O Romance das Equações Algébricas Gabriela Luciana Marcello Samuel Gilberto Geraldo Garbi • • • • De Taquaritinga SP Engenheiro eletrônico pelo ITA Empresário Autor de “A Rainha das Ciências”. $ $ (1944 - ) “Estou convicto de que a Matemática pode e ser deve ser ensinada de forma espontânea, leve, humana e, em alguns casos, até mesmo alegre, para que se torne fonte de prazer intelectual e conquiste um número cada vez maior de adeptos.” G.G.Garbi Equações: - Equacionar - Igual e igualdade Equações algébricas são aquelas em que a incógnita aparece apenas submetida às chamadas operações algébricas como: soma, subtração, multiplicação, divisão, potenciação inteira e radiciação. Euclides • • • • • • (ca. 300 a.C.) a) Coisas iguais a uma terceira são iguais entre si. b) Se iguais forem somados a iguais, os resultados serão iguais. c) Se iguais forem subtraídos de iguais, os resultados serão iguais.* d) Coisas coincidentes são iguais entre si. e) O todo é maior do que a parte. f) Iguais multiplicados ou divididos por iguais continuam iguais.* Equações do 1º grau Pela noção c) Pela verdade f) Equações do 2º grau • Shidhara(991) • Bhaskara (1.114 -1.185) ou Pergunta: Como extrair a raiz quadrada de , se este binômio não é um quadrado perfeito? A solução estava em somar aos dois lados da igualdade alguma coisa que tornasse o lado esquerdo um quadrado perfeito. A quantidade a ser somada é Usando novamente a noção de Euclides e organizando os termos temos o quadrado perfeito. Basta apenas extrair as raízes, mas… O que os babilônio não perceberam é que a extração de raízes quadradas geram sempre duas alternativas, uma com sinal + e outra com sinal – Logo Equações do 3º grau Niccolò Fontana ”Tartaglia” (1501-1576) (1499-1557) Girolamo Cardano Cardano Nascido em Pavia em 1501 e falecido em Roma em 1576 e escreveu a Ars Magna. Definiu-se como desbocado, espião, melancólico, traidor, invejoso, solitário, obsceno, desonesto, vicioso e portador de total desprezo pela região. -Tartaglia, nascido em Bréscia, em 1501. Desde a infância teve a vida marcada pelo infortúnio, pelas lutas, pelas asperezas e por toda a sorte de dificuldades. Demonstrou desde cedo grande amor pelos estudos e infinita vontade de aprender. Foi professor de ciência em Verona. Scipione del Ferro, encontrou uma forma geral de resolver as equações do tipo Mas Tartaglia além de resolver as tipo citado acima, também achou a fórmula geral para as do tipo Equações do 3º grau • Ludovico Ferrari Capítulo XI François Viète recorre à trigonometria sin A • sin B = 2sen A B A− B cos 2 2 Em In artem analytivam isagoge inova no simbolismo algébrico: B3 in A quad – D plano in A + A cubo aequator Z solido (vulgo: 3BA² – DA + A³ = Z) • usa vogais para as incógnitas e consoantes para as constantes. • Nas equações de 3º grau fazia substituições trigonométricas, ex.: • x = k cos θ • daí não enfrentava as famigeradas raízes negativas. Capítulo XII Descartes e Fermat inventam a geometria analítica Um pouco de Diofanto • Regra de sinais: – Na pág. 65 justifica: • • (ca. 250 d.C.) + X – = – – X – = + Álgebra retórica: – Em um terreiro existem cabras e galinhas, sendo 32 cabeças e 88 patas. Quantos animais de cada tipo existem em tal terreiro? Pierre de Fermat • • • • Jurista por formação; Magistrado por profissão; Matemático por gosto. Trocava cartas com: – Pascal, – Descartes, – Wallis, – Roberval, – Huygens et al. (ca. 250 d.C.) Citação no livro de Diofanto • É impossível decompor um cubo em dois cubos, um biquadrado em dois biquadrados e, de um modo geral, qualquer potência acima de dois na soma de duas potências de igual expoente. Para isso eu descobri uma demonstração verdadeiramente