ´Angulos y Tipos de ´angulos. Un ´angulo es cada una de las 4 regiones en que queda dividido el plano al dibujar en ´el 2 rectas que se cortan. Recogemos aqu´ı la nomenclatura para algunos de los tipos de ´angulos m´as usuales, de una manera parecida a la realizada por los matem´aticos griegos, concretamente a la recogida por Euclides. ´Angulo Recto: Cuando dos l´ıneas que se cortan forman 4 ´angulos iguales, cada uno de ellos es un ´angulo recto y a ambas rectas se les llama perpendiculares. ´Angulo LLano: Fijamos un punto cualquiera sobre una recta. Cada una de las regiones que queda a ambos lados de la misma es un ´angulo llano. En consecuencia, un ´angulo llano equivale a dos ´angulos Rectos. ´Angulo Agudo: aqu´el que es menor que un ´angulo Recto. ´Angulo Obtuso: aqu´el que es mayor que un ´angulo Recto. 19
  • 21. Dos ´angulos se dicen Complementarios si juntos suman un ´angulo Recto. Dos ´angulos se dicen Suplementarios si suman dos ´angulos rectos (un ´angulo Llano). La figura 2.7 muestra dos rectas paralelas, L1 y L2, 11 cortadas por una secante. Esta Figura 2.7: Rectas paralelas cortadas por una secante disposici´on origina ocho ´angulos, cuatro entre L1 con la recta secante y cuatro m´as, cor- respondientes, entre L2 y la recta secante. Los ´angulos que est´an en la misma configuraci´on se denominan correspondientes. As´ı, en la figura 2.7 son ´angulos correspondientes: α con θ, β con ε, χ con µ y δ con ν. Afirmaci´on. ´Angulos correspondientes entre paralelas cortadas por una misma secante, son congruentes (tienen medida igual). Tambi´en relacionamos los ´angulos β con θ y δ con µ llam´andolos ´angulos alternos inter- nos entre paralelas cortadas por una misma secante. 12 An´alogamente, relacionamos los ´angulos α con ε y χ con ν llam´andolos ´angulos alternos externos entre paralelas cortadas por una misma secante. 13 Afirmaci´on. ´Angulos opuestos por el v´ertice, son congruentes. Prueba. En la figura 2.8 vemos que, ω + σ = λ + σ ⇐⇒ ω = λ 11 En Geometr´ıa Plana se puede considerar que dos rectas son paralelas si su intersecci´on es vac´ıa. 12 Son los ´angulos que se encuentran al interior de las paralelas pero en lado opuesto de la secante. 13 Son los ´angulos que se encuentran al exterior de las paralelas pero en lado opuesto de la secante. 20
  • 22. Afirmaci´on. ´Angulos alternos internos entre paralelas cortadas por una misma secante, Figura 2.8: ´Angulos opuestos por el v´ertice son congruentes y ´angulos alternos externos entre paralelas cortadas por una misma secante tambi´en son congruentes (tienen igual medida). Medida de ´Angulos. La manera m´as extendida en nuestro entorno para dar la me- dida de los ´angulos se basa en el principio de definir: Un Grado Sexagesimal como la medida del ´angulo que resulta de dividir un ´angulo total de circunferencia en 360 partes iguales. Cuando hablamos simplemente de grados en el contexto de la medida de ´angulos nos referiremos siempre a grados sexagesimales y la manera de expresar un ´angulo de x grados es: xo [1]. En las calculadoras, cuando queremos trabajar en grados sexagesimales debemos ele- gir el modo adecuado que, normalmente se denota por DEG. Lo m´as probable es que esta divisi´on tan arbitraria de 360 partes tenga que ver con la medida del tiempo y el hecho observado de que el movimiento de traslaci´on de la Tierra alrededor del Sol (o del Sol alrededor de la Tierra como se pens´o y defendi´o en alg´un momento) duraba aproximadamente 360 d´ıas. Con ello, un grado ser´ıa una aproximaci´on del ´angulo que se recorr´ıa en el periodo de un d´ıa en ese movimiento. Un ´angulo llano (una semicircunferencia) mide 180o y un ´angulo recto (1 4 de circun- ferencia) mide 90o . Sin embargo, la palabra Sexagesimal la motiva el hecho de que, cada grado se divide en 60 minutos y cada minuto en 60 segundos.14 14 La divisi´on en 360 partes tiene una motivaci´on hist´orica pero es totalmente arbitraria y, de hecho, con ser la m´as extendida, no es la ´unica que se usa. 21
  • 23. La popularizaci´on de esta medida contrasta con la dificultad de dibujar un ´angulo de un grado sexagesimal si no se cuenta con un instrumento de medida adecuado (un trans- portador de ´angulos, por ejemplo).15 Definici´on: Un Grado Centesimal ´o Gradi´an es la medida del ´angulo que resulta de dividir un ´angulo total de circunferencia en 400 partes iguales. Muchas calculadoras ad- miten este tipo de grados y es habitual que se abrevie con el modo GRAD que no hay que confundir con el anterior. En nuestro medio, la medida de ´angulos en Gradianes no es habitual. La otra medida de ´angulos m´as usual, es el Radi´an. Definici´on: El Radi´an Puesto que la longitud de la circunferencia es proporcional al radio, se puede definir el Radi´an como la medida de un ´angulo central de una circunferencia tal que el arco que abarca tiene la misma longitud que el radio. En particular, ya que la longitud de la circunferencia, en funci´on del radio r, es 2πr, el ´angulo total de la circunferencia ser´a de 2π radianes. De este modo podemos concluir que, el radio r es la raz´on de proporcionalidad entre la medida de un arco y la medida de su ´angulo central correspondiente, en radianes, de acuerdo a la figura 2.9, tenemos que: r = AB θ = Longitud del arcoAB Angulo AOB Asociada tradicionalmente a un cap´ıtulo tan importante de la actividad humana como es el de la observaci´on astron´omica, la noci´on de ´angulo es b´asica en geometr´ıa (y ob- viamente en trigonometr´ıa). Su aparente sencillez no ha de ocultar el hecho de que el tratamiento de los ´angulos como magnitudes susceptibles de ser medidas encierra una considerable complejidad; en efecto, un sistema de medici´on de los ´angulos que permita compararlos eficazmente con otras magnitudes geom´etricas, como la longitud o la super- ficie, requiere tratarlos como magnitudes lineales, lo que s´olo se consigue adecuadamente asoci´andolos a arcos de circunferencia. Pero el c´alculo de la longitud de la circunferencia hace intervenir una magnitud irracional, el n´umero π; esto implica que cuestiones aparentemente sencillas, como por ejemplo la divisi´on de un ´angulo cualquiera en tres partes iguales, no puedan resolverse mediante una construcci´on geom´etrica que se sirva exclusivamente de la regla y el comp´as. 15 Si nos limitamos a manejar s´olo regla y comp´as, no es posible hacerlo. 22
  • 24. Figura 2.9: Arco subtendido por el ´angulo θ Tri´angulos. El tri´angulo es el pol´ıgono m´as simple y fundamental, ya que todo pol´ıgono puede resolverse v´ıa tri´angulos, trazando todas las diagonales a partir de un v´ertice, o uniendo todos los v´ertices con un mismo punto interior al pol´ıgono. Clasificaci´on de los tri´angulos por Lados Is´osceles. Es el tri´angulo que tiene dos lados iguales, el tercer lado se llama base. Los ´angulos en la base son iguales. Rec´ıprocamente, si dos ´angulos de un tri´angulo son iguales, entonces los lados opuestos a dichos ´angulos tambi´en ser´an iguales. Equil´atero. Es el tri´angulo que tiene los tres lados iguales. Luego, es is´osceles para cualquier par de lados (los tres ´angulos de un tri´angulo equil´atero son iguales, cada uno mide 60o ). Rec´ıprocamente, si los tres ´angulos de un tri´angulo son iguales, es equil´atero. Cabe mencionar que al tri´angulo que tiene los tres ´angulos iguales se le llama equil´atero, pero tambi´en es llamado equi´angulo. Escaleno. Tri´angulo que tiene sus tres lados distintos entre s´ı. 23
