26/7/11

Palitos

Una corriente educativa mundial tiende a emplear sofisticadas tecnologías al par que casi no se desarrollan formas autónomas del pensar. Es como si se priorizara la formación de mentes básicas, sin creatividad, con el auxilio de un herramental tecnológico de avanzada. En la antigua Grecia llegaron a medir la tierra con una gran precisión haciendo uso de un palito, la diferencia consistió en la imaginación empleada para acometer el problema.

Para ello hacia el año 235 a.C. Eratóstenes de Cirene midió la tierra por comparación de la longitud de las sombras que marcan dos objetos del mismo largo en lugares diferentes. Estos lugares fueron las actuales ciudades de Asuan y Alejandría principalmente porque en Asuan, en el día del solsticio de verano no hay sombras al mediodía, los rayos del sol caen perpendicularmente sobre su superficie. Entonces midiendo la sombra de un obelisco o palo en la ciudad de Alejandría su sombra ayuda al cálculo de las dimensiones terrestres. Alejandría fue considerada sobre el meridiano de Asuan lo que introdujo un error no importante.
Sobre la forma concreta en que hizo su medición Eratóstenes, hay diversas versiones, distintos tamaños del obelisco: 1 metro, 4 metros, distintas formas de medir las distancias entre las ciudades: usando caravanas comerciales, soldados, caminantes especialmente contratados, etc. Para hacer más simple la exposición consideraremos el obelisco como de un metro. Tampoco el estadio, la medida de longitud de la época, tiene una versión única de modo que según distintos autores varía entre 157,5 (estadio real egipcio) y 178,125 (estadio de Olimpia) metros. Con la distancia entre ambas ciudades conocida, que es el arco del meridiano terrestre local se puede calcular el círculo terrestre total en forma como se verá sencilla.

Eratóstenes consideró que el sol estaba lo suficientemente lejos como para suponer que sus rayos llegaban a la tierra en forma paralela y que si en Asuan no hay sombra es porque allí obviamente los rayos caen perpendicularmente, mientras que en Alejandría no. Entonces la tierra está inclinada en esta última de manera que desde Asuan hasta Alejandría está curvada. A mayor diferencia angular, menor distancia entre las ciudades, más chica resultaría la tierra.
La sombra de un obelisco de un metro midió 12 centímetros, y haciendo uso de los conocimientos de trigonometría ya en su haber determinó que esa longitud estaba relacionada a un ángulo de 7 gra¬dos con 12 minutos entre los rayos del sol y la vertical.
Con cualquier método que se haya obtenido, hay casi unanimidad acerca de la distancia entre ambas ciudades: unos 5000 estadios y lo demás es regla de tres:
Si a 7 grados con 12 minutos corresponden 5000 estadios, a los 360 grados de la circunfe¬rencia completa lo harán 250000, y ésa es la circunfe¬rencia total de la Tierra, equivalente a 44.500 Km. (Olimpia), o 39400 Km. (Egipcio). Hoy las medicio¬nes más precisas dan 40.008 Km. para el caso. Eratóstenes midió con menos de 12% o 2% de error según el caso, con un palito.
Esto tiene mucho que ver con la forma en que se enseña matemáticas en las escuelas. Al respecto se pueden realizar dos experiencias: que en ciudades sobre el mismo meridiano, se hagan mediciones de los ángulos de los rayos solares con la vertical de cada lugar, al mediodía y se intercambien la información para calcular las dimensiones terrestres o bien trabajar sobre algún material curvo y simular la experiencia (aquí lo que se obtendría sería la circunferencia relacionada con el material curvo empleado).
En ambos casos la resolución de un problema concreto (y más interesante que los corrientes de los libros) enseña a pensar y a hacer menos tediosa la enseñanza.

