3 Os números reais    
 
  Os pitagóricos são confrontados com os números irracionais.  

Depois de durante milénios ter utilizado os números para contar, medir, calcular, o homem começou a especular sobre a natureza e propriedades dos próprios números. Desta curiosidade nasceu a Teoria dos Números, um dos ramos mais profundos da matemática.

A Teoria dos Números nasceu cerca de 600 anos antes de Cristo quando Pitágoras e os seus discípulos começaram a estudar as propriedades dos números inteiros. Os pitagóricos rendiam verdadeiro culto místico ao conceito de número, considerando-o como essência das coisas. Acreditavam que tudo no universo estava relacionado com números inteiros ou razões de números inteiros (em linguagem actual, números racionais). Aliás, na antiguidade a designação número aplicava-se só aos inteiros maiores do que um. Esta crença foi profundamente abalada quando usaram o Teorema de Pitágoras para calcular a medida da diagonal de um quadrado unitário.

 Como eles apenas conheciam os números racionais (naturais e fracções de naturais) foi com grande surpresa e choque que descobriram que havia segmentos de recta cuja medida não pode ser expressa por um número racional. Essa descoberta é atribuida a um aluno de Pitágoras que tentava descobrir a medida da diagonal de um quadrado de lado 1.

Ao descobrirem que a diagonal de um quadrado de lado 1 não era uma razão entre dois inteiros (em linguagem actual, que a raíz quadrada de 2 é um número irracional) os Pitagóricos consideraram quebrada a harmonia do universo, já que não podiam aceitar a raíz quadrada de dois como um número, mas não podiam negar que esta raíz era a medida da diagonal de um quadrado unitário. Convencidos de que os deuses os castigariam caso divulgassem aquilo que lhes parecia uma imperfeição divina, tentaram ocultar a sua descoberta. Segundo reza a lenda, o primeiro membro da seita Pitagórica que divulgou esta descoberta morreu afogado num naufrágio sendo a sua alma açoitada pelas ondas para todo o sempre.

Assim, o número terá sido o primeiro número irracional com que a humanidade se deparou.

  A raiz quadrada de 2 não é um número racional: -Demonstração

Aristóteles (384-322 a.C.), como exemplo de uma demonstração por redução ao absurdo, demonstrou que a raiz quadrada de 2 não é um número racional, isto é, não se pode escrever como uma fracção de dois números inteiros.

Por absurdo, suponha-se que existem dois números naturais p e q, primos entre si, tais que   (isto é, suponhamos a fracção  escrita na forma irredutível) e . Então,  ,  é um número par (porque ) e, consequentemente, p também é par (porque se fosse ímpar seria  para algum número natural k seria ímpar). Se p é um número par, existe um natural k tal que  e assim . Então q seria par (porque é par), o que é absurdo visto que p e q são primos entre si.

O número irracional

O número pi (representado habitualmente pela letra grega p ) é o irracional mais famoso da história, com o qual se representa a razão constante entre o perímetro de qualquer circunferência e o seu diâmetro .

Se pensarmos que ao dar a volta à Lua seguindo um dos seus círculos máximos, percorremos aproximadamente 10920 Km e se dividirmos este valor pelo diâmetro da Lua que é 3476 Km iremos verificar que esta razão é de 3,14154200…, este número é-nos familiar, é aproximadamente 3,14.

Na realidade, como número irracional, pi é expresso por uma dizima infinita não periódica, que nos dias de hoje com a ajuda dos computadores já é possivel determinar com centenas de milhões de casa decimais.

Aqui aparece o valor de pi obtido com a calculadora do windowsXP

3,141592653589793238462643383279...

A história do p

Era uma vez...

    É assim que começa a história de um número que só será chamado Pi no século XVIII, inicia-se com o estudo da relação que existe entre o perímetro, p,  de uma circunferência e o seu diâmetro, d. A existência de uma relação constante entre a circunferência de um círculo e o seu diâmetro era conhecida por muitas das civilizações antigas. Tanto os Babilónios como os Egípcios sabiam que esta razão era maior que 3.

