Integrales (aparentemente) mal hechas…

Una de las cosas que más se olvida es que si bien la derivada de una función es única (salvo formas de expresarla, como la de la tangente por ejemplo), una integral es una operación que tiene por resultado muchas, muchas, muuuchas soluciones. Tantas como valores podamos dar a una constante, de hecho. Una integral tiene infinitas soluciones.

Una visión intuitiva del asunto es que la integral es la operación contraria a la derivación  y que la derivada de una constante es cero. Por eso escribimos siempre la (olvidada) contante de integración al acabar de operar:

integralesA

Y la solución es F(x)+1, F(x)+3/4, F(x) + 1.000.000…. lo que queráis.

Esto conlleva que la integral de una función sea un abanico de funciones parecidas, pero no iguales. Funciones que se diferencian en el valor que pueda tomar la dichosa constante de integración (La C). Por ejemplo.

integralesB

Comprobamos que efectivamente si hacemos el proceso inverso, esto es, si derivamos, el valor de la C es irrelevante. Puede valer 15 o Pi o un millón de trillones. Al derivar se anula, y el resultado vuelve a ser la función que antes integramos:

integralesC

Esto es una perogrullada que no obstante a veces la gente olvida. A un compañero en carrera se le olvidó la constante de integración al final del ejercicio y a pesar de que el resto estaba bien desarrollado le pusieron un cero. La excusa del original” profesor era que le había dado una solución de las infinitas que había (pues infinitos valores toma la dichosa C que olvidó) y en correspondencia le ponía la parte proporcional de la nota.

Sin embargo, este tema está más que trillado ¿A qué viene esto? Bueno, pues a que tiene más importancia de la que parece. En funciones polinómicas, la  C es lo que diferencia una solución de la integral de otra, pero mantienen todas ellas la misma “forma”, el mismo “cuerpo”. Sin embargo, esto no siempre es así cuando nos alejamos un poco de ellos, y nos metemos con las integrales de funciones trigonométricas, por ejemplo. Y ahí es donde quiero ir a parar.

Consideremos este ejemplo:

integralesD

Esta integral se puede resolver de varias formas. Podemos aplicar un sencillo cambio de variables (seno y coseno son función y derivada respectivamente) o se puede resolver considerando que es casi la expresión del seno del ángulo doble:

Es decir:

Primera forma:

integralesE

Segunda forma:

integralesF

Y aquí es donde les empiezan a veces los problemas. Saber si está bien una solución, la otra o las dos, regado con el hecho de que a la gente se la taladra en clase con que NO se olvide la constante de integración. Y normalmente nadie lo hace… hasta que se acaba la integral y hay que usar la expresión resultante para algo.

Pero volvamos a la comprobación de si ambas expresiones son solución de la integral. Normalmente, un razonamiento que se tiene es caer en la idea de que si ambas soluciones lo son, entonces su resta ha de ser cero, ya que…. ¡son la misma cosa!

Pero entonces ocurre el chasco, ya que este razonamiento es erróneo. Enseguida destapamos la liebre, pero primero veamos qué pasa si seguimos adelante con él. Por tanto, restemos ambas soluciones, a ver qué pasa :

integralesG

La conclusión (errónea, insisto) que se extrae de ésto es que como ambas soluciones restadas NO dan cero, sino 1/4, es que hemos metido la pata en alguna de las soluciones y que una está mal. Comienza entonces una búsqueda del fallo…. En vano.

¿Dónde está el truco? Pues que las dos soluciones son perfectamente válidas PERO sus constantes de integración NO tienen por qué tomar el mismo valor en ambas a la vez. Por tanto, no se pueden simplificar alegremente una con la otra. Para empezar, no debería haberla llamado C en ambas expresiones, pero esa es una de las manías que más abundan en estos campos, que llevan a errores de este tipo.

De hecho, si las llamamos C y K, por ejemplo, y considerando que no es necesario que C=K, se llega a que:

integralesH

Es decir, ambas soluciones coinciden si observamos que la constante de una de ellas será un cuarto más que la constante de la otra. Pero ambas son soluciones de la misma integral.

Podemos verlo gráficamente:

integrales1

Cuando ambas constantes son iguales, cero en este caso, las soluciones se diferencian en una cantidad que es constante. ¿Adivináis cuánto es esa diferencia? Exacto, en este caso es 1/4.