19/7/11

Racionalidad del azar

En la medida que las ciencias naturales van explicando cada vez más cosas y que los avances tecnológicos resultantes se incorporan a la vida cotidiana es más y más difícil sostener con honestidad que la propia naturaleza es irracional. Queda para los tenaces defensores de alguna suerte de irracionalismo sostener que a) la intuición emocional es superior a la racionalidad para el conocimiento de los fenómenos naturales y únicos, no sujetos a leyes naturales. O bien b) que por las limitaciones de nuestros medios de conocimiento, existe un vacío entre lo que conocemos y la realidad que se llena por lo irracional.
Ahora bien, resulta que la evolución, que hace poco tiempo hubo de ser reconocida por Juan Pablo II como mucho más que una teoría teniendo en cuenta todas las comprobaciones que se fueron haciendo de la misma tanto por la paleontología como por la biología molecular, acaba de ser declarada irracional por Benedicto XVI sobre la base de estar sustentada en el azar. Además condenó a los científicos que “explican la existencia de la humanidad como resultado del azar” (Clarín, 13/09/06). Nos preguntamos el porqué de este retroceso, en nada beneficioso para la Iglesia Católica y nos enteramos que entre 1969 y 1977 el actual Papa fue profesor de Dogmática en la Universidad de Ratisbona y que también fue antes de su elección como pontífice el prefecto de la Congregación para la doctrina de la Fe, que en 1966 reemplazó a la Congregación del Santo Oficio más conocida como la Santa Inquisición, y se puede pensar que quizá no esté habilitado para “leer los signos de los tiempos”, aquéllos que mencionara Juan XXIII.
En primer lugar la probabilidad de un suceso no es una medida de nuestra ignorancia como hace más de dos siglos sostuvieron algunos matemáticos y que asignaban en forma equiprobable las mismas cuando ellos ignoraban las características del fenómeno aleatorio considerado.
Aún hoy es posible encontrar en ensayos y obras de divulgación este método de asignación. Estas ideas fueron rápidamente abandonadas debido a los numerosos contraejemplos que las vulneraron.
Así no faltó quien demostrara la existencia de mamíferos en la luna, en épocas muy anteriores al lanzamiento de vehículos a la misma.
El razonamiento era: Como no se sabe si hay perros en la luna, la probabilidad de que sí haya es ½ lo mismo de que no haya; otro tanto ocurre con los caballos y la probabilidad de que no haya ni perros ni caballos es 1/2x1/2=1/4. Continuando con este razonamiento para las 8000 especies de mamíferos existentes, la probabilidad de que no exista ningún mamífero será igual a ½^8000 que es aproximadamente igual a 1/10^903 y esto es igual a 1 dividido por un número que es igual a un 1 seguido de 903 ceros, en la práctica un número muy pequeño casi igual a cero, y si la probabilidad de que no existan mamíferos en la luna es casi cero, la de que exista por lo menos una especie es casi uno, ¡la certeza! Esto quiere decir que hemos partido de un principio falso que está constituido por una asignación de las chances hecha sin ningún fundamento, producto de nuestra ignorancia. La probabilidad no mide nuestra ignorancia, sino que es inherente al fenómeno. Como se ha visto en el ejemplo de los dados, del post Matemáticas y realidad, que se comportan como distinguibles aunque no estén pintados con distintos colores. Lo que mide nuestra ignorancia son las asignaciones de este tipo y su distancia de lo real.
Es que los fenómenos aleatorios existen en la naturaleza y las herramientas para su estudio se parecen a las usadas para la investigación de otros fenómenos. En primer lugar al libro de la naturaleza, siguiendo a Galileo, se lo lee con el lenguaje de las matemáticas y para lo aleatorio hay un sistema de axiomas que nos permiten su comprensión porque han sido tomados de la realidad tal como lo aconsejaba Aristóteles, que, en versión simplificada son:
a) la probabilidad de un suceso imposible es 0.
b) La probabilidad de un suceso cualquiera es menor o igual a 1.
c) La probabilidad de que ocurra alguno de dos sucesos es igual a la suma de sus probabilidades menos la de que ocurran ambos al mismo tiempo.

