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Archivo de enero, 2021

La máquina de Galton

Siempre que puedas, cuenta

Sir Francis Galton

No es la primera vez que Francis Galton se asoma a Matemáticas y sus fronteras. En El matemático que quiso medir la inteligencia hablamos de sus estudios sociológicos y antropológicos  , y en La extinción de los apellidos entre la aristocracia victoriana y el número R sobre el ahora famoso número R en el caso de la transmisión vertical. Pero hoy nos centraremos en uno de sus diseños, la llamada máquina de Galton.

 

Galton nació en Birmingham, el 16 de febrero de 1822, y falleció en Haslemere, Surrey, el 17 de enero de 1911).  Se le puede calificar de polímata, porque sus intereses y actividades fueron de lo más variado y abarcaban la estadística, la sociología, la psicología, antropología, geografía, y muchas más cosas.

Galton fue pionero en la aplicación de los métodos estadísticos a las ciencias sociales y a la medicina, también a la meteorología. En realidad, fue por esas aplicaciones por lo que Galton se dedicó a estudiar la estadística. En las citadas entradas previas podemos encontrar muchos más detalles.

Sir Francis Galton

En Estadística nos interesa conocer los valores medios y como las mediciones se dispersan en torno a estos. A finales de 1860, Galton fue capaz de proponer la llamada desviación estándar. En su estudio de la distribución normal, Galton inventó una máquina que se llamó la Máquina (o Tablero) de Galton. Su objetivo era demostrar el teorema del límite central, en particular que, con una muestra lo suficientemente grande, la distribución binomial se aproxima a la distribución normal. Como comentamos, su curiosidad era conocer por qué ciertas características humanas, como la altura, en lugar de variar aleatoriamente dentro de una población, parecían variar dentro de una cierta estructura, una distribución normal. Galton quería precisamente era proporcionar una demostración práctica de por qué ocurre este hecho (aparte, por supuesto, de la demostración matemática, basada en el Teorema Central del Límite).

 

Diseño original de Galton

El Tablero de Galton consiste en un tablero vertical en el que se van intercalando filas de clavijas tal y como se muestra en la imagen. Ahora vamos dejando caer desde arriba cuentas o bolitas que van rebotando en las clavijas. Al golpearlas, pueden rebotar a la izquierda o hacia la derecha. Las cuentas acaban agrupándose en los recipientes de la base del tablero, y uno observa como las alturas de las columnas se aproxima a la curva de campana. La razón de esto es que hay muchas más formas de llegar a estos contenedores centrales que a los extremos. En efecto, aunque la probabilidad de ir a un lado o a otro es de ½, hay más maneras de irse hacia el centro que hacia los lados.

La fascinanción de Galton por la curva de campana queda de manifiesto en su libro Herencia Natural, publicado en 1889:

Orden en el Caos Aparente: Sé de casi nada tan apto para impresionar la imaginación como la maravillosa forma de orden cósmico expresada por la Ley de la Frecuencia del Error. La ley habría sido personificada por los griegos y deificada, si hubieran sabido de ella. Reina con serenidad y en completo olvido en medio de la más salvaje confusión. Cuanto más grande es la multitud, y cuanto más grande es la anarquía aparente, más perfecto es su dominio. Es la ley suprema de la irracionalidad. Cada vez que una gran muestra de elementos caóticos son tomados en mano y reunidos en el orden de su magnitud, una insospechada y más bella forma de regularidad demuestra haber estado latente todo el tiempo.

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Manuel de León (CSIC, Fundador del ICMAT, Real Academia de Ciencias, Real Academia Canaria de Ciencias, Real Academia Galega de Ciencias).

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STEAM en Miradas Matemáticas

“La enseñanza de las matemáticas se enriquece si se le dota de un contexto STEM”, Manuel García Piqueras

Miradas Matemáticas, la colección de libros que publica Catarata en colaboración con la Federación Española de Sociedades de Profesores de Matemáticas (FESPM) y el Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT) lanza su decimoquinto título,  Aventuras STEAM, escrito por Manuel García Piqueras.

STEAM es el acrónimo inglés de de Science, Technology, Engineering, Art y Mathematics, y es la evolución del original STEM: cience, Technology, Engineering y Mathematics. Ambos son una estrategia educativa que incide en la enseñanza interdisciplinar, tratando de que los alumnos adquieran competencias  y habilidades relacionadas con la resolución de problemas, la investigación científica, el pensamiento creativo, el espíritu crítico, la iniciativa empresarial, el trabajo en equipo o la gestión positiva del error.

Este tipo de educación integral se ha ido haciendo cada vez más popular por la ceciente demanda de profesionales que posean estas cualificaciones. Por otra parte, STEAM permite que el alumnado desarrolle habilidades y competencias relacionadas con la innovación, independientemente de que se vayan a dedicar o no a una profesión científico-técnica.

 

Manuel García Piqueras

Una de las características de STEAM es que abarca metodologías, herramientas tecnológicas y orientaciones pedagógicas diversas, como el aprendizaje basado en proyectos, en el que se prioriza la resolución de problemas en contextos reales o el aprendizaje-servicio, enfocado a la mejora por parte del alumnado de una situación social en su entorno cercano.

Como el propio autor comenta en esta entrevista:

“La Unión Europea prevé un incremento considerable de perfiles STEM en un futuro inmediato. Ahora mismo no es posible competir a nivel salarial con otras potencias emergentes y la única forma de tener éxito comercial es fabricar con una calidad y unas garantías excelentes. Esto se consigue mediante la aplicación de tecnología punta y los estándares científicos más avanzados.”

