Un paseo por la historia de las matemáticas
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Un vistazo a la historia de las matemáticas
Artículo de: J.J.O'Connor y E.F.Robertson.
Las matemáticas empiezan con el conteo. Sin embargo, no es razonable sugerir que el conteo de la antigüedad era matemáticas. Se puede decir que las matemáticas empiezan solamente cuando se empezó a llevar un registro de ese conteo y, por ello, se tuvo alguna representación de los números.
En Babilonia, las matemáticas se desarrollaron a partir del 2000 a. C. Antes de esto, durante un largo periodo había evolucionado un sistema numérico posicional con base 60. Esto permitió representar números arbitrariamente grandes y fracciones y se convirtió en los cimientos de un desarrollo matemático más fuerte y dinámico.
Problemas numéricos tales como el de las tripletas pitagóricas (a,b,c) con a2 + b2 = c2 fueron estudiados desde al menos el 1700 a. C. Los sistemas de ecuaciones lineales fueron estudiados en el contexto de resolver problemas numéricos. Las ecuaciones cuadráticas también fueron estudiadas y estos ejemplos llevaron a una especie de álgebra numérica.
También se estudiaron problemas geométricos relacionados con figuras similares, área y volumen y se obtuvieron valores para π.
La base matemática babilónica fue heredada a los griegos y el desarrollo independiente de las matemáticas griegas empezó alrededor del 450 a. C. Las paradojas de Zenón de Elea condujeron a la teoría atómica de Demócrito. Una formulación más precisa de conceptos los llevó a darse cuenta de que los números racionales no bastaban para medir todas las longitudes. Surgió entonces una formulación geométrica de los números irracionales. Estudios sobre áreas condujeron a una forma de integración. La teoría de las secciones cónicas muestra una cima en el estudio de las matemáticas puras de Apolonio. Muchos otros descubrimientos matemáticos surgieron de la astronomía, por ejemplo, el estudio de a trigonometría.
El mayor progreso griego en las matemáticas se dio entre el 200 a. C. y el 200 d. C. Después de esa época el progreso continuó en los países islámicos. Las matemáticas florecieron en especial en Irán, Siria e India. Este trabajo no igualó los avances hechos por los griegos pero además de los suyos propios, preservó las matemáticas griegas. Desde alrededor del siglo XI, Abelardo de Bath, y después Fibonacci, llevaron las matemáticas islámicas y sus conocimientos de las matemáticas griegas de regreso a Europa.
Los grandes adelantos matemáticos en Europa reiniciaron a principios del siglo XVI con Pacioli y después Cardán, Tartaglia y Ferari con la solución algebraica de ecuaciones cúbicas y cuárticas. Copérnico y Galileo revolucionaron las aplicaciones de las matemáticas en el estudio del universo.
El progreso en el álgebra tuvo un importante efecto psicológico y el entusiasmo por la investigación matemática, en particular del álgebra, se extendió desde Italia a Stevin en Bélgica y Viète en Francia.
El siglo XVII vio a Neper, Briggs y otros ampliar enormemente el poder de las matemáticas como una ciencia para calcular con el descubrimiento de los logaritmos. Cavaliere hizo progresos hacia el cálculo con sus métodos infinitesimales y Descartes añadió el poder de los métodos algebraicos a la geometría.
El avance hacia el cálculo continuó con Fermat, quien, junto con Pascal, inició el estudio matemático de la probabilidad. Sin embargo, el cálculo sería el tema de mayor relevancia que evolucionó en el siglo XVII.
Newton, edificando sobre el trabajo de muchos matemáticos anteriores a él, tales como su maestro Barrow, convirtió al cálculo en una herramienta que impulsó el estudio de la naturaleza. Su trabajo era rico en nuevos descubrimiento que mostraban la interacción entre las matemáticas, la física y la astronomía. La teoría de la gravedad de Newton así como su teoría de la luz, nos llevan hasta el siglo XVIII.
Sin embargo, debemos mencionar también a Leibniz, cuyo acercamiento mucho más riguroso al cálculo (a pesar de no ser aún totalmente satisfactorio) puso las condiciones para la labor matemática del siglo XVIII más que el de Newton. La influencia de Leibniz sobre los muchos miembros de la familia Bernoulli fue importante para hacer crecer la fuerza del cálculo y la variedad de sus aplicaciones.
El matemático más importante del siglo XVIII fue Euler quien, además de trabajar en toda una gama de ramas de las matemáticas, inventó dos nuevas: el cálculo de variaciones y la geometría diferencial. Euler también impulsó la investigación sobre la teoría de números que había iniciado tan eficazmente Fermat.