Con estos axiomas se pueden estudiar la totalidad de los fenómenos aleatorios.
Por ejemplo, supongamos que en una ruleta jugamos a color. Aquí las leyes del movimiento de la ruleta no determinan que el color que salga sea negro o colorado. Sin embargo, en estos fenómenos intervienen variables que pueden determinarse, ejemplo: como hay la misma cantidad de números de cada color (despreciando el cero) y además cada número ocupa el mismo lugar que los demás, las chances son parejas. También intervienen variables que pueden variar en su intensidad como el impulso dado por el croupier, etcétera. Es decir que entre las causas que producen un resultado hay algunas inherentes al desarrollo del proceso, en este caso los dos colores de los números de la ruleta, y otras que no. En el ejemplo anterior, la forma en que se distribuyen los colores en la ruleta determina que las chances sean parejas pero otras, como el impulso inicial dado por el croupier, que no hacen al desarrollo del proceso pero que intervienen eventualmente, determinan uno u otro resultado, es decir, que las leyes de los fenómenos aleatorios permiten medir la posibilidad de ocurrencia de un evento, pero no determinan un resultado fijo. Puede argumentarse que cada resultado tiene una causa, y así es, pero estas causas pueden darse o no en los casos particulares (en cada tirada) porque no son inherentes al sistema. Estas variables que no son inherentes al sistema y por lo tanto intervienen de modo que podemos considerar eventual fueron llamadas funciones arbitrarias por el matemático Frechet y se eliminan sin problemas una vez considerada la forma en que se distribuyen sus intensidades de modo que se puede demostrar que la probabilidad para cada uno de los colores es un medio (método de las funciones arbitrarias). Resumiendo: en un fenómeno aleatorio existen varios resultados posibles y a partir de las leyes de su desarrollo no se puede determinar cuál de ellos ocurrirá en una observación dada, sino que sólo es posible medir las chances de las alternativas.
Como conclusión resulta que existe un vasto herramental matemático para la solución de problemas que involucran al azar. La definición entonces de probabilidad como medida de nuestra ignorancia no tiene entidad actualmente, con lo que la opción b) mencionada arriba queda descartada.
Nos queda sólo la alternativa a) para considerar la relación del azar con el origen de la vida.
En el cálculo de probabilidades una magnitud importante es la llamada esperanza matemática para la ocurrencia de un suceso: si se arroja repetidamente una moneda que tiene la probabilidad p de salir cara, pongamos que se tira n veces, se espera, de aquí el nombre, que salgan np caras o sea si se arroja 100 veces una moneda equilibrada (p=1/2), se espera que salgan 100*(1/2)= 50 caras. Esto no quiere decir que cada vez que se arroje 100 veces la moneda van a salir 50 caras, pero sí que la mayoría (95%) de las veces van a salir entre 40 y 60 caras.
En el caso en que cada serie fuera de 10000 tiradas, la esperanza sería de 5000 caras y la mayoría, de nuevo un 95% de las veces, saldrían entre 4900 y 5100 caras. Los intervalos así determinados se llaman intervalos de confianza, en estos casos con coeficiente igual al 95%, en lenguaje popular serían algo así como los “errores” que se escriben 5000+-100 ó 50+-10.
Consideremos ahora el caso de una moneda cuya probabilidad de salir cara sea 0,000001. arrojada 1000000 de veces daría como esperanza 1 vez cara. 100000000 daría 100 caras, etc. Es por esto que los sucesos improbables alguna vez ocurren y cada tanto alguien acierta el loto, quini, o cualquier juego de azar.
En los océanos primitivos de nuestro planeta la cantidad de moléculas de sustancias que ahora estudia la química orgánica hizo posible la aparición de la vida por más poco probable que fuera para cada molécula en particular, porque esa cantidad de moléculas equivalía a enormes tiradas con una moneda, argumento a favor del surgimiento contingente de la vida que no tiene nada de irracional, porque no estamos ante un caso único no sujeto a leyes naturales como se indica al inicio de este artículo sino que por el contrario existían cantidad de moléculas susceptibles de transformarse en vida. El azar siempre se refiere a hechos que se repiten.
Si consideramos que las rocas más antiguas están datadas a 4000 millones de años y que se observan restos fósiles de organismos de una sola célula en rocas de unos 3800 millones de años quizá las primeras con chances de albergar estos restos, las probabilidades de originarse la vida a partir sustancias orgánicas eran más altas de lo que se podría suponer.

