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Pi: Límite de las constantes de semiproporcionalidad en los Polígonos Regulares




Enviado por gustavo_yanes



    El número pi ha ocupado la atención de innumerables matemáticos
    a través en todos los tiempos. Históricamente, el
    número pi se presenta junto con la deducción de la fórmula para
    calcular la longitud de la circunferencia, para lo que
    sólo se contaba con el radio (o el
    diámetro) y una interrelación, entre los elementos
    anteriores, que era evidente al trazar circunferencias con cuerda
    o compás.

    Desde que fue introducido en el cálculo
    geométrico, pi ha recibido diversos tratamientos para
    obtener su valor con una
    aproximación más refinada y con mayor cantidad de
    cifras decimales. Así tenemos que en diferentes
    épocas y regiones geográficas se han utilizado
    diversos valores para
    pi que van desde el entero 3 (citado en la Biblia) y 3,125 en
    Babilonia; 3,10, o 3,14, o 3,1447 o 3,14159 en China; 3,16 en
    Egipto; 3,09
    en India; hasta
    los valores
    conocidos hoy, cuyos decimales se cuentan por millones. Las
    enormes cantidades de cifras decimales se consiguen mediante el
    uso de software
    basado en algoritmos
    diseñados, mucho antes de existir la
    computadora, por eminentes matemáticos como
    Viéte, Wallis, Newton,
    Leibnitz,
    Euler, Ramanujan y otros.

    No obstante que el número pi haya sido estudiado
    durante tanto tiempo (y
    todavía se estudie), se le ha tratado como número
    aislado dentro del universo
    matemático. Los antiguos procedimientos
    geométricos han sido suplantados por aritméticos y
    analíticos que lo aíslan más; hasta existen
    procedimientos probabilísticos para determinar su valor
    aproximado como el de los alfileres propuesto por Leclerc o el de
    los dardos, conocido como Método de
    Montecarlo. En este artículo veremos que pi no está
    solo: sino que está acompañado de una serie de
    valores que solamente se han tomado como aproximaciones del valor
    buscado, sin caer en cuenta que forman parte de una familia de
    infinitas constantes análogas apretujadas en un
    pequeño intervalo real.

    Utilizaremos la definición usual de pi
    "razón entre la longitud de la circunferencia y su
    diámetro".

    Si
    L es la longitud de una circunferencia cualquiera y
    d su correspondiente diámetro
    tendremos:

    Y como d=2r, siendo r el radio, tenemos que se puede
    expresar:

    La última expresión nos conduce a otra de
    las definiciones conocidas del número pi: "la razón
    entre la longitud de la semicircunferencia y el
    radio".

    Igual que en la circunferencia, en cualquier
    polígono regular se evidencia una interrelación
    entre la apotema y el perímetro ya que al variar
    cualquiera de los dos elementos también variará el
    otro en el mismo sentido que el primero. Estas variaciones
    también se experimentan con otros elementos del
    polígono regular como el radio y los
    diagonales.

    Haremos una partición del conjunto de los
    polígonos regulares en conjuntos que
    llamaremos Clases, y que notaremos con Cn donde n es
    el número de lados. Como en cada clase de
    polígono regular: apotemas diferentes originan
    polígonos diferentes (aunque semejantes), resulta obvio
    que a cada apotema le corresponde un único polígono
    regular dentro de una clase dada. La unicidad del polígono
    nos lleva también a la unicidad del radio, del
    perímetro, del lado y del área. Entonces, como
    sucede con el círculo, cualquier polígono regular
    está bien determinado si se da su clase y cualquiera de
    los elementos mencionados. Luego podemos referirnos sin
    equivocación, por ejemplo, al hexágono regular de 2
    m de apotema; o al decágono regular de 3 m de lado, o de
    100 m2 de área, o de 1 Km. de perímetro,
    etc.

    Lo anterior nos permite establecer diversas razones
    entre elementos del polígono regular; de las que: por
    analogía con el círculo, por su sencillez y porque
    muchos de sus valores son conocidos, trataremos sólo la
    interrelación perímetro-apotema.

    Sea cualquier polígono regular de la clase
    Cn y sea p el correspondiente
    perímetro y a su apotema. Denotaremos la
    razón entre el semiperímetro y la apotema con
    Kan y demostraremos que tal razón es
    única para cada clase; por lo que puede nombrársele
    apropiadamente como: Constante de Semiproporcionalidad en los
    Polígonos Regulares. Es decir:

    Expresando el perímetro en función
    del lado l y aplicando propiedades de la
    multiplicación:

    Observemos, ahora, a que corresponde en el
    polígono regular.