Babilónia

    O estudo desta relação preocupou os babilónios há 4000 mil anos, e uma tabela cuneiforme da época propôs  sem explicação e sem notação algébrica a fórmula

donde se tira que  esta trata-se da primeira aproximação conhecida que apresenta uma casa decimal correcta.

Egipto 

Um pouco mais tarde, em 1800 a.C. o célebre Papiro Rhind mostrava que para uma circunferência de diâmetro d a área é dada por:

o que quer dizer que: 

 
como    temos:

Um outro papiro famoso, o papiro de Moscou, contém uma fórmula para se calcular a área da esfera, em que é atribuído a p o valor de 3,14. Isto evidência que a medição Egípcia da circunferência tinha erro menor do que um por cento.

Antigo Testamento

O velho testamento descreve uma bacia circular  feita por Hiram de Tiro. A bacia é descrita como sendo um "lago de dez cúbitos, de margem a margem, circular, cinco cúbitos de fundo, e trinta em redor" o que fazia p  igual a 3. Contudo, neste ponto da história já se sabia que o p era maior do que 3.

Nota:  A bacia tinha raio 5 cúbitos e perímetro igual a 30 cúbitos então,

Grécia 

Embora muitas civilizações antigas tenham observado através de medições que a razão do circulo é a mesma para círculos de diferentes tamanhos, os Gregos foram os primeiros que explicaram porquê. É uma simples propriedade das figuras semelhantes. Os antigos Gregos foram provavelmente os primeiros a compreender que p e , são números muito diferente dos números inteiros ou dos números racionais (razão de inteiros) que eles usavam nas suas matemáticas.

Arquimedes (287/212 a.C.) conseguiu melhorar um pouco a aproximação dada ao número p . Aproximando a circunferência por polígonos regulares de 12, 24, 48 e 96 lados, descobre que o valor de p  se encontra encontra limitado pelos seguintes valores:

ou seja, 3,14085 < p < 3,142857, obtendo uma aproximação com duas casas decimais correctas.

Depois de Cristo 

No ano 400 d.C. o livro indiano "Paulisha Siddhânta" usa o valor 3177/1250 para p, anos mais tarde, Tsu Chung-Chi (430/501 d.C.) descobre que o valor de p se encontra entre 3,1415926 e 3,1415927:

3,1415926 < p < 3,1415927.

Por volta de 499 d.C., aparece, num tratado indiano sobre matemática e astronomia intitulado " ãryabhata", dados para a obtenção de p : "Adicione-se 4 a 100, multiplique-se o resultado por 8 e adicione-se 62.000. O resultado é aproximadamente o comprimento da circunferência de diâmetro 20.000." Donde sai o valor aproximado 3,1416 para p, que é uma boa aproximação com 3 casas decimais correctas.

Mais tarde os investigadores obtiveram melhores aproximações para p usando polígonos com mais lados do que aqueles que foram usados por Arquimedes. Um impressionante cálculo Chinês com um polígono com mais de 3.000 lados deu cinco décimas ao p. Os Chineses também encontraram uma fracção simples 355/113 o que difere do p por menos de 0.0000003. A aproximação racional 355/113 foi redescoberta no século XVI pelo engenheiro alemão Adriaan Anthoniszoon. No mesmo século, outro alemão, Adriaen van Rooman, usou o método de Arquimedes com 230 lados para obter 15 casas decimais para p . Alguns anos mais tarde Ludolph Van Ceulen (1539/1610), professor de matemática e ciências militares na Universidade de Leyden, obteve o valor de p  com 20 casas decimais, depois com 32 e mais tarde, em 1615, estendeu este resultado a 35 casas decimais. Os Alemães ficaram tão estupefactos com este cálculo que durante anos chamaram ao p o número Ludolfino. Consta que essa sua aproximação de p teria sido gravada na pedra tumular do autor, pedra essa que se perdeu. Mais interessante ainda é o facto de, ainda hoje na Alemanha, p  ser frequentemente designado como número ludolfino.