Apéndice de Alfonso  La ciencia y sus alrededores 

13/7/11

Matemáticas y realidad. Terreno peligroso

La relación de las matemáticas con la realidad ha sido materia de arduas polémicas. Concretamente la discusión se centra en la aplicabilidad de las matemáticas a la naturaleza o a la sociedad.
Existe cantidad de aplicaciones de la matemática no sólo por solicitaciones externas sino también las que resultan de desarrollos a veces muy anteriores a los que se halla luego aplicación.
Resulta que es imposible atribuir a simples coincidencias esta gran cantidad de aplicaciones. Cuánto más aplicaciones se fueron hallando, más improbable se fue haciendo la idea de que fueran coincidencias, por lo que se hace necesaria una explicación racional para este hecho.
Por otra parte en casos dudosos los matemáticos se apegan a las soluciones realistas. Un ejemplo lo constituye dentro del cálculo de probabilidades qué es lo que ocurre al arrojar una vez un par de dados iguales que no se pueden distinguir uno de otro dándose las siguientes alternativas:
¿Dados indistinguibles?
Se trata de contar de cuántas formas puede ocurrir cada suma de puntos: p. ej. se pueden obtener cuatro puntos de dos maneras, que en ambos dados salgan dos puntos, o que en uno salga uno y en el otro tres:

Suma de puntos Formas en que sale Probabilidad
     2                 (1,1)                1/21 uno en cada dado
     3                 (1,2)                1/21 uno en un dado y dos en el otro 
     4            (1,3) - (2,2)           2/21
     5            (1,4) - (2,3)           2/21
     6       (1,5) - (2,4) - (3,3)     3/21
     7       (1,6) - (2,5) - (3,4)     3/21
     8       (2,6) - (3,5) - (4,4)     3/21
     9            (3,6) - (4,5)           2/21
    10           (4,6) - (5,5)           2/21
    11                (5,6)                1/21
    12                (6,6)                1/21

Las probabilidades se obtienen considerando que hay 21 casos (21 pares) que son equiprobables (los dados se consideran equilibrados)
Si ahora consideramos a los dados distinguibles, p.ej. uno de ellos está pintado de azul, el número de casos crece a 36 porque (1,2) da lugar a las salidas (1 azul, 2 blanco) y a (1 blanco, 2 azul), y así siguiendo, y en la tabla anterior cada forma de salida con números distintos da lugar a dos como en el caso (1,2), pasando la probabilidad de sacar 3 puntos de 1/21 a 2/36 para comprobar lo cual basta con contar los casos. Del mismo modo cambia el resto de las probabilidades.
Ahora bien, si se contrasta con un número grande de tiradas de dos dados comunes sin pintar ocurre que la distribución de los resultados se ajusta como si estuvieran pintados con distintos colores y a ningún matemático serio se le ocurre alejarse del criterio de realismo implícito al elegir como cierto el hecho que en todos los casos los dados se comportan como distinguibles aunque no estén pintados.
Ya Galileo había comentado que el libro de la naturaleza estaba escrito con el lenguaje de las matemáticas presuponiendo la existencia de una realidad externa y tratando de explicar la aplicabilidad de las matemáticas a las ciencias naturales como la astronomía y la física. Sin embargo al tratar con las ciencias sociales esta aplicabilidad se torna más compleja dado que el objeto de estudio es la sociedad cuyos elementos son los seres humanos que por lo general diferimos ampliamente de los agregados de partículas que constituyen el objeto de estudio de las ciencias exactas.

Esto no obsta para realizar intentos de matematización que resultan errados y algunas veces meras supercherías.

