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jueves, 14 de marzo de 2024

Las rarezas de Pi, el número con más fans del mundo (que ni siquiera es un número)

Número Pi en un pizarrón.

FUENTE DE LA IMAGEN,GETTY IMAGES

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Catorce de marzo: 14/3 o 3/14 si lo leemos en nomenclatura inglesa. Al decir "tres catorce" rápidamente se dibuja en nuestra mente un número que nos recuerda al instituto.

Es muy posible, además, que al escucharlo sigamos la retahíla: quince, noventa y dos, sesenta y cinco… hasta donde nos alcance la memoria para recordar las cifras del singular número Pi.

El congreso de EE.UU. en 2009 declaró oficialmente que este día, el 14 de marzo, sería el Día de π.

Tuvo un enorme éxito desde sus inicios, y la idea creció hasta que en 2019, la UNESCO lo declaró el Día Internacional de las Matemáticas.

Desde entonces, cada año más y más gente se ha ido uniendo a la celebración, con π como símbolo de los que amamos las matemáticas.

Pi no es realmente un número

Empecemos por aclarar algo, Pi es la decimosexta letra del alfabeto griego (π) y en matemáticas la usamos para representar algo mucho más interesante que un número (que no digo yo que los números no lo sean). Así pues, la primera rareza de Pi es esa, que no es un número. Pero entonces, si no es un número, ¿qué es Pi?

Pi representa la proporción que guarda la longitud de la circunferencia con su diámetro. Una proporción que tiene la particularidad (aquí su segunda rareza) de ser constante, esto es, de valer siempre lo mismo sin importar lo grande o lo pequeña que sea la circunferencia.

En particular, en la geometría euclídea -la que debemos a Euclides (325-265 a. e. c.) y que nos asegura cosas como que por dos puntos pasa una única recta- el valor constante de Pi es tan especial (y ya van tres) como para ser irracional.

No es que haya perdido la razón sino que, a pesar ser el resultado de dividir el perímetro entre el diámetro, no puede expresarse nunca como la división de dos números enteros.

Si el diámetro de una rueda es un valor "exacto", sin decimales, el espacio que recorrerá al dar una vuelta no lo será. Pero, entonces ¿cuánto será? Nos acercamos a una cuestión clave, el valor de Pi… pero déjenme que antes siga con otra de sus rarezas, la cuarta ya.

Pi y números en una pizarrón.

Pi y números en una pizarrón.

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Pi es trascendente. No es que sea tan importante como para que transcienda (que también) sino que es trascendente, sin n. Esta propiedad matemática nos asegura que Pi no será nunca la solución de ningún polinomio.

¿Polinomio? Seguro que lo recuerdan de sus estudios de matemáticas. Los polinomios son las ecuaciones en las que la incógnita aparece elevada a uno o varios números naturales, por ejemplo x2 + x + 3 = 0.

Pues bien, da igual los exponentes y los números que se pongan, no hay un polinomio para el que la x valga Pi. Cabe mencionar, además, que esta es una propiedad que no cumplen muchos números así que, a estas alturas, ya está demostrado que Pi es rarito pero aún falta lo mejor. Ahora sí, vamos a hablar de su valor.

El escurridizo valor de Pi

Como decíamos al inicio, el valor constante de Pi (en la geometría euclídea) es de 3,141592… pero, precisamente por el hecho de que es irracional, sabemos que tendrá infinitos decimales. Infinitos, como suena, sin fin y, para más inri, en este caso no solo es que sean infinitos sino que no siguen ningún patrón.

Parecen colocados al azar, con todas las cifras del 0 al 9 teniendo la misma probabilidad de aparecer. De hecho, pueden usarse sus valores como un generador de números aleatorios y es posible buscar entre ellos cualquier sucesión de cifras, incluso el número de DNI de una persona cualquiera, que seguro que se encuentra en alguna parte.

Numero Pi

Numero Pi

FUENTE DE LA IMAGEN

Sin embargo, lo más importante de esta propiedad de Pi es que se ha convertido en una fuente inspiración para el trabajo de muchísima gente.

