Aryabhata I

Poco se sabe de la vida de Aryabhata, que se llama Aryabhata I para distinguirlo de otro matemático del mismo nombre que vivió cuatro siglos más tarde. Aryabhata desempeñó un papel en el desarrollo del actual sistema de números y contribuyó a la teoría de números en un momento en que gran parte de Europa estaba envuelta en la ignorancia.

Nació en la India y tuvo una conexión con la ciudad Kusumapura, la capital de los Guptas durante los siglos IV y V; este lugar se cree que es la ciudad de su nacimiento. Ciertamente, su Aryabhatiya fue escrito en Kusumapura, que más tarde se convirtió en un centro de aprendizaje matemático.

Aryabhata escribió dos obras: Aryabhatiya en 499, cuando tenía 23 años, y otro tratado que se ha perdido. El primer trabajo es un breve resumen de la matemática hindú, que consta de tres secciones sobre matemática, el tiempo y los modelos planetarios, y la esfera. Las secciones sobre matemática contienen 66 reglas matemáticas sin demostración, que tratan sobre aritmética, álgebra, trigonometría plana y trigonometría esférica. Sin embargo, también contiene conocimientos más avanzados, tales como fracciones continuas, ecuaciones cuadráticas, series infinitas y una tabla de senos. En el año 800 este trabajo fue traducido al árabe, y tenía muchos comentaristas indios.

El sistema numérico de Aryabhata, el que usó en su libro, asigna un número a cada una de las 33 letras del alfabeto indio, representando los primeros 25 números así como 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 y 100. Es de notar que estaba familiarizado con un sistema posicional, de modo que números muy grandes podran ser fácilmente descritos y manipulados usando esta notación alfabética. De hecho, parece probable que Aryabhata estuviera familiarizado con el cero como marcador de posición. El sistema de números indios posicional, que más tarde influiría grandemente en la construcción del sistema moderno, facilitó cálculos que serían imposibles bajo modelos más primitivos, como los números romanos. Aryabhata parece ser el creador de este sistema posicional.

En su examen del álgebra, Aryabhata investiga primeramente ecuaciones lineales con coeficientes enteros -aparentemente, el Aryabhatiya es el primer trabajo escrito en hacerlo. La cuestión surgió de ciertos problemas de astronomía, como el cálculo del período de los planetas. La técnica se llama kuttaka, que significa “pulverizar”, y consiste en partir la ecuación en problemas relacionados con coeficientes más pequeños; el método es similar al algoritmo euclidiano para encontrar el máximo divisor común, pero también está relacionado con la teoría de las fracciones continuas. 

Además, Aryabhata dio un valor para el número pi que era preciso a ocho decimales, mejorando las aproximaciones dadas por Arquímedes de Siracusa y Apolonio de Perga. Los eruditos han sostenido que él obtuvo esto independientemente de los griegos, teniendo un cierto método particular para aproximar a pi, pero no se sabe exactamente cómo lo hizo; Aryabhata también se dio cuenta de que pi era un número irracional. Su tabla de senos da valores aproximados a intervalos de menos de cuatro grados, y utiliza una fórmula trigonométrica para lograrlo.

Aryabhata también discute reglas para sumar los primeros n enteros, los primeros n cuadrados, y los primeros n cubos; da fórmulas para el área de triángulos y de círculos. Sus resultados para los volúmenes de una esfera y de una pirámide son incorrectos, pero esto puede haber sido debido a un error de traducción. Por supuesto, estos últimos resultados eran bien conocidos por los griegos y podrían haber llegado a Aryabhata a través de los árabes.

En cuanto a la astronomía presente en el texto, la matemática está diseñada para dilucidarla y hay varios resultados interesantes. Aryabhata da una excelente aproximación a la circunferencia de la Tierra (62.832 millas), y explica la rotación de los cielos a través de una teoría de la rotación axial de la Tierra. Irónicamente, esta teoría (correcta) fue considerada absurda por comentaristas posteriores, que alteraron el texto para remediar los errores de Aryabhata. Igualmente notable es su descripción de las órbitas planetarias como elipses; cabe notar que sólo datos astronómicos altamente precisos proporcionados por telescopios superiores permitieron a los astrónomos europeos diferenciar entre órbitas circulares y elípticas. Aryahbhata da una explicación correcta de los eclipses solares y lunares, y atribuye la luz de la Luna a la luz solar reflejada.

