Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Probabilidade, Estatística, e Ciência Experimental
J. SEBASTIÃO E SILVA
Probabilidade, Estatística, e Ciência Experimental
Curso Complementar do Ensino Secundário
Edi<;;'io G EP l.lSBOA
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Probabilidade, Estatística, e Ciência Experimental
1. SEBASTIÃO E SILVA
GUIA PARA A UTILIZAÇÃO
DO
COMPÊNDIO DE
MATEMATICA (2. 0 83. 0 VOLUMES)
CURSO COMPLEMENTAR DO ENSINO SECUNDARIO
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GABINETE DE ESTUDOS E PLANEAMENTO DO MINIST~RIO DA EDUCAÇÃO E INVESTIGAÇÃO CIENTíFICA Av. Milucl Bombarda, 20-Lisboa
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ADVERTeNCIA PRtVIA
o Compêndio de Matemática é destinado a servir, não s6 como auxiliar de estudo para o aluno, mas ainda como complemento de formação para o professor. Da/ o desenvolvimento e o pormenor com que foi escrito. Cabe, pois, ao critério e ao bom senso do professor dosear a densidade do ensino com base no Compêndio. Este, por outro lado, não contém todos os assuntos a desenvolver nas turmas experimentais do 7.° ano. Em alguns casos será necessário recorrer aos livros adoptados, tal como se indica no presente Guia e no pr6prio Compêndio.
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o
texto deste Guia foi utilizado no 5mbito de uma experiência de modernização do ensino da matemática em Portugal, dirigida pelo Prof. Sebastião e Silva e realizada pelo Ministério da Educação Nacional em colaboração com a O.C.D.E. (Projecto Especial STP-4/SP) . Nesta experiência estiveram envolvidos alu- · nos dos antigos 6. 0 e 7. 0 anos do ensino liceal (idades entre 15 e 17 anos). Nos termos do acordo estabelecido entre a O.C.DE e Portugal t§ proibida a reprodução total ou parcial deste texto por terceiros.
s
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CONSIDERAÇOES DE ORDEM GERAL
Convém chamar 8 atenção para alguns pontos que já foram focados no Guia anterior, mas que importa salientar sob novos aspectos. No que se refere à questão crucial dos exercícios, nunca é de mais insistir nas seguintes recomendações:
1)
t
preciso combater o excesso de exerclcios que, como um
cancro, acaba por destruir o que pode haver de nobre e vital no ensino. 2)
t
preciso evitar certos exerclcios artificiosos ou compli-
cados. especialmente em assuntos simples. 3)
A melhor maneira de memorizar fórmulas e teoremas (quando
fOf neceS8~fio) é aprender IJ deduzir sem hssitllçlo essas fórmul" e esses teoremas, em vez de resolver listas festidiosss de exerclcios. como prstexto. tantas vezes forçado. para pó, B provI tais conhecimentos. O prOffJSSOf dsve incitar os alunos a serem desembaraçados nas deduçlJBS. tanto como nos cálculos. NAo quer isto dizer, de modo nenhum, que não seja indispen· s'vel resolver bons exerclcios, para esclarecimento de diversos aS8untos e para a aquisição de técnicas úteis e necessárias. () que se
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impõe é não cair no excesso - a obsessão do exerclcio - e adaptar um critério de escolha que elimine exercicios supérfluos e exercícios estapafúrdios, que tenham como equivalente, no ensino das Iinguas vivas, a retroversão de frases deste género: 'As sobrinhas dos capitães brincavam no jardim com as netas dos juizes'. Nem sequer o ridiculo tem conseguido vencer estas e outras incongruências, que certamente não contribuem para estimular o bom senso e o bom gosto do aluno. ~ mais proveitoso reflectir várias vezes sobre um mesmo exer-
cicio que tenha interesse, do que resolver vários exercicios diferentes, que não tenham interesse nenhum. No entanto, é essencial que o aluno consiga, ele próprio, sem
ajuda, resolver exercicios pela primeira vez. Todo o problema nov~, com interesse, tem uma ideia-chave, um abre-te Sésamo que ilumina o espirito· de súbita alegria: a clássica ideia luminosa que faz gritar 'Eureka 1'. Ora, é esse momento áureo de alegria que o aluno precisa de conhecer alguma vez: só por essa porta se entra no segredo da matemática, se descobrem os seus tesouros, se aprendem as suas recOnditas harmonias. Vistos por esse mágico prisma, todos os assuntos, desde os mais modestos, se transformam como por encanto, ganhando vida e beleza. Diga-se a verdade: é de vida, é de alma, que o ensino está necessitado - porque tudo nele se reduz afinal
a ... matéria que vem para exame. Ensino vital de ideias, eis o que se impõe - em vez de exposição mecânica de matérias. Entre os exercicios que podem ter mais interesse, figuram aqueles que se aplicam a situações reais, concretas. O nosso ensino tradicional não enferma unicamente de fraca (e quantas vezes nula) insistência em demonstrações, e de insuficiente rigor lógico: peca
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também por ausência de contacto com o húmus da intuição e com a realidadde concreta. Ora, um dos pontos assentes em reuniões internacionais de professores, promovidas pela O.C.D.E.,ê que o professor de matemática deve ser, primeiro que tudo, um professor de matematização, isto é, deve habituar o aluno a reduzir situações concretas
a modelos matemáticos e, vice-versa, aplicar os esquemas lógicos da matemática a problemas concretos. É preciso não esquecer Que o extremo rigor lógico, em vez de
formativo, pode tornar-se perigosamente deforma dor, . criando inibições por vezes insuperáveis - se não for precedido de uma boa motivação intuitivo-concreta e equilibrado com o referido processo de matematização. A crítica dos fundamentos da matemática, inciada no século passado, conduziu a esse grau de rigor lógico, cuja necessidade se impunha; mas criou ao mesmo tempo um estado de espírito favorável a atitudes rígidas, demasiado platónicas. Seguiu-se uma reacção, por vezes também excessiva, mas em parte salutar, dos chamados 'matemáticos empiristas'. Neste sentido, são dignas de reflexão as seguintes palavras de Guido Castelnuovo, proferidas em 1912, num congresso de professores em Gênova :
'Nós ensinamos a desconfiar da aproximação, que é realidade, para adorar o ídolo de uma perfeição, que é ilusória. Nós re presentamos o universo como um edifício, cujas linhas têm perfeição geométrica, e nos parecem desfiguradas e enevoadas, apenas por causa da imprecisão dos nossos sentidos, quando, pelo contrário, deveríamos incitar os alunos a reconhecerem que as formas incertas reveladas pelos sentidos constituem a única realidade acessível - realidade que, para satisfazer certas exigências do nosso espírito, substituímos por uma precisão ideal [ ... ]. Não há melhor maneira de alcançar o objectivo [do ensino científico] do que conjugar a cada passo a teoria com a experiência, a ciência com a aplicaçAo [ ... l'.
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Esta atitude pode parecer anti-racionalista; na verdade, só o é na medida em que se opõe a um platonismo ultrapassado. Mas pode talvez notar-se um excesso de zelo utilitarista nas palavras seguintes, relativas aos deveres do professor para com os alunos:
'São-nos confiados pelos pais, para que façamos deles homens aptos a compreender a vida das nações modernas e a participar nessa vida. Se nós não temos em consideração estas exigências; se, por amor da cultura, sufocamos nos alunos o sentido prático e o espírito de iniciativa, estamos a faltar ao maior dos nossos deveres'. Esta crítica é justa apenas em relação a certo tipo de cultura. Embora seja vago o significado da palavra 'cultura', podemos dizer que a cultura cientlfíca resulta precisamente da síntese dos dois termos complementares: a teoria e a prática. E, mesmo quando à
cultura geral, que inclui os aspectos filosófico, literário, artístico e humano, tem-se verificado que a sua ausênci.a prejudica seriamente a formação de bons técnicos e de bons cientistas( 1). E mais ainda a de bons dirigentes. O que é ·preciso é não confundir cultura com erudição e sobretudo com o enciclopedismo desconexo, imensa manta de retalhos mal cerzidos, que vão desde as guerras púnicas até ao sistema nervoso da mosca. É esse, a bem dizer, o tipo de cultura que tende a produzir o ensino tradicional, baseado num sistema de exames que só permite apreciar memorizações e automatismos superficiais, mais ou menos próximos do psitacismo. Um dos objectlvos fundamentais da educação é, sem dúvida, criar no aluno hábitos e automatismos úteis, como, por exemplo, os
( 1)
Castelnuovo . foi ele mesmo um exemplo do cientista culto, na mais
elevada acepção da palavra.