  • 25. Clasificaci´on de los tri´angulos por ´angulos Acut´angulo. Un tri´angulo que tiene sus tres ´angulos agudos (cada uno mayor que 0o pero menor que 90o ). Rect´angulo. Cuando uno de los ´angulos es recto (igual a 90o ). Obtus´angulo. Cuando uno de los ´angulos es obtuso (mayor que 90o pero menor que 180o ). Postulados de Geometr´ıa Plana La presentaci´on tradicional de la geometr´ıa euclidiana se hace en un formato axiom´atico.16 Euclides plante´o cinco postulados en su sistema, los cuales son: 1. Dados dos puntos se puede trazar una y s´olo una recta que los une. 2. Cualquier segmento puede prolongarse de forma continua en cualquier sentido. 3. Se puede trazar una circunferencia con centro cualquiera y radio arbitrario. 4. Todos los ´angulos rectos son iguales. 5. Si una recta al cortar a otras dos, forma ´angulos no rectos, esas dos rectas prolon- gadas se cortan del lado en el que est´an los ´angulos menores que dos rectos. El ´ultimo postulado, conocido como postulado de las paralelas, fue reformulado como: 5. Por un punto exterior a una recta, pasa una ´unica paralela a dicha recta. Este postulado parece menos obvio que los otros cuatro. Muchos ge´ometras, incluido Euclides, intentaron deducirlo de los anteriores. Cuando intentaron reducirlo al absurdo neg´andolo, surgieron dos nuevas geometr´ıas: la el´ıptica, llamada geometr´ıa de Riemann o riemanniana (dada una recta y un punto exterior a ella, no existe recta alguna que pase por el punto y sea paralela a la recta dada) y la hiperb´olica o de Lobachevsky (existen varias rectas paralelas que pasan por un punto exterior a una recta dada). 16 Un sistema de axiomas es aquel que, a partir de un cierto n´umero de postulados que se presumen verdaderos (conocidos como axiomas) y a trav´es de operaciones l´ogicas, genera nuevos postulados cuyo valor de verdad es tambi´en positivo. 24
  • 26. El quinto postulado result´o que si bien es compatible con los otro cuatro, es en cierto modo independiente. [19] Es decir, tanto el quinto postulado como la negaci´on del quinto postulado, son compati- bles con los otros postulados. Una limitaci´on del trabajo de Euclides fue no reconocer la posibilidad de sistemas geom´etricos perfectamente consistentes donde el quinto axioma no era v´alido. Es decir, para Euclides y los ge´ometras posteriores hasta el siglo XVIII pas´o inadver- tida la posibilidad de geometr´ıas no euclidianas, hasta el trabajo de Nikol´ai Lobachevski 17 , Gauss 18 y Riemann 19 . Durante el siglo XIX se consider´o que las geometr´ıas no euclidianas eran un artefacto matem´aticamente interesante, e incluso con cierto inter´es pr´actico pero limitado, como es el caso de la trigonometr´ıa esf´erica usada en astronom´ıa. 17 Nikol´ai Iv´anovich Lobachevski (1 de diciembre de 1792 - 24 de febrero de 1856). Matem´atico ruso del siglo XIX. Entre sus logros se encuentra la demostraci´on de varias conjeturas relacionadas con el c´alculo tensorial aplicados a vectores en el espacio de Hilbert. Aplic´o un tratamiento cr´ıtico a los postulados fundamentales de la geometr´ıa euclidiana. Naci´o en Nizhni N´ovgorod y estudi´o en la Universidad de Kaz´an. Ense˜n´o en Kaz´an desde 1812 hasta 1846, y lleg´o a ser profesor de matem´aticas en 1823. Antes de Lobachesvski, los matem´aticos intentaban deducir el quinto postulado de Euclides a partir de los otros axiomas; sin embargo, Lobachevsky se dedic´o a desarrollar una geometr´ıa en la cual el quinto postulado puede no ser cierto o, mejor dicho, no ser v´alido. Para esto, entre otras cuestiones propuso un sistema geom´etrico basado en la hip´otesis del ´angulo agudo, seg´un la cual, en un plano, por un punto fijo pasan al menos 2 paralelas a una recta (en realidad tal soluci´on da noci´on de la existencia de tri´angulos curvos). Entre sus obras destacan Sobre los principios de la geometr´ıa (1829) y Geometr´ıa imaginaria (1835). Muri´o en Kaz´an en 1856. [26] 18 Johann Carl Friedrich Gauss (30 de abril de 1777, Brunswick - 23 de febrero de 1855, G¨ottingen). Matem´atico, astr´onomo y f´ısico alem´an. Contribuy´o en la teor´ıa de n´umeros, an´alisis matem´atico, ge- ometr´ıa diferencial, geodesia, magnetismo y ´optica. Considerado Pr´ıncipe de las matem´aticas y el mayor matem´atico desde la antig¨uedad. Influenci´o muchos campos de la matem´atica y de la ciencia. Fue de los primeros en extender el concepto de divisibilidad a otros conjuntos. Fue un ni˜no prodigio de quien existen muchas an´ecdotas acerca de su asombrosa precocidad, e hizo sus primeros descubrimientos mientras era adolescente. Complet´o su magnum opus, Disquisitiones Arithmeticae a los veinti´un a˜nos (1798), aunque no ser´ıa publicado hasta 1801. Un trabajo que fue fundamental para que la teor´ıa de los n´umeros se consolidara y ha molde´o esta ´area hasta hoy. [26] 19 Georg Friedrich Bernhard Riemann (Breselenz, Alemania, 17 de septiembre de 1826 - Verbania, Italia, 20 de julio de 1866). Matem´atico alem´an, realiz´o contribuciones en an´alisis y geometr´ıa diferencial, allanando el camino para el desarrollo de la relatividad general. Su nombre est´a conectado con la funci´on zeta, la integral de Riemann, el lema de Riemann, las variedades de Riemann, las superficies de Riemann y la geometr´ıa de Riemann. [26] 25
  • 27. Pero en cierto modo se consideraba, que la geometr´ıa del espacio f´ısico era euclidiana y por tanto las geometrias no euclidianas eran s´olo un artificio abstracto ´util para ciertos problemas pero en ning´un modo descripciones realistas del mundo. Sin embargo, el tra- bajo de Albert Einstein. 20 , hizo ver que entre las necesidades de la f´ısica moderna est´an las geometr´ıas no euclidianas, para describir el espacio - tiempo curvo. Cualquier conjunto de objetos que verifique las definiciones y axiomas cumplir´a todos los teoremas de la geometr´ıa en cuesti´on, y su comportamiento ser´a id´entico al del mod- elo tradicional. Por ejemplo, si en la noci´on de punto se considera el modelo en el que un punto cualquiera es un polinomio cualquiera de segundo grado: f(x) = ax2 + bx + c Si una recta es entonces una familia de polinomios o en lo consiguiente una familia de binomios o monomios de la manera: λ · f(x) : λ ∈ R y un plano es entendido como el conjunto: λ · f(x) + µ · g(x) : λ, µ ∈ R Todos los resultados de las distintas geometr´ıas son v´alidos para este modelo. [19] 20 Albert Einstein (Ulm, Alemania, 14 de marzo de 1879 - Princeton, Estados Unidos, 18 de abril de 1955). F´ısico alem´an, nacionalizado suizo y estadounidense. En 1905, public´o su teor´ıa de la rela- tividad especial. Probablemente, la ecuaci´on m´as conocida de la f´ısica a nivel popular, es la expresi´on matem´atica de la equivalencia masa energ´ıa, E = mc2 , deducida por ´el como una consecuencia l´ogica de esta teor´ıa. Public´o trabajos que sentaron las bases de la f´ısica estad´ıstica y la mec´anica cu´antica. En 1915 present´o la teor´ıa de la relatividad general, reformulando por completo el concepto de gravedad. Una de las consecuencias fue el surgimiento del estudio cient´ıfico del origen y evoluci´on del Universo por la rama de la f´ısica denominada Cosmolog´ıa. En 1919, cuando las observaciones brit´anicas de un eclipse solar confirmaron sus predicciones acerca de la curvatura de la luz, fue idolatrado por la prensa. Por sus explicaciones sobre el efecto fotoel´ectrico y sus contribuciones a la f´ısica te´orica, en 1921 obtuvo el Pre- mio Nobel de F´ısica y no por la Teor´ıa de la Relatividad, pues el cient´ıfico a quien se encomend´o la tarea de evaluarla, no la entendi´o, y temieron correr el riesgo de que posteriormente se demostrase err´onea. Ante el ascenso del nazismo en diciembre de 1932, el cient´ıfico abandon´o Alemania con destino a Estados Unidos, donde imparti´o docencia en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton. Se nacionaliz´o es- tadounidense en 1940. Intent´o integrar en una teor´ıa la fuerza gravitatoria y la electromagn´etica. Aunque es considerado el padre de la bomba at´omica, abog´o en sus escritos por el pacifismo, el socialismo y el sionismo. Fue proclamado como el m´as eminente cient´ıfico por la c´elebre revista Time. [26] 26