 

El autor en el CERN

No es de extrañar pues que la propuesta de un libro sobre STEAM fuera acogida con entusiasmo en Miradas matemáticas. El título lleva un subtítulo clarificador, Ciencia, tecnología, ingeniería y arte: Un universo de conexiones matemáticas. En efecto, el autor presenta una serie de proyectos STEAM que tienen a las matemáticas como hilo conductor. Estos proyectos han sido desarrollados por el autor en el aula, y han sido reconocidos internacionalmente con numerosos premios. Entre ellos: la construcción de un astrolabio con impresora 3D, erl estudio de los ecosistemas y las consecuencias del cambio climático o el estudio del magnetismo terrestre, y son adaptables según las necesidades del profesorado y el alumnado.

Sobre el autor

Manuel García Piqueras es consultor tecnológico, docente de secundaria y profesor asociado de la Universidad de Castilla-La Mancha, autor de múltiples artículos sobre matemáticas, ensayista y novelista. Ha coordinado equipos de estudiantes que han obtenido las más altas distinciones en competiciones STEAM internacionales. Centra sus intereses en la teoría de la complejidad aplicada al estudio de ecosistemas, los instrumentos astronómicos, el magnetismo terrestre o el aprendizaje automático, entre otros, y participa en proyectos dirigidos por la Agencia Espacial Europea (ESA) o la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). Ha publicado novelas como La SuperMATEsobrina y el enigma del gran astrolabio (Nivola, 2016) o libros de divulgación como Una historia de la proporción: Desde la prehistoria al número de oro (Nivola, 2013) o la biografía Leibniz Las matemáticas del mejor mundo posible (Nivola, 2020).

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Manuel de León (CSIC, Fundador del ICMAT, Real Academia de Ciencias, Real Academia Canaria de Ciencias, Real Academia Galega de Ciencias).

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Historias de Pi: en búsqueda de la identidad

En entradas anteriores hemos visto como la relación entre la longitud de una circunferencia y su diámetro era constante, la misma que nos da la relación entre el área de un círculo y el cuadrado de su radio. A esa constante la bautizamos como número π. Pero, ¿cuál es la naturaleza de este intrigante número cuyas cifras decimales no terminan nunca?

William Oughtred

Para investigar sobre sus señas de identidad, vayamos primero al nombre,  y también a la notación, al símbolo que lo representa. La notación con la letra griega π proviene de la inicial de dos palabras griegas: περιφέρεια (periferia) y περίμετρον (perímetro). Esta notación se debe al matemático y clérigo inglés William Oughtred (1574-1660) (a quien, por cierto, se le deben muchas otras notaciones); previamente se representaba por la letra p. Oughtred usaba la relación π/δ, donde δ era el diámetro en su obra Clavis Mathematicae (1647).

William Jones

 

Más adelante, el matemático galés William Jones (1675-1749) en su obra de 1706, Synopsis Palmariorum Matheseos, utiliza la letra griega π en la discusión de un círculo con radio uno tal como se muestra en la imagen

Jones, sin embargo, comenta que esas ocasiones son debidas “al ingenioso Sr. John Machin (1686-1751), quien en 1706 consiguió el logro de calcular 100 cifras decimales de pi. Así que quizás Machin fue al auténtico padrino. En cualquier caso, los matemáticos siguieron usando la notación en fracción de Oughtred hasta que Leonhard Euler la popularizó en sus obras Mechanica (1736) e Introductio in analysin infinitorum (1748). La influencia de Euler pudo con cualquier otro intento, como el previo de denominarlo constante de Ludolph, en honor al matemático alemán Ludolph van Ceulen (1540-1610), quién había calculado valor de π con una aproximación de 20 cifras decimales en su libro Van den Circkel (1596) que extendió a 35 algo más tarde. Después de su muerte, el “Número de Ludolphine”,

3,14159265358979323846264338327950288…,

fue grabado en la lápida de su tumba en Leiden.

 

Réplica de la tumba de Ludolph van Ceulen

Aparte de estas pinceladas acerca del nombre, lo esencial era determinar su naturaleza como número.

π  es un número irracional, es decir, no puede expresarse como fracción de dos números enteros: Este hecho lo demostró el matemático suizo-alemán Johann Heinrich Lambert (1728-1777). Lambert expresó  π  como una fracción continua infinita. Como una fracción continua finita se puede expresar mediante un número racional y viceversa, si π fuera racional, debería existir tal fracción continua.

Johann Heinrich Lambert

Más adelante, Charles Hermite encontró una prueba que no requiere ningún conocimiento previo más allá del cálculo básico. Y otras simplificaciones de esta prueba de Hermite son debidas a Mary Cartwright, Ivan Niven y al grupo Nicolas Bourbaki. Otra prueba, simplificación de la prueba de Lambert, se debe a Miklós Laczkovich.

En 1882, el matemático alemán Ferdinand von Lindemann demostró que π no sólo es irracional, sino también trascendental, es decir, que no es la raíz de ningún polinomio de coeficientes enteros.

 

Carl Louis Ferdinand von Lindemann

También se sabe que π no es tampoco lo que se llama un número de Liouville, que son aquellos números trascendentes que no se pueden aproximar por una sucesión de números racionales “rápidamente convergente”, o en otras palabras, los “mejor aproximados” por racionales.

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Manuel de León (CSIC, Fundador del ICMAT, Real Academia de Ciencias, Real Academia Canaria de Ciencias, Real Academia Galega de Ciencias).

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