Hacia finales del siglo XVIII, Lagrange iniciaría una rigurosa teoría de funciones y de la mecánica. Ese periodo vio la gran obra de Laplace sobre mecánica celeste así como grandes progresos de Monge y Carnot en la geometría sintética.
El siglo XIX vio rápidos avances. El trabajo de Fourier sobre el calor tuvo fundamental importancia. En geometría, Plücker produjo obras importantes sobre geometría analítica y Steiner sobre geometría sintética.
La geometría no-euclidiana desarrollada por Lobachevsky y Bolyai condujo a la caracterización de la geometría por Riemann. Gauss, considerado por algunos como el mejor matemático de todos los tiempos, estudió la reciprocidad cuadrática y las congruencias de enteros. Su trabajo sobre geometría diferencial revolucionaría la materia. También hizo grandes contribuciones a la astronomía y el magnetismo.
El siglo XIX vio el trabajo de Galois sobre ecuaciones y su visión sobre el camino que seguirían las matemáticas en el estudio de las operaciones fundamentales. La introducción de Galois al concepto de grupo anunciaría una nueva dirección para la investigación en matemáticas la cual ha continuado desde entonces.
Cauchy, construyendo sobre el trabajo sobre funciones de Lagrange, empezó un análisis riguroso y comenzó el estudio de la teoría de funciones de una variable compleja. Esta labor la continuarían Weierstrass y Riemann.
La geometría algebraica fue impulsada por Cayley, cuyo trabajo sobre matrices y álgebra lineal complementó el de Hamilton y Grassmann. El término del siglo XIX vio a Cantor inventar la teoría de conjuntos casi sin ayuda mientras que su análisis del concepto de número se sumó al importante trabajo de Dedekind y Weierstrass sobre los número irracionales. El análisis fue conducido por los requerimientos de la física matemática y la astronomía. La obra de Lie sobre ecuaciones diferenciales llevó al estudio de los grupos topológicos y la topología diferencial. Maxwell revolucionaría la aplicación del análisis a la física matemática. La mecánica estadística fue desarrollada por Maxwell, Boltsmann y Gibbs y condujo a la teoría ergódica.
El estudio de las ecuaciones integrales fue impulsado por el estudio de la electrostática y la teoría potencial. El trabajo de Fredholm llevó a Hilbert a desarrollar el análisis funcional.
Notación y comunicación
Hay muchos descubrimientos matemáticos importantes pero solamente aquellos que pueden ser comprendidos por otras personas conducen al progreso. Sin embargo, la facilidad de uso y de comprensión de los conceptos matemáticos depende de su notación.
Por ejemplo, es muy claro cómo el trabajo con números se entorpece con una notación pobre. Intenta multiplicar dos cifras usando notación en números romanos. ¿Cuánto da MLXXXIV por MMLLLXIX? La suma, por supuesto, es otra cuestión y, en ese caso los números romanos alcanzan todo su potencial; los mercaderes, quienes hacían la mayor parte de sus cuentas sumando cifras, se mostraron reacios a dejar de usar los números romanos.
Hay otros ejemplos de problemas con la notación. El más conocido probablemente sea la notación para el cálculo usada por Leibniz y Newton. La de Leibniz llevó con mayor facilidad hacia la extensión de las ideas del cálculo mientras que la de Newton, aunque buena para describir velocidad y aceleración, tenía mucho menor potencial cuando se consideran funciones con dos variables. Los matemáticos británicos que muy patrióticamente usaban la notación de Newton, se colocaron en desventaja respecto a los matemáticos de la Europa continental que siguieron a Leibniz.
Pensemos por un momento sobre cuánto dependemos de la notación matemática y de las convenciones. Pídele a cualquier matemático que resuelva ax = b y obtendrás como respuesta x = b/a. Me sorprendería mucho que recibieras la respuesta a = b/x pero no hay realmente razón para que no sea así. Estamos usando, muchas veces sin darnos cuenta, la convención de que las últimas letras del alfabeto representan las incógnitas mientras que las del principio representan cantidades conocidas.
No siempre fue así: Harriot usó a como su incógnita, lo mismo que otros de sus contemporáneos. La convención que empleamos (las letras finales del alfabeto como incógnitas) fue iniciada por Descartes en 1637. Otras convenciones han caído en desgracia; por ejemplo la notación de Viète, quien usó las vocales como incógnitas y las consonantes como cantidades conocidas.
Por supuesto que ax = b contiene otras convenciones de notación que utilizamos sin notarlo. Por ejemplo, el signo de igual ('=') fue usado por primera vez por Recorde en 1557. También tenemos que ax se usa para denotar el producto de a por x, ¡la notación más eficiente de todas ya que no requiere escribir nada para denotar el producto!
