Ecuación

Na Galipedia, a wikipedia en galego.

Unha ecuación é toda igualdade entre dúas expresións matemáticas (denominados membros da ecuación, o primeiro membro é o que aparece antes do signo de igualdade, e o segundo membro é o que aparece en segundo lugar, aínda que pódese permutalos).

En moitos problemas matemáticos, a condición do problema exprésase en forma de ecuación algebraica; chámase solución da ecuación a calquera valor das variables da ecuación que cumpra a igualdade, é dicir, a calquera elemento do conxunto de números ou elementos sobre o que se suscita a ecuación que cumpra a condición de satisfacer a ecuación. Do mesmo xeito que noutros problemas matemáticos, é posible que ningún valor da incógnita faga certa a igualdade. Tamén poida que todo valor posible da incógnita valla. Estas últimas expresións chámanse identidades.

Se en lugar dunha igualdade trátase dunha desigualdade entre dúas expresións denominarase inecuación.

Unha ecuación polinómica é unha igualdade entre dúas polinomios (V.g.: ). En particular, realizando transformacións sobre os membros da ecuación (en ambos membros as mesmas transformacións e no mesmo orde) pode conseguirse que un dos membros redúzase a 0, razón pola cal adóitase considerar que unha ecuación polinómica é unha na que no primeiro membro aparece un polinomio e no segundo aparece o cero (volvendo ao noso exemplo, a ecuación resultaría ).

Unha ecuación funcional é unha ecuación na que as constantes e variables que interveñen non son números reais senón funcións. Se na ecuación aparece algún operador diferencial chámanse ecuacións diferenciales.

[editar] Historia das ecuacións polinómicas

Os primeiros en tratar as ecuaciones de primeiro grao foron os árabes, nun libro chamado Tratado da cousa, e á ciencia de facelo, Álxebra (do ár. algabru walmuqābalah, redución e comparanza). A cousa era a incógnita. A primeira tradución foi feita ao latín en España, e como a palabra árabe a cousa soa algo parecido á X española medieval (que ás veces deu o son castelán 'J' e outra X porque o seu son era intermedio, como en Mexico/Méjico, Ximénez/Jiménez), os matemáticos españois chamaron á cousa X e así segue.

Para resolver ecuacións de primeiro e segundo grao, o home non atopou gran dificultade, situación completamente diferente da que ocorreu para ecuacións de grao maior de 2. En efecto, a ecuación xeral de terceiro grao:

...

requiriu consideracións bastante profundas e resistiu todos os esforzos dos matemáticos da antigüidade. Só se puideron resolver a principios do século XVI, no Renacemento en Italia. Aquí presentarase o ambiente existente no descobremento da solución das ecuacións de terceiro grao ou cúbicas. Os homes que perfecionaron as cúbicas, italianos todos, constituíron un grupo de matemáticos tan pintoresco como nunca se deu na historia. A maioría deles eran autodidactas, traballaban na contabilidade, en problemas de interese composto e de seguros.

Téndose elevado por riba do sinxelo cálculo práctico, os grandes alxebristas italianos constituían no seu maior parte un grupo sagaz e oportunista que se atopaba no seu elemento tanto entre tramposos e xogadores de cartas como entre espadachíns ou nas cátedras de Universidade, ás que aspiraban e algunhas veces ocupaban. Para dar publicidade ás súas probas de axilidade mental mantiveron entre si competencias para a solución de problemas. (Algo moi similar ao que facían os hindús séculos antes). Para facer dobremente difícil o seu deporte, algunhas veces facían apostas que depositaban en mans dun terceiro. O ganador leváballo todo. Nesta atmosfera combativa estalou a guerra en torno á ecuación cúbica. A faísca puido ser acendida, sen querer, por un pai Franciscano, Luca Pacioli, quen en 1492 publicou un compendio de álxebra, a "Suma Aritmética". Con ela transmitiu a álxebra inventada ata a data e terminou coa irritante observación de que os matemáticos non poderían aínda solucionar ecuacións cúbicas por métodos alxebraicos.

O primeiro home en recoller o desafío de Pacioli en torno ás cúbicas foi Scipio do Ferro, o fillo dun fabricante de papel, que chegou a ser catedrático de matemática na Universidade de Bolonia. Tendo atopado a solución xeral para todas as ecuaciones cúbicas da forma simplificada . Do Ferro mantivo en segredo o seu descubrimento, probablemente para confundir aos adversarios durante as competencias. Pero nos seus últimos días confiou a súa solución a un estudante, Antonio Fior, quen a utilizou nunha disputa de álxebra cun rival, Nícolo Fontana, chamado Tartaglia ('tartalla') por mor de que padecía este defecto.