  • 28. Congruencia de Tri´angulos La congruencia de tri´angulos estudia los casos en que dos o m´as tri´angulos presentan ´angulos de igual medida, as´ı como lados de igual medida. Para que se d´e la congruencia de dos o m´as tri´angulos, sus lados respectivos deben ser congruentes (igual medida). Las figuras congruentes son aquellas que tienen la misma forma y el mismo tama˜no. Las partes coincidentes de las figuras congruentes se llaman hom´ologas o correspondientes. Para corroborar que dos tri´angulos son congruentes se debe asegurar la congruencia de todos los lados de uno con todos los lados correspondientes del otro y la congruencia de todos los ´angulos de uno con todos los ´angulos correspondientes del otro. Congruencia de tri´angulos Dos tri´angulos son congruentes cuando sus tres lados y tres ´angulos tambi´en lo son. Puede demostrarse la congruencia de dos tri´angulos si se sabe ciertas de sus partes correspondientes son hom´ologas. Las condiciones m´ınimas para que dos tri´angulos sean congruentes se denominan criterios de congruencia. Son: Criterio LLL: Si en dos tri´angulos los tres lados de uno son respectivamente con- gruentes con los del otro, entonces los tri´angulos son congruentes. Criterio LAL: Si los lados que forman un ´angulo, y ´este, son congruentes con dos lados y el ´angulo comprendido por estos de otro tri´angulo, entonces los tri´angulos son congruentes. Criterio ALA: Si dos ´angulos y el lado entre ellos son respectivamente congruentes con los mismos de otro tri´angulo, entonces los tri´angulos son congruentes. Criterio LLA: Si dos tri´angulos que tienen dos lados y el ´angulo opuesto al mayor de ellos es respectivamente congruente, entonces son congruentes. Razones y Proporciones Una raz´on es una forma de comparar dos cantidades expresadas en la misma unidad de medida. En una proporci´on se cumple lo que se denomina propiedad fundamental, y se conoce como producto cruzado, pues en realidad corresponde a la igualdad que se presenta al multiplicar los t´erminos extremos entre s´ı y lo mismo entre los t´erminos medios, quedando: a b = c d ⇐⇒ a · d = b · c 27
  • 29. La proporcionalidad es una relaci´on entre magnitudes medibles. Es uno de los escasos conceptos matem´aticos ampliamente difundido en la poblaci´on. Esto se debe a que es en buena medida intuitiva y de uso muy com´un. La proporcionalidad directa es un ca- so particular de las variaciones lineales. El factor constante de proporcionalidad puede utilizarse para expresar las relaciones entre las magnitudes. Semejanza de Tri´angulos Una semejanza es la composici´on de una materia (una rotaci´on y una posible reflexi´on o simetr´ıa axial) con una homotecia (una transformaci´on af´ın que, a partir de un punto fijo, multiplica todas las distancias por un mismo factor. En general una homotecia de raz´on diferente de 1 deja un ´unico punto fijo, llamado centro de la transformaci´on). En la rotaci´on se puede cambiar el tama˜no y la orientaci´on de una figura pero no se altera su forma. Por lo tanto, dos tri´angulos son semejantes si tienen similar forma. En el caso del tri´angulo, la forma s´olo depende de sus ´angulos (no as´ı en el caso de un rect´angulo, por ejemplo, donde uno de sus ´angulos es recto pero cuya forma puede ser m´as o menos alargada, es decir que depende del cociente base altura ). Se puede simplificar as´ı la definici´on: dos tri´angulos son semejantes si sus ´angulos son iguales dos a dos. Una similitud tiene la propiedad (que la caracteriza) de multiplicar todas la longitudes por un mismo factor. Por tanto, son iguales todas las razones longitud imagen longitud origen , lo que da una segunda car- acterizaci´on de tri´angulos semejantes: Dos tri´angulos son semejantes si las razones de los lados correspondientes son congruentes. Corolarios Todos los tri´angulos equil´ateros son semejantes. Si dos tri´angulos tienen dos ´angulos iguales, los terceros tambi´en son iguales. 28
  • 30. 2.3. Trigonometr´ıa La trigonometr´ıa es la rama de las matem´aticas que estudia las relaciones entre los lados y los ´angulos de tri´angulos, de las propiedades y aplicaciones de funciones trigonom´etricas de ´angulos. Sus dos ramas son, fundamentalmente, la plana, que se ocupa de figuras contenidas en un plano, y la esf´erica, que se ocupa de tri´angulos que forman parte de la superficie de una esfera. Incidencia Las aplicaciones iniciales de la trigonometr´ıa se hicieron en campos de la navegaci´on, la geodesia y la astronom´ıa [10] [21], en las que el principal problema era determinar una distancia inaccesible (como la distancia entre la Tierra y la Luna, o una distancia que no sea posible medir de forma directa). Otras aplicaciones de la trigonometr´ıa se pueden encontrar en f´ısica, en qu´ımica y, en general, en todas las ramas de ingenier´ıa, sobre todo en el estudio de fen´omenos peri´odicos, como el sonido o el flujo de corriente alterna. 2.3.1. Datos Hist´oricos Inicios. Hace ya m´as de 3000 a˜nos los babilonios y los egipcios empleaban ´angulos de tri´angulos y razones trigonom´etricas para medir, en agricultura los primeros, y en con- strucci´on de pir´amides los segundos. Aplicaron los primeros estudios de astronom´ıa para calcular la posici´on de cuerpos ce- lestes y la predicci´on de sus ´orbitas, en los calendarios y el c´alculo del tiempo, y en navegaci´on para mejorar la exactitud de la posici´on y de las rutas. [2] [16] Los egipcios establecieron medir los ´angulos en grados, minutos y segundos, manteni´endose hasta hoy. 29
  • 31. En el siglo II a.C. el astr´onomo Hiparco de Nicea21 , conocido como Hiparco de Ro- das (190 a.C. - 120 a.C.), de Bitinia22 , compil´o una tabla trigonom´etrica para resolver tri´angulos, comenzando con un ´angulo de 7o , yendo hasta 180◦ con incrementos de 7◦ , la tabla da la longitud de la cuerda delimitada por los lados del ´angulo central dado que corta a una circunferencia de radio r. [14] 300 a˜nos m´as tarde el astr´onomo Tolomeo23 utiliz´o r = 60, pues los griegos hab´ıan adoptado el sistema num´erico sexagesimal (base 60) de los babilonios. Tolomeo incorpor´o en su libro de astronom´ıa, el Almagesto, una tabla de cuerdas con incrementos, desde 0◦ a 180◦ , con un error menor que 1 3600 de unidad angular, y a lo largo del libro da ejemplos de c´omo calcular elementos de un tri´angulo. Tolomeo domin´o el pensamiento cient´ıfico hasta el siglo XVI por teor´ıas y explicaciones astron´omicas. Maduraci´on. A finales del siglo VIII los astr´onomos ´arabes, que recibieron la herencia de las tradiciones griegas, y de la India, prefirieron trabajar con la funci´on seno. A finales del siglo X completaron la funci´on seno junto con las otras cinco funciones. Descubrieron y demostraron varios teoremas fundamentales de la trigonometr´ıa tanto para tri´angulos planos como esf´ericos. Varios matem´aticos sugirieron el uso del valor r = 1 en vez de r = 60, lo que produjo los valores modernos de las funciones trigonom´etricas. Los ´arabes calcularon tablas precisas en divisi´on sexagesimal, destacando Abu al - Wafa al - Buzad- jami (940 d.C. - 997 d.C.) por las divisiones en cuarto de grado, con cuatro posiciones sexagesimales. Occidente conoci´o la trigonometr´ıa ´arabe a trav´es de traducciones de li- bros de astronom´ıa, desde el siglo XII. En el siglo XV, el primer trabajo importante en esta materia en Europa fue, De triangulus escrito por el matem´atico y astr´onomo alem´an Johann M¨uller24 . Durante el siguiente siglo, El astr´onomo alem´an Georges Joachim 25 (conocido como R´etico), introdujo el concepto de funciones trigonom´etricas como pro- porciones en vez de longitudes de ciertas l´ıneas. 21 Hiparco fue un astr´onomo, ge´ografo y matem´atico griego (nacido en Nicea alrededor de 190 a.C. y muere alrededor de 120 a.C.). Nace dos a˜nos antes de la muerte de Erat´ostenes, del que fue sucesor en la direcci´on de la Biblioteca de Alejandr´ıa. Entre sus aportaciones cabe destacar: el primer cat´alogo de estrellas, el descubrimiento de la precesi´on de los equinoccios, distinci´on entre a˜no sid´ereo y a˜no tr´opico, mayor precisi´on en la medida de la distancia Tierra - Luna y de la oblicuidad de la ecl´ıptica, la invenci´on de la trigonometr´ıa y de los conceptos de longitud y latitud geogr´aficas. [26] 22 Hoy Iznik, Turqu´ıa. 23 Claudio Ptolomeo, (Tolemaida, Tebaida, 100 d.C. C´anope, 170 d.C.) Astr´onomo, qu´ımico, ge´ografo y matem´atico greco egipcio, llamado en espa˜nol Ptolomeo (o Tolomeo). [26] 24 K¨onigsberg in Bayern (Franconia), 6 de junio 1436 - Roma, 6 de julio de 1476. Prol´ıfico astr´onomo y matem´atico alem´an. Su nombre real es Johann M¨uller K¨onigsberg. [26] 25 Primer Vizconde de Goschen; Londres, 1831 - Seacox Heath, 1907. Pol´ıtico brit´anico. Brillante economista, consigui´o reducir la deuda p´ublica. [26] 30