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automatismos de leitura, de escrita e de cálculo. Mas trata-so ai, manifestamente, de meios, não de fins. ~ certamente útil saber falar com fluência línguas estrangeiras
ou tocar piano - como é útil saber nadar, escrever à máquina, conduzir automóvel ou jogar futebol. Mas também estas prendas (como se dizia antigamente) são apenas meios e não fins - a não ser que se tenha em vista escolher uma dessas actividades como profissão (mesmo assim, será ' um meio de ganhar a vida). E note-se, de passagem, que a melhor maneira de ensinar a ler ou a dominar uma língua estrangeira não é obrigar a ler trechos sem qualquer , interesse ou a fazer exercfcios absurdos. Os referidos automatismos são, pois, meios para atingir certos fins: são precisamente meios de acesso à cultura. A sua finalidade é a de aumentar o poder e a liberdade do verdadeiro pensamento, que não é substituível pela máquina e sem o qual o homem se reduz a perigoso escravo das máquinas, como se tem observado infelizmente. ·Um ensino que não estimule o espírito e que, pelo contrário, o obstrua com as clássicas matérias para exame, só contribui para produzir máquinas em vez de homens. E não é assim que se curam os males de que está sofrendo o mundo .
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•
•
Na ADVERT~NCIA do Compêndio de Matemática, 2.° volume, propõe-se que os assuntos dos dois volumes do 7.° ano sejam tratados em paralelo, no regime de bifurcação, com três horas por semana destinadas a um dos volumes, e três horas por semana ao outro. O objectivo é evitar que os assuntos tratados num dos volumes sejam relegados em bloco para a última parte do ano, em que a receptividade dos alunos é sempre menor, por razões óbvias. Porém, o estudo dos assuntos do Compêndio de Matemática,
3.° volume, terá de ser precedido de uma introdução à trigonometria. 11
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Convém, pois, começar por indicações relativas à maneira de fazer essa introdução, tirando partido do Compêndio de Trigonometria · adoptado. Mas impõem-se, antes disso, algumas considerações de ordem geral relativas a este assunto. O ensino tradicional da trigonometria nos liceus tem uma amplitude e uma orientação que já não se justificam nos tempos actuais. Há assuntos como, por exemplo, a resolução de triângulos obliquângulos, que s6 virão no futuro interessar a uma fraca minoria de alunos. Além disso, tais assuntos têm modesto valor formativo, comparados com outros, cuja ausência se faz sentir cada vez mais. Acresce ainda a circunstância de ser fácil encontrar as f6rmulas usuais de resolução de triângulos (quer planos quer esféricos) em qualquer boa tábua de logaritmos. Para que é preciso então. estudá. . -
-Ias, se há tantos outros assuntos de maior interesse? Basta pois saber utilizá-Ias. Mas isso qualquer aluno dotado de inteligência me- . diana deve estar em condições de aprender por si s6, desde que conseguir, é porque o esteja interessado no assunto . . (1). Se (, não . ensino não chegou a conferir-lhe aquele grau de autonomia mental que se requer de um aluno do 7.° ano: · é porque falhou o ensino. Resta o problema das tábuas. Existem tabelas de f6rmulas (chamadas 'formulários'), como existem tabelas numéricas, listas telef6nicas, catálogos ou enciclopédias. A finalidade é sempre a mesma: evitar um esforço inútil e mesmo incomportável de mem6ria, dando maior grau de liberdade ao pensamento. Sem dúvida, há f6rmulas e tabelas numéricas que o aluno deverá sempre ter presentes, atendendo à frequência com que é preciso utilizá-Ias: por exemplo, as f6rmulas trigonométricas de adição de ângu-
(')
Pode mesmo, se tiver curiosidade, procurar saber como se deduzem , 8 . .81 fórmulas.
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COMP~NDlO
DE MATEMATICA
los e as tabuadas das operações elementares da aritmética. É tudo, afinal, uma questão de medida e de bom senso. Quanto aos dois teoremas em que se baseia habitualmente a dedução das fórmulas de resolução de triângulos obliquângulos - o teorema dos senos e o teorema dos co-senos (ou de Carnot) - tem algum interesse fazer a sua dedução no curso piloto. Aliás, o último teorema deverá ficar ligado à noção de produto interno de dois vectores, que tem adquirido cada vez maior importância em matemática, quer pura quer aplicada.
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IV PROBABILIDADES, ESTATrSTICA,
E CI~NCIA EXPERIMENTAL
1. A introdução ao cálculo das probabilidades terá de ser muito mais breve do que se projectou inicialmente e deverá ser tratada no final do 7. 0 ano. Os assuntos a manter serão aqueles tratados nos seguintes números do último capitulo do Compêndio de Matem~tica,
1.° volume, 2.° tomo: N.o 7 (sem referência ne~essária à lógica de atributos), n.O 9 (exceptuada a definição 2 e tudo o que se lhe segue), n.OS 10, 11, 12 e 13, n.O 19 (excepto o que se refere à distribuição binomial) e n.O 20 (exclufdos os pormenores relativos a seguros de vida, a partir da p. 275). Convém ainda que os alunos leiam a nota da p. 223. No n.O 7 é preciso dar exemplos de operações lógicas sobre acontecimentos. Pode-se recorrer aos exemplos das bolas que se tiram duma urna, dos resultados de um desafio de futebol, etc. Assim, se tivermos numa urna bolas brancas e bolas pretas numeradas de 1 a 20 e se designarmos, respectivamente, por ~ e por ~ os acontecimentos sair bola branca e sair número par, então (l~ é o acontecimento sair bola branca com número par, IX + . ~ éo acontecimento sair bola branca ou número par, ci o acontecimento não sair bola branca (equivalente neste caso a sair bola preta), etc. 91
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No n.O 9 as propriedades das frequências relativas devem ser Introduzidas a partir de exemplos como os anteriores. A propriedade IV pode ser omitida, bastando considerar a propriedade V, caso particular da primeira, e que se pode introduzir facilmente a partir do exemplo inicial dos resultados de um desafio de futebol. A demonstração no caso geral é fácil: Seja n o número total de provas, !J. a frequência absoluta de ot e v a frequência absoluta de acontecimento
ot+~
(ot ou
~)
~.
Como ot e
~
são incompatlveis, o
verifica-se ao todo !J.+v vezes na sequên-
cia de n provas. Portanto a frequência relativa de
fn (ot+~)
=
!J.+v n
= -n!J.
v +n
= fr(ot)
ot+~
será:
+ fr(~)
Devem seguir-se exemplos com bolas.
o conceito emplrico, quantitativo, da probabilidade
(p. 231)
deve ser introduzido experimentalmente, por lançamento de moedas e de punaises.
J: iIl'Iprescindfvel
que o aluno não fique
a ter a ideia errada de que a probabilidade é o limite para que tende a frequência relativa, quando o número de provas tende para infinito. O que se pode dizer apenas é o seguinte:
Em certos casos de prática, podemos admitir que a 'requência relativa se aproxima cada vez mais de um certo número (a probabilidade do acontecimento), quando o número de provas aumenta consideravelmente. Mas esta aproximação não se faz, de modo nenhum, com o rigor lógico da teoria dos limites: é uma aproximação emplrica, em que intervêm sempre as irregularidades e as contingências do acaso. Aliás, na prática, não faz sequer sentido falar de valor exacto da probabilidade de um acontecimento, do mesmo . modo que não faz sentido falar
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GUIA DO OOMPlbNDIO DBl !4A'1'Bl!4A'1'IOA
da medida exacta do comprimento de uma mesa ou da energia eJéctrica gasta num certo perfodo. ~ preciso pois, mais uma vez, adoptar aqui a atitude mental própria da matemática aplicada, em que o rigor 16gicocede o lugar à intuição e ao bom senso. ~ claro que também no n.O 12 o teorema 3 poderá ser omitido.
2.
Há um mfnimo de elementos de estatística que se impõe dar
no ensino secundário, em anos futuros, se não quisermos ficar lamentavelmente atrasados em relação a outros pafses. Aliás, esses elementos deverAo ser introduzidos progressivamente, desde muito cedo, logo a partir do 1.° ciclo, juntamente com aplicações da matemática
à vidll correntlJ, à economia, etc. Tal introdução pressupõe, evidentemente, um aumento do número de tempos lectivos de matemática, no 1.° e no 2.° ciclos, elevando-o, se posslvel, até seis horas por semana, à semelhança do que se verifica em vários pafses estrangeiros. Observe-se entretanto que, há uns 36 anos, o programa de matemática do 2. 0 ciclo inclufa juros compostos, anuidades, etc., além do estudo dos logaritmos. A pouco e pouco, pelas razões atrás expostas, o ensino da matemática nos nossos liceus foi-se esvaziando de todo o conteúdo concreto, até se reduzir a um formalismo quase inteiramente oco, que o aluno não consegue dominar, em grande parte porque esse jogo de slmbolos não lhe diz nada. ~ tempo de começar a remar contra acorrente.