Desde los tiempos más remotos (hay indicios de que a Pi ya lo conocían los babilonios en el 2.000 a. e. c.) se han hecho esfuerzos por conseguir establecer su valor con la mayor precisión posible. En particular, uno de los primeros en dar sus frutos fue el de Arquímedes de Siracusa (287 - 212 a. e. c.), quien diseño un método para acotar el valor de esta rara constante.

Arquímedes usaba polígonos que se inscribían (los que se sitúan dentro de la circunferencia) y se circunscribían (los que contienen a la circunferencia en su interior). De esta forma, el valor del perímetro de la circunferencia se situaría siempre entre el perímetro del polígono inscrito y el del polígono circunscrito.

Añadiendo cada vez más lados a los polígonos, Arquímedes consiguió dar un intervalo de valores para Pi, que tenía un error máximo del 0,040% sobre el valor real… vamos, cerquita, cerquita.

A la idea de Arquímedes le siguieron muchas otras y de muy diversa índole, algunas incluso desde el punto de vista de la probabilidad y la estadística, como fue el caso del Georges-Luis Leclerc (1707-1788), el Conde de Buffon.

En particular, Leclerc encontró al número Pi mientras trataba de determinar lo probable que era que al lanzar una aguja sobre un conjunto de lineas paralelas esta caiga cruzada sobre una de las rectas. Tras diversos cálculos llegó a la conclusión de que, si las lineas estaban separadas por la misma distancia que la longitud de la aguja, dicha probabilidad era de 2 dividido por Pi.

De esta forma era fácil aproximar Pi lanzando muchas agujas, observando la proporción de estas que cortaban realmente a las rectas paralelas y comparándola con la probabilidad exacta.

Sin embargo, con la llegada de la era de la computación apareció la quinta rareza de Pi, ser un número computable. En particular, Alan Turing, allá por 1936, definió que un número es computable si existe un algoritmo que nos permite aproximar su valor con una cantidad de cifras decimales predeterminadas.

Se han calculado 63 billones de decimales de Pi

Siguiendo esta premisa, en 1949 una máquina ENIAC consiguió romper el récord establecido hasta la fecha por el ser humano y calcular los 2037 primeros decimales de Pi, dando el pistoletazo de salida a una carrera que ha llegado hasta los 63 billones (europeos) de cifras con las que fue calculado en 2021 por un equipo de la University of Applied Sciences del cantón suizo de los Grisones.

Pero Pi no es solo un entidad matemática curiosa que ha hecho sonar las cuerdas del pensamiento humano desde la antigüedad. Pi es, como asegura Rhett Alain, un número asombroso que aparece de manera natural allá donde menos lo esperamos: en la estimación de nuestra posición por GPS, en el movimiento del péndulo de un reloj de pared o hasta en el modo en que un asistente por voz es capaz de reconocer que el usuario quiere, por ejemplo, que le cuente un chiste.

Pero, sobre todo, Pi es la excusa perfecta para que cada catorce de marzo celebremos las matemáticas y todo lo que nos dan. ¡Feliz Día Internacional de las Matemáticas!


martes, 14 de marzo de 2023

MATEMÁTICAS. Caos, orden y preguntas no resueltas para Pi, el número más importante de las matemáticas.

Es una de las piezas clave del lenguaje de las matemáticas y todavía quedan muchas preguntas abiertas sobre su proporción exacta

El número Pi.


Hoy es el día 14 de marzo, o si lo escribimos en formato numérico, el 3/14. Estas son las tres primeras cifras de uno de los números más célebres, importantes y con más historia de la ciencia. Estamos hablando del número π. Por este motivo hoy es el Día Internacional de las Matemáticas (con una página web muy recomendable). Este año la conmemoración tiene como lema “matemáticas para todo el mundo”, porque para entender el mundo actual todos necesitamos hablar en el lenguaje de las matemáticas. π es una de las piezas clave del lenguaje de las matemáticas y todavía quedan muchas preguntas abiertas sobre este número.

Se ha escrito largo y tendido sobre el número π desde los comienzos de la civilización. Y no es para menos: el mundo, tal y como lo entendemos, depende de manera crítica de esta constante universal. Su definición es bien conocida: si tomamos un circulo cualquiera de diámetro 1, π es la relación entre su longitud y su diámetro. Es independiente del círculo que tomemos: se trata de un invariante geométrico universal. Pese a esta simple definición, expresar el número π de manera explícita es muy complejo. En su expansión decimal no hay patrones numéricos evidentes. La estadística más sencilla que podemos estudiar es el número de apariciones de un dígito dado.