  • 32. Desarrollo. En el siglo XVII, aparece Sir Isaac Newton26 En las universidades se inicia con C´alculo diferencial (Newton comienza su desarrollo del c´alculo con integraci´on) para continuar con C´alculo integral, partiendo de funciones reales de variable real, para llegar a funciones multi variables de variable compleja. Uno de los fundamentos del trabajo de Newton fue la representaci´on de funciones matem´aticas utilizando series infinitas de potencias de la variable x. Newton encontr´o la serie para sin(x) y series similares para cos(x) y tan(x). Con la invenci´on del c´alculo las funciones trigonom´etricas fueron in- corporadas al an´alisis, donde todav´ıa hoy desempe˜nan un papel importante tanto en las matem´aticas puras como en las aplicadas.27 Por ´ultimo, en el siglo XVIII, el matem´atico suizo Leonhard Euler28 fund´o la trigonometr´ıa moderna y defini´o las funciones trigonom´etricas utilizando expresiones con exponenciales de n´umeros complejos. Esto convirti´o a la trigonometr´ıa en una de las muchas aplicaciones de los n´umeros complejos. Tambi´en se le debe a este matem´atico el uso de las min´uscu- las latinas a, b, c para los lados de un tri´angulo plano o esf´erico y el de las may´usculas correspondientes A, B, C para los ´angulos opuestos. La Trigonometr´ıa es la parte de las matem´aticas que analiza las medidas de los tres ´angulos y los tres lados de un Tri´angulo. Las relaciones entre sus ´angulos, sus lados, ... 26 Naci´o el 4 de enero de 1643 y muri´o el 31 de marzo de 1727. F´ısico, fil´osofo, te´ologo, inventor, alquimista y matem´atico ingl´es, autor de los Philosophiae naturalis principia mathematica, m´as cono- cidos como los Principia, donde describi´o la ley de gravitaci´on universal y estableci´o las bases de la mec´anica cl´asica mediante las leyes que llevan su nombre. Entre sus descubrimientos cient´ıficos destaca el desarrollo del c´alculo matem´atico y comparte con Leibniz el cr´edito por el desarrollo del c´alculo in- tegral y diferencial, que utiliz´o para formular sus leyes de la f´ısica. [14] Entre sus hallazgos cient´ıficos se encuentran, entre muchos otros, su propuesta de una teor´ıa sobre el origen de las estrellas y fue el primero en demostrar que las leyes naturales que gobiernan el movimiento en la Tierra y las que gob- iernan el movimiento de los cuerpos celestes son las mismas. Es, a menudo, calificado como el cient´ıfico m´as grande de todos los tiempos, y su obra como la culminaci´on de la revoluci´on cient´ıfica. 27 Al tiempo que Newton, en Inglaterra, desarrolla el C´alculo (de forma geom´etrica), otro hombre en Alemania: Leibniz, desarrolla la misma teor´ıa (de manera algebraica), gener´andose para Leibniz un problema por derechos de autor, hasta el punto de solicitar infructuosamente , de manera reiterada, una audiencia (en Inglaterra) con la Real Sociedad de Ciencias (de la cual Newton fue director). [26] 28 Su nombre completo era Leonhard Paul Euler. Fue un respetado matem´atico y f´ısico. Naci´o el 15 de abril de 1707 en Basilea (Suiza) y muri´o el 18 de septiembre de 1783 en San Petersburgo (Rusia). Se le considera el principal matem´atico del siglo XVIII y como uno de los m´as grandes de todos los tiempos. Vivi´o en Rusia y Alemania la mayor parte de su vida y realiz´o importantes descubrimientos en ´areas tan diversas como el c´alculo o la teor´ıa de grafos. Se le conoce por sus trabajos en los campos de la mec´anica, ´optica y astronom´ıa. Euler ha sido uno de los matem´aticos m´as prol´ıficos, y se calcula que sus obras completas reunidas podr´ıan ocupar entre 60 y 80 vol´umenes. [14] El asteroide (2002) Euler recibi´o ese nombre en su honor. [26] 31
  • 33. Pero la mayor parte de las relaciones y resultados que se estudian en Trigonometr´ıa se basan en algunos principios b´asicos de Geometr´ıa y, fundamentalmente, en la Propor- cionalidad. El maestro desde antes de comenzar el tema como tal, debe ir introduciendo cuestiones b´asicas relacionadas con ´angulos y tri´angulos, con proporcionalidad, ... Para la mayor´ıa de los alumnos de secundaria, muchos conceptos y procedimientos ge- om´etricos que siempre han sido competencia de la Matem´atica, son ahora vistos como Dibujo T´ecnico y, en muchos casos, sin sus justificaciones formales. Por ello, el maestro debe introducir muchos resultados auxiliares, necesarios o no, que acerquen la Geometr´ıa Plana a las Matem´aticas, su lugar natural. Debemos procurar que una premisa b´asica est´e siempre presente y gu´ıe muchos de nue- stros procesos para comprender mejor los conceptos y resultados que estudiamos: Si se puede dibujar con regla y comp´as, se puede calcular Recordaremos as´ı a los maestros griegos y sus sencillas herramientas de trabajo. Ver la geometr´ıa y, en este caso, la Trigonometr´ıa, de forma constructivista, tiene enormes beneficios en la comprensi´on de conceptos estudiados en secundaria y universidad. 2.3.2. Algunos Conceptos B´asicos La distancia desde un punto situado al pie de una monta˜na hasta su cima, por ejemplo, o desde una embarcaci´on hasta un determinado punto de la costa, o la que separa dos astros, pueden resultar inaccesibles a la medici´on directa; en cambio, el ´angulo que forma la visual dirigida a un accidente geogr´afico, o a un punto de la b´oveda celeste, con otra visual fijada de antemano (como puede ser la dirigida seg´un la horizontal), acostumbra ser f´acil de medir mediante instrumentos relativamente sencillos. El objetivo de la trigonometr´ıa es establecer las relaciones matem´aticas entre las me- didas de las longitudes de los segmentos que forman los lados de un tri´angulo con las medidas de las amplitudes de sus ´angulos, de manera que resulte posible calcular las unas mediante las otras. Un tipo particular de tri´angulos, los tri´angulos rect´angulos, se caracterizan por satisfacer una relaci´on m´etrica, el llamado teorema de Pit´agoras (ver la tercer subsecci´on de la tercer secci´on del segundo cap´ıtulo, 2.3.3), que es la base de nuestro concepto de medida de las dimensiones espaciales. 32
  • 34. Funciones Trigonom´etricas La raz´on se define como la comparaci´on por cociente (divisi´on) de dos magnitudes de la misma especie (se trata de un n´umero abstracto). Las funciones trigonom´etricas son fun- ciones cuyos valores son extensiones del concepto de raz´on trigonom´etrica en un tri´angulo rect´angulo trazado en una circunferencia unitaria (de radio uno). Definiciones m´as modernas las describen como series infinitas o como la soluci´on de ciertas ecuaciones diferenciales, permitiendo su extensi´on a valores positivos y negativos, e incluso a n´umeros complejos. Dado un ´angulo agudo, tomemos un punto cualquiera sobre uno de sus lados; por ejem- plo, el punto M, situado sobre el lado OM (O es el v´ertice). Si por M trazamos una perpendicular, que cortar´a al otro lado del ´angulo, en el punto S, quedan determinados tres segmentos, los cuales forman un tri´angulo rect´angulo. En un tri´angulo rect´angulo, al lado m´as grande (el que est´a frente al ´angulo de 90o ) se le denomina hipotenusa, y a los otros dos lados se les llama catetos. Con los tres segmentos definidos, se pueden obtener seis razones distintas, que son: 33
  • 35. 1. Seno, sin(θ): Se obtiene dividiendo el cateto opuesto entre la hipotenusa. sin(θ) = opuesto hipotenusa 2. Coseno, cos(θ): Se obtiene dividiendo el cateto adyacente entre la hipotenusa. cos(θ) = adyacente hipotenusa 3. Tangente, tan(θ): Se obtiene dividiendo el cateto opuesto entre el cateto adya- cente. tan(θ) = opuesto adyacente = sin(θ) cos(θ) 4. Cotangente, cot(θ): Se obtiene dividiendo el cateto adyacente entre el cateto opuesto. cot(θ) = adyacente opuesto = cos(θ) sin(θ) = 1 tan(θ) 5. Secante, sec(θ): Se obtiene dividiendo la hipotenusa entre el cateto adyacente. sec(θ) = hipotenusa adyacente = 1 cos(θ) 6. Cosecante, csc(θ): Se obtiene dividiendo la hipotenusa entre el cateto opuesto. csc(θ) = hipotenusa opuesto = 1 sin(θ) Las funciones seno y coseno son funciones anal´ıticas. Su serie de Maclaurin viene dada por: sin(x) = ∞ i=1 (−1)k x2k+1 (2k + 1)! = x 1! − x3 3! + x5 5! . . . cos(x) = ∞ i=1 (−1)k x2k (2k)! = 1 0! − x2 2! + x4 4! . . . Estas identidades son usadas como las definiciones de las funciones seno y coseno. Con frecuencia se utilizan como punto de partida para el tratamiento riguroso de las funciones trigonom´etricas y sus aplicaciones (por ejemplo en las Series de Fourier). Debido a que la teor´ıa de las series infinitas puede ser desarrollada a partir de la base del sistema de n´umeros reales, independientemente de cualquier consideraci´on geom´etrica. La diferenciabilidad y continuidad de estas funciones es entonces establecida a partir de las definiciones de series por si misma. 34
