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dimecres, 20 d’octubre del 2010

1/89 y la sucesión de Fibonacci

Aquesta entrada és una traducció d'un post en català, traduïda per participar a la setena edició del Carnaval de matemáticas.


Coge una calculadora y calcula cuánto vale 1/89:

0.0112359550561798.

Los primeros números parecen seguir la sucesión de Fibonacci: 1, 1, 2, 3, 5... Pero después la cosa parece que se estropea... o no.

Intentemos calcular cuánto valdría la suma:

0.01
0.001
0.0002
0.00003
0.000005
0.0000008
0.00000013

O sea, si $F_n$ es el enésimo número de Fibonacci, queremos calcular cuánto vale
$$\sum_{n=1}^{\infty} \frac{F_n}{10^{n+1}}. $$

Este número nos dará 1/89. Por qué?

La fórmula general de la sucesión de Fibonacci es bien conocida:

$$F_n = \frac{\sqrt{5}}{5} ((\frac{1+\sqrt{5}}{2})^n-(\frac{1-\sqrt{5}}{2})^n), $$

que para simplificar la escribo usando el número de oro $\phi$:

$$F_n = \frac{\sqrt{5}}{5} (\phi^n-(\frac{1}{\phi})^n).$$

En este caso, lo que queremos calcular es:

$$ S = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{F_n}{10^{n+1}}.$$

Podemos usar la fórmula general y agrupar los términos:

$$ S = \frac{\sqrt{5}}{50}\sum_{n=1}^{\infty} (\frac{\phi}{10})^n} - \frac{\sqrt{5}}{50}\sum_{n=1}^{\infty} (\frac{1}{\phi 10})^n}.$$

Pero estos términos son sumas geométricas, que sabemos sumar.

El primer sumatorio da

$$ \sum_{n=1}^{\infty} (\frac{\phi}{10})^n}} = \frac{6+5\sqrt{5}}{89}.$$

Para obtener el resultado, no hace falta hacer cálculos complicados. Simplemente sumar la progresión

$$ \sum_{n=1}^{\infty} (\frac{\phi}{10})^n}} = \frac{\phi/10}{1-\phi/10},$$

sustituir por el valor de $\phi$ y racionalitzar.

De la misma forma, el segundo sumatorio da:

$$ \sum_{n=1}^{\infty} (\frac{1}{\phi 10})^n} = \frac{6-5\sqrt{5}}{89}.$$

Restando los dos sumatorios, se obtiene

$$ \frac{10\sqrt{5}}{89},$$

que multiplicado por $\sqrt{5}/50$ nos da el número 1/89!!!



Funte: La proporción áurea. Mario Livio.

divendres, 24 de setembre del 2010

Cuánto suman 10 nombres de Fibonacci consecutivos?

Aquesta entrada és una traducció d'un post en català, traduïda per participar a la sisena edició del Carnaval de matemáticas.



La sucesión de Fibonacci tiene un montón de propiedades interesantes. Pero... si queremos sumar una sucesión de números consecutivos, lo podremos hacer sin mucho esfuerzo?

Por ejemplo, podemos sumar 1+1+2+3+5+8+13+21+34+55. Cuánto da? Pues da 143.

Muy bien, y qué tiene de especial el número 143?

Podemos sumar, por ejemplo, 3+5+8+13+21+34+55+89+144+233 = 605.

Y qué tiene de especial el 605?

Pues podemos sumar los números $f_n$, $f_{n+1}$, ..., $f_{n+9}$. Usando que tenemos una sucesión de Fibonacci, y que por lo tanto $f_k = f_{k-1} + f_{k-2}$, podemos llegar a que la suma vale $55f_n+88f_{n+1}$. Ya tenemos una propiedad del 143 i el 605: ambos son múltiples de 11.

Pero... hay más?

Pues sí, hay más. Calculando un poquito más, se puede ver que $5f_n+8f_{n+1} = f_{n+6}$.

Por tanto, la suma de 10 números de Fibonacci consecutivos siempre nos dará el séptimo número de la sucesión multiplicado por 11.

Por ejemplo, 21 + 34 + 55 + 89 + 144 + 233 + 377 + 610 + 987 + 1597 = 377*11 = 4147.