3. Entre os elementos de estatrstica a introduzir no 3. 0 ciclo figura imprescindlvelmente o MtrODO DOS MINI MOS QUADRADOS APLICADO A PROBLEMAS DE REGRESSÃO.
O método de indução experimental, tal como se descreve no
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Comp§ndio, aplica-se apenas ao estabelecimento de leis qualitativas, tais como:
'O gelo flutua na água' 'O calor dilata os gases' 'O volume dum gás diminui quando a pressão aumenta', etc.
Porém, as leis de maior interesse, as que marcam um nltido progresso cientifico em relação às primeiras, são as LEIS QUANTITATIVAS. Por exemplo, pode ter algum interesse prático saber que o
calor dilata os gases, mas tem muito mais interesse saber de que
modo o volume de um gás varia quantitativamente com a temperatura. Suponhamos que se ignorava estalei e que se queria investigar, por exemplo, como o volume de uma dada porção de hidrogênio varia com a temperatura. Então o que haveria a fazer seria um
número razoável de experiências em que o gás losse submetido a diversas temperaturas sob pressão constante ( ') e proceder a medições, tão precisas quanto pos$lvel, das temperaturas e dos respectivosvolumes. Os dados experimentais assim colhidos seriam registados numa tabela numérica. Contudo, para poder tirar conclusões das experiências, estaria indicado recorrer a uma representação gráfica dos pares de números obtidos, tomando por exemplo. para abcissas, as temperaturas e para ordenadas os volumes correspondentes.
(') do g6s.
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Uma vez verificado que a pressão é o outro factor que influi no volume
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Verificar-se-ia então que os pontos se encontram sensivelmente em linha recta. Isto viria logo reforçar no esprrito a seguinte ideia (ou hip6tese), que se tem a prior;' por intuição:
o volume
do gás é uma função linear da temperatura.
Todavia, em rigor, os pontos nunca estarão em linha recta, visto que as medidas são sempre aproximadas, a pressão nunca pOde ser rigorosamente constante, etc. Nestas condições, nfio existe nenhuma recta que passe pelos referidos pontos: existem apenas rectas que se aproximam mais ou menos desses pontos, considerados em conjunto.
Qual dessas rectas convêm pois escolher, isto é, qual é a função linear que mais se ajusta a exprimir a variação do volume com a temperatura? Estamos aqui em presença de um PROBLEMA DE REGRESSÃO, e mais precisamente, de um PROBLEMA DE REGRESSÃO LINEAR. Suponhamos, agora, que se tratava de averiguar como o volume do gás (hidrogênio) varia com a pressão, a temperatura constante. Neste caso, a experiência mostraria que o volume do gás se reduz sensivelmente a metade, a um terço, etc., quando a pressão duplica,
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triplica, etc. A hipótese que se apresenta agora é a de uma LEI DE PROPORCIONALIDADE INVERSA, isto é, uma lei do tipo: pv = k , com k constante
o
gráfico de uma tal relação é, como se sabe, uma hipérbole
equilátera, que tem por assímptotas os eixos coordenados. Mas, na prática, não existirá nenhuma dessas hipérboles que passe rigorosamente pelos pontos representativos dos pares de valores observados.
Em gera/' a hipótese estatlstica não se verifica exactamente: o que se trata então é de determinar a constante k· de modo que a hipérbole se ajuste o mais posslvel ao conjunto de pontos. Mas, por enquanto, não sabemos ainda, precisamente, o que significa a expressão 'ajusta-se o mais possível'. Estamos agora em presença de um PROBLEMA DE REGRESSÃO CURVILlNEA• . Antes de ver como se resolvem tais problemas, observemos que o racioclnio de indução interveio no estabelecimento das leis de Gay-Lussac e de Mariotte do seguinte modo: "' A ideia de que o volume de um gás é função linear da tempe-
fatura (a pressão constante) e é inversamente proporcional à pressão (11 temperatura constarite) tem sido confirmada aproximadamente num grande número de experiências, efectuadas não só com o hidrogénio mas também com vários outros gases - desde que a temperatura ou a pressão variem dentro de certos limites, dependentes da natureza do gás. Isto não dá, porém, a cert8ila absoluta de que essas leis não venham a falhar de maneira muito acentuada numa experiência futura. Por outro lado, é sabido que a equação de Van der Waals dá, nestes casos, uma aproximação bastante melhor do. 'que a fornecida pela tfJqu,ç'o dos gases perfeitos, que engloba as duas referidas leis.
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4.
Para a resolução dos problemas de regressão existem vários
métodos não equivalentes, cuja escolha é mais ou menos arbitrária. Um desses é o M!:TODO DOS MfNIMOS QUADRADOS, que passamos a expor, no caso da regressão linear. Suponhamos o seguinte: Admite-se a hipótese de que certa grandeza Y seja aproximadamente função linear de outra gradeza X. Para verificar esta hipótese, fizeram-se várias experiências e obtiveram-se n pares de números,
em que, para cada valor de k, x k é uma medida de X e Yk é uma medida correspondente de Y.
.
Yk ------------,,, ax+b
Representaram-se graficamente estes pares de números (usando um referencial cartesiano) e verificou-se que os pontos obtidos são
aproximadamente colineares ( 1). Pretende-se, agora, calcular dois números a e b de modo que a função linear (1 )
Y = ax + b
(') Aqui a palavra 'aproximadamente' será tomada num sentido mais ou manol lato, conforme o a..unto a Iser estudado.
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I" ajune O mais posslvel ao conjunto dos pontos obtidos. Este problema de ajustamento (ou de regressão) pode ser interpretado de v6rios modos, um dos quais é o que vamos descrever: Quaisquer que sejam os números a e b, a fórmula (1) dá, para cada valor xk de x, o valor
(2) que, em gera!, é distinto de Yk (para k = 1, ... ,n). A diferença Y;-Yk entre o valor calculado, Yk' e o valor observado, Yk' chama-se desvio. Posto isto, pretende-se determinar a e b, de modo que a soma dos quadrados dos desvios
seja mlnima. Trata-se agora, como se vê, de um problema de MATEMÁTICA PURA, enunciando de maneira precisa - problema que vamos resol-
ver. Atendendo a (2), a soma dos quadrados dos desvios será:
(3) Ora( ,)
(1)
i: f6çil ver que se tem (x+y+z)2 =
"Ix. y, ze IR.
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X2
+ Y2 +
Z2
+ 2xy + 2xz + 2yz,
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GUIA DO OOMPlbNDIO DE MATEMATlOA
Somando, agora, as n expressões que resultam desta para k = 1, 2, ... , n e usando simplesmente o sinal 1: em vez de n
1: ' obtemos: k=t
Ponhamos, para simplificar:
Então 1:(y;- Yk) 2 será igual a (4)
Q = [xx] a 2 + nb 2 + [yy] + 2 [xl ab-2 [xv] a-2 [V] b
a
é uma função quadrática das variáveis a e b. O que se pretende é determinar a e b de modo que o valor da função seja mlnimo. Ora, para cada valor atribuldo b, a função reduz-se a um polinómio do 2.° grau em a, em que o coeficiente dea 2 é [xx] > O. Assim, sendo b constante, existe um valor de a que torna a função m(nima; esse valor é o que anula a derivada da função em ordem a a: Como se vê,
(5)
o~ =
2 [xx] a + 2 [x] b - 2 [XV]
Analogamente se vê que, para cada valoratribuldo a, existe um valor de b que torna a função mínima; esse valor é o que anula a
derivada em ordem a b:
(6)
aí, - 2nb + 2 [x] b - 2 [V) 99
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.T. 8EBABTIAO E 8ILVA
Parece, pois, que
a tomará
um valor menor que qualquer outro,
sse a e b verificarem simultaneamente (5) e (6), isto é, sse verificarem o sistema de equações:
I
[xx] a + [x] b [x] a + n b
= [XV] = [V]
Ora este sistema tem sempre uma única solução, que é dada pelas fórmulas:
n[xv] ....: [x] [V]
a=
n[xx] - [x] 2
[xx] [V] - [x] [XV] , b=------n [xx] - [x] 2
Serão, pois, estas fórmulas que resolvem o problema, tal como foi posto('). EXEMPLO. O exemplo que vamos apresentar
encontra~se
na
obra de Finnev 'An introduction to statistical science in agriculture' e é uma adaptação de resultados expostos pelo Sr. Engenheiro Augusto José de Oliveira, num seu traba,lho de investigação publicado na revista 'Agronomia Lusitana', vol. 8 (1946), pp. 147-159 (Estação Agronómica Nacional). Trata-se do seguinte problema: Averiguar se a percentagem de prote/na nas sementes de trigo produção (isto é, da quantidade de sementes depende da densidade de ) produzidas por unidade de flrea) e se essa dependência pode seI traduzida razoavelmente por uma função linear.