Embora as pessoas se tenham interessado durante séculos pela razão do círculo, o uso da letra grega p como um símbolo que designa esta razão é relativamente recente. O inglês William Jones (1675/1749) é geralmente reconhecido como o primeiro a usar o símbolo p para esta razão. O símbolo apareceu no seu livro Synopsis Palmariarum Malheseos, publicado em 1706, o qual incluía 100 casas decimais para p calculado por John Machin (1680/1752). A fórmula da autoria de Machin é dada por:

Machin recorreu a alguma trigonometria para elaborar a seguinte demonstração, considerou:

  donde,

 

A letra c (para circunferência) e p (para perímetro) foram muitas vezes usadas para a razão do círculo, mas a letra grega p tornou-se bastante aceite depois de Leonhard Euler usá-la no seu famoso livro Introductio in Analysin Infinitorum, publicado em 1748. Acredita-se que a letra p  foi escolhida por ser a primeira letra das palavras gregas para perímetro e periferia.

As pessoas calculavam mais e mais casas decimais para p , procurando encontrar padrões que se repetissem, mas nenhum foi encontrado. Em 1761 um matemático Alemão, Johann Lambert usou uma fracção continua para a tangente trignométrica de um ângulo que mostra conclusivamente que p  é irracional, isto é , p não é razão de dois inteiros. Também, A. M. Legendre, em 1794 vem provar o mesmo que Lambert. A estes dois, segue-se Vega que em 1796 dá uma aproximação de p com 140 casas decimais. E em 1844, um Vienense, dá uma aproximação com 205 casas decimais.

Um novo record para calcular p  foi alcançado em 1874 por Willian Shanks, com 707 casas decimais. Infelizmente, houve um erro a partir da 528ª casa, que só foi descoberto em 1945 quando D. F. Ferguson completou o cálculo com mais de 530 casas decimais.

Século XX 

Foi a partir do século XX, mais concretamente a partir de 1949, com o auxilio dos computadores e de algoritmos computacionais que se foi descobrindo um número cada vez maior de casas decimais para p. Um algoritmo, da autoria de Brent e Salamin (1975), foi utilizado pelos japoneses Y. Kanada, Y. Tamura, S. Yoshino, Y. Ushiro que o implementaram, em 1983, obtendo-se assim 16 milhões de algarismos. Estas contas foram posteriormente verificadas por meio da relação de Gauss, o que mostrou que as primeiras 10.013.395 casas estavam correctas. Gosper, utilizando um algoritmo, calculou, em 1985, 17 milhões de algarismos e, Bailey, em Janeiro de 1986, atingiu o record de 29 milhões. Em Setembro de 1986, Kanada obteve 33.554.000 algarismos, depois em Janeiro de 1987, consegue calcular 227 algarismos e por último em Janeiro de 1988 chega a 201.326.551 algarismos. Anos mais tarde, Bailey e Gregory Chudnovsky, da Columbia University, calcularam mais de um bilião de casas decimais para p, este valor foi ultrapassado em 1995, por investigadores japoneses que obtiram três biliões de casas decimais para p. Em Setembro de 1995, Yasumana Kanada, depois de ter colocado o seu computador Hitachi a trabalhar durante mais de 250 horas, obteve 6.442.450.939 casas decimais exactas deste número. Este recorde acaba por ser ultrapassado quando em Junho de 1997 obtém 51.539.600.000 casas decimais exactas!…

Em Outubro de 1996, o francês Fabrice Bellard de 25 anos, calcula o valor de p  mas em numeração binária, atingindo sucessivamente as fasquias de 400 biliões, mas em Setembro de 1997 ele consegue atingir 1.000 bilião de casas decimais para p, ao fim de 25 dias de cálculo intensivo em computadores ligados em rede através da Internet, tendo sido usada uma fórmula desenvolvida em 1995 por matemáticos da Universidade Simon Fraser, mas aperfeiçoada por Bellard

Curiosidades sobre o número  p 

  • Albert Einstein, nasceu no dia do p, dia 14 de Março de 1879

  • Pi é o nome da organização de espionagem da Alemanha de Leste, no filme de Alfred Hitchcock de 1966, A Cortina Rasgada.

  • Hiroyuki Goto estabeleceu um novo recorde mundial em 1995, ao recitar de cor as primeiras 42000 casas decimais de p. Gastou pouco mais de 9 horas.