Fuente: La proporción áurea, de Mario Livio.

divendres, 16 d’abril del 2010

¿Qué forma tienen las monedas de 20 y 50 peniques?

Aquesta entrada és una traducció d'un post en català, traduïda per participar al segon Carnaval de matemáticas.



Esta imagen es de una moneda de 20 peniques:



Y esta otra, de una de 50 peniques:



¿Qué tienen de particular estas dos monedas?

En las imágenes se ve claro que las dos monedas no son círculos. No es que se hayan "roto" y que por eso tengan esta forma: ya en un principio eran así.

Pero una de las ventajas de las monedas circulares es que, cuando se ponen en las máquinas, todos los diámetros son iguales, y se puede comprobar fácilmente qué monedas son y si son falsas (bueno, más o menos).

Entonces, ¿los ingleses tienen unas monedas que no les sirven para las máquinas o es que son más espavilados que el resto?

Las dos monedas en realidad son heptágonos de Reuleaux. Forman parte de una família de figuras llamadas polígonos de Reuleaux que cumplen que, se los mire por dónde se los mire, siempre tienen el mismo diámetro.

De esta família también son muy conocidos los triángulos de Reuleaux, que cumplen que son la figura con menos área que cumple la condición de que mirando desde cualquier punto tienen el mismo diámetro.

Por esto se usan bastante como tapas de alcantarilla.

Claro que una aplicación un poco friki de los polígonos de Reuleaux seria esta bici:



En la rueda de delante hay un pentágono de Reuleaux y en la de detrás, un triángulo. No sé si me atrevería a llevarla...

dissabte, 13 de març del 2010

Por qué algunas antenas son parabólicas?

Aquesta entrada és una traducció d'un post en català, traduïda per participar al segon Carnaval de matemáticas.



Antes de empezar, qué es una parábola?

Pues una parábola es una cónica (o sea, se obtiene de la intersección de un cono y un plano) que se puede definir como el conjunto de puntos que están a la misma distancia de un punto F (que llamaremos foco) y de una recta d que no contiene el punto (que llamaremos directriz).

Pero, por qué esta definición y no otra? Pues porque necesitaré el foco.

De qualquier modo, si la distancia entre el foco y la directriz es $\frac{1}{2a}$, mediante rotaciones y translaciones, se puede colocar la directriz en $y=-\frac{1}{4a}$ y el foco en el punto $(0,\frac{1}{4a})$. Este foco y esta directriz generan la parábola $y=ax^2$.

Las parábolas tienen una propiedad muy interesante, que es que qualquier rayo que entre perpendicular a la directriz (en nuestro caso, vertical), cuando se refleja en la parábola, pasará por el foco. De hecho, a parte de pasar por el foco, el rayo se volverá a reflejar en la parábola y volverá a salir perpendicular a la directriz (o sea, vertical, o lo que es lo mismo, en la misma dirección en la que había entrado, pero en sentido contrario).

Para probar esta propiedad, es suficiente ver que dada la parábola $y=ax^2$ y un punto de la parábola $P (b, ab^2)$, una recta vertical forma el mismo ángulo con la tangente en el punto que la recta que va del punto al foco. O sea, mirando el gráfico, se tiene que ver que los ángulos $\alpha$ y $\beta$ son los mismos.

(Por simetria, se puede suponer que $b$ és positivo, y también se puede suponer que $b$ es distinto de cero, porque en el caso de que sea 0, es obvio que pasa por el foco).



Pero el ángulo $\beta$ es el mismo que se forma entre los segmentos FQ y QP, donde Q es el punto donde la tangente corta el eje de ordenadas. Por tanto, sólo hace falta ver que el triangulo FQP es isosceles.

Como que el pendiente de la recta tangente en el punto $(b,ab^2)$ es $2ab$, la recta tangente es

$$y=2ab(x-b)+ab^2,$$

o sea

$$y=2abx-ab^2. $$

Por tanto, el punto Q es $(0,-ab^2)$.

El segmento FQ tiene una longitud de $\frac{1}{4a}+ab^2$.