Un ejemplo es de la economía de llamada pura que dio lugar a la elevación del mercado como regulador privilegiado de la sociedad con la consecuencia de miles de millones de hambrientos y con decenas de millones de ahorristas de clase media cuyos ahorros han sido pulverizados en la crisis en curso y cuyas consecuencias graves para la economía que ahora se reconoce como real no pueden todavía medirse.

En el plano teórico implicó no sólo a economistas sino también a un coro vocinglero de intelectuales, y es en esta economía donde se ha llegado hasta a proponer una teoría axiomática con los siguientes puntos de partida (axiomas):
     a) existe una racionalidad de los comportamientos de los competidores en el mercado,
     b) el equilibrio de mercado es el único procedimiento de coordinación,
    c) existe una racionalidad de las expectativas de los competidores en el mercado,
     d) el carácter estacionario de las relaciones puestas en evidencia

Se debe señalar que ya Aristóteles subrayó el carácter realista que debían tener los axiomas, cosa que en los casos a) y c) no se cumple, los concurrentes al mercado producen gran cantidad de personas que viven con menos de 2 dólares por día disminuyendo así los tamaños de sus mercados, lo cual no parece muy racional. Los b) y d) significan en buen romance que el sistema económico no se puede cambiar: lo que está en estado estacionario es porque llegó a un régimen permanente. Esta permanencia da un carácter “natural” al mismo, propio de los fundamentalismos religiosos, lo cual explica los notables fracasos del sistema neoliberal en todo el mundo (Alfonso, La economía como ciencia y sus axiomas. Realidad económica 180. 2001).

Aun suponiendo que éstos fueran realistas, la axiomática no está libre de problemas dado que hay proposiciones de las matemáticas que no se ha podido demostrar ni que sean ciertas, ni que sean falsas. Estas proposiciones se llaman indecidibles como por ejemplo, la conjetura de Goldbach, matemático austríaco, que data de 1742: todo número par es la suma de dos números primos. Si bien no hay ningún caso en que esto no se cumpla, tampoco se ha podido demostrar para todos los números pares. No se puede decidir por sí o por no.
En realidad está demostrado que los indecidibles son inherentes a los sistemas axiomáticos como los usados en matemáticas [Gödel (1931)]. Estos sistemas son incompletos es decir que no pueden demostrarse todas las proposiciones en ellos contenidas. Se ha intentado solucionar este problema con el agregado de nuevos axiomas, pero un segundo teorema de Gödel nos dice que en este caso el sistema resultante se tornaría no consistente es decir que no se puede demostrar que no tenga contradicciones. (Gödel: Obras completas. Alianza Universidad. 1981).
Esto quiere decir que aunque los axiomas de la economía neoliberal se cumplieran a rajatabla en todo el mundo, cosa que no es cierta, las dificultades inherentes a la axiomática eliminan la posibilidad teórica de un discurso económico (o pensamiento) único, debido a los problemas que resulten indecidibles. Como la economía, mal que les pese a los teóricos, tiene que ver con problemas reales de la sociedad, cada vez que uno de estos sea indecidible para los axiomas vigentes, se decidirá políticamente, de una u otra forma, independientemente de los axiomas.
Si se toma en cuenta la cantidad de economistas “puros”, consultores, periodistas económicos, gurúes diversos consultados por los medios, etc., para convencernos de las bondades del mercado, se tiene una idea de este enorme esfuerzo que se ha ido al traste con el actual tsunami económico mundial.

5/7/11

Matemáticas en Egipto

Aritmética y algebra
Los papiros que documentan las matemáticas egipcias están datados hace unos 3500/4000 años y resumen conocimientos que se originaron anteriormente.
Los egipcios conocían que cualquier número positivo se puede escribir como una suma de potencias de dos, p. ej:

35 = 1 + 2 + 32 = 2^0 + 2^1 + 2^5, porque usaban la tabla
2^0=1, 2^1=2, 2^2=4, 2^3=8, 2^4=16, 2^5=32, 2^6=64, etc.