  • Não aparecem zeros nos primeiros 31 dígitos de  p.

  • A fracção é usada frequentemente como aproximação para o p. A  fracção  é uma excelente aproximação para o valor de p.

  • Em Abril de 1995, a agência Reuter noticiou que um rapaz chinês de doze anos de idade, Zhang Zhuo, recitou de memória o valor de p até 4000 casas decimais. Aparentemente, terá demorado apenas cerca de vinte e cinco minutos.

  • p é um número ideal para a exibição de talentos, tais como a memorização de números, visto que os seus algarismos não obedecem a qualquer padrão.

  • Considerando as primeiras 6.000.000.000 casas decimais de p temos
    que:

    o 0 ocorre 599963005 vezes,

    o 1 ocorre 600033260 vezes,

    o 2 ocorre 599999169 vezes,

    o 3 ocorre 600000243 vezes,

    o 4 ocorre 599957439 vezes,

    o 5 ocorre 600017176 vezes,

    o 6 ocorre 600016588 vezes,

    o 7 ocorre 600009044 vezes,

    o 8 ocorre 599987038 vezes e

    o 9 ocorre 600017038 vezes.

  • Pi é o nome de um perfume!

Mnemónicas para decorar algumas casas decimais  de  p 

Contando as letras de cada uma das palavras que formam a frase ficas a conhecer aproximações de p.

Sim,  é  útil  fácil  memorizar  um  número  grato  aos  sábios
3, 1 4 1 5 9 2 6 5 3 6

 

Até  nado  Maria  encontrou  na  margem  peixe  bem  lindo
3 1 4 1 5 9 2 6 5 3 5

 

Sou  medo  temor  constante  do  menino  vadio
3 1 4 1 5 9 2 6 5

 

Os conjuntos numéricos  

Conjunto dos números Naturais - IN

IN = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, ...}

Conjunto dos números Inteiros -

= { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ...}  ,  isto é,   

Conjunto dos números Inteiros relativos -  Z

Z = { ..., -6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ...}

Z = { números naturais } { 0 } { números inteiros negativos }

O conjunto dos números naturais e o conjunto dos números inteiros estão contidos no conjunto dos números inteiros relativos, isto é,

Conjunto dos números racionais - Q

O conjunto dos números racionais é composto pelos números inteiros relativos, dízimas finitas e dízimas infinitas periódicas.

 

Fracções e dízimas

As dízimas finitas e as dízimas infinitas periódicas podem ser representadas por fracções. Por exemplo:

 

Como representar a dízima infinita periódica 0,7777777777... por uma fracção?

Assim,    

Será que     0,999999... = 1?!

Vamos a proceder à demonstração:

 1/3 + 1/3 + 1/3 = 3/3 = 1

0,3333... + 0,3333... + 0,3333... = 1

somando temos

0,9999... = 1

Qualquer fracção representa sempre uma dízima finita ou uma dízima infinita periódica logo, uma fracção é um número racional.

Um erro muito frequente dos alunos nos testes é considerar, por exemplo, a fracção  como sendo um número irracional. Este erro resulta do facto de os alunos fazerem a divisão obtendo um resultado que sugere estarem na presença de uma dízima infinita não periódica o que não é o caso.

Concluindo:   

Q = {números inteiros relativos} {dízimas finitas} {dízimas infinitas periódicas}

Nota: uma fracção é um número racional.

Conjunto dos números reais - IR

O conjunto dos números reais é composto pelos números racionais mais as dízimas infinitas não periódicas, isto é, é composto pelos números racionais e pelos números irracionais.

Exemplos de números irracionais

Todas as raízes quadradas de números naturais que não sejam quadrados perfeitos, isto é se a raiz quadrada de um número natural não for inteira, é irracional.

Logo são irracionais ... 

          Números representáveis por dízimas infinitas não periódicas como  p, f , e, 0,01001000100001...  ,   2,32332333233332... são números irracionais.

IR = Q{dízimas infinitas não periódicas}

IR = Q{números irracionais}

Resumindo:

 

Teste online

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