Los resultados experimentales (tomando muchos dígitos en la expansión decimal de π) parecen mostrar que cada dígito aparece un 10% de las ocasiones. Pero esto se trata únicamente de una conjetura: a fecha de hoy es una pregunta abierta saber si para cualquier truncamiento de la expansión decimal de los dígitos de π, la proporción de cada uno de los dígitos es esencialmente la misma.

Más allá de la distribución de los dígitos, otra pregunta interesante de la que se desconoce la respuesta es la siguiente: si tomamos un número cualquiera (por ejemplo, el 44685035261931188171), ¿es cierto que dicho número aparece en la expansión decimal de π? Todos los indicios y experimentos parecen indicar que sí, pero a fecha de hoy no tenemos herramientas matemáticas que permitan responder a esta pregunta de forma general.

De ser cierto el resultado anterior podríamos decir que dentro de π existe todo el conocimiento universal. Es así: si utilizamos un método de codificación numérico para codificar las letras del alfabeto (por ejemplo, si codificamos la letra a mediante 00, la letra b mediante 01, y usamos los dígitos 99 para codificar el espacio en blanco), cualquier libro (escrito o todavía por escribir) se podría codificar con un número muy largo, pero finito. Si cualquier patrón está contenido en la expansión de pi, podríamos encontrar el Quijote, las obras perdidas de Aristóteles y todas las novelas que están por escribir hasta el fin de la humanidad, aun teniendo que tomar un número inimaginable de cifras.

Esto parece señalar que el caos impera en la expansión de π . Sin embargo, lo realmente bello es que existen multitud de expresiones del número π donde reinan el orden y los patrones. Empezando por el producto infinito de Wallis, una fórmula demostrada en el año 1655 que afirma que

O, con sumas en lugar de productos, la llamada fórmula de Leibniz, deducida en el siglo XVII por el matemático alemán que le da su nombre:

Y, no nos podemos olvidar de la que es quizás la fórmula más importante de las matemáticas, la fórmula de Euler, que relaciona los cinco números más importantes: el 0, el 1, el número π, el número e (la base de los logaritmos neperianos) y la unidad imaginaria i.

Estos son solo tres ejemplos que muestran la ubicuidad del número π en el universo matemático, y que ejemplifican la belleza y la armonía de las matemáticas en un día de celebración para nuestra comunidad.

Juanjo Rue es profesor agregat del Departamento de Matemáticas de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), miembro del Instituto de Matemáticas de la UPC (IMTech) e investigador adscrito al Centre de Recerca Matemàtica (CRM).

Ágata Timón G Longoria es coordinadora de la Unidad de Cultura Matemática del ICMAT 

lunes, 14 de marzo de 2016

El número pi no es 3,14. Los matemáticos celebran hoy el Día de Pi, una constante conocida desde hace milenios que todavía genera fascinantes problemas, como averiguar si contiene infinitas veces el 5

El 20 de noviembre de 2005, mientras una patera con 10 personas a bordo desaparecía frente a las costas de Cádiz, mientras una tormenta tropical dejaba 11 muertos en Honduras, mientras el tenista suizo Roger Federer perdía su primer partido tras ganar 24 finales consecutivas, el chino Chao Lu recitaba números sin parar. Durante 24 horas y cuatro minutos, grabado por 26 cámaras y con decenas de testigos de la Universidad de Agricultura y Ciencias Forestales del Noroeste, en la provincia china de Shaanxi, Chao Lu cantó de memoria 67.890 decimales del número pi. Su hazaña fue certificada por el Libro Guinness de los records. No falló ni uno.

