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Area de los polígonos regulares




Enviado por gustavo_yanes



    An = kn
    a2 vs A= pa/2

    1. Aspectos importantes en las
      fórmulas matemáticas.
    2. Debilidades de la
      fórmula a= pa/2
    3. Ventajas de la fórmula
      an =kna2
    4. Conclusiones

    INTRODUCCIÓN

    Hace dos años publiqué por este mismo
    medio la monografía
    titulada: Area de los Polígonos – Enfoque para el Cálculo.
    En la primera parte analizo la fórmula conocida del
    polígono regular A=pa/2 (perímetro por apotema
    entre dos); al considerar que la última fórmula
    posee fallas en su estructura,
    concluyo que tal fórmula es inválida y deduzco una
    fórmula correcta para el cálculo.
    En la segunda parte planteo una fórmula general para el
    área de cualquier polígono; deduzco directamente
    las fórmulas más conocidas para el cálculo
    de áreas de polígonos de cuatro y de tres lados y,
    en forma indirecta, la del polígono regular que considero
    correcta.

    Antes de su publicación había enviado
    el material a consulta de especialistas en la Academia de las
    Ciencias
    Físicas y Matemáticas, Ministerio de Educación, Centro
    Nacional para el Mejoramiento de la Enseñanza de Las Ciencias e
    Instituto Pedagógico de Caracas. Después de su
    publicación lo envié, vía Internet, a una veintena de
    universidades e institutos de investigación. He recibído pocos
    comentarios y, en vez de éstos, recibí
    invitación para participar el XIV Encuentro de Geometría
    y sus Aplicaciones que se celebró en junio de 2003 en
    Bogotá, de parte de la Universidad
    Pedagógica Nacional de Colombia.

    Los pocos comentarios se han referido a mi
    aseveración de la invalidez de la fórmula
    tradicional para el cálculo de áreas de
    polígonos regulares. Los comentarios acerca de la formula
    general para el cálculo del área de cualquier
    polígono han sido, prácticamente, nulos; lo que
    considero lamentable, ya que la propuesta de esta fórmula
    es lo más importante, puesto que no existía, o si
    existía no era del dominio
    general.

    Los mencionados comentarios coinciden en que la
    fórmula: An =Kna2 que
    propuse para el cálculo del área del
    polígono regular de n lados es correcta (aquí
    utilizo a para la apotema y no ap utilizado en la monografía
    citada), como también coinciden en que es incorrecto decir
    que la fórmula criticada es inválida, aunque se
    presenten variables
    interdependientes como si fueran dependientes. Por más que
    he argumentado, con razonamientos que se desprenden del sentido
    común y de la óptica
    del educador en matemática, sólo he logrado mayor
    énfasis en responderme que estoy equivocado, con
    razonamientos que también considero de sentido
    común y de la óptica
    del investigador o experto.

    Como no he podido estructurar una demostración
    formal que verifique mi afirmación, o hipótesis; como tampoco he recibido otra
    formal que la niegue; y como la carga de la prueba me
    corresponde: a falta de la demostración formal, me parece
    prudente aceptar la sugerencia de Ignacio Barradas (del CIMAT de
    Guanajuato) en el sentido de considerar que la fórmula
    criticada no es la mejor opción didactica para la enseñanza del cálculo de
    áreas de polígonos regulares, en vez de asegurar
    que es inválida. Sugerencia que tiene mucho valor dado que
    mi intención básica es el mejoramiento de la
    enseñanza y no la investigación matemática.

    En ese sentido expondré y comentaré
    algunos de los argumentos explanados, ante mis interlocutores, a
    objeto de dar a conocer las ventajas que ofrece la fórmula
    An =Kna2 frente a la tradicional
    y, a la vez, motivar su incorporación a los planes de
    estudio.

    Todo lo que sigue no es más que la
    opinión de un educador que, atendiendo a dificultades en
    el proceso
    enseñanza-aprendizaje, ha
    propuesto una fórmula diferente para el cálculo de
    áres de polígonos regulares.

    Atte,

    Gustavo Yanes Yanes

    ASPECTOS IMPORTANTES EN
    LAS FÓRMULAS
    MATEMÁTICAS.

    La Matemática es, por excelencia, una ciencia
    auxiliar que pretende facilitar en vez de complicar; esto
    último sin menoscabo de su condición de ciencia
    formal. La fórmula matemática es una herramienta
    para uso de quien la requiera y no sólo de los
    matemáticos, ya que estos últimos no tendrán
    problemas en
    deducir, estructurar o diseñar, sus propias
    fórmulas; cada fórmula indica un procedimiento
    útil, para lograr el objetivo
    deseado, que es seguido minuciosamente por el usuario.