(1)
100
Omitimos aqui a demonstração deste facto.
,
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GUIA DO OOMPSNDIO DE MATEMÁTICA
Os dados experimentais, relativos a 10 talhões, onde se colheu o trigo, encontram-se registados na tabela seguinte, em que os valores de x são as medidas da densidade de produção, em cwt por acre ~
(cwt
50,802 kg, acre
~
0,40467 ha); e os valores de y são as
percentagens de proteína observadas.
I
x = produção
N.o do talhão
em cwt/acre
y
= proteína
1
14,3
10,8
2
12,8
11,4
3
12,7
13,0
4
10,6
14,6
5
10,7
13,8
%
.
6
13,0
12,2
7
14,4
10,7
8
12,5
12,8
9
8,7
16,2
10
12,2
11,8
A equação de regressão obtida neste caso, pelo processo atrás indicado, é. y
A
~cta
= O,95x + 24,3
correspondente .está representada na figura seguinte.
101
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GUIA DO OOMPIlNDlO DB MA'l'BMA'l'IOA
y
16 15 14 13
12 11 10 8
9
10
11
12
13
14
15
X
Vê-se então que o teor das sementes em proteínas diminui quando a densidade de produção aumenta e que essa variação se aproxima efectivamente de uma lei linear. Também é visrvel que a recta de regressão se ajusta razoavelmente ao conjunto de pontos marcados. Em que casos se deve considerar como significativo, isto á, como revelador de alguma relação de causa·efeito, um dado ajustamento deste tipo? Existem critérios estatísticos (testes de signific8ncia) que permitem excluir, como não significativos, certos ajustamentos. Os não exclurdos ficarão ainda sujeitos ao veredicto posterior da experiência, até poderem ser admitidos com relativa segurança. Nessas exclusões adopta-se um grau de exigência (chamado 'nlvel de signific§ncia'), que á variável com a questão em estudo: será, por exemplo, maior numa questão de frsica que numa de biologia.
5.
Há muitos casos em que as leis lineares não se prestam, de
modo nenhum, para exprimir aproximadamente uma grandeza como
102
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GUIA DO
COMP~NDIO
DE MATEMATICA
função de outra, mas em que existem outros tipos de funções, relativamente simples, . que se adaptam bem ao mesmo fim. Entre essas figuram as
funçõe~
polinomiais
de grau p pouco elevado. Para ajustar o mais posslvel uma tal função a uma sequência de-pontos
determinados experimentalmente, pode ainda seguir-se o MElODO DOS MINI MOS QUADRADOS, calculando os coeficientes a o' a, , ... , an , de modo a minimizar a soma dos quadrados dos desvios n
..
a = k_1 1:
'.
(Yk* - Yk) 2
em que Y~ = ao + a,xk + ... +apx~. Raciocinando como no caso particular das funções lineares, conclui-se que existe uma e uma só sequência (ao' a" ... , ap) que torna mfnima a soma sequência é a solução do sistema
a
e que tal
a o + [x] a, + ... + [xnJ an - [V] [x] ao + [x 2 ] a, + .. , + [xn+,] an = [xV]
n
em que se põe [xrV-]
= k_1 ~ x~ ~ .
, para r, s = O, 1, .. " p.
103
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J. BEBAB7'IAO lJJ BILVrA
Assim fica resolvido o PROBLEMA DA REGRESSÃO POLINOMIAL. De modo inteiramente análogo se resolve o PROBLEMA DA REGRESSÃO LINEAR para mais de duas variáveis, isto
é, o problema
que consiste em ajustar uma função linear
a uma sequência de pontos de espaço IRn+"
k ::: 1, 2, ... , n ou, mais geralmente, o PROBLEMA DA REGRESSÃO POLINOMIAL, para mais de duas variáveis.
6.
Mas há ainda casos em que as funções polinomiais não .
são as mais aptas a descrever o fenómeno em estudo. Pode estar indicada, por exemplo, uma função de tipo exponencial: y = C aX
com
,
C, a e IR+
ou uma função do tipo potência.: y=CxOt
,
com CeIR+ e cxelR
Para efectuar o ajustamento, no primeiro caso, o que se costuma fazer é passar a logaritmos. a,
= log a,
Pondo
u
= log y
vem: u=ao+a,x
104
,
, ao
= log C
e
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GUIA DO COMPtlNDIO DIl MA'l'IlMA'l'IOA
Assim, a função é linearizada. Para determinar a o e a" usa-se o método dos mfnimos quadrados, com u em vez de y. Neste caso, será c6modo, para a representação gráfica, dispor de papel em que, no eixo das ordenadas, cada ponto é representado por um número y cujo logaritmo 6 a distincia u do ponto à origem (sendo portanto y = eU, no caso dos logaritmos neperianos). Diz-se então que se adopta sobre este eixo uma escala logarltmica (como as das réguas de cálculo, para multiplicações e divisões). Por outro lado, a escala do eixo das abcissas deve ser a usual (isto é, linear). Nestas condições, bastará marcar directamente os valores Yk de y no eixo das ordenadas e os valores x k de x no eixo das abcissas: se os pontos correspondentes aos pares (xk' Yk) se apresentarem aproximadamente em linha recta, está indicada a regressão
linear entre log Y e x, correspondente a uma · lei exponencial, Y = C a X• Chama-se papel semilogarltmico o papel em que estão traçadas linhas coordenadas (paralelas aos eixos), usando escala linear num dos eixos e escala logarltmica no outro eixo. Além do papel semilogarftmico, também se usa papellogarltmico (isto é, com escalas logarftmicas em ambos os eixos). Se os pontos correspondentes aos pares (xk, Yk)' marcados em papel logarftmico, se apresentarem aproximadamente em linha recta, está indicada uma função do tipo potência, Y = CxOt • Com efeito, passando a logaritmos · e pondo log Y = v, log x
=u
e log C = b, vem
relação linear entre as variáveis u e v, cujos valores são, respectivamente, as abcissas e as ordenadas dos pontos no sentido úsual. Neste caso, os valores mais convenientes de oc e de b serão determinados pelo método · dos mfnimos quadrados, como se indicou anteriormente (com u - log x em vez de x e v - log Y em vez de V).
lOS
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J. BEBABTIAOB SILVA
Em particular, pode-se obter, aproximadamente:
ar;
=2
,
ot=
3 ,
ar;
=-
1 ,
ar;
=-
2 ,
ot
= 1/2
, etc.
No 1.0 caso y será proporcional ao quadrado de x, no 2. 0 caso y será
proporcional ao cubo de x, no 3. 0 caso y será inversamente proporcionai a x, no 4. 0 caso Y sérá proporcionallJ raiz quadrada de x, etc. Quando ar; = - 1, já sabemos que o gráfico é uma hipérbole que tem por asslmptotas os eixos. Mais geralmenté, uma função homográfica do tipo 1
V=-~
ax
+b
terá, por gráfico, uma hipérbole que tem por asslmptotas as rectas
V = O e x = - b/a. Uma tal função pode ser linearizada por meio de mudança de variável u
= 1/V que
a transforma na função
u = ax + b
7. Muitas vezes, na prática, ao procurar uma lei quantitativa, isto é, uma relação funcional que se aplique aproximadaménte a certos fen6menos, já se tem alguma ideia sobre o tipo dessa relação - umas vezes por intuição directa, a priori, outras vezes por deduções feitas a partir de dados intuitivos ou experimentais anteriores. Por exemplo, a lei exponencial para os fenómenos de crescimento bio-
lógico é deduzida, por cálculo integral, a partir do seguinte lacto intuitivo:
o
aumento populacional dx num intervalo de tempo [t, t + dt] relativamente pequeno é proporcional à população x existente no 106
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GUIA DO
OOMP~NDlO
DE MATEMATlOA
instante t e ao tempo dt (cf. Comp§ndío de Matemática, 2.° volume, pp. 222-223). Analogamente, a lei exponencial da desintegração radioactiva é deduzida, por cálculo integral, a partir do seguinte facto. induzido da
experi8ncia: A perda de massa de uma substância radioactiv8 num intervalo de tempo [t, t + dt] suficientemente pequeno é proporcional à massa da substincia no instante t e ao intervalo de tempo dt (ibidem, pp. 220-221 ; Intuição, experiência, lógica indutiva, lógica dedutiva - todos estes meios se alternam constantemente na investigação cientlfica, numa cadeia sem fim em que · é difícil destrinçar uns dos outros. Vêm a propósito as seguintes palavras, sempre oportunas, de Claude Bernard na sua obra prima 'Introduction à I'étude de la médicine expérimentale', no parágrafo intitulado 'L'intuition ou la sentlment engendre I'idée expérimentale': Nous avons dit plus haut que la méthode expérimentale s'appuie sucessivement sur Ie slIntimBnt la fllison et l'expfJriBncB.