maravilhosa, mas a margem é pequena para contê-la. A geometria analítica • • Associou equações a linhas geométricas; Métodos para: – – • • traçar retas tangentes curvas e determinar métodos de máx. e mín. Não divulgou seu trabalho; Suas ideias foram expostas no livro de publicação póstuma: Ad locos planos et solidos isagogue René Descartes (1596-1650) Discours de la méthode pour bien conduire sa raison, et chercher la vérité dans les sciences • • Je pense donc je suis Géométrie • Apenas um apêndice do Discurso. • Não tem nem os eixos cartesianos! • Mostrou que a álgebra podia ser aplicada no estudo da geometria. • “oposto do que ocorrera na Antiguidade Clássica” Géométrie • As útimas letras (X,Y,Z) para represenar icógnitas; • As primeiras letras (A,B,C...) para os parâmetros; Potência era escrita da forma X³, X4, X5... – porém, X² era escrito como XX Sinal de igualdade: ” α ” (só q ao contrário!) • • • Batizou as raízes negativas: – “nem sempre as raízes verdadeiras [positivas] ou falsas [negativas] de uma equação são reais. Às vezes elas são imaginárias.” Géométrie • Apenas um apêndice do Discurso. • Não tem nem os eixos cartesianos! • Mostrou que a álgebra podia ser aplicada no estudo da geometria. • “oposto do que ocorrera na Antiguidade Clássica” Géométrie • Apenas um apêndice do Discurso. • Não tem nem os eixos cartesianos! • Mostrou que a álgebra podia ser aplicada no estudo da geometria. • “oposto do que ocorrera na Antiguidade Clássica” Descartes, pessoa humilde Jamais conheci alguém que me parecesse conhecer tão bem a geometria como o senhor [Fermat] ou não? e eu espero que a posterioridade me seja grata, não apenas pelas coisas que eu aqui expliquei mas também por aquelas que omiti voluntariamente, a fim de deixar-lhe o prazer de inventá-las Capítulo XIII Newton entra em cena Disse Deus: “faça-se Newton!” E tudo foi luz. Sir Isaac Newton (1642-1727) • • • • • • Matemático; físico; astrônomo; alquimista; filósofo natural e teólogo… • Obs.: não foi o autor do tal “binômio de Newton” Newton e a maçã • “Conforme Newton relatou em uma carta escrita muitos anos depois, foi também em 1666, após ver uma maçã desprender-se de um ramo que ele começou imaginar que a gravitação estendia-se até a órbita da Lua e mais além.” Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) • Diplomata; • Foi orientado em matemática por Christian Huygens • Trocou cartas de ofensas com Newton hehehe Teoria das fluxões • • • • • Obra de 1687; Sob a influência de Edmond Halley; Publicou após os trabalhos de Leibniz; Se apoiou no trabalho de Fermat. PS.: o autor defende muito Newton! Newton e as raízes • Por aproximação; • Método de Newton-Raphson;* • Critérios para as raízes: – – Regras de exclusão de Newton; Cotas inferiores e superiores. • * - não é um método algébrico Capítulo XIV Euler domina os números complexos Leonard Euler (1707-1783) • Gentil, bem humorado afável, generoso... • Discípulo de – Jean Bernoulli; • Publicou mais de 800 trabalhos! Evolução na notação • • 1525: 1525: • • • • • • 2cub'p:5reb'aequalis 17 sit3Z + 5ּאaequatus 21 2 1572: 1590: 1637: 1693: 2009: 1 3U p 5U Equale á 21 3q + 5N aequatur 21 3ZZ + 5Z α 21 3XX + 5X = 21 3x²+5x=21 Símbolos de Euler • Somatória:∑ ¿ • Função: • Combinação: m n f x • i =− 1 • Pi: π • e Números complexos • Trabalhou com as operações básicas: – – – • • Soma e subtração; Produto e divião; Potenciação e exponenciação; Módulo; Argumento; n cos t i sen t = cos nt isen nt f t = cos t i sen t n f t = f nt t n nt e =e t f t =e n f t = f nt cos t i sen t= e ti e • πi +1=0 “Lisez Euler, Lizer Euler, c'est notre maître à tous!” • - Laplace Capítulo XV Gauss demonstra o Teorema Fundamental da