Esta propiedad numérica era utilizada para multiplicar como puede verse en el problema 32 del papiro del Rhind, que plantea hallar el producto 12 x 12, el procedimiento es el que sigue:
                1   12
                  2    24
                 *4   48
                 *8   96
                12  144

En la primera columna se comienza por la unidad y se va multiplicando por dos en cada fila, en la segunda columna se comienza por uno de los factores y también se va multiplicando cada fila por dos, de modo que cada fila duplica la anterior.
Los números que suman el otro factor (también doce en este caso) se marcan con una señal (en el ejemplo con un asterisco).
Finalmente se suman tanto estos números como los de la segunda de las filas correspondientes. Esta última suma es el resultado: 144.
Otro ejemplo, multiplicar 22 x 17:

            * 1    22
                 2    44
                 4    88
                 8   176
              *16   352
               17   374 resultado final.

Un método análogo era utilizado para la división, considerando además de las duplicaciones, las mitades, como en el problema 24 del papiro Rhind (dividir 19 por 8):
                           
                                      1       8 Divisor
                                     *2     16
                                    1/2      4
                                  *1/4       2
                                  *1/8       1
          Resultado 2+1/4+1/8     19 Dividendo

Ahora lo escribimos 19:8=2,375 (=2+1/4+1/8)

Para la división entre fracciones emplearon la llamada tabla de 2/n, que da todos los cocientes de 2 dividido por todos los impares hasta 101 inclusive:

  2/3= 1/2+1/6     2/9= 1/6+1/18              2/15= 1/10+1/30
  2/5= 1/3+1/15   2/11=1/6+1/66              2/17=1/12+1/51+1/68
  2/7= 1/4+1/28   2/13=1/8+1/52+1/104    2/19=1/12+1/76+1/114
 _________________________________________________________
 2/101=1/101+1/202+1/303+1/606.
                                  Tabla 2.1

Ejemplo, dividir 18+1/4+1/28 por 1+1/7:
     1   1+1/7
     2   2+1/4+1/28 porque 2/7=1/4+1/28 según la tabla
     4   4+1/2+1/14
     8   9+1/7
  *16  18+1/4+1/28 aplicando de nuevo la tabla
Luego el cociente es 16

Problemas aritméticos
El problema 24 del papiro Rhind tiene un enunciado más general que el dado más arriba:
A una cantidad se le suma 1/7 de ella y el resultado es 19. Hallar dicha cantidad.
Se asume que la cantidad es 7, entonces,
   * 1      7
   * 1/7   1
             8

Para que en lugar de 8 dé 19, hay que multiplicar por 19/8= 2+1/4+1/8 según el ejemplo dado más arriba:
        *1    2+1/4+1/8
        *2    4+1/2+1/4
        *4    9+1/2
             16+1/2+1/8
O sea que 7 x (2+1/4+1/8) = 16+1/2+1/8, que es la solución buscada: si a esta cantidad le sumamos 1/7 de sí misma nos da 19,
     16+1/2+1/8
      2+1/4+1/8
    19

Este método que consiste en ensayar una solución, en este ejemplo 7, y luego aproximar hasta encontrar la verdadera solución ahora se llama método de regula falsi, y se enseña en cursos de secundaria.
Además de resolver este tipo de problemas los egipcios establecieron algunas reglas o procedimientos, para encontrar las fracciones con numerador 1, en que se descomponen las fracciones con numerador 2, para construir la tabla 2.1 y seleccionar los valores elegidos, porque por lo general no hay soluciones únicas, p. ej. también es 2/3=1/4+1/ 5+1/6+1/20. Este tipo de formas de encarar los problemas trasciende lo aritmético y abre un camino con posibilidades de llegar al algebra.
Nótese que con estos métodos para calcular, con base decimal, no resulta implicado el cero ni la posición de las cifras, en otras palabras para los egipcios el cero no existió.

Extraído del libro La ciencia y sus alrededores de Fermín Jorge Alfonso