Si corregimos este hecho queda que…

integrales2

Las dos gráficas coinciden cuando la constante de una y otra se llevan 1/4 entre sí. (La roja tiene de C=0 y la azul superpuesta C=1/4)

La roja no se ve, tapada por la azul.

Esto mismo ocurre con los polinomios y con cualquier integral, lo que pasa es que con las funciones trigonométricas es muy común que aparezcan soluciones aparentemente diferentes en forma pero que en el fondo sean la misma. La culpa la tienen la cantidad de formas que hay de resolverlas usando la trigonometría. Así que no os asustéis cuándo resolváis integrales de este tipo y vuestras soluciones no coincidan de forma clavada con las de vuestros compañeros…. ¡puede que hayáis seguido caminos alternativos!

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21%…. ¡y unas narices!

Estos días han estado promocionándose (por lo menos en Valladolid) campañas tipo “Día Sin IVA”. Últimamente se juega mucho con este concepto en publicidad. Recordemos, por ejemplo, la campaña de “Yo No Soy Tonto” de cierta compañía dedicada a vender productos electrónicos, que es muy, muy asidua a este tipo de campañas de cuando en cuando. Esta vez ha sido El Corte Inglés, pero vamos, que tanto da unos que otros.

¿Por qué? Pues porque hay truco. Oh, sí. Si no, no sería verdadera publicidad. Y si hay algo cierto en este mundo es que nadie da duros a pesetas.

¿De qué estoy hablando? Pues en seguida lo podréis ver bien claro. Seguidme la corriente.

Pensemos esta sencilla cadena de razonamientos: El IVA en España es, considerando el tipo general (el frecuente en productos que no sean de primera necesidad), del 21%. En consecuencia un producto se ve encarecido en ese porcentaje al aplicarle dicho impuesto. Por tanto, si deseamos abaratar ese producto eliminando ese sobrecoste, basta rebajarlo un 21% de su precio final.

….

….

….

Si os habéis llevado las manos a la cabeza leyendo esto, enhorabuena. No sufrís de anumerismo. Si por el contrario os ha parecido de lo más razonable, deberíais prestar un pelín de atención a lo que viene a continuación. En serio. Que no te tomen por tonto, como dicen en la cadena esa de electrónica.

Cuando se aplica el IVA, se aplica a un precio pre-IVA. Es decir, el 21% es el 21% de ese precio ANTERIOR al añadido del impuesto. Esto que parece (es) una perogrullada, es el truco en el que se intenta hacer caer al consumidor. Porque, de la misma forma, el ahorro del 21% debería ser el 21% del precio CON IVA. Es decir, un 21% de una cantidad SUPERIOR.

Es decir, en consecuencia, si subes un producto un 21% y luego lo rebajas un 21%…te queda más barato de lo que estaba inicialmente, porque el segundo 21% es más grande que el primero, en valor nominal.

¿No está claro? Suena raro, pero es fácil (y una de las cosas con las que más me río con los de 1º y 2º de la ESO). Quizás con un esquema:

MARKT0

¿Aún no está claro? Veámoslo en profundidad. Al incrementar el precio se le añade el 21%, pero el 21% del precio inicial (el círculo azul). Sin embargo, al rebajarlo, se aplica un 21% de lo que se tiene en el momento de aplicar dicha rebaja, que es el circulo verde. Evidentemente, el 21% de una cosa es mayor que el 21% de una cosa más pequeña (el 21% de un elefante es mucho más que el 21% de una hormiga) ya que un porcentaje es como su nombre indica, el número de trozos que cogemos de algo cuando hemos dividido ese algo en 100 pedazos.

Por tanto lo hemos incrementado el 21% de lo azul (pequeño) y lo hemos rebajado el 21% de lo verde (algo más grande). En consecuencia, el círculo final (el rojo) es diferente al inicial (azul). Vamos, que no coinciden. Es una prueba de que un porcentaje NO se compensa (o se anula) con otro idéntico.

Bueno, y ¿Esto qué tiene que ver con los anuncios del día sin IVA? Pues muy simple. Las empresas no son idiotas (ni tontas) así que saben perfectamente lo que estamos aquí contando. Por eso, en las promociones en las que descuentan el IVA realmente NO te descuentan un 21% del producto, que sería el IVA y algo más, sino un porcentaje menor que corresponde con el 21% de Impuesto al Valor Añadido. Es decir, descuentan al círculo verde un porcentaje que haga que el rojo sea igual que el azul. Y ese porcentaje es más pequeño del 21%, estando en torno al 17,4%.