Álgebra Carlos Frederico Gauss (1707-1783) • Prodígio desde criança • Matemática ou filologia? • Construiu um polígono regular de 17 lados aos 18 anos! Teorema Fundamental da Álgebra – Toda equação polinomial de coeficientes reais ou complexos tem, no campo complexo, pelo menos uma raíz. • Sua tese de doutoramento; • D'Alembert já havia feito uma tentativa; • Gauss elaborou outras 3 três provas. Gauss e o último teorema “Confesso que o último teorema de Fermat, como proposição isolada, tem muito pouco interesse para mim, já que eu facilmente poderia fazer uma multidão de tais proposições que ninguém poderia provar ou utilizar.” Capítulo XVI Raízes estranhas e X=1 equivale a x³=1? Observe que a segunda equação pode ser escrita: x³-1=0 ou (x-1)(x²+x+1)=0 suas raízes são: x=1, x=(-1+√-3)/2 e x=(-1- √-3)/2 Por que aparecem essas raízes estranhas? Descoberta de Euler : diferentemente da potenciação, a radiação não é unívoca (um número tem n raízes enézimas). No retorno da potenciação alguns caminhos não conduzem a equação original. Estes correspondem as raízes estranhas. Efeito oposto: a perda de raízes. Capítulo XVII De volta às Equações do 3º Grau Dada uma equação do 3º grau, com uma raiz complexa do tipo (a+bi), assim (a-bi) também será. A terceira é obrigatorimente real, chamamos de c. Faremos (a+bi)+(a-bi)+c=0 (para que inexista o termo do 2º grau). Teremos 2a+c=0, logo c=-2a Da forma x³+px+q=0 que tenha raízes complexas pode ser escrita: (x-[a+bi])(x-[a-bi])(x+2a)=0 desenvolvendo teremos: x³+x(b²-3a²)+2a(a²+b²)=0 , logo, Δ= (-q/2)²+(p/3)³ ,desenvolvendo, temos Δ= 81(a²)²b²+18a²(b²)²+(b³)² 27 isto é sempre positivo, exceto para a=b=0. Portanto ficou provado que: Equações do tipo x³+px+q=0, sendo: Δ<0 as três raízes são reais e distintas Δ>0 uma raiz é real e duas são complexas Δ=0 as três raízes são reais mas pelo menos duas delas são coincidentes Capítulo XVIII Modificando as raízes das equações É possível transformar uma equação polinomial P(x)=0 (equação primitiva) em Q(y)=0 (equação transformada) de modo que as raízes y relacionem-se com as raízes de x através da função y=φ(x) (função transformatriz). Quando cada raiz da transformada for obtida pela aplicação da função em cada uma das raízes da primitiva, a transformação é dita de 1º espécie ou de Viète. Principais transformações de primeira espécie: Aditiva Multiplicativa Simétrica recíproca Transformação aditiva- as raízes da nova equação são as de uma equação original somadas de uma quantidade h. Ex: Seja x³+5x²+4x-8=0, queremos a transformada de x somado ao 2. Dividamos P(x) por x+2 (Por Ruffini-Horner) e obtem-se x³+5x²+4x-8=(x+2)(x²+3x-2)-4* e x²+3x-2 = (x+2)(x+1)-4 = (x+2)([x+2]-1)-4 Voltando a * e fazendo a substituição acima, teremos: x³+5x²+4x-8=(x+2)³-(x+2)²-4(x+2)-4 Evidentemente a equação transformada será y³-y²-4y-4=0. Transformação multiplicativa- consiste em encontrar uma equação cujas raízes sejam as de uma original multiplicadas por um fator k. O método consiste em substituir em f(x) a incógnita x por y/k. Obtem-se a transformada desejada. Tranformação simétrica- quando k=-1, ou seja, y=-x. Ex: 3x³+2x²+x+1 e sua tranformada simétrica -3x³+2x²-x+1. Transformação recíproca- aquela em que y=1/x. Capítulo XIX As tragédias de Niels Abel e Évariste Galois Niels Henrik Abel Nasceu em 5 de agosto de 1802, na pequena cidade de Finnöy, Noruega, filho e neto de pastores protestantes, teve quatro irmãos e uma irmã. Foi notado pelo então professor, que mais tarde veio a se tornar grande amigo, Bernt Michael Holmboe, na Escola Catedral. Dos 17 aos19 anos desenvolveu pesquisas no campo das equações e chegou a acreditar que houvesse encontrado uma fórmula geral