  • 36. Figura 2.10: Razones trigonom´etricas de ´angulos notables Relaci´on con la exponencial compleja. Existe una relaci´on importante entre la exponenciaci´on de n´umeros complejos y las funciones trigonom´etricas: eix = cos(x) + i sin(x) Esta relaci´on puede probarse usando el desarrollo en serie de Taylor para la funci´on ex- ponencial y el obtenido en la secci´on anterior para las funciones seno y coseno. Separando ahora en parte real e imaginaria en la expresi´on anterior se encuentran las definiciones de seno y coseno en t´erminos de exponenciales complejas: cos(x) = eix + e−ix 2 sin(x) = eix − e−ix 2i La importancia de los radianes. Los radianes especifican un ´angulo midiendo la longitud alrededor del camino del circulo unitario y constituyen un argumento especial para las funciones seno y coseno. En particular, solamente los senos y cosenos que mapean radianes a radio satisfacen las ecuaciones diferenciales que los describen tradicionalmente. Si un argumento para el seno o el coseno en radianes es escalado por frecuencia, y = f(x) = sin(kx) 35
  • 37. Figura 2.11: Signos de razones trigonom´etricas en diferentes cuadrantes del plano cartesiano entonces las derivadas escalan por amplitud. y = f (x) = k cos(kx) k es una constante que representa un mapeo entre unidades. Si x esta en grados, entonces k = π 180o . As´ı, la segunda derivada de seno en grados no satisface la ecuaci´on diferencial y = −y, sino y = −k2 y. El coseno de la segunda derivada se comporta similar. Esto quiere decir que estos senos y cosenos son funciones diferentes, y que la cuarta derivada del seno es nuevamente el seno, ´unicamente si el argumento est´a definido en radianes. El concepto de raz´on Trigonom´etrica de un ´angulo agudo se generaliza sin problema a cualquier tipo de ´angulo. De hecho, las relaciones de proporcionalidad son gen´ericas. Sin embargo, para hacer esta generalizaci´on, no nos vale el patr´on de un tri´angulo rect´angu- lo porque todos sus ´angulos son menores o iguales a un recto. Por ello se trabaja con la circunferencia goniom´etrica. Un goni´ometro es un instrumento que sirve para medir ´angulos. Una circunferencia goniom´etrica es una circunferencia especial que se utiliza para medir ´angulos y definir las razones trigonom´etricas de los mismos. Consideremos una circunferencia de radio 1. Como todas las relaciones trigonom´etricas son razones de proporcionalidad, el valor del radio nos resultar´a indiferente pero, si lo consideramos como 1, simplificar´a los c´alculos. Los ´angulos se situar´an sobre la circun- ferencia siguiendo los siguientes principios: 1. El v´ertice en el centro de la circunferencia. 2. Uno de sus lados coincide con el semieje positivo de las abscisas x. 3. El otro lado se coloca donde le corresponda, abriendo el ´angulo en sentido contrario a las agujas del reloj. 4. Cuando se abre el ´angulo en el mismo sentido de las agujas del reloj, se considera su valor como negativo. 36
  • 38. Identidades Trigonom´etricas B´asicas. No perdamos de vista que las funciones trigonom´etricas aparecen al relacionar los catetos y la hipotenusa de todo tri´angulo rect´angulo.29 Pero, al analizar estas relaciones como funciones en un plano cartesiano, ellas pasan a definirse en t´erminos de proyecciones sobre el eje x 30 y sobre el eje y 31 de una varilla de longitud 1, sujeta en uno de sus extremos en el origen (0, 0), con posibilidad de girar, de tal manera que su otro extremo recorre la trayectoria de la circunferencia unitaria (radio 1). Esta idea nos puede servir para Figura 2.12: Varilla fija en el origen. El otro extremo recorre la circunferencia unitaria comprender varias propiedades de las funciones trigonom´etricas, en particular sin(α) y cos(α). Por ejemplo, la figura 2.12 muestra que podemos reemplazar a x con cos(α) y a y con sin(α), y as´ı obtenemos una de las identidades fundamentales. cos2 (α) + sin2 (α) = 1 29 Es posible que la trigonometr´ıa se originara como consecuencia de relacionar longitudes de gnomones, con sus sombras y los ´angulos involucrados, pr´acticas obligatorias para los hombres que iniciaron la astronom´ıa. Luego, seguramente, para ubicar rutas mar´ıtimas. 30 Podemos imaginar al coseno del ´angulo como la longitud de la sombra de la varilla en el eje x cuando esta es iluminada con la fuente de luz ubicada en el lugar ad. 31 Podemos imaginar al seno del ´angulo como la longitud de la sombra de la varilla en el eje y cuando esta es iluminada con la fuente de luz ubicada en el lugar op. 37
  • 39. Algunas identidades trigonom´etricas Razones de la suma y diferencia de 2 ´angulos a) sin (α ± β) = sin (α) · cos (β) ± cos (α) · sin (β) b) cos (α ± β) = cos (α) · cos (β) sin (α) · sin (β) c) tan (α ± β) = tan (α) ± tan (β) 1 tan (α) · tan (β) Razones del ´angulo doble. Si en las anteriores identidades, hacemos α = β, donde 2α = α + β, tenemos que a) sin (2α) = sin (α) · cos (α) + cos (α) · sin (α) = 2 · sin (α) · cos (α) b) cos (2α) = cos (α) · cos (α) − sin (α) · sin (α) = cos2 (α) − sin2 (α) c) tan (2α) = tan (α) + tan (α) 1 − tan (α) · tan (α) = 2 · tan (α) 1 − tan2 (α) Razones del ´angulo medio a) sin α 2 = ± 1 − cos (α) 2 b) cos α 2 = ± 1 + cos (α) 2 c) tan α 2 = ± 1 − cos (α) 1 + cos (α) Sumas y Diferencias de senos y cosenos a) sin (α) + sin (β) = 2 · sin α + β 2 · cos α − β 2 b) sin (α) − sin (β) = 2 · cos α + β 2 · sin α − β 2 c) cos (α) + cos (β) = 2 · cos α + β 2 · cos α − β 2 d) cos (α) − cos (β) = −2 · sin α + β 2 · sin α − β 2 38
  • 40. Dos Teoremas Para Todo Tri´angulo Si en un tri´angulo cualquiera trazamos una de sus alturas, el tri´angulo queda dividido en dos tri´angulos rect´angulos. Haciendo esto con cada una de las tres alturas relativas a cada uno de los lados y recordando los resultados iniciales b´asicos que expresaban la proyecci´on ortogonal de un lado del tri´angulo sobre la base en funci´on del Coseno y la altura en funci´on del Seno, obtenemos dos Teoremas de mucha utilidad pr´actica en problemas que tengan como objetivo resolver tri´angulos cualesquiera. Anteriormente se presentaron resultados para tri´angulos rect´angulos, pero en general, las situaciones problema que involucran tri´angulos no necesariamente rect´angulos. Figura 2.13: Esquema de un tri´angulo gen´erico Teorema del Seno. Para todo tri´angulo, de acuerdo a las convenciones de la figura 2.13, se cumple que: ABC : a sin α = b sin β = c sin θ Teorema del Coseno. Para todo tri´angulo, de acuerdo a las convenciones de la figura 2.13, se cumple que: ABC : a2 = b2 + c2 − 2bc cos (α) b2 = a2 + c2 − 2ac cos (β) c2 = a2 + b2 − 2ab cos (θ) 39
  • 41. 2.3.3. Teorema de Pit´agoras Pit´agoras de Samos. Fil´osofo y matem´atico. Naci´o en la isla de Samos (582 a.C.). De joven viaj´o a Mesopotamia y Egipto y luego regres´o a Samos. Sus doctrinas eran reglas estrictas de conducta. Su escuela (rigurosamente esot´erica) estaba abierta a hombres y mujeres, (la conducta discriminatoria estaba prohibida). Sus estudiantes pertenec´ıan a todas las razas, religiones, y estratos econ´omicos y sociales. Aprendi´o a tocar la lira, a escribir poes´ıa y a recitar a Homero. El esfuerzo para generalizar un teorema matem´atico a partir de casos particulares muestra el m´etodo pitag´orico para la purificaci´on y perfecci´on del alma. El universo era un cosmos, conjunto ordenado en el que los cuerpos celestes guardaban disposici´on arm´onica. En un sentido sensible, la armon´ıa era musical; pero su naturaleza inteligible era de tipo num´erico y, si todo era armon´ıa, el n´umero resultaba ser la clave de todas las cosas. Los pitag´oricos atribu´ıan todos sus descubrimientos a Pit´agoras por lo que es dif´ıcil determinar con exactitud cuales resultados son obra del maestro y cuales de los disc´ıpulos. Entre sus descubrimientos est´an: Una prueba del teorema de Pit´agoras. Si bien los pitag´oricos no descubrieron este teorema (ya era conocido y aplicado en Babilonia y la India desde hac´ıa tiempo), s´ı fueron los primeros en demostrar formalmente el teorema. Tambi´en demostraron el converso del teorema (si los lados de un tri´angulo satisfacen la ecuaci´on, entonces el tri´angulo es recto). Ternas pitag´oricas. Es una terna de n´umeros enteros (a, b, c) tales que a2 +b2 = c2 . Aunque los babilonios ya sab´ıan generar tales ternas en ciertos casos, los pitag´ori- cos extendieron el estudio encontrando resultados como cualquier entero impar es miembro de una terna pitag´orica primitiva. S´olidos regulares. Los pitag´oricos descubrieron el dodecaedro y demostraron que s´olo existen 5 poliedros regulares. N´umeros perfectos. Estudiaron aquellos n´umeros que son iguales a la suma de sus divisores propios (por ejemplo 6=1+2+3). Encontraron una f´ormula para obtener ciertos n´umeros perfectos pares. N´umeros amigables. Un par de n´umeros son amigables si cada uno es igual a la suma de los divisores propios del otro. N´umeros irracionales. El descubrimiento de que la diagonal de un cuadrado de lado 1 no puede expresarse como un cociente de n´umeros enteros marca el descubrimiento de los n´umeros irracionales. 40