    En razón de lo anterior, y en ausencia de una norma
    que regule el diseño,
    me atrevo a sugerir que toda fórmula matemática
    debe atender a los siguientes criterios:

    1. Elemental, Pertinente.

    2. Económica, Concisa.

    3. Directa.

    4. Propia.

    5. Precisa.

    6. Deducible, Demostrable.

    Elemental, Pertinente: La fórmula debe
    estar basada sólo en elementos del objeto de estudio.
    Sólo los "adivinadores" atentan contra este aspecto; ya
    que incorporar variables
    extrañas y luego eliminarlas persigue confundir y
    ocultar el truco.

    Económica, Concisa. La cantidad de
    elementos que intervienen en la fórmula debe ser la
    menor posible que conduzca al resultado esperado; los
    necesarios y los suficientes. Una fórmula
    económica limita las posibilidades de error en los casos
    de que se requieran mediciones. No deben poseer elementos
    innecesarios ni pecar por omisión. Conviene tomar las
    que se basen en los elementos y características que definen, en forma
    inequívoca, al objeto para el que diseñó
    la fórmula e indiquen en función
    de que elemento, o elementos, está definida la variable
    a calcular. Si esto último no está
    explícito, conviene agregarlo.

    Directa: Lleva al resultado sin rodeos; facilita,
    no dificulta. Si una variable interviniente es función
    de otra, deberá estar escrita en función de la
    última. No debe existir posibilidad de que sea necesaria
    la aplicación de una fórmula aparte antes de
    aplicar la que se diseña. Como la fórmula es una
    función, conviene utilizar la composición de
    funciones en
    el diseño, o rediseño.

    Propia: Atiende sólo a objetos con las
    mismas características. Toda fórmula,
    mientras más amplia sea toma en cuenta menos
    características. Mientras que las fórmulas
    particulares toman en cuenta más características
    y todos los elementos de la fórmula amplia de que se
    deduce están intrínsecamente contenidos en ella.
    El uso de fórmulas particulartes contribuye a fijar el
    concepto del
    objeto de estudio.

    Precisa: No permite el suministro de datos fuera de
    contexto. La fórmula debe contener información para que los datos se
    proporcionen adecuadamente. La Matemática, por su
    condición de ciencia formal, no requiere de objetos
    reales; por lo que se suelen plantear situaciones
    proporcionando datos en forma teórica. Esto es lo normal
    en el proceso de
    enseñanza-aprendizaje en
    cualquier nivel o modalidad de la
    educación.

    Una fórmula bien estructurada permite dar
    cualquier dimensión para las variables independientes
    sin preocuparnos del contexto, salvo para unos pocos casos (si
    existieran). Si en su enunciado, la fórmula deja abierta
    la posiblidad de que se suministren datos fuera de contexto,
    debe ser acompañada con las restricciones pertinentes
    del caso.

    Deducible, Demostrable. Se desprende de una verdad
    considerada válida. Esto es necesario en el proceso
    enseñanza-aprendizaje. La demostración convence y
    contribuye a una mejor comprensión del objeto que se
    trata. En lo posible, se demostrará la equivalencia de
    fórmulas que para la misma variable dependiente se
    estructuren con elementos diferentes.

    El seguimiento de los aspectos anteriores evita la
    proliferación de fórmulas poco útiles;
    facilita el suministro de datos teóricos correctos y evita
    que el usuario, a partir de la fórmula, llegue a
    conclusiones erróneas.

    Ilustraré lo anterior con algunos ejemplos en
    Geometría, aunque considero viables la
    aplicación a cualquier otra fórmula
    matemática:

    Supongamos que para el cálculo del área del
    cuadrado se presenta la siguiente estructura:

     Donde l es el lado, d la diagonal,
    p el perímetro y a la apotema.

    Por supuesto que el valor
    resultante, al sustituir cada variable por las dimensiones
    correspondientes, será el área del cuadrado
    dado.

    Salta a la vista la existencia de variables
    innecesarias, puesto que en función de cada una de ellas
    existe una fórmula particular directa. Si se propusiera un
    ejercicio de cálculo, antes de terminar de dar la longitud
    de la diagonal es posible calcular el área en
    función del lado. Por otra parte, para proporcionar los
    datos deberán calcularse previamente las dimansiones de
    los elementos a partir de uno dado, para no cometer errores; si
    se dispone del objeto real y se requiere de mediciones, es obvio
    que la posibilidad de cometer errores se incrementa.