Le sentiment engendre I'idée ou I'hipothêse expérimentale, c'est-à-dire I'interprétation anticipée des ph6nomênes de la nature. Toute I'initiative expérimentale est dans I'idée, car c'est elle qui provoque I'expérience. La raison ou le raisonnement ne servent qu'à déduire leI conséquences de cette idée et à les soumettre à I'expérience. Une idée anticipée ou une hypothêse est donc le point de départ nécessaire de tout raisonnement expérimental. Sans cela on ne saurait faire aucune investigation ni a'instruire; on ne pourrait qu'entasser des observations stériles. Si I'on IIxpfJrimBntllÍl sans idée préconçue, on irait à I'aventure; mais d'un autre cOté,
eln.1 que nous I'avons dlt ailleurl, si I'on ObS81Vllit avec des idées préconçues.. on f.relt de mauvaisea observations et I'on serait exposé à prendre les conception. de lon esprit pour la réalité.
107
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J. SEBAS'l'IAO E SILVA 11 n'y a pas de rêglea li donner pour faire naitre dana le cerveau, li propos d'une observation donnée, une idée juste et féconde qui 80it pour I'expérimentateur une aorte d'anticipation intuitive de I'esprit vers une recherche heureuse. L'idée une fois émise, on peut seulement dire comment
i~
faut la soumettre li
des préceptes définis et li des rêgles logiques précises dont aucun expérimentateur ne saurait s'écarter; mais son apparitien a été toute spontanée, et sa nature est tout Individuelle. C'est un sentiment particulier, un quid proprium qui constitue I'originalité, I'invention ou le génie de chacun. Une idée neuve apparait com me une relation nouvelle o inrattendue que I'esprit aperçoit entre les choaes. 11 arrive mAme qu'un fait ou une observation reste três longtemps devant les yeux d'un savant sans lui rien inspirer; puia tout li coup vient un trait de lumiêre, et I'esprit interprête le mAme fait tout autren'lent qu'auparavant et lui trouve des rapports tout nouveaux. L'idée neuve apparait alors avecla rapidité de I'éclair commeune sorte de révélation subite; ce qui prouve bien que dans ce cas la découverte réside dans un sentiment des choses qui est non seulement personnel, mais qui est mAme relatif à I'état actuel dana lequel se trouve I'esprit. La méthode expérimentale ne donnera donc paa des idées neuves et fécondes
li ceux qui n'en ont pas; elle servira seulement à diriger lea idées chez ceux qui en ont et li les développer afin d'en retirer les meilleurs résultats possible. L'idée expérimentale résultd'une sorte de pressentiment de I'esprit qui juge que les choses doivent se passer d'une certaine maniêre. On peutdire sous ce rapport que nous avons . dans I'esprit I'intuition ou le sentiment des lois de la nature, mais nous n'en connaissons pas la forme. L'expérience paut seule nous I'apprendre( 1). Les hommes qui ont le pressentiment des vérités nouvelles sont rares; dans toutes les scllmees, le plus grand nombre des hommes développe et poursuit les idées d'un·petit nombre d'autres. Ceux qui font des dácouvsrtS$ $ont les .promoteurs d'idées neuves et fécondes .
. ( 1)
Note-se que as palavras de Claude Bernard são de longa data ante-
riores li introdLição sistemática doa métodos estatlsticos na investigação experimentaI. Essa Introdução deve-se principalmente às obras de Pearson e de Fisher, neste século.
108
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GUIA .DO COMPSNDIO DE MATEMATIOA
8.
Os cálculos exigidos pelos métodos estatlsticos são geral-
mente muito laboriosos. Por esse facto, · não será fácil nem aconselhável resolver nas aulas problemas numéricos de estatfstica, mesmo simples, sem o auxrlio de máquinas .de calcular (a régua de cálculo não está indicada para esse fim).
o que não é diflcil e nos pBrece muito BconselhávBI, é resolver Blguns problemBs gráficos, com pBPBI milimétrico normBI, PBPBI logBrltmico e pBpel semilogarltmico, para ver qUBI o tipo de . função que mBis parece convir pBra exprimir a lei de variação de uma grandeza com OutrB e para fazer uma primei" determinação gráfica aproximada dos parlmetros dessa função. Note-se que actualmente, em certos laboratórios, nomeadamente laboratórios de flsica nuclear, ·a investigação experimental de rotina
é feita em grande parte por computadores electrónicos que controlam as experiências, registam um enorme número de observações e seleccionam os dados, submetendo-os inclusivamente a análises estatlsticas e acabando algumas vezes por fazer os ajustamentos necessários, para obter a lei que descreve os fenómenos. · Pode perguntar-se qual é então o papel que resta ao investigador experimental. A resposta é simples: na investigação propriamente dita será preciso, cada vez mais - penSBr. E assim, com a expansão do uso dos computadores, será cada vez maior o número de pessoas que precisam de sBber pensar, o que pressupõe, primeiro que tudo, liberdade criadora do esplrito, como contrapartida do predomlnio da máquina em trabalhos de rotina. Ainda neste ponto mantêm actualidade as palavras de Claude Bernard na sua obra atrás citada; diz o grande fisiologista no parágrafo intitulado L'expérimentBteur doit douter, fuir les idées fixes et flarder toujours SB IIberté d' esprit: La premiêrecondition que doit:remplir un uvant qui se livre à "investigation dlna 111 ph6nomênea naturel., c'elt de conserver une entiêre libertá d'esprit assiae
109
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J. BEBASTIAO E SiLVA sur le doute philosophique. li "efaut pourtant pointêtre sceptiques;. iI fau! croire
à la science, c'est'à 'dire au déterminisme,aurapport. absolu et
néce~aire
des
choses, auasi .bien dans las phénomenes propros a1.1 X,Atres vivants que dans tous les autres; mais il taut en même temps être bien convaincu que nous o'avons ce rapport que d'une maniêre plus ou moifls approximative, et que ies théories que nous possédons sont loin de représenterdes vérités immuables. Quand noUs faiSOriS une théorie générale dans nos sciences, la seule chose dont nous soyons certains, c'est que toutes ces théorÍEis sont fausses absolument parlant. Elles rie sont que das vérités parlielles et provisoires qui nous sontnécessaires, bomme des degrês sur lesquels nous nous reposons, pour avancer dansl'investigation;ellell,ne représentent que I'état actuel .de nos connaissances, et, par conséquent, elles devront
Se
m,odifier avec I'accroissement de la science, ,et d'autant plus souvent que les
sciences sont moins avancées ,dans leur évolution.
i: preciso pois evitar, por um lado, o . empirismo
excessiv~, que
conduz ao cepticismo, e, por outro lado, o racionalismo à outrançe, a fé absoluta nas teorias, que são apenas simplificações da realidade e não a própria realidade. Esta forma de platonismo tem efeito equivalente ao do cepticismo, ou pior ainda, criandQ ilusÓ.es perigosas.
i:
e~se apego a esquemas rígidos, voltando as costas à realidade,
que Claude Bernard critica, apontando os seus perigos no campo particular da medicina: .
Si un médecin se figurait que ses raisonnements ont la valeur de ceux d'un
mathématicien, il serait dans la plus grande des erreurs et iI serait conduit aux conséquences les plus fausses. C'est malheureusement ce qui est arrivé et ce qui !lrrive encorepour les hommes que j'appellerai des systématiques. En eftet, cás hommes partent
d~une
idée fondée plus ou moins sur I'observation etqu'ilscon-
siderent comme une vérité absolue. Alors ils raisonnent logiquement et sans experimenter et arriveot, de conséquence en conséquence, à construire un systême qui .