¿Descubrimientos brillantes?
Es muy difícil comprender la brillantez de los descubrimientos matemáticos más importantes. Por un lado, muchas veces aparecen como destellos aislados aunque de hecho son la culminación de la obra de muchos matemáticos, con frecuencia menos hábiles, durante un largo periodo de tiempo.
Por ejemplo, la controversia de si el cálculo fue descubierto por Newton o por Leibniz puede ser resuelta fácilmente. Ninguno de ellos lo hizo ya que no hay duda que Newton lo aprendió de su maestro, Barrow. Claro que no estoy sugiriendo que Barrow deba recibir el crédito de haber descubierto el cálculo; simplemente estoy señalando que el cálculo surge de un largo periodo de progreso que empieza con las matemáticas griegas.
Ahora estamos en peligro de reducir los más importantes descubrimientos matemáticos a la simple suerte de alguien que estaba trabajando sobre un tema en 'el momento idóneo'. Esto también sería totalmente injusto (aunque algo ayuda a explicar por qué tantas veces dos o más personas descubrieron lo mismo de manera independiente más o menos al mismo tiempo). Todavía existe el destello de genio en los descubrimientos, muchas veces proveniente de un entendimiento más profundo o de poder ver la importancia de ciertas ideas con mayor claridad.
Cómo vemos la historia
Vemos la historia de las matemáticas desde nuestra propia posición de entendimiento y sofisticación. No puede ser de otro modo pero aún así tenemos que tratar de comprender la diferencia entre nuestro punto de vista y el de los matemáticos de hace siglos. Muchas veces la manera en que se enseñan las matemáticas hoy en día hace que cueste trabajo que entendamos las dificultades del pasado. No hay razón alguna para que alguien introdujera los números negativos nada más para resolver ecuaciones como x + 3 = 0. De hecho, no hay una verdadera razón para introducir los números negativos. Nadie tenía -2 libros. Podemos pensar en el 2 como una propiedad abstracta que posee todo conjunto con dos elementos. Esto en sí mismo es una idea muy profunda. Añadir dos manzanas a tres manzanas es una cosa. Darse cuenta de que hay propiedades abstractas 2 y 3 que se aplican a cada conjunto con 2 y 3 elementos y de que 2 + 3 = 5 es un teorema general que aplica ya sea que los conjuntos tengan manzanas, libros o árboles, es dar el paso de contar hacia el mundo de las matemáticas.
Los números negativos no tienen este tipo de representación concreta sobre la cual construir la abstracción. No debe sorprendernos que su uso empezó solamente después de una larga lucha. Entender estas dificultades sería beneficioso para cualquier profesor que esté tratando de enseñar a niños de primaria. Hasta los enteros, a los cuales consideramos el concepto más básico, tienen una sofisticación que nada más puede ser comprendida adecuadamente si se examina su contexto histórico.
Un reto
Si crees que el descubrimiento matemático es fácil, entonces aquí hay un reto para hacerte pensar. Neper, Briggs y otros presentaron los logaritmos al mundo hace casi 400 años. Estos fueron usados durante 350 años como la principal herramienta en los cálculos aritméticos. Un increíble esfuerzo se ahorró usando logaritmos: de qué otra forma podrían haberse hecho los pesados cálculos necesarios para las ciencias sin los logaritmos.
Entonces el mundo cambió. Apareció la calculadora de bolsillo. El logaritmo sigue siendo una importante función matemática pero su uso para hacer cálculos se ha ido para siempre. Aquí está el reto. ¿Qué reemplazará a la calculadora? Podrías decir que esta es una pregunta injusta. Sin embargo déjame recordarte que Neper inventó los conceptos básicos de una computadora mecánica al mismo tiempo que los logaritmos. Las ideas básicas que nos llevarán a reemplazar a la calculadora de bolsillo están sin duda entre nosotros.
Podemos pensar en calculadoras más rápidas, más pequeñas o mejores pero lo que estoy pidiendo es algo que sea tan diferente de una calculadora como la calculadora misma lo es de las tablas de logaritmos. Yo tengo una respuesta a mi propia pregunta pero decirla echaría a perder el reto. Piensa en ello y date cuenta qué tan difícil fue inventar las geometría no-euclidianas, los grupos, la relatividad general, la teoría de conjuntos, ... .
Fin del artículo de: J J O'Connor y E F Robertson
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La historia en cómic
Un entretenido paseo interactivo por la historia de las matemáticas