para as do 5º grau. Por volta de 1823, demontrou que, exceto em casos particulares, de um modo geral, é impossivel resolvê-las utilizando-se apenas operações algébricas. Má alimentação, desgaste intelectual e infindável tensão emocional já eram sua rotina desde vários anos. Quando em 1826, chegou a Paris. Onde cintilava a maior constelação de astros das ciências exatas do mundo. Bouvard, Hachette, Poisson, Fourier, Ampère, Lacroix, Cirichlet, Laplace, Legendre e o mais ativo de todos, Augustin-Louis Cauchy. Cauchy era um gênio universal, o pai da moderna teoria das funções de variável complexa. Legendre trabalhava em pesquisas sobre as funções elípticas. Abel chegou estar com ele. Em 30 de outubro de 1826, finalmente, Fourier, secretário perpétuo da Academia, leu ao plenário a introdução de um trabalho de Abel. Para julgá-lo, Cauchy, presidente da Academia e Legendre. O trabalho era tão profundo e inovador que mesmo esses homens precisaram esforçar-se bastante para compreendê-lo. Cauchy deixou-o em sua gaveta para estudá-lo quando tivesse tempo, fato que só ocorreu após a morte de Abel. Em 1828, Abel viu-se envolvido em uma disputa de prioridade com um nascente matemático alemão, Carl Gustav Jacob Jacobi, para ver qual dos dois avançaria mais nas profundezes das funções elípticas. Apesar de vencer a batalha, as finanças e a saúde de Abel continuavam a se deteriorar rapidamente. Em 06 de abril 1829, depois de dois dias do falecimento de Abel por tuberculose, chegava a carta de Berlim, do seu amigo Crelle, informando a admissão para ocupar um cargo de trabalho. Porém Holmboe, seu professor, conseguiu publicar as obras completas de Abel. Évariste Galois Nasceu dia 25 de outubro de 1811, na cidade de Bourg-la-Reine, a 10 km de Paris. Teve contato inicial com a Matemática em 1825, aos 14 anos. Em 1828, incidindo curiosamente no mesmo erro de Abel, acreditou ter encontrado a solução geral para as equações de grau 5. Em 1829, publicou seu primeiro artigo: Demonstração de um teorema sobre as frações contínuas periódocas. Em outubro do mesmo ano foi admitido na École Normale Supérieure. Da qual foi expulso, em janeiro de 1831, por ter publicado uma carta atacando diretor por ter proibido que seus alunos de lutarem nos Três Gloriosos. Entre 14 de julho de 1831 e 16 de março de 1832, período em que esteve preso por problemas políticos, deu inicio a um trabalho intitulado Duas Memórias de Análise Pura. Ao cumprir parte da pena a que foi sentenciado em um Hospital, devido um surto de cólera, apaixona-se pela sobrinha do médico. Acaba por duelar com um amigo pela moça morrendo nesse combate. Em setembro de 1832, o matemático Joseph Liouville, publicou em seu jornal “Obras Matemáticas de Évariste Galois.” Capítulo XX Soluções de Equações Especiais Teorema Se um número racional N/D, com N e D primos entre si, a raiz da equação polinomial de coeficientes inteiros P(x)=0, então a é divisível por D e an é divisível por N. 0 Consequências a) b) Toda equação polinomial de coeficientes inteiros cujo coeficiente do termo de maior grau é 1, se possuir raízes racionais, elas serão todas inteiras. Uma equação polinomial de coeficientes inteiros, cujo coeficiente do termo de maior grau for diferente de 1 depois de estarem todos os coeficientes divididos pelo seu máximo divisor comum, não pode ter somente raízes inteiras. múltiplas). Toda equação recíproca de 2º espécie e grau ímpar admite +1 como raiz (eventualmente múltipla). Capítulo XXI Construções Geométricas com régua e compasso Cinco questões investigadas pelos gregos não Encontaram resposta dentro do conjunto de conhe -cimentos disponíveis na época. Tiveram que aguardar a evolução da Teoria das Equações AlGébricas. Foram eles: - Construção da aresta de um cubo cujo volume seja o dobro do volume de outro (duplicação do cubo).