Ossos i geometries no euclidianes (2)

 A l'article anterior (Ossos i geometries no euclidianes-1) vam plantejar un conegut problema amb un enunciat semblant a aquest:

Un os camina un quilòmetre cap al sud seguint un meridià. Gira cap a l'oest i camina un altre quilòmetre seguint un paral·lel. Gira cap al nord i camina un altre quilòmetre seguint un meridià. Al final es troba al punt de partida. De quin color és l'os?

Vam veure que hi havia dos tipus de solucions. Un model amb infinites solucions a l'hemisferi sud del nostre planeta i un altre de més evident a l'hemisferi nord: el punt de sortida i arribada seria el Pol Nord. Vam observar al Pol es formava un triangle amb una suma d'angles interiors de més de 180º. Això no és possible al pla però sí a una superfície esfèrica. Va ser l'excusa per entrar en el mon de la geometria esfèrica, un dels tipus de geometries no euclidianes. En aquest article canviarem les superfícies sobre les que caminarà el nostre os i serà la porta d'entrada a un altre exemple de geometria no euclidiana: la hiperbòlica.

Imaginem al nostre os caminant sobre un paraboloide hisperbòlic. Aquesta superfície la podem trobar en les patates Pringles o, més sanament, en una superfície reglada com la que mostren al MMACA per a il·lustrar la multiplicació d'enters en 3D. Observarem que el recorregut de l'os és impossible perquè, deixant de banda la definició exacta de nord i sud, els meridians van sent divergents a mesura que es van separant del que podríem considerar com a zona equatorial.

Proposem el problema a una nova superfície: una pseudoesfera o tractricoide. Aquesta superfície, com l'anterior és infinita. És a dir, les "puntes" no acaben convergint sinó que són asimptòtiques. A l'hemisferi sud tenim, com a l'esfera, infinites solucions. Però al nord no en tenim cap perquè els meridians no convergeixen mai, només es van acostant cada vegada més.

Pseudoesfera i ruta en detall

Les dues superfícies presentades son molt interessants en sí mateixes. Però no ens toca estudiar-les ara. Les hem triat perquè son dos dels models físics de la geometria hiperbòlica, una geometria que tampoc acompleix el 5è postulat d'Euclides, però de forma diferent a les que havíem vist: al pla dèiem que "per un punt extern a una recta només passa una paral·lela a aquesta", i a l'esfera que "per un punt exterior a una "recta esfèrica" no passa cap paral·lela a aquesta". A la geometria hiperbòlica diem que:

Per un punt exterior a una recta hiperbòlica passen, com a mínim, dues rectes que són paral·leles a aquesta.

L'expressió "com a mínim dues", implica que poden ser infinites.

Com vam fer a l'article anterior haurem de redefinir algunes coses com "recta", "angle", "distància", "triangle"... i, a partir d'aquestes redefinicions, veure com podem conduir un debat a l'aula sobre aspectes com la relació amb els postulats euclidians,la suma dels angles interiors d'un triangle, com es calcula la seva àrea, com són les circumferències... No es tracta de fer un estudi a fons sinó de fer un primer contacte, d'aproximar-se a algunes idees generals. I tot amb dues raons de fons:

• comprendre millor el sistema axiomàtic de les matemàtiques. I, en concret, millorar la comprensió del proposat per Euclides fent una mena "d'estranyament", a base de modificar les seves regles i "moure'ns" en un món diferent.
• aproximar-nos a la revolució matemàtica que va suposar l'aparició de les geometries no euclidianes.

Aquesta geometria és més difícil d'estudiar amb materials. Podem imprimir algunes superfícies en 3D, però tampoc ens solucionarà gaire cosa, perquè és complex tot el que es relaciona amb la mesura. Aquí teniu un enllaç per a imprimir un paraboloide hiperbòlic i una pseudoesfera.

Hi ha alguns models plans de la geometria hiperbòlica. Per exemple, el model del Disc de Beltrami-Klien on el pla infinit es representa amb l'interior d'un cercle (la circumferència que el limita no en forma part) i les rectes per cordes d'aquesta circumferència. No entrem ara en el tema de les distàncies. La imatge mostra algunes de les moltes paral·leles a la recta a que passen pel punt P. Les que coincideixen amb la recta a  no la tallen perquè, com hem dit abans, la circumferència no forma part del disc.