,
'
est logique, mais qui n'a aucune réalité scientifique. Souvent les personnes superficielles 'se laissent éblouir par cette apparence de logique, et c'est ainsi que se renouvellent partois de nos jours des discussions ,dignes de I'ancierine scolastique. Cette foi trop grande dans le raisonnement, qui conduit un physiologiste li une fausse simplification des choses, tient d'une part li "ignorance de la scienee dont Uparle, et d'autr8- part li I'absence du sentiment de complexité des phénomên..
110
,
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GUIA DO
COMP~NDIO
DE MATEMATICA
naturels. C'est pourquoí nous voyons quelquefoís das mathématícíens purs três grands espríts d'aílleurs, tomber dans des erreurs de ce genre; ils símplífient trop et raisonnent sur les phénomênes tels qu'iI les font dans leur esprit, mais non tels qu'ils sent dans la nature. Le grand principe expérimental est donc le doute, le doute philosophique qui laisse à I'esprit sa líberté et son íníciative, et d'ou dérivent les qualitésles plus précieuses pour un investigateur en physiologie et en médicíne. 11 ne faut croíre
à nosobservatíons, à nos théories que sous bénéfice d'inventaire expérimental. Si f'on croit trop, I'esprit se trouve lié et rétréci par les conséquences de son propre raisonnement; il n'a plus de liberté d'action et manque par suíte de I'initiatíve que possêde celui qui sait se dégager de ceUe foi aveugle dans les théories, qui n'est au fond qu'une superstitíon scíentifique.
A estas palavras de Claude
Bernard
s6 falta
acrescent<1r:
o que se diz para a investigação em fisiologia ou medicina. aplica-se. em certa medida. à investigação matemática. isto é. não será possível a criação matemática sem liberdade de espirito e sem aquela atitude interrogativa que implica a dúvida sistemática e leva a evitar os esquemas abstractos que não se apliquem a situações concretas. fora ou dentro da matemática. Estas considerações estendem-se ao ensino e muito especialmente ao ensinoliceal.
!:
certo que a maioria dos alunos
não irão ser investigadores. Mas não é menos certo que as profissões modernas estão a exigir cada vez mais a iniciativa pessoal e a imaginação que se requerem de um investigador. Quer dizer:
os alunos não precisam, em geral, de ser investigadores, mas precisam de ter espírito de investigação. De tudo isto há a concluir o seguinte: Um ensino da matemática que atenda exclusivamente ao aspecto demonstrativo, desprezando as intuições, o método heuristico e as aplicações concretas. pode tornar-se altamente deformativo. em vez de formativo que pretende ser.
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J. BEBABTIAO E SILVA
9. Além da indução propriamente dita, um dos tipos vulgares de inferência indutiva, em que intervém o conceito de probabilidade, é o chamado 'raciocrnio plausrvel'. Consideremos o seguinte exemplo: 'A apendicite manifesta-se geralmente por vómito8, febre e dores agudas na parte inferior direita do abdómen. Ora eu tenho vómitos, febre e dores na parte inferior direita do abdómen . . logo tenho uma apendicite'. ~ claro que não se trata aqui de um silogismo correcto, mas sim
de para/ogismo: estamos a concluir do particular para o geral, e . portanto, .mesmo admitindo que as premissa8 do verdadeiras, não podemos garantir que a conclusão o seja. No entanto, poder/amos
diz.r que B conc/usio tem certa probabilidade d. s.r v.rdadeira. Nesta ordem de ideias, a conclusão correcta seria:
t
provável (ou p/Bus/vel) que eu tenha uma apendicits.
Mesmo assim, o racioclnio é vago, sobretudo porque a 1.· premissa nada nos diz a respeito da frequência relativa dos casos de apendicite, entre as doenças que se manifestem com os referidos sintomas. Vejamos outro exemplo. Consideremos o segu.inte cálculo, com a respectiva prova dos nove:
538 96
3228 4842 51648 112
71~ 61 6
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GUIA DO OOMP1lNDlO DE MATEMATIOA
Analisemos, agora, a seguinte maneira de raciocinar: 'Se esta conta está certa, a sua prova dos nove dá certa. Ora' a prova dos nove desta conta dá certa. Logo a conta está certa'. Estamos em presença de um paralogismo já apontado no Comp§ndio de Matemática, 1.° volume, 1.° tomo, p. 42. Também aqui se conclui do particular para o geral e, assim, não podemos garantir que a conclusão seja verdadeira. Por exemplo, s.e o resultado da operação tivesse sido 51738, a prova continuaria a dar certa e a conta estaria errada. O máximo que podemos concluir objectivamente das premissas é o seguinte: 'Há uma probabilidade não nula de a conta estar certa'. Porém, agora, analisando a questão mais a fundo, podemos ter uma ideia um pouco mais precisa da probabilidade em causa. Escolhendo OS 5 algarismos do produto inteiramente ao acaso e supondo que a prova dava certa, a probabilidade de a conta estar certa seria cerca de 1/10 4
-
na verdade pequenrssima. Todavia, nos casos nor-
mais, os algarismos não são escolhidos ao acaso. Se a pessoa que faz,a conta domina bem o processo de cálculo e tem o desejo de acertar, a situação muda radicalmente de aspecto: a probabilidade de a conta estar certa, quando a prova dos nove dá certa, é bastante próxima de 1 ( 1). Por outras palavras: Quando se conhece bem o processo de cálculo e se deseja acertar, é raro que a conta esteja errada quando a prova dos nove dá certa.
,
(')
Mala preclaa'men1e, se for p a probabilidade de a pessoe e"er e conte,
.er. pll •
probabilidade
de e conte ester IIfrede, dendo _ prove do. nove certe.
113
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J. SEBASTIÃO E SILVA
Este facto, que pode ser previsto por intuição, é confirmado pela experiência. Convém, agora, observar que as teorias físicas se baseiam cada vez mais em raciocfnios plausíveis, do género da prova dos nove. Na verdade, as teorias físicas mais evoluídas partem de
hipóteses (tomadas como axiomas) que, em geral, não são acesslveis à experiência, isto é, não podem ser verificadas directa-
mente por meio de experiências. No entanto, essas hipóteses implicam diversos factos ou leis (a que podemos chamar teoremas), que já podem ser verificados experimentalmente, com maior ou menor aproximação - e é essa verificação experimental indirecta, que leva a considerar tais hipóteses como verdadeiras. Mas, se exprimirmos por 1f) a conjunção dessas hipóteses e por 7) a conjunção dos factos verificados experimentalmente. essa maneira de raciocinar é traduzida pelo seguinte esquema
...
;J(j
que constitui manifestamente um paralogismo. o qual porém, neste caso, é usado como racioc/nío plaus/vel. Todavia, como veremos mais adiante com exemplos, não podemos sequer dizer: 'Há certa probabilidade de 1f) ser verdadeira' mas apenas:
't cómodo admitir que as referidas hipóteses são verdadeiras, porqueexp/iclJm um grande número de flJeto, conh,cldol, un/fi114
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GUIA DOOOMP1J:NDIO DE MATEMATIOA
cando-os, e permitem por outro lado prever e descobrir novos factos' (1). Sob este aspecto, a teoria física é afinal uma teoria hipo-
tética -dedutiva (portanto uma teoria matemática) que se desen. volve, por lógica dedutiva, a partir do sistema ]() de axiomas, conduzindo não somente a factos conhecidos, mas ainda a outros, que são descobertos pelo método matemático e depois confirmados experimentalmente. A teoria será então aplicável no domlnio
dos fenómenos em que os seus teoremas são confirmados pela experiência com aproximação razoável; para lá desse domlnio, quando começa a ser nitidamente negada pela experiência, a teoria terá de ser abandonada, cedendo porventura o lugar a outra mais próxima da realidade (mas que se pode reduzir aproximadamente à primeira no domínio inicial).
o primeiro exemplo de teoria física que se nos apresenta,
nesta
ordem de ideias, é a geometria de Euclides. Como verificar experi-
mentalmente o axioma das paralelas? Como verificar directamente q!Je dl1as rectas de um plano não se encontram 7 A verdade é que, em rigor, não existem rectas no mundo físico, e muito menos rectas complanares que não se encontrem: duas verticais, num dado lugar, são aproximadamente paralelas e, contudo, encontram-se teoricamente no centro da Terra (aliás, a existência de um tal ponto é igualmente teórica). Trata-se, pois, de ficções cómodas. Mas a teoria que se constrói sobre estas e outras ficções - a geometria de Euclides - conduz a um grande número de factos utilíssimos (o teorema segundo o qual a soma dos ângulos de . um triângulo é igl,lal a dois rectos, o
(')
Nlo 6 portanto neces sá rio, sequer, BcreditBf nas hipóteses: bBStB que estBs
,./.m .flo/.nt".