* - Construção de um segmento de reta cujo comprimento seja igual ao perímetro de uma dada circunferência.(retificação da circunferência). Construção de um quadrado de área igual à de um dado círculo. (quadratura do círculo)* - Divisão de um ângulo qualquer em três partes iguais (trissecção do ângulo).* - Contrução de polígonos regulares(divisão da circunferência em n partes iguais). *Os Três Problemas Clássicos As três primeiras contruções são sempre impossíveis se apenas régua e compasso forem admitidos. A trissecção só é exequível em alguns casos particulares (45º,90º,180º,etc). E para a divisão da circunferência em n partes iguais Gauss deu uma resposta: só é possível se n é da forma: dois elevado a s vezes p1 elevado a r1 vezes p2 elevado a r2... onde s é inteira não negativo, p1, p2... são primos da forma (2ª )²+1 e r1,r2,... são, cada um deles, zero ou um. Resta dúvida, não se sabem se para a>4 existem ou não primos dessa forma. - Foi possível aplicar a Teoria das Equações àqueles mistérios da Geometria, pois no caso das retas e das circunferências as respectivas equações são Algébricas. Pierre Laurent Wantzel (1814-1848) Um elemento geométrico é construtível com régua e compasso quando e apenas quando os números que o definem derivam dos dados do problema através de uma quantidade finita de operações de soma, subtração, multiplicação, divisão e extração de raízes quadradas. Pierre era linguista e engenheiro da École Polytechnique. Pouco conhecido nos dias de hoje, mas sua obra representa um marco na história da Ciência. - Trissecção do ângulo e duplicação do cubo, demonstrou: “A condição necessária e suficiente para que as três raízes de uma mesma equação do terceiro grau. De coeficientes racionais, sejam construtíveis por régua e compasso é que uma delas seja racional.” Construção do polígono de 17 lados xª-1=0, denominada Equação Ciclotômica, foi intensamente estudada no final do século XVIII e início de XIX, principalmente por Gauss. “ O dia foi 29 de março de 1796 e o acaso não teve qualquer participação. Antes disto, em verdade, durante o inverno de 1796 (meu primeiro semestre em Göttigen), eu já havia des – coberto tudo relativamente à separação das raízes da equação (xª-1)/(x-1)=0 em dois grupos. Após intensas considerações sobre o relacionamento de todas as raízes umas com as outras, em bases Aritméticas, eu consegui, durante um feriado em Braunschuweig, na manhã do mencionado dia (antes de sair da cama), vialumbrar aquelas relações da forma mais clara, de modo que pude imediatamente aplicá-las ao caso dos 17 lados e as verificações numéricas.” Gauss, apesar de modesto, sabia a importância de sua façanha e manisfestou o desejo de após sua morte, ter sobre seu túmulo o desenho de um polígono regular de 17 lados. Questão natural: comparação entre abundância de algébricos e transcendentes Dificuldade devido ao infinito Georg Ferdinand Ludwing Philip Cantor (1845-1918): números transfinitos Naturais como uma espécie de unidade Cardinalidade → enumerabilidade Racionais e algébricos como enumeráveis Reais não enumeráveis Capítulo XXII Números algébricos e números transcendentes Pitagóricos – existência de não racionais Método de redução ao absurdo – já utilizado nos Elementos Abrangência do método Cálculo Diferencial (séc XVII)– funções e números como séries infinitas e = limn→∞ (1 + 1/n)n = 1 + 1 + 1/(1!) + 1/(2!) + 1/(3!) + ... π = 4(1 – 1/3 + 1/5 – 1/7 + 1/9 – 1/11 + 1/13 – 1/15 + ... Euler questiona-se: e, e² irracionais Euler não foi adiante, mas a pesquisa sobre