    De la expresión anterior, con una simple
    sustitución de variables, podemos obtener las
    fórmulas del área del cuadrado:

    En función del lado l: A =
    l2

    En función de la diagonal d: A =
    d2/2

    En función del perímetro p: A =
    p2/16

    En función de la apotem a: A = 4
    a2

    He tomado un ejemplo exagerado para dar mayor claridad
    al asunto.

    Observemos, ahora, una de las fórmulas propuestas
    por mí en la publicación citada
    anteriormente:

    Area del polígono regular en función del
    lado l:

    An= n2l2/4
    kn
    siendo n el número de lados y
    kn la constante
    correspondiente..

    En el caso específico del cuadrado pierde
    utilidad dado
    que en forma explícita contiene una de sus fórmulas
    particulares; por lo que el número de lados y el
    denominador de la fracción están sobrando. El lado
    es suficiente y lo demás innecesario. Aún sin tener
    en forma explícita una de las fórmulas
    particulares: cualquier fórmula para el del cuadrado
    diferente a las de arriba, donde intervenga alguno de los
    elementos citados, sería inútil.

    En el caso del área del rectángulo:
    A=l.a, obviando el particular del cuadrado, si se
    enunciara: "Calcular el área del rectángulo…" y
    se dieran el largo y el ancho de un rectángulo
    áureo, es claro que el área a calcular será
    la del rectángulo aúreo dado. El proponente no
    pecaría si diera, sin importar el orden, cualquier otro
    par de longitudes; solamente tendría el cuidado de que el
    ancho fuera menor que el largo. Ahora bien, si la propuesta
    comienzara diciendo: "Calcular el área del
    rectángulo áureo….", el proponente no solamente
    tendría que tomar en cuenta lo anterior sino
    también la razón entre los lados, por lo que la
    fórmula pierde dirección. Aún calculando los lados,
    el control del error
    estaría en manos del proponente y no de la fórmula
    por carecer de la condición (o resticción)
    específica. En este caso, a mi manera de ver, la
    fórmula largo por ancho pierde sentido aunque la
    relación entre los elementos se conserve. Es por ello que
    para el cálculo del área del rectángulo
    áureo se utilizan las siguientes
    fórmulas:

    En función del ancho (a): A =
    a2j

    En función del largo (l): A =
    l2/j

    Donde: j
    »
    1,618034

    El control del error
    estará en función del refinamiento de la
    constante j
    .

    Estas fórmulas se deducen directamente de la
    fórmula largo por ancho incorporando la particularid del
    caso; quedando redefinida. Implícitamente contienen todos
    los elementos de la primera; pero, no son la misma por contener
    una condición de que carece la anterior.

    Veamos otros ejemplos partiendo de la definición
    de perímetro, aplicada al triángulo:

    En función de los lados: a, b, c; la
    fórmula debería ser acompañada de una
    restricción como se muestra:

    p = a+b+c, ½ a-b½ < c < a+b.

    A estas alturas pareciera que no es necesaria la
    restricción indicada, puesto que al tratrarse del
    triángulo, por descontado, los lados cumplen la
    condición. Es, precisamente por ello que se hace necesaria
    su mención; para evitar datos fuera de contexto se
    requiere que los proporcionados cumplan la condición para
    que, en efecto, formen un triángulo; ya que cualquier
    trío de longitudes no siempre definen esta
    figura.

    Si se tratara de triángulos rectángulos la
    fórmula debería redefinirse así:

    En función de los catetos a,b:

    p= a+b
    +(a2+b2)1/2

    En función del cateto a y la hipotenusa
    c:

    p= a+c +(c2-a2)1/2,
    c>a.

    Véase que la primera fórmula no posee
    restricciones. Esto porque cualquier par de longitudes para los
    catetos define un triángulo rectángulo. Lo que no
    sucede en la segunda donde necesariamente la longitud de la
    hipotenusa debe ser mayor que la del cateto.

    Otras situaciones se evidenciarán en el
    próximo aparte.

    DEBILIDADES DE LA
    FORMULA A= pa/2

    En la monografía mencionada cité como
    el argumento más importante, para invalidar la
    fórmula, el hecho de que el perímetro y la apotema
    sean interde-pendientes. Motivado por un comentario de Ignacio
    Barradas, luego de analizar con más profundidad la
    situación concluí que la independencia
    absoluta de las variables intervinientes no es condicionante para
    el diseño de la fórmula. Por ejemplo, en la
    propuesta por mí: An=
    n2l2/4 kn, en
    función del lado, vista en forma amplia: A=
    n2l2/4 kn (quitando n en
    An) kn pasa a ser una variable dependiente
    discreta en función de la variable independiente
    número de lados, también discreta. Pero, a
    diferencia de la criticada, está explicita la
    relación entre las variables.