11'
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Probabilidade, Estatística, e Ciência Experimental
J. SEBABTIAO E SILVA
teorema de Pitágoras, os teoremas da trigonometria, etc.), que são confirmados experimentalmente, com grande aproximação, no mundo
médio - isto é, numa zona próxima do homem, situada entre a escala at6mica e a escala astron6mica. Fora desse domfnio deixa de ser aplicável. Depois da geometria de Euclides, aparecem sucessivamente outras teorias ffsicas, hipotético-dedutivas: a mecânica de Newton,
a termodinâmica de Carnot~Clausius, a teoria matemática do electromagnetismo (cujos axiomas são as equações de Maxwell), a teoria da relatividade, a mecânica quântica ondulat6ris, etc.
A teoria do electromagnetismo permitiu descobrir, por exemplo, as ondas electromagnéticas, que foram depois produzidas experimentalmente por Hertz. A teoria da relatividade, partindo de hipóteses sugeridas pelo electromagnetismo e pelas expe-
.
riências históricas de Michelson e Morley sobre a velocidade da luz, conduziu, pelo método matemático, a factos revolucionários, hoje confirmados brilhantemente, quer no domfnio astronómico, quer no dominio atómico - em particular relacionados com a produção de energia nuclear. Os pr6prios concei-
tos de matéria e de energia acabaram por se revelar também como ficções c6modas e úteis, à semelhança dos conceitos geométricos. A mecânica quântica, que baniu praticamente as fronteiras entre
matéria e energia, conseguiu conciliar duas teorias ,rivais, contraditórias entre si - a teoria corpuscular e a teoria ondulat6ría ~ cada uma das quais era confirmada experimentalmente por certos fenómenos, que infirmavam a outra. E:'" coisa curiosa - esforçando-se por ser uma ciência do concreto, a ffsica tem-se tornado cada vez mais abstracta, substituindo progressivamente por formalismos matemáticos, na interpretação do mundo stómico, os modelos materiais sugeridos pelo mundo macr08cóplco (v. os sucessivos modelos do átomo). E s8sim, l medida qUI progride,
1.l6
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GUIA DO OOMPltNDlO DE MATEMÁTICA
tornando-se mais humilde, mais consciente das suas próprias limitações - a f/sica tem-se tornado muito mais eficiente e alcançado os seus êxitos mais espectaculares.
Ultimamente, como é sabido, utilizando aparelhagem cada vez mais dispendiosa, em que dominam os grandes aceleradores de partfculas atómicas (sincrotrões, betatrões), têm-se descoberto vários fenómenos que levam a admitir sucessivamente a existência de novas partfculas. E os ffsicos teóricos fazem actualmente grandes esforços para fundar uma teoria das partlculas elementares, que permita explicar, de maneira lógica, sem contradições, os fenómenos relativos às novas partfculas. Mas esbarram em sérias dificuldades, que são em grande parte, como era de prever, dificuldades de ordem matemática. Esperemos que, tal como
tem sucedido nos casos anteriores, esses problemas da ffsica venham a determinar novos progressos da MATEMÁTICA PURA, tendentes a resolvê-los.
10. Offsico e filósofo austrfaco Emst Mach (1838-1916) enunciou no século passado um princfpio metodológico, aparentemente sem grande interesse, mas que viria a ter repercussões incalculáveis no desenvolvimento da ffsica: Uma proposição s6 tem significado (f/sico) se pode ser verificada experimentalmente.
Nesta ordem de ideias, o significado de uma proposição consiste precisamente no processo f/sico da sua verificação. Por exemplo, a proposição:
'A soma dos ângulos internos de um triângulo é sempre igual • 180 graus'
117
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I, SEBASTIAO 11 SILVA
significa o seguinte: 'Se medirmos os ângulos internos de um triângulo qualquer, tomando para unidade o grau, e se depois somarmos os números obtidos, obtemos aproximadamente 180', Analogamente, o significado de um conceito consistiria na maneira de aplicar fisicamente. operacionalmente, esse conceito, Por exemplo, os conceitos de 'triângulo equilátero' e 'triângulo equiângulo' têm ambos significado, na medida em que é possivel verificar se dois triângulos têm lados iguais ou ·ângulos iguais; esses significados são diferentes, pois que se trata de processos diferentes de verificação; mas são equivalentes, de acordo com a seguinte proposição, que se pode verificar fisicamente: 'Se um triângulo é equilátero, também é equiângulo, e reciprocamente', Mas consideremos, agora, a seguinte proposição: 'Se duas rectas distintas, cortadas por uma terceira, formam com esta ângulos correspondentes iguais, essas duas .rectas . não se encontram',
J: claro que nunca podemos verificar uma tal proposição e, portanto, segundo o principio de Mach tal como foi atrás enunciado, esta proposição seria desprovida de sentido, Mas então seriam também desprovidas de sentido várias hipóteses que têm vindo a ser introduzidas em fisica. Simplesmente. essas hipóteses, assim como a anterior proposição, podem ser verificadas indirectamente, por meio das suas consequências lógicas, que lhes. conferem incontestável valor
explicativo e heurlstico, Isso obrigou, desde logo,
8
de Mach, que se apresentava demasiado restritivo,
118
alargar o principio
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aOMP~NDIO
J)E MATEMATlOA
Daqui, em parte, nasceu uma nova corrente de filosofia natural - o neopositivismo do Circulo de Viena - em que, ao empirismo clássico, de origem britânica (Locke, Berkeley e Hume), se associaum largo uso da matemática e da lógica simbólica, sobretudo na
análise lógica da linguagem, tendente a eliminar jogos de palavras (sem sentido) e a evitar discussões puramente verbais, que se arrastavam em filosofia desde a antiguidade. As figuras mais representativas dessa escola são L. Wittgenstein ('Tratactus Logico-Philosophicus') e R. Carnap ('Logische Syntax der Sprache'). Bertrand Russell é um dos pioneiros do movimento ('). Mas, ainda antes disso, as concepções de Mach influfram poderosamente no advento das teorias relativistas (Mach é considerado, ele próprio, um precursor dessas teorias) as quais, por sua vez, contribuíram substancialmente para a estruturação do pensamento filosófico do Círculo de Viena. Antes das experiências de Michelson-Morley, admitia-se a HIPÓTESE DO ~TER,
segundo a qual a luz e as radiações electromagnéticas
se propagavam por meio de ondas de um meio elástico chamado 'éter'. Este seria uma espécie de fluido imaterial, que se distinguia da matéria por ser contInuo, ao contrário desta, e por encher todo o espaço, mantendo-se absolutamente imóvel, no seu conjunto,
( 1)
O empirismo e, mais explicitamente, o positivismo apresentam-se como
a antltese da metaflsica, identificada esta, de certo modo, com o racionalismo cem por cento apriorlstico, que constrói teorias não verificáveis e, portanto, sem sentido. Porém, como todas as correntes filosóficas, o positivismo tende. a exage-
rar e a fazer extrapolações que, em certos casos, parecem pouco legItimas, podendo assim criar barreiras à liberdade criadora do esplrito.Para ver até que ponto podem variar neste campo as opiniões basta comparar as duas seguintes frases: 'Para criar uma sã filosofia, é preciso renunciar à metaffsica e ser apenas bom matemático'
(B.
Russe").
'A matemática é a única boa metaflsica'
(Lord Kelvin).