Na época da contenda con Fior, Tartaglia pasara a ser un dos máis sagaces solucionadores de ecuacións de Italia, e ideara un arma secreta propia: Unha solución xeral para as cúbicas do tipo

Así, cando Fior lle deu un grupo de exemplos específicos do tipo , respondeulle con exemplos do tipo . Durante o intervalo concedido para obter as respostas, tanto Tartaglia como Fior traballaron arreo, e oito días antes de rematar o prazo, Tartaglia atopou unha solución xeral para as ecuaciones do tipo e en dúas horas resolveu tódalas ecuacións de Fior; desta sorte, cando se acabou o tempo e chegou o día de facer o cómputo, Tartaglia solucionara os problemas de Fior e este non solucionara os de Tartaglia. Como novo e insigne calculador de Italia, Tartaglia pronto se atopou cun rival máis forte: Gerolamo Cardano, fillo ilegítimo dun avogado e á súa vez pai dun asasino. Cardano era un astrólogo que facía horóscopos para os reis, un médico que visitaba aos seus enfermos e un escritor científico de cuxa pluma emanaron montañas de libros. Foi tamén un xogador inveterano, sempre balanceándose ao bordo da prisión. Pero Cardano sempre saía ben parado. O Papa outorgoulle unha pensión, solucionándolle así os seus problemas económicos e Cardano, a base de adulacións, obtivo de Tartaglia a solución da ecuación cúbica.

Aínda que Cardano xurou manter secreta a solución de Tartaglia, publicouna uns cantos anos despois, en 1545, nun tratado monumental sobre ecuaciones chamado "Ars Magna" (Grande Arte). Tartaglia, que estivera a piques de escribir o seu propio libro, pasou o resto da súa vida maldicindo a Cardano pola súa estafa. No entanto, o libro de Cardano recoñecía o descubrimento de Tartaglia. Tamén no mesmo libro, Cardano fixo pasar á historia a outro matemático: o alborotador e blasfemo Lodovico Ferran, que morreu á idade de 43 anos envenenado pola súa propia irmá. Así como Tartaglia solucionara a cúbica, da mesma forma Ferran, cando aínda estudaba con Cardano, deu solución das de cuarto grao ou cuárticas (con fórmulas máis complicadas que as de terceiro grao). Ao descubrir a obra de ambos homes, Cardano no seu "Ars Magna" puido dar ao mundo as solucións xerais das cúbicas e as cuárticas, divulgando os dous avances do álgebra máis trascendentales desde a morte de Diofanto, 1300 anos antes.

No Ars Magna, Cardano aceptou formalmente o concepto dos números negativos e enunciou as leis que os rexen. Tamén anticipou outro tipo novo de número que denominou ficticio ou sofisticado. Tal foi a raíz cadrada dun número negativo, que é máis difícil de comprender que un número negativo propiamente, xa que ningún número real multiplicado por si mesmo dá un número negativo. Na actualidade os matemáticos chaman número imaxinario á raíz cadrada dun número negativo; cando a devandita cantidade combínase cun número real, o resultado chámase número complexo.

Os matemáticos posteriores amosaron que os números complexos poden ter toda clase de aplicacións.

En gran parte debido a Cardano, a matemática saíu do seu paso polas pugnas do Renacemento enormemente enriquecidas. O éxito dos matemáticos italianos produciu un grande efecto. Era a primeira vez en que a ciencia moderna excedera as conquistas dos antigos.

Ata entón, en todo o curso da Idade Media, a achega consistira soamente en entender o traballo dos antigos, e agora finalmente, certas cuestións que os antigos non tiveran éxito en conquistar, foron resoltas. E isto sucedeu no século XVI, un século antes da invención de novas ramas da matemática: a Xeometría analítica, e o Cálculo diferencial e Integral que finalmente afirmaron a superioridade da nova ciencia sobre a antiga. Logo disto, non houbo matemático importante que non intentase estender as conquistas dos italianos resolvendo ecuaciones de quinto, sexto e máis alto grao en forma análoga aos italianos, é dicir, atopando unha fórmula xeral ou como se di actualmente, resolvelas por radicais.

O prominente algebrista do século XVII, Tschirnhausen (1651-1708) creu atopar un método xeral de solución. O seu método estaba baseado na transformación dunha ecuación a outra máis sinxela; pero esta soa transformación requiría dalgunhas ecuaciones auxiliares.

Máis tarde, cunha análise máis profunda demostrouse que o método de transformación de Tschimhausen, en efecto, dá a solución de ecuaciones de segundo, terceiro e cuarto grao, pero para unha ecuación de quinto grao necesítase resolver primeiro unha ecuación auxiliar de sexto grao, cuxa solución non era coñecida.

O famoso matemático francés Lagrange no seu gran traballo "Reflexións sobre a solución de ecuacións algebraicas" publicado en 1770-1771, (con máis de 200 páxinas) examinou de xeito crítico todas as solucións das ecuaciones de segundo, tercer e cuarto grao coñecidas ata a súa época e demostrou que o seu éxito sempre se basea en propiedades que non cumpren ecuaciones de quinto grao e superiores.