    Tomaremos uno de los triángulos isósceles con
    vértice al centro del polígono que definen dos
    radios consecutivos y el lado entre éstos.

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción "Descargar" del menú superior

    En la ilustracion
    de la izquierda se representa uno de esos triángulos. El
    ángulo en la parte superior (ángulo central) al ser
    bisecado determina dos triángulos rectángulos con
    catetos l/2 y a e
    hipotenusa igual al radio, siendo l/2 el
    cateto opuesto al semiángulo central.

    Es evidente que es la tangente del semiángulo
    central del polígono regular.

    Como la medida del ángulo central es 360°/n,
    la del semiángulo central es:

    360°/2n = 180°/n, por lo que

     

    Y la constante de semiproporcionalidad se puede
    escribir:

     

     Es decir: el valor de kn es n veces la
    tangente del semiángulo central del polígono
    regular de n lados.

    Como se ha visto, la constante de semiproporcionalidad
    depende sólo del número de lados y, en
    consecuencia, todos los polígonos regulares de una misma
    clase poseen la misma constante (1). Ahora pasaremos a demostrar
    que las constantes son únicas para cada clase:

    Sean las clases Cn y Cm y sus
    constantes de semiproporcionalidad kn y km,
    respectivamente, tales que n y m son números
    naturales mayores que 2 y n ≠ m. Se trata de demostrar que
    kn ≠ km.

    Por Reducción al Absurdo:

    Sean m y n números naturales tales que n >
    m≥3,

    Supongamos cierto que kn = km.
    Luego

     Tomemos un polígono regular de la clase
    Cn y otro de la clase Cm con la misma
    apotema a y sean ln y
    lm las longitudes de los lados
    respectivos.

    En el polígono de la clase Cn
    tenemos:

     En el polígono de la clase Cm
    tenemos:

     

     Luego:

      

     Es decir: los perímetros de ambos
    polígonos son iguales. Lo que es un absurdo ya que, por
    construcción, se ha demostrado que los
    perímetros de los polígonos regulares con igual
    apotema tienden a la longitud de la circunferencia inscrita,
    disminuyendo en la medida que se incrementa el número de
    lados. Como el absurdo provino de suponer la igualdad de
    las constantes de semiproporcionalidad en clases diferentes,
    queda demostrado que tales constantes en clases diferentes,
    también son diferentes (2).

    De (1) y (2) se concluye en que cada clase de
    polígono regular posee una constante de
    semiproporcionalidad propia que se denota con kn,
    donde n indica el número de lados que identifica la clase
    y su valor se calcula mediante la fórmula:

    A manera de ejemplo citaremos algunas de estas
    constantes con aproximaciones de diez y doce cifras
    decimales:

     Como se mencionó antes, algunos de estos
    valores fueron conocidos durante la búsqueda del valor de
    pi por el procedimiento de
    aproximacines sucesivas de polígonos regulares inscritos y
    circunscritos a un círculo dado. ¿ Esas constantes
    tienen alguna aplicación útil?. Claro que si: de
    entrada cumplen, en cada clase de polígono regular,
    funciones
    análogas a las de pi en las fórmulas del
    círculo. Esto ha la deducción y diseño
    de fórmulas con idéntica estructura
    para los polígonos regulares y el círculo. Entre
    estas, por ejemplo, tenemos
    An=kna2 para el cálculo
    de áreas. Acerca de las fórmulas mencionadas puede
    consultar en la red la monografía del mismo autor: Area de los
    Polígonos-enfoque para el cálculo.

    Hemos visto que el número pi no está solo;
    sino que forma parte de una familia de infinitas constantes,
    relativamente pequeñas en el conjunto de los
    números reales, ubicadas en un intervalo apenas mayor a
    dos (2) unidades de longitud. Al observar los valores de las
    constantes de semiproporcionalidad en los polígonos
    regulares podemos decir que:

     

     Para finalizar diré que el utilísimo
    y asombroso número pi me causa ahora más asombro;
    dado que: siendo el más viejo conocido de la
    familia……, resultó ser el menor de todos los
    hermanitos.

     

    Atentamente,

    Gustavo Yanes Yanes

    República Bolivariana de Venezuela.

    NOTA: Para la redacción de este artículo se ha
    consultado la bibliografía señalada en la monografía
    recomendada arriba y los siguientes artículos en la
    red:

    Historietas de Pi by Ramón
    Llorens Moreno

    CALCULO DEL # PI Por: Fernando Valdés
    Macías

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