¿De donde sale ese 17.4%? Muy simple: Al aplicar el IVA a un producto que cuesta X euros, pasa a costar 1.21X euros. Luego para que vuelva a ser otra vez X habrá que multiplicar a 1.21X por la inversa de 1.21, que es 1/1.21 ( y así cancelar ambos números y que sobreviva la X). Pero 1/1.21 es 0.8264, que corresponde a un porcentaje de 82.64%. Es decir, hay que pagar sólo el 82.64% del producto para compensar esa subida del 21% anterior. Y he aquí por último que si he de pagar el 82.64%….¡¡ es que me rebajan un 100%-82.64% = 17.36%!!

Lo curioso es que realmente las compañías no mienten en los anuncios. Sencillamente dejan que el cliente establezca una relación errónea entre descuento ofertado y 21%. Pero en ningún momento dicen “ahorro del 21% del PVP” (Precio de Venta al Público). Al loro con estas imágenes:

markt1

Que dice realmente que te van a rebajar el 21%…. correspondiente al IVA. No aclaran en el mismo tamaño de letra el 21% de qué. Si del precio inicial antes del impuesto o al PVP. Muy astutos.

Porque son astutos, no tontos. Si nos fijamos en la letra pequeña del anuncio pone “claramente”:

markt2

Literalmente:

“Descuento equivalente al importe del IVA aplicable a cada producto. Todos los productos incluyen IVA (…). Ejemplo para un producto de 500 € el IVA aplicable a cada producto será de 86.78 €”

Fijaos que el 21% de 500 € NO es 86.78 €, sino 105 €. La cantidad a descontar es el 17.356% de 500 €.

El precio que tenía el producto antes de impuestos era de 500 – 86.78 = 413.22 €, cuyo 21% es, ahora sí, los 86.78 € (redondeando al céntimo de euro).

Asi que lo dicho. Que no os tomen por tontos. No mienten, pero dejan que nos creamos una mentirijilla. Dejan que relacionemos IVA = 21% con SIN IVA = -21%. Cosa que acabamos de ver, no es cierta.

Probabilidades en la circunferencia.

Vamos allá con este problema que se me ocurrió este fin de semana, motivado por una conversación de coche, de esas que te picas, te picas… y tienes que resolverlo, claro está.

El enunciado es éste:

Colocamos tres puntos al azar sobre una circunferencia de radio R. ¿Qué probabilidad hay de que formen un triángulo acutángulo?

NOTA: es el mismo problema que suponer “dados dos puntos sobre una circunferencia, ¿qué probabilidad hay de que al colocar un tercero se forme un triángulo acutángulo?

SOLUCIÓN: HAY DOS FORMAS, QUE EN EL FONDO SON LA MISMA, LA COMPLEJA Y LA SIMPLIFICADA.

SOLUCIÓN COMPLEJA:

Partimos de la construcción siguiente: dada la circunferencia colocamos al azar los dos primeros puntos, vértices del triángulo.

circulo1

Vamos a ir al caso límite para colocar el vértice que queda, A. Para ello, hay que procurar que se forme un ángulo menor que 90º en B o C dados, al unirse con A. Entonces construimos el andamiaje necesario para “acotar” esta posibilidad, levantando perpendiculares por C y B:

circulo2

La zona válida es el arco que va desde G hasta E. Es decir, la zona marcada en rojo. Esa será la solución. Cualquier punto A en esa zona genera ángulos en C y B que serán menores que 90º.

Se puede comprobar por ejemplo en esta imagen (el gif hecho por Geogebra es una animalada de 8 Mb).

circulo3

Alguien puede pensar  “Bueno, sí, ahí el ángulo de B y C es menor que 90º, pero. ¿Qué pasa con el otro vértice?

La respuesta es que NO pasa nada. Es un ángulo inscrito. Y ese ángulo inscrito valdrá la mitad que el ángulo central que abarca el arco desde B hasta C. Como ese central es claramente menor de 180º, el inscrito será también menor que 90º.

Precisamente por eso la solución NO incluye el arco “corto” entre C y B. Porque ahí el ángulo inscrito SÍ que es mayor que 90º y el triángulo formado sería obtusángulo.