Desde o tempo de Do Ferro ata este traballo de Lagrange, máis de dous séculos e medio pasaran e ninguén durante este grande intervalo dubidara da posibilidade de resolver ecuaciones de quinto grao e maiores por radicais, isto é, de atopar fórmulas que envolven só operacións de suma, resta, multiplicación, división, exponenciación e raíces con exponentes enteiros positivos, que poden expresar a solución dunha ecuación en términos dos coeficientes, isto é, fórmulas semellantes a aquela pola que se resolveu a ecuación de segundo grao na antigüidade e a aquelas atopadas polos italianos para as ecuaciones de terceiro e cuarto graos. Os matemáticos pensaron que os seus fracasos debíanse principalmente á súa propia incapacidade para atopar unha solución. Lagrange di nas súas memorias:

O problema de resolver (por radicais) ecuacións cuxo grao é máis alto que o cuarto é un deses problemas que non foron resoltos aínda que nada proba a imposibilidad de resolvelos.

Lagrange avanzou bastante na teoría das ecuaciones algebraicas formalizando o traballo anterior á súa época e descubrindo novas relacións entre esta teoría e outras como a teoría das permutaciones. Con todo, malia os seus persistentes esforzos, o problema permaneceu sen solución e constituía, en palabras do mesmo Lagrange, "Un reto para a mente humana".

Consecuentemente foi unha sorpresa enorme para todos os matemáticos cando en 1824 viño á luz o traballo dun novo xenio noruego chamado Niels Henrik Abel (1802 - 1829), no cal dábase unha proba de que se os coeficientes dunha ecuación tomábanse simplemente como letras, entón non existe ningunha expresión algebraica con devanditos coeficientes que fose solución da ecuación correspondente. Entón, os esforzos dos máis grandes matemáticos de todos os países por tres séculos para resolver ecuaciones de grao maior que catro por radicais non foi coroado polo éxito pola sinxela razón de que este problema simplemente non ten solución.

Esas fórmulas son coñecidas para ecuacións de segundo, terceiro e cuarto grao, pero para ecuacións de grao maior non existen tales fórmulas

Pero iso non é todo aínda. Un resultado extremadamente importante na teoría das ecuacións algebraicas esperaba aínda ser descuberto. O feito é que hai moitas formas especiais de ecuacións de calquera grao que si se poden resolver por radicais, e moitas delas son exactamente as que son importantes para resolver problemas concretos da realidade.

Resumindo, despois do descubrimento de Abel a situación era a seguinte:

Aínda que a ecuación xeral de grao maior que 4 non se podía resolver por radicais, hai un número ilimitado de ecuacións de grao maior a catro que si se poden resolver por radicais. A pregunta era ¿cales ecuaciones si se poden resolver por radicais e cales non? ou noutras palabras: ¿que condicións debe cumprir unha ecuación para que poida ser resolta por radicais? A resposta a este problema que daba fin a todo este asunto das ecuaciones deuna o brillante matemático francés Evariste Galois. (1811-1832).

Malia o curto da súa vida, Galois fixo descubrimentos moi avanzados para o seu tempo en moitas ramas da matemática e en particular deu a solución ao problema que quedaba pendente na teoría das ecuacións algebraicas nun pequeno manuscrito titulado "Memoria sobre as condicións para resolver as ecuacións por radicais", que foi escrito en trinta e un páxinas case inintelixibles escritas de présa a noite antes do duelo en que foi morto á idade de 20 anos.

En todo o anterior falamos dos intentos durante tres séculos, para resolver por radicais calquera ecuación de calquera grao. O problema resultou ser máis difícil e máis profundo do que se pensaba nun principio e deu orixe á creación de novos conceptos, importantes non só para o álxebra senón tamén para a matemática en xeral. Para a solución práctica das ecuacións o resultado de todo este traballo foi o seguinte:

Unha fórmula xeral para as ecuaciones está moi lonxe de existir e aínda nos casos particulares en que existe, era de pouca utilidade práctica por mor das operacións sumamente complicados que se tiñan que facer. (Actualmente as computadoras facilitan todo ese traballo).

En vista do anterior, os matemáticos desde fai moito empezaron a traballar en tres direccións completamente diferentes, que son:

1. No problema da existencia de raíces (solucións).
2. No problema de saber algo achega das solucións só traballando coas súas coeficientes.
3. No cálculo aproximado das raíces ou solucións dunha ecuación.

[editar] Véxase tamén

• Ecuación de segundo grao
• Ecuación de terceiro grao
• Ecuación de cuarto grao
• Ecuación de quinto grao
• Inecuación
• Ecuación química