  • 42. Medias. Los pitag´oricos estudiaron la relaci´on entre las medias aritm´etica, geom´etri- ca y arm´onica de dos n´umeros y obtuvieron la relaci´on 2ab a + b ≤ √ ab ≤ a + b 2 N´umeros figurados. Un n´umero es triangular, cuadrangular, pentagonal, etc., si tal n´umero de guijarros se pueden acomodar formando el pol´ıgono correspondiente con lados 1,2,3, etc. Pit´agoras protesta contra la imagen de dioses mitol´ogicos. Ense˜na la existencia de un ´unico Dios que mantiene el mundo unido en la justicia. Este Dios no piensa como hu- mano ni tiene forma humana. Su cuerpo es una esfera y la divinidad se manifiesta en el movimiento circular del fuego de los astros. Pit´agoras muere cerca del a˜no 507 a.C. [26] Pit´agoras fue el iniciador de la filosof´ıa idealista. Seg´un ´el, los n´umeros constituyen la sustancia de las cosas, ellas guardan una relaci´on num´erica que las distingue de las dem´as. Uno de sus muchos aportes es el teorema que lleva su nombre. El teorema dice que, en todo tri´angulo rect´angulo, El cuadrado de la hipotenusa es igual a la suma de los cuadrados de los catetos. A continuaci´on se da una peque˜na demostraci´on del teorema. Como lo muestra la figura 2.14, primero se elabor´o un cuadrado de lados (a + b), los cuales se pueden separar en dos segmentos, a y b; despu´es, se unen los cuatro puntos en que se cortan los lados (a + b), y se forma lo que aparentemente es otro cuadrado. Para demostrar que efectivamente es un cuadrado, se puede observar con facilidad que sus lados son iguales, ya que las hipotenusas de los cuatro tri´angulos que forman el cuadrado son iguales, pues sus catetos son a y b, por lo tanto la hipotenusa mide lo mismo en todos los tri´angulos; a ´esta le llamaremos c. Para confirmar que sus ´angulos son rectos, basta suponer que uno de los ´angulos del tri´angulo mide Ao y el otro medir´a (90o − Ao ), por lo tanto al juntar estos dos ´angulos, medir´an 90o y el ´angulo que queda en medio, para completar los 180o que deben medir los tres juntos, tendr´a que medir, 90o ; as´ı, los otros tres ´angulos, del cuadrado interno tambi´en son rectos. Por ´ultimo, vamos a medir el ´area de las figuras. El ´area del cuadrado interno mide c2 . El ´area del cuadrado grande mide (a + b)(a + b) = a2 + 2ab + b2 41
  • 43. Figura 2.14: Cuadrado formado con cuatro tri´angulos rect´angulos congruentes y el ´area de los cuatro tri´angulos mide 4 ab 2 = 2ab Por lo tanto si al ´area del cuadrado grande le restamos la de estos tri´angulos, obtendr´ıamos la del cuadrado interno, es decir, a2 + 2ab + b2 − 2ab = a2 + b2 Finalmente, igualamos las dos ´areas que obtuvimos del cuadrado interno: c2 = a2 + b2 As´ı, queda demostrado el teorema de Pit´agoras, uno de los m´as grandes fil´osofos y matem´aticos de la historia. 42
  • 44. Cap´ıtulo 3 Erat´ostenes Este cap´ıtulo busca identificar, lo m´as veraz posible, el tiempo en el que datamos los primeros rastros sobre el conjeturar, pero a´un m´as relevante, sobre el demostrar, el hecho de que nuestro planeta tiene forma geom´etrica casi esf´erica. 1 Tambi´en trata este cap´ıtulo de determinar, con fundamento, el lugar geogr´afico donde se gest´o la idea de una tierra redonda, y su vivir para tratar de estimarlo. Adem´as, este cap´ıtulo pretende, en espe- cial, dar reconocimiento a la mente humana que concibi´o la idea de redondear nuestro planeta, y del c´omo registr´o, con rigurosidad cient´ıfica, estimaciones muy precisas que argumentan, sin lugar a duda, dicha afirmaci´on.2 Apesar de que ninguna de las obras de Erat´ostenes nos lleg´o completa, sabemos suficiente para considerarlo una de las figuras m´as importantes de aquella edad de oro de las ciencias, la ´epoca helen´ıstica. [20] 1 Sabemos, desde Sir Isaac Newton, que la forma de la superficie terrestre, vista desde lejos, no es exactamente esf´erica sino, achatada en los polos (debido a la rotaci´on alrededor de un eje, present´andose fuerzas centr´ıfugas que en el pasar de los millones de a˜nos, la deformaron, experimentando mayor ve- locidad tangencial cerca del ecuador). 2 No perdamos de vista que, mil setecientos a˜nos despu´es, la humanidad est´a quemando, en holocausto, a las personas que se atreven afirmar que la tierra es redonda, entre otras herej´ıas. 43
  • 45. 3.1. Ubicaci´on Espacio Temporal 3.1.1. ´Epoca y Lugar de Incidencia Figura 3.1: Alejandr´ıa, Egipto (Norte de ´Africa). Fuente: Google earth Museo de Alejandr´ıa. El Museo de Alejandr´ıa era un santuario que acog´ıa un zo- ol´ogico, jardines, una gran sala para reuniones e incluso un laboratorio. Durante siglos, los Ptolomeos apoyaron y conservaron la biblioteca que, desde su origen, mantuvo un ambiente de estudio y de trabajo. Dedicaron grandes sumas a la adquisici´on de libros, con obras de Grecia, Persia, India, Palestina, ´Africa y otras culturas, predominando la literatura griega. La biblioteca del Museo constaba de diez estancias dedicadas a la inves- tigaci´on, cada una dedicada a una disciplina diferente. Gran n´umero de poetas y fil´osofos, que llegaron a ser m´as de cien en sus mejores a˜nos, se ocupaban de su mantenimiento, con dedicaci´on total. [16] En realidad se consideraba el edificio del Museo un verdadero templo dedicado al saber. Desde el principio, la biblioteca fue un apartado al servicio del Museo. Pero m´as tarde, al adquirir importancia y volumen, se cre´o un anexo. Se cree que esta segunda biblioteca (biblioteca hija) fue creada por Ptolomeo III Evergetes (Entre el 246 a. C. y el 221 a. C.), y se estableci´o en la colina del barrio de Racotis (hoy Karmuz), en un lugar de Alejandr´ıa alejado del mar, en el antiguo templo erigido por los primeros Ptolomeos al dios Serapis, llamado el Serapeo, considerado uno de los edificios m´as bellos de la Antig¨uedad. [26] En la ´epoca del Imperio romano, los emperadores la protegieron y modernizaron en gran medida, incorporando calefacci´on central mediante tuber´ıas (para mantener los libros, secos en dep´ositos subterr´aneos).3 3 Los redactores de la biblioteca eran conocidos en Grecia por su trabajo sobre los textos hom´ericos. Los redactores m´as famosos generalmente llevaron el t´ıtulo de bibliotecario principal. 44