Podeu trobar applets de GeoGebra per a treballar amb aquest model, però en aquest article optarem per un altre: el Disc de Poincaré. Pensem que aquest model és millor per treballar-lo a l'aula perquè les rectes no son segments rectilinis, com al model anterior, i la sensació "d'estranyament" serà més gran. Cal dir, però, que qualsevol model que agafem és més complicat que el de la geometria esfèrica, sobre la que podíem experimentar directament, i que té idees més intuïtives. Però si hem treballat la geometria de l'esfera prèviament, aquesta serà més fàcil d'acceptar. Serà com entrar a un món de videojoc amb unes regles diferents. I sobre el que podrem treballar amb GeoGebra ja que no és difícil trobar applets que ens permeten crear, manipular i mesurar objectes.

Límit circular III de M.C Escher (1959).
Aquesta obra està basada en el disc de Poincaré

Vols conèixer el món hiperbòlic amb idees per treballar-ho a l'aula?

Ossos i geometries no euclidianes (1)

 Al llibre clàssic de George Pólya Como plantear y resolver problemas apareix aquest curiós (i ja força conegut) problema:

Partint d'un punt P, un os camina un quilòmetre cap al sud. Canvia llavors de direcció i recorre un quilòmetre a l'est. Després, girant de nou a l'esquerra, recorre un quilòmetre cap al nord per arribar exactament a punt de partida P. De quin color és l'os?

Si no voleu espòiler millor aturar la lectura aquí mateix i pensar el problema. Si ja el coneixeu o no el voleu pensar ara mateix, podeu continuar.

Sembla lògic que, més que contestar sobre el color, el que ens cal és saber on pot estar l'os per a fer un recorregut tan sorprenent. Pólya tria aquest problema per sorprendre'ns fent-nos veure que hi ha dos tipus de solucions. La primera és la que se'ns pot acudir a la majoria: que l'os és blanc perquè el punt P és al Pol Nord. La segona l'explica així:

L'os podria retornar al punt P seguint el mateix meridià que al sortir de P si, en desplaçar-se un quilòmetre cap a l'est descrivís n paral·lels complets, podent ser n igual a 1, 2, 3... En aquest cas P no és el Pol Nord, sinó un punt d'un paral·lel molt proper al Pol Sud.

A la imatge teniu un esquema del camí per a n=1, un paral·lel d'exactament un quilòmetre de longitud, Però més al sud en trobaríem de 1/2 quilòmetres i faríem dues voltes, d'1/3, etc.

Esquema fet amb l'applet de GeoGebra de Rafael Cámara

Però tornem a la primera solució, perquè ens trobem amb un triangle ben curiós.

Imatge extreta del Blog Sunya de R. Cámara

Si l'observem amb detall veurem que els dos angles inferiors són de 90º. És a dir, la suma dels angles interiors del triangle és clarament superior a 180º. De fet, a l'aula, sempre que he plantejat el problema he explicitat clarament, a l'enunciar-lo, que "l'os baixa per un meridià gira 90º cap a l'est" i que després de caminar pel paral·lel gira "90º cap al nord" i agafa un meridià.

I per què passa això? Perquè no ens estem movent en un pla, sinó en una esfera i les "regles euclidianes", amb les que funcionem normalment, es refereixen al pla. Estem treballant amb una geometria, l'esfèrica, que no acompleix tots els postulats euclidians. Hem aconseguit un punt de partida idoni per parlar-ne i discutir a l'aula sobre les geometries no euclidianes. Debatre sobre les característiques d'aquestes geometries, les seves definicions, els sues postulats i algunes de les seves proposicions, ens servirà també per a conèixer millor l'estructuració de la matemàtica proposada pels Elements d'Euclides. És a dir, parlar-ne de les definicions ens ajudarà a comprendre quina funció tenen; comparar els postulats que s'acompleixen ens permetrà saber que són, quins i per a què serveixen els axiomes bàsics, tant de la geometria plana, com de la nova que estem explorant.

Haurem de començar per redefinir algunes coses com "recta" o "angle" i, un cop fet, podem comparar, postulat a postulat, quins s'acompleixen o no, total o parcialment. Observarem, amb més detall, que el que deixa d'acomplir-se més clarament és el 5è, aquell que diu, en el seu enunciat modern, que "per un punt exterior a una recta donada només és possible traçar una paral·lela".  De fet, com veurem, no en passa cap! Podrem aprofitar també per a tractar algunes idees sobre les distàncies reals al nostre planeta i les que mesurem als mapes. Fins i tot, tindrem l'oportunitat d'endinsar-nos una mica en el món dels triangles esfèrics.

Vols conèixer una mica més aquesta geometria i algunes idees per treballar a l'aula?