“Cuando alguien escribe que pi es igual a 3,14 me lloran los ojos”, confiesa el matemático Javier Cilleruelo, asombrado por los enigmas milenarios que oculta el número. Pi no es 3,14, como aprendimos en el colegio. Ni siquiera es 3,141592653, la cifra que hace que el año pasado se celebrara el Día de Pi por representar, según la notación anglosajona, del mes 3, el día 14, del año 15, a las 9 horas, 26 minutos y 53 segundos. Y pi tampoco es el larguísimo número que memorizó Chau Lao. “Pi es la razón entre el perímetro de una circunferencia y su diámetro”, zanja Cilleruelo, miembro del Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT), en Madrid. Pi, por lo tanto, es eterno.

En internet, es sencillo encontrar a chavales con los ojos vendados recitando de memoria los 1.000 primeros decimales del número pi. No llegan al prodigio de Chau Lo, pero tienen mérito. “Pi es un número irracional. No sigue ningún patrón y tiene un número infinito de cifras”, explica Cilleruelo. Esto significa que el número de teléfono móvil o el DNI de cualquier persona que esté leyendo esto probablemente aparecerán entre los primeros millones de decimales de pi, como se puede comprobar en varias páginas web. El teléfono móvil que publicó Wikileaks del expresidente del Gobierno José Luis Rodríguez Zapatero, por ejemplo, aparece a partir del decimal número 85.711.627.

El nacimiento de pi se pierde en la noche de los tiempos. En el Antiguo Testamento (III Reyes, 7:23), aparece una aproximación de 3: “Hizo asimismo un mar de fundición [una concha grande para meter agua], de diez codos de un lado al otro, perfectamente redondo, [...] y lo ceñía alrededor un cordón de treinta codos”. Y el matemático griego Arquímedes, célebre por haber supuestamente corrido desnudo por la calle gritando “¡Eureka!” tras resolver un problema, calculó el valor de pi como 3,14 hace unos 2.265 años. Desde entonces, el número no ha dejado de fascinar a los matemáticos. Y todavía genera problemas sin resolver.

“Si coges todos los números del listín telefónico de tu ciudad y los pones en fila, ese número larguísimo debería aparecer infinitas veces en el número pi, pero no sabemos si es cierto. Es muy difícil demostrarlo. Y el que lo demuestre se llevará una medalla Fields [el Nobel de las matemáticas]”, apunta Cilleruelo.

Ante pi, bautizado con la letra griega π en el siglo XVII, los matemáticos se sienten como los europeos en Finisterre antes del descubrimiento de América. Más allá de los 10 billones de dígitos no se sabe lo que hay. "En el primer millón de dígitos de pi, el número 5 aparece 100.359 veces. El número 6 aparece 99.598 veces. Pero no sabemos si el número 5 aparece infinitas veces en pi”, recalca el investigador del ICMAT. El 5 podría desaparecer en algún punto de la infinita ristra de dígitos de pi. O no.

“La magia de pi es que aparece en situaciones alucinantes, en los lugares más insospechados que te puedas imaginar”, sostiene Raúl Ibáñez, director del portal de divulgación científica DivulgaMAT, de la Real Sociedad Matemática Española. Ibáñez recuerda el problema de la aguja de Buffon, propuesto en 1777 por el científico francés Georges-Louis Leclerc, conde de Buffon.

El enunciado es sencillo. Si dibujas en el suelo líneas paralelas y coges agujas de la misma longitud que la distancia entre las rectas, la probabilidad de que lances una aguja y caiga en una de las rayas es 2 partido por pi. No hay círculos en esta historia, pero ahí está pi.

“La fórmula que calcula la probabilidad de que un grupo de personas siga con vida al cabo de un determinado número de días también implica al número pi”, añade Ibáñez con voz todavía sorprendida por las matemáticas de las empresas de seguros que aparecen en el libro Un presupuesto de paradojas, publicado en 1915 por el matemático británico Augustus De Morgan.

Ibáñez también recuerda otro ejemplo que deja los ojos como platos. Lo descubrió Hans-Henrik Stølum, geólogo de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), en 1996. El investigador calculó la relación entre el doble de la longitud total de un río y la distancia en línea recta entre su nacimiento y su desembocadura. Y la relación era de aproximadamente 3,14.

“Los matemáticos nos dedicamos a jugar con cosas como pi. Y, a veces, la tecnología avanza gracias a estos juegos”, afirma Ibáñez con una sonrisa.

http://elpais.com/elpais/2015/03/13/ciencia/1426279728_452492.html