  • 46. Figura 3.2: Cirene, Libia (Norte de ´Africa). Fuente: Google earth Erat´ostenes Naci´o en Cirene, ahora llamada Shaha (en una regi´on del norte de ´Africa, que ahora es parte de Libia) en el a˜no 276 a.C.4 (fig. 3.2) Destac´o en diversas actividades intelectuales. Como Astr´onomo midi´o la oblicuidad de la ecl´ıptica, la distancia entre el sol y la luna, entre otros (ver figura 3.4). A Erat´ostenes se le atribuye la invenci´on, hacia 255 a.C., de la esfera armilar que a´un se empleaba en el siglo XVII. Aunque debi´o de usar este instrumento para diversas obser- vaciones astron´omicas, s´olo queda constancia de la que le condujo a la determinaci´on de la oblicuidad de la ecl´ıptica. Determin´o que el intervalo entre los tr´opicos (el doble de la oblicuidad de la ecl´ıptica) equival´ıa a los 11 83 de la circunferencia terrestre completa, resul- tando para dicha oblicuidad 23o 51 19”, cifra que posteriormente adoptar´ıa el astr´onomo Claudio Ptolomeo. Seg´un algunos historiadores, Erat´ostenes obtuvo un valor de 24o . [13] Adem´as, seg´un Plutarco5 , de sus observaciones astron´omicas durante los eclipses, Er- at´ostenes dedujo que la distancia al Sol era de 804 millones de estadios, la distancia a la Luna 780 mil estadios y, seg´un Macrobio6 , que el di´ametro del Sol era 27 veces mayor que el de la Tierra. [20] Realmente el di´ametro del Sol es 109 veces el de la Tierra y la distancia a la Luna es casi tres veces la calculada por Erat´ostenes, pero el c´alculo de la distancia al Sol, admitiendo que el estadio empleado fuera de 185 metros, fue de 148 752060 km, muy similar a la unidad astron´omica actual. [3] 4 Algunos investigadores ubican su nacimiento en el a˜no 273 a.C. [26] 5 Mestrio Plutarco, de Queronea, hoy desaparecida (48 d.C. - 120 d.C.). Naci´o en la regi´on griega de Beocia, probablemente durante el gobierno del emperador romano Claudio. Fue historiador, bi´ografo y ensayista griego. [26] 6 Macrobio fue un escritor y gram´atico romano, del ´ultimo cuarto del siglo IV d.C., de cuyos datos biogr´aficos poco se conoce con certeza. [26] 45
  • 47. 3.1.2. Su Educaci´on Fue disc´ıpulo de Lisanias de Cirene y del poeta Cal´ımaco, y tambi´en gran amigo de Arqu´ımedes. Otros fil´osofos que influyeron en Erat´ostenes, fueron Arist´on de Quios y Arcesilao de Pitane. Alrededor del a˜no 236 a.C. Ptolomeo III Evergertes de Egipto lo llam´o para que se hiciera cargo de la Biblioteca de Alejandr´ıa7 , sucediendo a Apolonio de Rodas, puesto que ocup´o hasta el fin de sus d´ıas. [7] Erat´ostenes fue tutor del pr´ıncipe heredero, el futuro Ptolomeo IV Philopator y mantuvo siempre una cercana relaci´on con la casa real. El apellido de Erat´ostenes fue Pentath- los, nombre que se reservaba al atleta vencedor en las cinco competiciones de los Juegos Ol´ımpicos. Suidas 8 afirma que tambi´en era conocido como el segundo Plat´on. [17] Es posible que Erat´ostenes fuera responsable de la conservaci´on de varias obras cient´ıficas realizando una labor de edici´on similar a la llevada a cabo con los textos literarios por otros directores de la biblioteca (Zen´odoto, Arist´ofanes y Aristarco). Trabaj´o con proble- mas de matem´aticas, solucionando el ”problema de Delos”.9 ´El construyo un instrumento al cual llam´o Mesolabio, con el que era posible calcular medidas deseadas e invent´o el primer reloj solar moderno, al que denomin´o Scrapel. [3] En las figuras 3.3 y 3.5 se muestra reconstrucciones del siglo XIX con la visi´on del mundo de Erat´ostenes de Cirene. M´as sim´etrico que exacto, las particiones fueron los precursores de paralelos y meridianos (despu´es de Dicearco). La informaci´on geogr´afica que fue recogida por Alejandro Magno y sus sucesores fue la fuente principal utilizada por Erat´ostenes, estudioso con la visi´on para poner esta informaci´on en un marco l´ogico. [13] El primer uso de mapas del mundo se introdujo, tempranamente, por Anaximandro, y Her´odoto, basados en suposiciones precipitadas. Tampoco cabe duda de que los hallazgos resultantes de las conquistas de Alejandro Magno y la ampliaci´on de los conocimientos geogr´aficos bajo sus sucesores, gradualmente han encontrado su lugar en estos mapas. Los estudiosos modernos conciben a Erat´ostenes como el padre de la geograf´ıa cient´ıfica, al menos digno de ser el alfa en esa materia, sobre todo por su notable medici´on de la circunferencia de la tierra. [13] 7 La Bilblioteca de Alejandr´ıa hab´ıa sido planeada por Ptolomeo I Soter y llevada a cabo por su hijo Ptolomeo II Philadelfo. En el Museo florec´ıa una actividad intelectual, po´etica, musical o cient´ıfica. El nombre viene porque las hijas de Zeus, las nueve musas, siendo al principio fuentes de inspiraci´on de los poetas ´epicos, despu´es lo fueron de todos los poetas y los m´usicos y finalmente de todos los hombres de letras, fil´osofos y cient´ıficos. [17] Anteriormente, el mismo Plat´on en su Academia o Arist´oteles despu´es en su Liceo ten´ıan unos jardines con un peque˜no templo para el culto de las musas, el Museo. 8 Suidas fue un lexic´ografo griego del siglo X. Leg´o un glosario, recopilaci´on imprecisa que abarca fragmentos de inter´es sobre la historia literaria, entre otros. 9 C´omo duplicar el volumen c´ubico del altar existente en el templo de Apolo situado en Delos. 46
  • 48. Figura 3.3: Mapas de Erat´ostenes. Seg´un declaraciones de Estrab´on10 , Erat´ostenes hizo objeto de su especial atenci´on el reformar el mapa del mundo, cambi´andolo de como hab´ıa existido, para reconstruir- lo con principios cient´ıficos. Este es el punto de vista filos´ofico que constituye su m´erito especial, y lo faculta para ser llamado con justicia el padre de la geograf´ıa sistem´atica. Con respecto a la idea fundamental de toda geograf´ıa: La posici´on y la figura de la tierra, Erat´ostenes aprob´o el punto de vista vigente entre los astr´onomos de su ´epoca, desde los tiempos de Arist´oteles11 y Euclides. La idea del globo terr´aqueo, presente en la mente de Erat´ostenes y de de sus contempor´aneos, no difiri´o de la del ge´ografo moderno. La diferencia entre teor´ıa geoc´entrica y teor´ıa helioc´entrica del universo era irrelevante. 10 de Amasia, Ponto, naci´o en el 64 o 63 a. C. y muri´o entre el 19 y el 24 d. C. Fue ge´ografo e historiador griego, conocido principalmente por su obra Geograf´ıa. [26] 11 384 a. C. - 322 a. C. Fue fil´osofo, l´ogico y cient´ıfico de la Antigua Grecia. Sus ideas ejercieron enorme influencia sobre la historia intelectual de Occidente por m´as de dos milenios. [16] Arist´oteles escribi´o cerca de 200 tratados (de los cuales s´olo nos han llegado 31) sobre enorme variedad de temas, incluyendo l´ogica, metaf´ısica, filosof´ıa de la ciencia, ´etica, filosof´ıa pol´ıtica, est´etica, ret´orica, f´ısica, astronom´ıa y biolog´ıa. Transform´o muchas, si no todas, las ´areas del conocimiento que toc´o. Reconocido como el padre fundador de la l´ogica y de la biolog´ıa, pues si bien existen reflexiones y escritos previos sobre ambas materias, es en su trabajo donde se encuentran las primeras investigaciones sistem´aticas al respecto. Entre muchas otras contribuciones, Arist´oteles formul´o la teor´ıa de la generaci´on espont´anea, el principio de no contradicci´on, las nociones de categor´ıa, sustancia, acto, potencia, etc. Algunas de sus ideas, que fueron novedosas para la filosof´ıa de su tiempo, hoy forman parte del sentido com´un de muchas personas. Arist´oteles fue disc´ıpulo de Plat´on y de otros pensadores (como Eudoxo) durante los 20 a˜nos que estuvo en la Academia de Atenas, luego fue maestro de Alejandro Magno en el Reino de Macedonia, y finalmente fund´o el Liceo en Atenas, donde ense˜n´o hasta un a˜no antes de su muerte. [26] 47
  • 49. 3.1.3. Referencias Personales Arqu´ımedes 12 Tal vez el mayor matem´atico de la antig¨uedad, se dirigi´o cartas con Erat´ostenes y le dedic´o su obra monumental El M´etodo. Se cree que Erat´ostenes fue el primero en auto llamarse phil´ologos, y parece ser que era conocido como betha.13 Pero la historia demuestra que era un l´ıder en numerosos campos como la astronom´ıa, la geograf´ıa, la literatura, la poes´ıa, la filosof´ıa y las matem´aticas. Incluso siendo s´olo el segundo mejor en muchas cosas, en una era de sorprendente progreso en las ciencias y las artes, Erat´ostenes es uno de los mayores genios de todos los tiempos. [3] Escribi´o muchos libros de los cuales s´olo se tienen noticias por referencias bibliogr´afi- cas de otros autores. Su principal motivo de celebridad es la determinaci´on del tama˜no de la Tierra. Invent´o y emple´o un m´etodo trigonom´etrico, adem´as de las nociones de latitud y longitud, al parecer ya introducidas por Dicearco (por lo que bien merece el t´ıtulo de padre de la geodesia). 12 Arqu´ımedes de Siracusa. 