Queda hacer cuentas. Qué probabilidad representa esa zona roja. Llamemos “d” a la distancia entre los dos vértices que hemos colocado primero. Coloquemos algunos ángulos y echemos cuentas

circulo4

Como se puede apreciar beta=180-2(alfa) lo que conlleva que la zona de aceptación (la zona favorable) sea de esos ángulos precisamente. Como hay en total 360º donde colocar el vértice A del triángulo, entonces la probabilidad es:

circulo5

Con el ángulo alfa siempre entre (0 y 90º). Hay un caso especial, que ésta fórmula por tanto no contempla, que es cuándo alfa es cero. Ello conlleva que C y B serán diametralmente opuestos y por tanto el ángulo que forme A con ellos será de 90º por ser el central un ángulo llano. En ese caso, la probabilidad de que formen un triángulo acutángulo es de cero.

Buscamos poner esta expresión en función de “d”, distancia entre dos vértices Cy B y “r”, el radio. Tirando de trigonometría básica es sencillo llegar a que:

circulo6

Dando la expresión en radianes.

CONSTRUCCIÓN SENCILLA/SIMPLIFICADA.

Basta con considerar la figura que se forma al colocar dos puntos C y B al azar y trazar sus diámetros. Después sólo hay que pensar a la hora de analizar dónde debe caer el tercer vértice A. Analicemos la figura:

circulo7

Pensemos que el ángulo inscrito de centro en C que abarque de B a F será de 90º porque el ángulo central que abarca es de 180º.Entonces, si coloco el vértice A entre F y B tendré un ángulo más abierto que ese, luego será de más de 90º (colocad un punto cualquiera debajo de C veréis cómo el ángulo de centro C que una B con A será más de 90º). Luego esa zona no vale.

Alternativamente, tampoco vale la zona de C a D por análogo razonamiento, pero esta vez considerando cómo sería el ángulo centrado en B. Dicho ángulo es de 90º si abarca desde D hasta C, y será mayor si va a un punto colocado entre C y D.

Por tanto en las zonas siguientes marcadas en rojo NO se formará un triángulo acutángulo y por tanto en la zona verde es donde SÍ que se formará dicho triángulo:

circulo8

A partir de ahí el razonamiento de cálculo es el mismo. El ángulo central del sector verde vale beta=180-2(alfa) y se llega a la misma solución que con el método anterior (en el fondo es el mismo, razonando más y dibujando menos).

¿El Último Teorema de Fermat solucionado por Homer Simpson?

Buenas y casi, casi, feliz año nuevo.

Resulta que estas navidades me han regalado un librito que condensa mi amor a las matemáticas con mi amor al frikismo en estado puro. En concreto, a un frikismo muy particular. Me refiero a Los Simpson, esa gran enciclopedia social del siglo XX (y XXI).

En concreto me ha regalado una joya titulada “Los Simpson y las Matemáticas” de Simon Singh. Apenas he comenzado un par de capítulos y ya puedo decir que mi anterior entrada relacionada con el Frinkaedro era sencillamente rascar en la capa de enjundia que tiene la temática en sí. Esta entrada es un homenaje al libro y una gamberrada con todas las de la ley. Asi que antes de nada, por favor, si no conocéis el teorema más famoso de Fermat, pinchad aquí antes de seguir. Gracias.

¿Qué tiene que ver Homer con dicho teorema? Pues que es una de las múltiples referencias matemáticas que plagan la serie, y encima en capítulos míticos, aquellos que tipejos como yo nos sabemos prácticamente de memoria, y no esos nuevos tan raros que han abandonado el espíritu original de la serie y perdido parte de su mordiente. Pero me estoy desviando, sin duda. Centremos el tema y el capítulo.

Según “Los Simpson y las Matemáticas”, en el capítulo en el que Homer intenta emular a Edison, en la pizarra que Homer escribe al intentar inventar algo, escribe esto:

homer y fermat

Centrémonos en esta expresión:

fermat 1

Muchos diréis: ¿y qué? Pues una igualdad como cualquier otra. Vale. Coged una calculadora. Haced la prueba. A ver qué os da.

A mí me da en mi vieja Casio: 6.397665635 exp 43 al hacer la suma de potencias y lo mismo al introducir el término de la derecha. O sea que coinciden. O si lo preferís haced la raíz doceava de la suma de la izquierda. Os dará irremisiblemente el 4472.

Posiblemente estéis pensando: “Pues vaya rollo las mates. Hemos hecho una cuenta”. Y de un número monstruoso, por cierto.

Y tendríais razón….. si no fuera porque….