Aryabhata fue de gran influencia para los matemáticos y astrónomos indios posteriores. Tal vez lo más relevante para el desarrollo posterior de la matemática fue su sistema posicional. Sus teorías fueron extremadamente avanzadas considerando el tiempo en que él vivió, y los cálculos exactos de las medidas astronómicas ilustraron el poder de su sistema numérico.

 

---

Fuente bibliográfica:

• McElroy, Tucker (2005) A to Z of Mathematicians. Facts On File, Inc.

 

Aristarco de Samos

Reconocida como la primera persona en proponer una teoría heliocéntrica (que los planetas giran alrededor del Sol) del sistema solar, Aristarco fue un astrónomo importante y un matemático de primer orden. Poco se sabe de su vida, pero sus obras han sobrevivido, y en ellas calcula varias distancias astronómicas milenios antes de la invención de los telescopios modernos.

Aparentemente, Aristarco nació en la isla de Samos, que se encuentra en el Mar Egeo, cerca de la ciudad de Mileto, un centro para la ciencia y el aprendizaje en la civilización jónica. Estudió bajo Estratón de Lámpsaco, director del Liceo fundado por Aristóteles. Se cree que Aristarco fue alumno de Estratón en Alejandría en lugar de en Atenas. Sus fechas aproximadas están determinadas por los registros de Claudio Ptolomeo y Arquímedes de Siracusa. La única obra de Aristarco todavía en existencia es su tratado Sobre los Tamaños y Distancias del Sol y la Luna.

Entre sus pares, Aristarco era conocido como “el matemático”, lo que puede haber sido meramente descriptivo. En ese momento, la disciplina de la astronomía era considerada parte de la matemática, y Aristarco en Sobre los tamaños y distancias se refiere principalmente a cálculos astronómicos. De acuerdo con Vitruvio, arquitecto romano, Aristarco era un experto en todas las ramas de la matemática, y fue el inventor de un popular reloj de sol compuesto por un cuenco hemisférico con una aguja vertical en el centro. Parece que sus descubrimientos en Sobre los tamaños y distancias de la vasta escala del universo fomentaron un interés en la orientación física del sistema solar, llevando eventualmente a su concepción heliocéntrica del Sol en el centro.

El heliocentrismo tiene sus raíces en los primeros pitagóricos, un culto religioso/filosófico que prosperó en el siglo V a.C. en el sur de Italia. A Filolao (aprox. 440 a.C.) se atribuye la idea de que la Tierra, la Luna, el Sol y los planetas orbitan alrededor de un central “hogar del universo”. Hicetas, un contemporáneo de Filolao, creía en la rotación axial de la Tierra. Los historiadores antiguos atribuyen a Heráclides Póntico (aproximadamente 340 a.C.) la rotación de la Tierra alrededor del Sol, pero se dice que Aristarco es el primero en desarrollar una teoría heliocéntrica completa: La Tierra orbita al Sol mientras gira al mismo tiempo alrededor de su eje.

Es interesante que la teoría heliocéntrica no tuvo éxito. La idea no llamó mucho la atención, y las especulaciones filosóficas de la época jónica ya estaban menguando, para ser reemplazadas por las hazañas cada vez más matemáticas de Apolonio de Perga, Hiparco de Rodas y Ptolomeo. Debido a las tendencias de los círculos intelectuales y religiosos, el geocentrismo se hizo cada vez más popular. No fue hasta que Nicolás Copérnico, que vivió 18 siglos después, resucitó la hipótesis de Aristarco que la opinión se alejó de considerar a la Tierra como el centro del universo.