o tema sim, e no campo das equações algébricas: racionais e irracionais como raizes de equações algébricas com coeficientes inteiros. # racional do tipo a/b é raiz de uma equação na forma ax – b = 0; # o irracional (2)1/2 +(3)1/2 é raiz de uma equação algébrica de coeficientes inteiros de quarto grau; # mostra-se que irracionais como (3)1/3+ (2)1/2 são raizes de uma euqação algébrica de coeficientes inteiros de sexto grau. Ideia dos reais em duas categorias: são ou não raizes de equações polinomiais de coeficientes inteiros. Algébricos X Transcendentes (Joseph Liouville – 1844) Charles Hermite (1873) prova transcendência do e, e algo mais. Porém, desiste do π perto do sucesso, pois Ferdinand von Lindemann (1852-1939) prova a transcendência do π com base em seus trabalhos sobre o e. Consequência: impossibilidade da Retificação da Circunferência e da Quadratura do círculo, apenas com régua e compasso. Questão natural: comparação entre abundância de algébricos e transcendentes Dificuldade devido ao infinito Georg Ferdinand Ludwing Philip Cantor (1845-1918): números transfinitos Naturais como uma espécie de unidade Cardinalidade → enumerabilidade Racionais e algébricos como enumeráveis Reais não enumeráveis Consequência: existência dos transcendentes, e em maior abundância Cantor foi além! (intervalo real, pontos num segmento) Richard Dedekind contribuiu na teoria dos números reais Capítulo XXIII Pensar “O universo é um grande livro que não pode ser compreendido a menos que antes se aprenda a entender a linguagem e a ler as letras nas quais ele está escrito. Ele está escrito na linguagem da Matemática.” (Galileu Galilei) “O fato mais incompreensível do mundo é que ele pode ser compreendido.” (Albert Einstein) Matemática: meio de comunicação com o mundo Detestada pelas pessoas? Valorização da Matemática (natureza / pensamento) 10 Maravilhas do Pensamento Tales mede a grande pirâmide: proporcionalidade das sombras Euclides e os números primos: provou a existência de infinitos números primos Eratóstenes calcula a circunferência da Terra: sol a prumo em Siena, ao meio dia do solstício de verão. Ideia da forma da Terra. Estimativa: aproximadamente 7˚, ou 1/50 de 360˚ Arquimedes calcula o número π: via noção de limite, aproxima a circunferência por polígonos Arquimedes conquista a esfera: via física, calcula a área e o volume Pascal, com genialidade, descobre outro método para medir a esfera Roberval calcula a área da ciclóide com o auxílio da companheira e ideias de cálculo Leibniz inventa o sistema binário de numeração: apesar da genialidade, à epoca pareceu mera curiosidade sem qualquer aplicação prática Newton e as séries infinitas Há muito se conheciam sequências: pitagóricos e P.A. / dedução de Gauss Soma finita de séries infinitas: resposta ao paradoxo de Zenão Newton desenvolvendo funções em séries infinitas, impulsiona o ramo sen(x) = x – x3/3! + x5/5! – x7/7! + x9/9! - ... cos(x) = 1 – x2/2! + x4/4! – x6/6! + x8/8! - … ex = 1 + 1 + x2/2! + x3/3! + x4/4! + ... Supondo x imaginário puro x = iθ, Euler chega a eiθ = cosθ + isenθ (fórmula conhecida que deu origem a eiπ + 1 = 0) Euler decifra um mistério Séries infinitas e Convergência Nicole Oresme e a divergência da série harmônica. Mais tarde, Jean Bernoulli. Jack Bernoulli e a série dos inversos dos quadrados dos naturais Euler em meio a briga dos irmãos, demonstra a convergência para π2/6, Jean também o faz, por outro caminho. Apesar da grandiosidade dos pensamentos, fogem dos padrões modernos do rigor matemático, o que não tira o mérito de ambos. Capítulo XXIV O fim “Se enxerguei mais longe foi porque me apoiei sobre ombros de gigantes.” Sir Isaac Newton (aplausos)