…..Si no fuera porque Fermat enunció en el siglo XVII que no existen valores enteros para x,y,z que verifiquen para un n entero mayor que 2 la expresión:

fermat 2

Dicho a lo bruto, para que nos entendamos. ¿Recordáis el Teorema de Pitágoras? Bueno, pues si cambiamos el exponente de 2 de ese teorema a cualquier otro número natural mayor, no hay solución posible con enteros. Lo asombroso es que esto que parece tan trivial y tontorrón tardó más de 3 siglos en demostrarse. Concretamente lo demostró Andrew Wiles en 1995.

Pero volvamos a la pizarra de Homer… Hay algo que no cuadra entonces. ¿Han encontrado los guionistas de Los Simpson un contraejemplo que determina que Fermat se equivocaba? ¿Es el Teorema una patraña? ¿Está Homer en lo cierto?Parece que sí, pero…. En el fondo es que la calculadora nos engaña.

La expresión que Homer ha escrito no es verdad. Ambos términos no son iguales. Son sólo parecidos. Tan parecidos, que la calculadora no puede mostrar en su pequeña pantalla la diferencia entre ambos números y nos parecen iguales. El resultado que nos ha mostrado es 6.397665635 exp 43, que significa 6397665635 y 34 ceros detrás. Un número MUY grande. El otro término aparentemente sale igual, pero lo que ocurre es que en alguna cifra de las 34 que no caben en la pantalla ambos resultados difieren. Es como si tu calculadora trabajara mostrándote sólo a partir de la cifra de los millones. Entonces en esa calculadora la operación tres millones más noventa mil te daría lo mismo que tres millones más novecientos noventa y nueve mil novecientos noventa y nueve.

Lo correcto sería que Homer hubiera escrito:

fermat 3

 Ya que sí, efectivamente, ambos términos son tremendamente parecidos. De hecho si lo hacemos con un ordenador y tomamos un número considerable de cifras significativas, se descubre el pastel: concretamente podéis comprobar que:

fermat 4

O sea, parecido…pero no igual. No exacto.  El honor de Fermat sigue intacto.

Es fácil aproximar soluciones al Teorema de Fermat con ayuda de un ordenador y paciencia. Yo por mi parte lo he hecho con un script de Geogebra trabajando con unas 15 cifras decimales y aunque no he apurado tanto (he usado una cota de error de 0.001 o similar en la mayor parte de los casos, para no tardar tanto), he obtenido también una serie de soluciones “casi casi” (que evidentemente NO son soluciones, puesto que NO son exactas). Por ejemplo:

X Y Z aproximada Z exacta N
2845 3478 3503 3502.9999 12
16281 18211 18566 18566.0092 12
4047 5475 5487 5486.9936 12
3134 2975 3248 3248.0058 12
1533 1122 1543 1542.999993 9
2774 4310 4319 4319.0005 9
3124 4403 4492 4492.000039 6
2176 1356 2339 2339.0091 3
1155 703 1236 1235.9990 3

Que si comprobáis con la calculadora comparando ambos términos del Teorema de Fermat son muy muy malas aproximaciones, ya que en la pantalla se llega a apreciar que dan resultados ligeramente diferentes. La solución de Homer no es tal (es imposible que lo sea) pero sí que es una muy muy muy muy buena aproximación. Mucho mejor que cualquiera de estas mías. De hecho, yo he obtenido las mías en pocos minutos de simulación, pero cuando he querido bajar la cota de error por debajo de las diezmilésimas, no ha habido forma en media hora de que el PC encontrara alguna en el rango entre 3 y 10000 para las bases y fijando el 6 (por ejemplo) como exponente. Imagino que el ordenador redondea y pierdo la posibilidad de apurar tanto como los guionistas de Los Simpson. Por tanto me he conformado con algunas peores que las de Homer. (También he evitado hacer trampa, descartando soluciones como 9990 elevado a la doce más 2 elevado a la doce, que evidentemente es una cuasi solución ya que ambos números son muy dispares entre sí. He buscado soluciones parecidas a las de la pizarra del capítulo.)

Evidentemente la gracia de los guionistas estaba en sacar una expresión que pudiera traer de cabeza a aquellos que la comprobaran con la calculadora sin tener en cuenta el grado de precisión de la misma. Que no es poco.

El resto de la pizarra tiene curiosidades referentes a la densidad del universo y la necesidad de que en base a ésta el Universo explosione o implosione (lo que lleva a sendas explosiones en el hogar de los Simpson y a que Homer cambie el > por un <, pero eso ya es otra historia. Otra historia que por cierto viene en el magnífico libro del que os hablaba al principio del post y que sinceramente, os recomiendo.