287 a. C. - 212 a. C. Fue matem´atico griego, f´ısico, ingeniero, inventor y astr´onomo. Aunque se conocen pocos detalles de su vida, es considerado uno de los cient´ıficos m´as importantes de la antig¨uedad cl´asica. Entre sus avances en f´ısica se encuentran sus fundamentos en hidrost´atica, est´atica y la explicaci´on del principio de la palanca. Es reconocido por haber dise˜nado innovadoras m´aquinas, incluyendo armas de asedio y el tornillo de Arqu´ımedes, que lleva su nombre. Experimentos modernos han probado las afirmaciones de que Arqu´ımedes lleg´o a dise˜nar m´aquinas capaces de sacar barcos enemigos del agua o prenderles fuego utilizando una serie de espejos. Se considera que Arqu´ımedes fue uno de los matem´aticos m´as grandes de la antig¨uedad y, en general, de toda la historia. Us´o el m´etodo de exhausci´on para calcular el ´area bajo el arco de una par´abola con la sumatoria de una serie infinita, y dio una aproximaci´on extremadamente precisa del n´umero π Tambi´en defini´o la espiral que lleva su nombre, f´ormulas para los vol´umenes de las superficies de revoluci´on y un ingenioso sistema para expresar n´umeros muy largos. Enunci´o el principio de hidrost´atica que lleva su nombre y que explica la flotaci´on de los botes, entre otros objetos. Muri´o durante el sitio de Siracusa (214 a. C. - 212 a. C.), cuando fue asesinado por un soldado romano, a pesar de que exist´ıan ´ordenes de que no se le hiciese da˜no alguno. A diferencia de sus inventos, los escritos matem´aticos de Arqu´ımedes no fueron muy conocidos en la antig¨uedad. Los matem´aticos de Alejandr´ıa lo leyeron y lo citaron, pero la primera compilaci´on integral de su obra no fue realizada hasta el 530 d. C. por Isidoro de Mileto. Los comentarios de las obras de Arqu´ımedes escritas por Eutocio en el siglo VI las abrieron por primera vez a un p´ublico m´as amplio. Las relativamente pocas copias de trabajos escritos de Arqu´ımedes que sobrevivieron a trav´es de la Edad Media fueron una importante fuente de ideas durante el Renacimiento, mientras que el descubrimiento en 1906 de trabajos desconocidos de Arqu´ımedes en el Palimpsesto de Arqu´ımedes ha ayudado a comprender c´omo obtuvo sus resultados matem´aticos. [26] 13 Su curiosidad cient´ıfica lo ocup´o en muchas actividades de inter´es para diferentes ´areas, impidi´endole sobresalir como el principal, el alfha en alguna de ellas. Muchos contempor´aneos de su ´epoca, des- de˜nadores, envidiosos, lo apodaron el β, la segunda letra en el alfabeto griego. Dec´ıan que ´el era el segundo mejor entre sus pares en todo. Otra versi´on dice que ese apodo se lo gan´o por representar una nueva fuerza del conocimiento, una segunda era de la verdad. 48
  • 50. Erat´ostenes termina su vida a edad avanzada (cerca de 80 a˜nos). Se cree que, al quedarse ciego, renunci´o a tomar alimento y pereci´o. Suidas afirma que, tras perder la vista, se dej´o morir de hambre a la edad de ochenta a˜nos; sin embargo, Luciano afirma que lleg´o a la edad de ochenta y dos, y Censorino sostiene que falleci´o cuando ten´ıa ochenta y dos. [17] 3.1.4. Haza˜nas (Algunos Aportes) Figura 3.4: Tabla realizada por Erat´ostenes sobre la oblicuidad de la ecl´ıptica (traducida). Como historiador y ge´ografo midi´o el radio de la tierra y realiz´o numerosos mapas de- tallados del mundo, como era conocido en ese momento. [5] En la figura 3.5 podemos apreciar uno de los mapas dise˜nados por Erat´ostenes sobre el mundo conocido en su ´epoca y recreado en la actualidad. [3] [17] 49
  • 51. Figura 3.5: Mapa dise˜nado por Erat´ostenes. Como cron´ografo, fil´osofo y poeta 14 escribi´o el poema Elegiaco, el poema largo Er´ıgone, Hermes y los Catasterismos (Katasterismoi)15 . Como cr´ıtico teatral es autor de un trata- do sobre la Comedia Antigua. [17] Como matem´atico escribi´o un m´etodo para encontrar n´umeros primos (la Criba de Er- at´ostenes)16 y un tratado sobre las proporciones.17 Estudi´o en Alejandr´ıa y Atenas, Tuvo contacto con las ense˜nanzas de Zen´on de Citio. [3] 3.1.5. Logro Motivador Erat´ostenes tuvo el m´erito de hacer una valiosa aportaci´on: Su exitosa medida, nunca antes hecha, sobre la circunferencia del globo terrestre. Una vez que la idea fue aceptada, su medici´on era un paso l´ogico, incluso para los eruditos griegos que eran m´as dados a la especulaci´on filos´ofica que a la cuantificaci´on y la experimentaci´on. [13] [20] 14 Los pensadores de ese tiempo, astr´onomos, fil´osofos, frecuentemente era mit´ografos y llamados poetas. 15 Erat´ostenes destac´o como mit´ografo, explicando las disposiciones de las estrellas del firmamento en t´erminos de historias sucedidas a sus deidades. [17] 16 Es un algoritmo que permite hallar todos los n´umeros primos menores que un n´umero natural dado N. Se forma una tabla con todos los n´umeros naturales comprendidos entre 2 y N y se van tachando los n´umeros que no son primos de la siguiente manera: cuando se encuentra un n´umero entero que no ha sido tachado, ese n´umero es declarado primo, y se procede a tachar todos sus m´ultiplos. El proceso termina cuando el cuadrado del mayor n´umero confirmado como primo es mayor que N. 17 En mi parecer, el teorema de Tales, sobre la proporci´on, es un concepto crucial para el desarrollo de las matem´aticas, y de las ciencias. 50
  • 52. ´El no era de hecho el primero que hab´ıa intentado la soluci´on de este problema, que, naturalmente, llevar´ıa a cabo la atenci´on de los astr´onomos y ge´ometras, tan pronto co- mo se convino en que la tierra era de una forma esf´erica. Arist´oteles se refiere al c´alculo de los matem´aticos, que hab´ıan investigado el tema (sin nombrarlos) donde la circunfer- encia de la tierra era de 400 mil estadios (distinci´on que puede pertenecer a Eudoxo de Cnido). Un c´alculo de 300 mil estadios se acredita a Dicearco, disc´ıpulo de Arist´oteles. Aristarco de Samos18 , ha sido llamado el Cop´ernico de la Antig¨uedad a causa de su adhe- si´on a principios helioc´entricos en lugar de geoc´entricos, (quiz´a, sea m´as correcto llamar a Cop´ernico el Aristarco del Renacimiento). Los astr´onomos de la ´epoca ve´ıan a los planetas y al Sol dar vueltas sobre nuestro cielo a diario. La Tierra, para muchos, deb´ıa encontrarse por ello en el centro de todo. Los planteamientos del reconocido Arist´oteles hechos unos pocos a˜nos antes no dejaban lugar a dudas y ven´ıan a reforzar dicha tesis. La Tierra era el centro del universo y los planetas, el Sol, la Luna y las estrellas se encontraban en esferas fijas que giraban en torno a la Tier- ra. Pero exist´ıan ciertos problemas a tales afirmaciones. Algunos planetas como Venus y, sobre todo, Marte, describ´ıan trayectorias errantes en el cielo. Es decir, a veces se mov´ıan adelante y atr´as. Antes que Aristarco, Her´aclides P´ontico encontr´o una posible soluci´on al problema al proponer que los planetas podr´ıan orbitar el Sol y ´este a su vez la Tierra. Esto ya fue un gran salto conceptual pero a´un era un modelo parcialmente geoc´entri- co. Hubo que esperar a Aristarco para que este propusiera el primer modelo helioc´entrico. Sus revolucionarias ideas astron´omicas no fueron bien recibidas y fueron pronto desechadas. No fue hasta Cop´ernico, unos mil setecientos a˜nos m´as tarde, que empez´o a plantearse el modelo helioc´entrico como una alternativa consistente. Por desgracia, del modelo he- lioc´entrico de Aristarco solo nos quedan las citas de Plutarco y Arqu´ımedes. Los trabajos originales probablemente se perdieron en uno de los varios incendios que padeci´o la bib- lioteca de Alejandr´ıa. En un periodo posterior a Arqu´ımedes se habla de 300 mil estadios como la medici´on general. Pero no tenemos informaci´on del modo por el cual sus autores llegaron a sus re- sultados. El m´etodo seguido por Erat´ostenes fue plenamente establecido y explicado por el astr´onomo Cleomedes.19 Es notable que, si bien la medici´on terrestre fue inexacta, la observaci´on de latitud como se deduce del gnomon en Alejandr´ıa, era una aproximaci´on muy cercana a la verdad. 18 310 a. C. - 230 a. C. Fue un astr´onomo y matem´atico griego, nacido en Samos, Grecia. ´El es la primera persona, que se conozca, que propone el modelo helioc´entrico del Sistema Solar, colocando el Sol, y no la Tierra, en el centro del universo conocido. Aristarco fue uno de los muchos sabios que hizo uso de la emblem´atica Biblioteca de Alejandr´ıa. [26] 19 Las fechas de su nacimiento y muerte no se conocen. Los historiadores han sugerido que escribi´o su obra en alg´un momento entre mediados del siglo I y el IV d. C. basados en que Cleomedes se refiere extensamente en sus escritos a la obra del astr´onomo Posidonio de Rodas (135 a, C. - 51 a. C.). 51