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mas susceptrvel de vibrações, à semelhança da pele de um tambor ou da superfrcie ligeiramente ondulada da água de um lago. Esta hipótese, como se vê, era apenas uma espécie de metáfora (como as imagens poéticas) sugerida pela observação do mundo macroscópico, para dar ' canta dos fenómenos electromagnéticos.Era, por assim dizer, o próprio espaço absoluto da mecânica clássica, consi. derado como substância. Mas, as referidas experiências vieram mostrar que esta hipótese, além de inútil, era também um obstáculo para a explicação dos fenómenos observados, que se tornavam absurdos,
admitindo tal
hipótese. Ora.. quando uma teoria está em desacordo com a experiência, o que há a fazer é pôr de parte a teoria e tentar substitui-Ia por outra. Por isso, e parque também estava em desacordo com a própria teoria do electromagnetismo que se mostrava amplamente satisfatória, foi abandonada a hipótese do éter. Mas, com esta, rulram con-
ceitos seculares, nomeadamente o de 'espaço absoluto', o de 'tempo absoluto' e o de 'matéria (ou massa) absoluta'. A tarefa ingente a propôs - Einstein, foi a de criar uma nova mecânica que que . se . . . . . fosse, por um lado, .compatlvel com a teoria do electromagnetismo, e, por outro lado, coincidisse praticamente com a mecânica clássica de Newton, para velocidades bastante inferiores à velocidade da luz. Ora, uma das regras de ouro que nortearam constantemente Eins-
-
:
'
tein nas suas investigações fisico-matemáticas foi precisamente o
principio de Mach. Tendo chegado à conclusão de que não há nenhuma experiência capaz de revelar o que seja movimento absoluto ou repouso absoluto (em relação a qualquer coisa como o éter) ou o que seja simultaneidade de dois acontecimentos (por exemplo na Terra e em Júpiter), Einstein, aplicando a referida regra, aboliu 08 conceitos de espaço absoluto e c;le tempo
absoluto, como
ilusões que embaraçam o pensamento - como preconceitos inúteis e enganadores, arreigados no nosso esplrito por um longo hábito
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estabelecido, sem reflexão; E não hesitou perante afirmações como esta: 'Tanto faz dizer que a Terra tem um movimento de rotação em relação ao conjunto das estrelas, como dizer que o conjunto das estrelas tem um movimento de rotação em relação à Terra'.
11.
Não é só na fisica, mas também na química, na biologia,
na psicologia, etc. que se pocura chegar a teorias hipotético-dedutivas, consideradas como o produto mais avançado e eficiente do método cientifico, baseado na razão e na experiência. Assim, é que se procura hoje, por exemplo, explicar certos macrofenómenos de psicologia, tais como os reflexos condicionados e outros, mediante modelos neuronais, que assimilam os neurones a elementos lógicos de um
circuito, segundo o ponto de vista da CIBERN!:TICA. A própria GEN!:TICA procede de maneira análoga, partindo de hipóteses que muito se assemelham a axiomas de uma teoria hipotético-dedutiva. Compreende-se, então, que a matemática (nomeadamente as álgebras de Boole, o cálculo das probabilidades, etc.), intervenham cada vez mais nestas investigações. Outro facto que ressalta das considerações anteriores é o papel que, a par da intuição, desempenha a imaginação criadora na investigação cientifica. É pela imaginação que o cientista inventa hipóteses mais ou menos plausíveis, mais ou menos
felizes, sugeridas pela experiência. Foram as leis macroscópicas de Dalton, Richter e Proust, relativas à combinação de ele-
mentos quimicos, que sugeriam as hipóteses atómica e moleculer, e ainda as fórmules de estruture, plenes ou especieis.
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Justificam-se, deste modo, as seguintes palavras de Tyndall: 'Com experimentação acurada e trabalho minucioso de observação sobre as experiências, a imaginação torna-se o arquitecto de toda a teoria física'.
E as de Max Planck, criador da teoria quântica: 'Uma vez, outra e outra, o plano de imaginação sobre o qual tentamos erigir uma ordem vem abaixo, e depois experimentamos outro ainda. A visão
imaginativa e fé no êxito final são indispensáveis( 1). Aqui, o racionalista puro não tem lugar'.
Por sua vez Einstein: 'No caminho lógico para a descoberta... Há só o caminho da intuição .. :.
A intuição pertence, em grande parte, ao domínio do subconsciente e, como tal, dificilmente pode ser analisada. Mas, a intuição criadora de ciência também é produto de esforço e de educação. Vejamos o que a tal respeito diz o cientista W. Beveridge, no seu livro' The art of scientific investigation': 'As circunstâncias mais características de uma intuição consistem num período de trabalho intenso sobre o problema, acompanhado pelo desejo da sua solução, depois abandono do trabalho com a atenção dirigida em qualquer outro sentido e, finalmente, a aparição da ide ia de maneira espectacular e repentina, muitas vezes com o sentimento da certeza. Experimenta-se então, geralmente, uma intensa alegria e, às vezes, surpresa por não ter ocorrido mais cedo uma tal ideia'. [Muitas vezes é uma espécie de ovo de Colombo .. . ].
( ,)
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O sublinhado é nosso, não de Max Planck,
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Assim, a investigação cientlfica não é em si mesma uma ciência, mas antes uma arte (o que justifica o título da referida obra). Não é, então, de admirar .que os ambientes de elevado nível cultural e científico sejam óptimosestimulantes da criação cientlfica. I: conhecido o interesse que muitos cientistas - e em especial matemáticos - manifestam pela música, na qual sentem certas afinidades com as recônditas harmonias do pensamento abstracto. Conta-se a respeito de Einstein que, quando era apenas um rapazinho de catorze anos, tendo-lhe perguntado um amigo, estudante universitário, como conseguia resolver, sem a mlnima dificuldade, os mais complexos problemas de matemática, o jovem Alberto (que os seus professores tinham na conta de 'aluno lento edistraldo'), respondeu:
'I: tão fácil! Tudo na geometria e na álgebra é maravilhosamente claro como ... como uma sonata de Beethoven'.
Quanto à posslvel correlação entre o cultivo das artes plásticas e o desenvolvimento científico, bastará lembrar os exemplos da Grécia antiga e da Itália renascentista. Sob este aspecto, Leonardo da Vinci é um símbolo. A referida correlação foi sintetizada por Fernando Pessoa nestes dois versos: 'O binómio de Newton é tão belo como a Vénus de Milo. O que há é pouca gente para dar por isso'.
Para o vulgo, ciência e poesia são dois pólos contrários. Ouçamos agora Antero de Quental: 'O chão sobre que assenta a certeza de hoje, formou-se pelas
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aluviões sucessivas da intuição antiga. O que é ciência foi já poesia: o sábio foi já cantor, o legislador poeta; e a evidência uma adivinhação, um admirável palpite, cujas profundas conclusões são ainda o espanto, e porventura o desespero das mais rigorosas filosofias. E, se nadamos hoje em plena luz da razão, foi entretanto a poesia, foi essa doce mão que nos guiou por entre o pálido crepúsculo dos velhos sonhos. Velhos 7 Não: sonhos eternos (1)'. Se o nosso poeta-filósofo tivesse podido contactar com cien tistas, teria verificado que esta transição gradual da poesia para a ciência não é apenas um processo secular: dá-se a cada momento, no acto da criação cientifica. Weierstrass não estava a sonhar quando observou: 'Um matemático que não seja ao mesmo tempo um pouco poeta não será nunca um matemático completo'. Na verdade as intuições, primeiro nebulosas, inexprimlveis, depois balbuciantes e pouco a pouco concretizadas por meio de imagens, analogias ou metáforas - antes da formulação lógica precisa - tudo
isso que é senão poesia 7 Como fantasmas shakespearianos, as verdades vão-se aproximando através de uma neblina. Porém, depois, ao contrário do que sucede na poesia, a intuição cede o lugar à lógica inflexível do ser ou não ser; a neblina vai-se dissipando ao sol da razão - e, em vez de fantasmas, encontram-se muitas vezes factos positivos. ~ ai que está a diferença. Que ilações nos podem sugerir, do ponto de vista pedagógico, as considerações anteriores 7 ~ bem simples: Um ensino das ciências, que não seja acompanhado de uma
( 1)
Extralmos esta citaçilo do interessante anulo do Or. Ant6nlo Lobo
Vilela, 'Ciêncla a Poe,ia'.
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boa educação estética e que não fale à imaginação dos alunos, está condenado a prior;' pela sua própria aridez, a afastar muitos dos melhores talentos. Por isso acontece, especialmente entre nós, que muitos se voltam para outros interesses. Possamos nós, professores, orientar em boa parte a imaginação poética da nossa · juventude, para os sonhos lúcidos, no campo imenso onde germinam e florescem as grandes ide ias da ciência contemporânea.
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Indice Plg,. Considerações de ordem geral ., . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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I - Introdução à trigonometria ............•..........•........
19
11 - Observações acerca do capitulo I do 2. 0 volume .............
53
111 - Observações ao capitulo 11 do 2. 0 volume ...................
79
IV - Probabilidades. estatistica e ciência experimental ..............
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V ....;.. Indução experimental e indução matemática..................
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VI - Racionalização matemática do continuo ...............•.....
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