El segmento FP tiene una longitud de $\sqrt{b^2+(ab^2-\frac{1}{4a})^2} = \frac{1}{4a}+ab^2$.

Por tanto, el triangulo es isosceles, los ángulos son iguales y todos los rayos que llegan verticales se reflejan y pasan por el foco.

De hecho, con esto, también se puede ver que qualquier rayo que esté a distancia $c$ del eje, tiene que recorrer la misma distancia para reflejarse y llegar al foco.

Esta distancia es:

La distancia hasta llegar a reflejarse en un punto: $c-ab^2$.

La distancia desde la parábola al eje: $\frac{1}{4a}+ab^2$.

Por tanto, la distancia siempre es $c+\frac{1}{4a}$.

Si, pero las parábolas son curvas, no superficies, y vivien en el plano, no en el espacio. Por eso, para construir antenas, se utilizan paraboloides de revolución, que son las superficies que se obtienen haciendo girar una parábola de este estilo entorno al eje de ordenadas.

Estos paraboloides tienen la misma propiedad que las parábolas: cualquier rayo que entre perpendicular a la directriz se reflejará en el paraboloide y pasará por el foco. Por tanto, sólo hace falta poner el receptor en el foco, dónde se sabe que pasaran todas las ondas. Es más, el tiempo entre que se emitan y que lleguen al foco sólo dependerá de la distancia a la antena, no del punto dónde se hayan reflejado.

Y ya para finalizar, esta propiedad de los paraboloides es la misma que usan los flashes de las cámeras, pero a la inversa: emitiendo una luz desde el foco, esta se reflejará en rayos siempre perpendiculares a la dirección en que queramos, y para qualquier plano donde "enfoquemos" el flash, la luz llegará siempre al mismo tiempo.

dimecres, 10 de febrer del 2010

pi con sumas y productos infinitos

Aquesta entrada és una traducció d'un post en català, traduïda per participar al primer Carnaval de matemáticas.


$\pi$ es un número que se define simplemente como la proporción entre la longitud de una circumferencia y su diámetro.

Sin embargo, durante la historia de las matemáticas, se han encontrado diversas fórmulas que permiten calcular el número $\pi$ a través de sumas o productos infinitos.

La primera vez que alguien encontró una fórmula de este tipo fue François Viète. En 1593 publicó el que sería el primer producto infinito de la historia de la matemática, con el que se puede obtener el número $\pi$:

$$ \frac{2}{\pi} = \frac{\sqrt{2}}{2} \cdot \frac{\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2}\cdot \frac{\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{2}}}}{2} \cdots$$

Esta fórmula proviene de cálculos trigonométricos.

Sólo con estos términos, la aproximación de $\pi$ que se obtiene es de 3.12. Añadiendo un término más, el resultado es de 3.1365. La aproximación siguiente es 3.1403.

Medio siglo más tarde, en 1655, John Wallis encontró otra forma de calcular $\pi$ usando un producto infinito:

$$ \frac{\pi}{2} = \frac{2}{1} \cdot \frac{2}{3} \cdot \frac{4}{3} \cdot \frac{4}{5} \cdot \frac{6}{5} \cdot \frac{6}{7} \dots,$$

conocido actualmente como el producto de Wallis.

En este caso, los términos del producto son más fáciles de calcular. Pero para el número de términos de la fórmula se obtiene una aproximación de $\pi$ de 2.9. Añadiendo 4 términos más, la aproximación es de 3.002, y se va acercando muy lentamente al valor de $\pi$.

Ya para finalizar, una aproximación de $\pi$ usando la suma de una serie infinita. Esta es debida a James Gregory, que en 1671 publicó la fórmula:

$$ \frac{\pi}{4} = \frac{1}{1} - \frac{1}{3} + \frac{1}{5} - \frac{1}{7} + \dots,$$

conocida como la fórmula de Leibniz (o fórmula de Gregory-Leibniz), que proviene de la serie de Taylor del arco tangente, calculada para arctan(1).

Esta fórmula también converge muy lentamente a $\pi$ y se necesitan unos 300 términos para obtenerlo con 2 decimales correctos!

Fuente: e: the Story of a Number.