Viviendo después de Euclides de Alejandría y antes de Arquímedes, Aristarco fue capaz de producir rigurosos argumentos y construcciones geométricas, una característica distintiva de los mejores matemáticos. El intento de hacer varias mediciones del sistema solar sin un telescopio parece increíble, pero implicaba la simple geometría de los triángulos. Con el Sol (S), la Tierra (E) y la Luna (M) como los tres vértices de un triángulo, el ángulo EMS será un ángulo recto cuando la Luna esté exactamente a la mitad de la sombra. Mediante una observación cuidadosa, es posible medir el ángulo MES, y por tanto el tercer ángulo ESM puede deducirse. Una vez conocidos estos ángulos, se puede determinar la relación entre la longitud de los catetos, es decir, la distancia a la Luna y la distancia al Sol. Por supuesto, este procedimiento está plagado de dificultades, y cualquier pequeño error en la estimación de los ángulos eliminará todo el cálculo. Aristarco estimó que el ángulo MES era de aproximadamente 87 grados, cuando en realidad es de 89 grados y 50 minutos. De esto, deduce que la distancia al Sol es aproximadamente 20 veces mayor que la distancia a la Luna, cuando en realidad es 400 veces mayor. Su teoría era sólida, pero Aristarco estaba inhibido por su crudo equipo.

Esto se discute en Sobre los tamaños y distancias, donde él afirma varias suposiciones y de estas demuestra la estimación anterior sobre la distancia al Sol y también indica que el diámetro del Sol y la Luna están relacionados de la misma manera (el Sol es aproximadamente 20 veces tan ancho como la Luna). También calcula que la relación entre el diámetro del Sol y el diámetro de la Tierra es entre 19:3 y 43:6, una subestimación.

Cabe señalar que la trigonometría todavía no se había desarrollado, y sin embargo Aristarco desarrolló métodos que estimaban esencialmente los senos de ángulos pequeños. Sin medios precisos de cálculo, Aristarco fue incapaz de obtener resultados precisos, aunque su método fue brillante. Debido a que el heliocentrismo no fue aceptado en ese momento, Aristarco no consiguió mucha fama en su propia vida. Sin embargo, fue uno de los primeros matemáticos en obtener mediciones astronómicas de alta precisión.

 

---

Fuente bibliográfica:

• McElroy, Tucker (2005) A to Z of Mathematicians. Facts On File, Inc.

Arquímedes de Siracusa

De los matemáticos de la antigüedad griega, Arquímedes debe ser considerado el más grande. Sus contribuciones a la geometría y a la mecánica, así como a la hidrostática, lo colocan en un pedestal más alto que sus contemporáneos. Y como sus obras fueron gradualmente traducidas e introducidas en Occidente, ejerció una influencia tan grande allí como su pensamiento ya lo había hecho en Bizancio y Arabia. En su método de agotamiento puede verse un predecesor clásico del cálculo integral, que sería desarrollado formalmente por Blaise Pascal, Gottfried Leibniz, Sir Isaac Newton y otros en el siglo XVII. Sólo su historia de vida ha inspirado a muchos matemáticos.

Como con muchas personas antiguas, los detalles exactos de la vida de Arquímedes son difíciles de determinar, ya que hay varios relatos de calidad variable. Su padre era el astrónomo Fidias, y es posible que Arquímedes fuera pariente del tirano de Siracusa, el rey Hierón II. Ciertamente él era íntimo del rey, pues su trabajo El Contador de Arena fue dedicado a Gelón, hijo de Hierón. Nacido en Siracusa, Arquímedes partió a Alejandría para seguir una educación matemática; allí estudió con Euclides de Alejandría y asistió al desarrollo de la matemática euclidiana. Pero fue en Siracusa, a donde pronto volvió, donde hizo la mayor parte de sus descubrimientos.