    Por pensar que la fórmula usual pertenece al
    conjunto de las que deben ser sustituidas por otras que se
    ajusten a los criterios mencionados, comentaré las
    causales que me motivaron a buscar una fórmula más
    adecuada que la sustituya:

    • No señala que el perímetro y la apotema
      se condicionan mutuamente. La omisión de este aspecto ha
      traído como consecuencia que se incurran en errores al
      momento de plantear problemas de
      cálculo. En la bibliografía revisada,
      los datos de los ejemplos y de los ejercicios no corresponden
      al polígono regular cuya área se propone
      calcular; lo más común es que no correspondan a
      polígono regular alguno. Los autores no mencionan la
      relación entre los elementos ni siquiera cuando se
      deduce, o demuestra, la fórmula. Esto me dice que la
      relación entre el perímetro y la apotema no es
      tan obvia como sostienen algunas de las personas que han
      comentado mi trabajo y, en consecuencia, debe
      indicarse.
    • No señala otro aspecto importante: el
      área del polígono regular depende,
      necesariamente, del número de lados. Esta dependencia
      tampoco se muestra en la
      fórmula; situación de la que no nos damos cuenta
      por la costumbre de mencionar el tipo de polígono y las
      longitudes del lado y la apotema para proceder según la
      estructura A=nla/2 que, aunque resulte el mismo valor final, no
      es la fórmula enunciada. Luego, no se acostumbra aplicar
      la fórmula tal cual es; no es usual el planteamiento de
      problemas donde se den sólo las longitudes del
      perímetro y la apotema, como lo especifica la
      fórmula.
    • Si se quisiera tomar en cuenta las condiciones
      anteriores tendría que darse un elemento como
      independiente y aplicar otra fórmula, previa a la del
      área, para calcular el otro elemento. Como se dijo
      antes, lo prudente es componer las funciones y
      diseñar una fórmula que lleve a la
      solución en forma directa.
    • Además de permitir que se proporcionen datos
      fuera de contexto, también permite que se deduzcan, o
      infieran, situaciones erróneas como que: dos
      polígonos regulares con diferente número de lados
      pero con igual perímetro e igual apotema también
      tienen igual área, o que variando en proporciones
      inversas el lado y la apotema obtenemos otro polígono
      regular del mismo tipo y de igual área. Esas situaciones
      pueden ser planteadas por quien desconozca la existencia de las
      relaciones que se dan entre el número de lados, el lado
      y la apotema; vale la pena decir: por la mayoría de
      nosotros.
    • En vez de analogías, establece diferencias
      entre los polígonos regulares y el círculo.
      Sabemos que al incrementar indefinidamente el número de
      lados de un polígono regular la figura tenderá al
      círculo; por lo que lo razonable es buscar algún
      tratamiento único para ambas figuras. Este tratamiento
      ha podido conseguirse aplicando la fórmula del
      área del polígono regular para calcular el
      área del círculo; a lo mejor con la variante
      A=Lr/2. No se ha dado porque, en el caso del círculo, es
      obvio para todos que la longitud de la circunferencia (L) y el
      radio (r)
      están correlacionados mediante una constante; pero, es
      así porque nos lo han dicho y no porque nos lo hayan
      demostrado o nos hayan enseñado a deducir el valor del
      número pi.
    • Dificulta el estudio de las relaciones entre
      polígonos regulares de diferente número de lados.
      Al observar la bibliografía, vemos que el estudio de
      relaciones no pasa de las del polígono regular con sus
      semejantes, con el círculo inscrito y con el
      círculo circunscrito. Si a partir de la fórmula
      criticada quisiéramos estudiar las relaciones entre
      polígonos regulares con diferente número de
      lados, después de algunos rodeos terminaríamos
      incluyendo las condiciones olvidadas para obtener conclusiones
      válidas.

    VENTAJAS DE LA
    FÓRMULA An
    =Kna2

    Esta fórmula para el cálculo del
    área de los polígonos regulares se ajusta
    totalmente a los criterios señalados para las
    fórmulas matemáticas, como de seguida paso a
    argumentar:

    Es Deducible, Demostrable: Si se tiene en
    cuenta la existencia de la relación entre el lado, la
    apotema y el número de lados del pólígono
    regular, a partir de la relación A=pa/2; se puede llegar a
    la fórmula propuesta mediante los siguientes
    pasos:

    A.- Expresando el perímetro en
    función del lado (l) y el número de lados (n), de
    la relación se obtiene A=nla/2:

    B.- Expresando el lado en función de la
    apotema y la razón entre ellos se obtiene
    A=n2tg(180°/n) aa /2;

    C.- Cancelando los 2 y por producto de
    potencias de igual base se obtiene: A=ntg(180°/n)
    a2;

    D.- Por ser ntg(180°/n) un valor fijo en cada
    tipo de polígono regular; para eliminar la
    expresión trigonométrica lo llamamos
    kn y obtenemos An=
    kna2.

    Es Precisa: No hay necesidad preocuparse por el
    contexto, se pueden enunciar problemas mencionando cualquier
    polígono regular y cualquier longitud para la apotema, con
    la seguridad de que
    existe el polígono regular dado.

    Es Propia: No sólo es la fórmula
    particular para el área de los polígonos regulares;
    sino que se particulariza para cada tipo de polígono
    regular, al sustituir la n por el valor que
    corresponda.

    Es Directa. Económica, Concisa, Elemental,
    Pertinente: Esto salta a la vista; por lo que no hago
    comentarios.

    La fórmula An=
    kna2
    ofrece una buena cantidad
    de ventajas, que pueden ser consultadas en la monografía
    citada y en la monografía "Nuevas Relaciones-
    Polígonos Regulares, Círculos y Estrellas Planas".
    Razón por la que comentaré algunas en forma
    rápida:

    • Como los polígonos regulares y el
      círculo poseen la misma fórmula para el
      cálculo del área (kn y a
      se corresponden directamente con la constante pi y el radio), pueden
      considerarse que pertenecen a un mismo conjunto de figuras y
      puede dárseles un tratamiento de familia.
    • Dado que se incorpora una constante para cada tipo de
      polígono regular, que se desprende de la
      interrelación entre la apotema, el lado y número
      de lados: será neceario el tratamiento del tema; por lo
      que conocerán las relaciones olvidadas hasta ahora. Con
      un enfoque adecuado y una correcta adaptación al nivel
      de escolaridad, podrán ser abordadas las relaciones con
      la claridad permitida, siendo más clara en la medida que
      se sube de nivel. Esto indica que el tema puede ser tratado
      reiteradamente desde la
      educación básica hasta la superior. Por otra
      parte, quedará claro también que la constante pi
      no está aislada y, además, podrá
      demostrarse su existencia y deducir su valor mediante un
      procedimiento
      coherente.
    • Permite deducción fórmulas, basadas en
      otros elementos del polígono regular, en forma sencilla,
      rápida y correcta. Además, cada fórmula
      tiene una trigonométrica equivalente.
    • Permite inferir solamente lo correcto. Dado que la
      apotema es el único elemento que podemos variar a
      voluntad en cada tipo de polígono, sólo podemos
      deducir que el área está en función del
      cuadrado del factor de contracción aplicado a la
      apotema. Esto, aunque sencillo, es muy importante porque tal
      deducción no se alcanza con facilidad desde la
      fórmula criticada, por no decir que es imposible, siendo
      necesario inferirlo a partir de la homotecia.
    • Permite el estudio de relaciones entre
      polígonos regulares de diferentes tipos ( considerando
      como tipo el número de lados), con lo que se
      amplía el estudio de las figuras
      mencionadas.

    Podría pensarse que la existencia de una
    constante de semiproporcionalidad para cada tipo de
    polígono constituye una debilidad. Creo, más bien,
    que es una fortaleza; porque más temprano que tarde se
    entendería que la Matemática, en la
    práctica, no es tan "exacta" como el común de la
    gente pregona; porque existen infinidad de números que no
    pueden escribirse y deben ser aproximados; porque acepta puntos
    de vista que dan origen a disciplinas dentro de una misma rama;
    porque existen paradojas; porque algunas de las verdades no son
    comprobables; porque existen problemas sin resolver etc… El
    dilema de las infinas constantes kn,
    deberá ser resuelto en forma práctica.

    CONCLUSIONES

    La fórmula An = kn
    a2 ofrece ventajas sobre sobre la conocida
    A=pa/2. Estas ventajas no sólo son didácticas sino,
    también, Matemáticas. Dadas las limitaciones de la
    formula usual es recomendable sus sustitución en los
    programas de
    estudio. Esta sustitución traería como consecuencia
    la necesidad de actualización tanto de los docentes como
    de la bibliografía; por lo que debe realizarse un esfuerzo
    que se verá recompensado con un mejoramiento notable de la
    calidad del
    proceso enseñanza-aprendizaje.

    Sin más

     

    Gustavo Yanes Yanes

    Profesor Titular en la U.E. "Prof. Boris Bossio
    Vivas"

    San Antonio de Los Altos, Estado
    Miranda

    República Bolivarina de Venezuela

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