Aunque famoso por sus contribuciones a la matemática, Arquímedes también diseñó numerosas invenciones mecánicas. El caracol de agua, inventado en Egipto para ayudar al riego, era un artefacto tipo tornillo usado para levantar agua. Más impresionantes son las historias relacionadas con su construcción y aplicación de la polea compuesta: Hierón había solicitado a Arquímedes que demostrara cómo una pequeña fuerza podía mover un gran peso. El matemático ató una cuerda a un gran buque mercante que estaba cargado de carga y pasajeros, y pasó la cuerda por un sistema de poleas. De esta manera, sentado a cierta distancia del buque, Arquímedes pudo arrastrar sin esfuerzo el barco a la orilla del puerto.

Arquímedes también descubrió la utilidad de la palanca, al observar que cuanto más larga es la distancia desde el fulcro, más peso podía mover la palanca. Extendiendo lógicamente este principio, afirmó que era factible mover el mundo dada una palanca suficientemente larga. Otra historia popular relata que Hierón le dio a Arquímedes la tarea de averiguar si una cierta corona estaba hecha de oro puro, o si se había adulterado fraudulentamente con plata. Cuando Arquímedes reflexionó sobre este rompecabezas se encontraba en pleno baño y notó que la cantidad de agua desplazada era igual a la cantidad de su cuerpo que estaba sumergida. Esto inmediatamente le disparó un método para resolver el problema de Hierón, y saltó de la bañera con alegría, corriendo desnudo hacia su casa, gritando “Eureka”. 

Su habilidad en objetos mecánicos fue inigualable, y Hierón aprovechó a menudo esto para mejorar las defensas de la ciudad, insistiendo en que el intelecto de Arquímedes debía ser puesto al servicio de alguna aplicación práctica. Cuando Marcelo y los romanos llegaron a atacar Siracusa, encontraron la ciudad inexpugnable debido a la multiplicidad de catapultas, brazos mecánicos, espejos ardientes y varios dispositivos balísticos que Arquímedes había construido. Arquímedes escribió un libro titulado On Spheremaking en el que describe cómo construir un modelo planetario diseñado para simular el movimiento del Sol, la Luna y los planetas. Parece que Arquímedes estaba familiarizado con el heliocentrismo de Arquitas, y lo utilizó en su planetario.

Según Plutarco, Arquímedes se dedicó a la teoría pura y desdeñaba las aplicaciones prácticas de la matemática a la ingeniería; sólo aquellos sujetos libres de cualquier utilidad para la sociedad eran considerados dignos de perseguir de todo corazón. Las obras matemáticas de Arquímedes consisten principalmente en estudios de área y volumen, y el análisis geométrico de la estática y la hidrostática. Al calcular el área o el volumen de varias figuras planas y sólidas, utiliza el llamado Lema de Arquímedes y el “método de agotamiento”. Este lema afirma que la diferencia de dos magnitudes desiguales puede ser formada en una proporción con cualquier magnitud semejante; así, la diferencia de dos líneas será siempre una línea y no un punto. El método de agotamiento consiste en sustraer indefinidamente una cantidad mayor que la mitad de una magnitud dada, y apunta a la idea de la eterna divisibilidad del continuo (que siempre se puede quitar la mitad de un número y todavía queda algo). Estas ideas se limitan a las nociones de lo infinitesimal -lo infinitamente pequeño- y a la idea de límite, que son ingredientes clave del cálculo integral; sin embargo, los griegos eran adversos a la noción de infinito e infinitesimales, y Arquímedes se apartaba de hacer cualquier cosa que él sentía sería considerado como absurdo.

El método de agotamiento, que se usó raramente en los Elementos de Euclides, se ilustrará a través del siguiente ejemplo: En Sobre la medida de un círculo, Arquímedes asume, en aras de la contradicción, que el área de un triángulo rectángulo con base igual a la circunferencia y altura igual al radio del círculo es realmente mayor que el área del círculo. Entonces él puede, usando el lema de Arquímedes, inscribir un polígono en el círculo, con la misma área que el triángulo; esta contradicción muestra que el área del triángulo no puede ser mayor que el círculo, y hace un argumento similar de que no puede ser menor.

El concepto básico del método de aproximación, que es similar al método de agotamiento, consiste en inscribir figuras regulares dentro de una figura plana y sólida tal que el área o el volumen restante se reduce constantemente; el área o el volumen de las figuras regulares se pueden calcular fácilmente, y ésta será una aproximación cada vez más exacta. El área o volumen restante está “agotado”. Por supuesto, la manera moderna de obtener una determinación exacta de la medida es a través del límite; Arquímedes evitó esta cuestión al demostrar que el área o el volumen restante podría hacerse tan pequeño como se deseara inscribiendo figuras más regulares. Por supuesto, uno podría realizar el mismo procedimiento circunscribiendo figuras regulares.

También aplicó estos métodos a los sólidos, calculando la superficie y el volumen de la esfera, y el volumen de conos y pirámides. Los métodos de Arquímedes eran a veces puramente geométricos, pero a veces usaban principios de estática, como un “método de equilibrio”. Su conocimiento de la ley de la palanca y el centro de gravedad del triángulo, junto con sus métodos de aproximación y agotamiento le permitieron mejorar demostraciones de teoremas conocidos, así como establecer resultados completamente nuevos.

Arquímedes también hizo algunas contribuciones en el ámbito del  cálculo numérico, produciendo algunas aproximaciones muy precisas para el número pi y para la raíz cuadrada de tres. En El contador de Arena crea una notación para números muy grandes y estima el número de granos de arena para llenar el universo. En Sobre el equilibrio de los planos prueba la ley de la palanca a partir de principios geométricos, y en Sobre los cuerpos flotantes  explica el concepto de presión hidrostática. El llamado Principio de Arquímedes establece que sólidos colocados en un fluido serán más ligeros en el fluido en una cantidad igual al peso del fluido desplazado.

Su influencia en la matemática posterior fue extensa, aunque Arquímedes pudo no haber gozado de mucha fama en su propia vida. Griegos posteriores, entre ellos Pappus de Alejandría y Teón de Alejandría, escribieron comentarios sobre sus escritos, y más tarde los autores bizantinos estudiaron su obra. Desde Bizancio sus textos llegaron a Occidente antes del comienzo del Renacimiento; mientras tanto, los matemáticos árabes conocían a Arquímedes y explotaron sus métodos en sus propias investigaciones sobre  secciones cónicas. En el siglo XII aparecieron traducciones del árabe al latín, de las que Leonardo de Pisa (Fibonacci) hizo uso en el siglo XIII. En los años 1400, el conocimiento de Arquímedes se había expandido por partes de Europa, y su matemática influyó más tarde en Simon Stevin, Johannes Kepler, Galileo Galilei y Bonaventura Cavalieri.

Tal vez la historia más conocida acerca de Arquímedes es la que relata su muerte, que se produjo en el año 212 a.C. durante el asedio de Siracusa por los romanos. Al parecer, no estaba preocupado por la situación cívica, y estaba ocupado haciendo diagramas en la arena de su casa (en ese momento tenía al menos 75 años de edad). Aunque el general romano Marcelo había dado órdenes estrictas para que el famoso matemático siciliano no fuera perjudicado, un soldado romano irrumpió en la casa de Arquímedes y arruinó su diagrama. Cuando el anciano matemático expresó verbalmente su disgusto, el soldado lo mató rápidamente.

Arquímedes fue un destacado matemático y científico. De hecho, es considerado por muchos como uno de los tres mejores matemáticos de todos los tiempos, junto con Carl Friedrich Gauss y Newton. Una vez descubierto por los europeos medievales, sus obras propulsaron el descubrimiento del cálculo. Es interesante que este profundo intelecto fuera remoto en tiempo y espacio al de los grandes matemáticos griegos clásicos; Arquímedes trabajó en la isla de Siracusa, lejos de Atenas, fuente de mucho pensamiento griego, y trabajó siglos después del declive de la cultura griega.

 

Para ampliar…

 

Y… para los más chicos…

 

---

Fuente bibliográfica:

• McElroy, Tucker (2005) A to Z of Mathematicians. Facts On File, Inc.