Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
J. SEBASTIÃO E SILVA
Racionalização Matemática do Contínuo
Curso Complementar do Ensino Secundário
Edi<;;'io G EP l.lSBOA
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
1. SEBASTIÃO E SILVA
GUIA PARA A UTILIZAÇÃO
DO
COMPÊNDIO DE
MATEMATICA (2. 0 83. 0 VOLUMES)
CURSO COMPLEMENTAR DO ENSINO SECUNDARIO
197 7
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 .
•
•
•
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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RACIONALlZAÇAO MATEMATICA DO CONTrNUO 'A harmonia do universo nllo conhece senão uma forma musical - o legato; enquanto a sinfonia dos números só conhece o oposto - o staccato'. TOBIAS DANTZIG (O número, linguagem da ci6ncia)
1. O conceito de número irracional, que obriga a substituir o esquema discreto dos números inteiros pelo esquema contInuo dos
números reais, nasceu de um drama na história do pensamento: a descoberta dos incomensuráveis em geometria, por necessidade de coer8ncia lógica. 'Diz-se que as pessoas que primeiro divulgaram os números irracionais pereceram todos num naufrágio; porque o inexprimlvel, o informe, deve ser mantidó absolutamente sec.reto'. O que estas palavras de Procio encerram de emoção dramática deve surpreender todos aqueles que, não tendo vivido a experiência da investigação, se obstinam em ver na matemática uma ciência árida e fria. Só em fins do século passado se conseguiu chegar a uma teoria lógica dos números reais, com a qual se procura racionalizar o devir continuo do mundo flsico. Dizia Platão: '0 Tempo é a imagem móvel dll Eternidade'. Moderl"amente, os filósofos do devir, desde
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Hegel a Bergson, dizem algo de semelhante em sentido inverso, que se pode traduzir mais ou menos nestes termos: 'O continuo matemático é uma imagem imóvel da mobilidade; uma imitação descontínua do devir contínuo'( I}. Os paradoxos de Zenão renascem, sob novos aspectos, no campo filosófico. A polémica entre nominalistas e realistas ressurge, mais acesa do que nunca, sob novas e variadas vestes, revelando uma inquietude de espírito que é sempre salutar, dentro de certos limites. .Mas, entretanto, continua o êxito espectacular da análise infinitesimal na exploração do mundo físico. O sistema dos números reais
é apenas um esquema lógico, como tantos outros, que há muito não pretende ser uma imagem fiel da realidade, mas que se tem revelado indubitavelmente cómodo e eficiente. Interessa, portanto, estudar a fundo esse esquema, aperfeiçoá-lo de maneira a eliminar dele toda a possibilidade de contradição interna e assentar sobre essa base sólida, por via dedutiva, todo o edifício da análise.
2. Vimos como, nas demonstrações mais delicadas relativas a números naturais, intervém essencialmente o PRINCIpIO DE INDUÇÃO MATEMÁTICA, que traduz uma propriedade característica do gru-
póide (IN, +), e que dá origem a novos tipos de racioclnio dedu-
(')
Para Bergson, o protótipo da
continui~ade
é o tempo, considerado como duração pura, essência da vida, de que tomamos consciência no interior do nosso eu. Assim, o tempo é rlJunião de passado e presente, num processo
evolutivo em que há interpenetração de estados conscientes, e que nllo S8 reduz portanto a um conjunto de elementos distintos (instantes). Segundo Berglon, 'distintos' significa 'sem ligação mútua', o que ,
continuidade.
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precisamente o oposto da
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GUIA DO COMPBNDIO DE MATEMÁTICA
tivo. Pergunta-se agora: 'Não haverá, no sistema dos números reais, uma propriedade análoga (embora diferente) na qual se baseiem necessariamente as demonstrações mais delicadas? Vamos ver que sim. Mas para isso é necessário substituir o princIpio de indução
matemática em IN por um outro equivalente, formulado em termos da relação <. Seja A um conjunto de números naturais. Diz-se que um número m é elemento máximo de A, sse m pertence a A e é superior ou igual a todo o elemento de A. .isto é, sse: meA /\ VxeA :, m~x Analogamente se define 'elemento mínimo'. Há conjuntos de números naturais que não têm elemento máximo (por exemplo, o próprio conjunto IN o , o conjunto dos números pares, o conjunto dos números primos, etc.); mas, quando um conjunto A de números naturais tem um elemento máximo, não pode ter mais nenhum elemento máximo, como é fácil ver (se tivesse dois, um deles teria de ser menor que o outro e não seria, portanto, máximo). O elemento máximo de um conjunto A. quando existe, representa-se por max A. e também se chama último elemento de A. O elemento mínimo de A representa-se por min A e também se chama primeiro elemento de A. Exemplos (em IN): max {3, 2, 7, 5} = 7 , min {3, 1} = 1 max {5}
= min {5} = 5
max {x: 5x::;:; 23} = 4 , min {x: 5x > 23} = 5 max{n:n 2 ::;:;27}=5, min{n:n 2 >27}=6 max {n: n -l a /\ n -l b} = m. d. c. (a, b) min {m: a -l m /\ b -l m}
= m.
m. c. (a, b)
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Aliás, estas notações podem ser introduzidas com vantagem logo no 6. 0 ano, ou mesmo antes, e usadas em diversos exerclcios, sem qualquer teoria prévia. Diz-se que um conjunto A de números naturais é limitado, sse existe pelo menos um número natural k superior ou igual a todo o elemento de A.
r: óbvio que, se A tem elemento máximo, A é limi-
tado (pela própria definição). Mas a reciproca também será verdadeira 7 A intuição diz-nos que sim, isto é, diz-nos que:
Se um conjunto A não vazio de números naturais é limitado, tem com certeza elemento máximo. PROPOSiÇÃO 1.
Mas, para demonstrar esta proposição (que nos parece evidente, por intuição), temos de recorrer ao MtrODO DE INDUÇÃO MATEMÁTICA, associado ao MtrODO DE REDUÇÃO AO ABSURDO( ').
Suponhamos que A é limitado, mas não tem elemento máximo, e designemos por X o conjunto constituldo por todos os números naturais inferiores ou iguais a algum elemento de A, isto é:
X = {xe IN
3yeA
x~
y}
Então 1 eX e é fácil ver que, se n eX, também n + 1 eX (de contrário n seria elemento máximo de A). Logo X = IN. Mas existe um número natural k superior ou igual a todo o elemento de A (por-
qu§ 1) e esse número será também superior ou igual a todo o elemento de X (porquê?). Mas isto é imposslvel, por ser X = IN.
( 1) Esta demonstração e as seguintes silo aqui dadas apenas a titulo de curiosidade.
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GUIA DO OOMPIlNDIO DE MATEMATICA
A partir da proposição anterior, demonstra-se agora facilmente a seguinte: Todo o conjunto A não vazio de números natu-
PROPOSiÇÃO 2.
rsi, tem elemento mlnimo.
(Basta considerar o conjunto A' dos nómeros inferiores ou iguais a todo o elemento de A e ver que: 1.° A' não é vazio; 2.° A' é limitado; 3.° max A' = min A.) O . mais curioso é que, a partir da PROPOSiÇÃO 2 e dos axiomas A1-A4 dos nómeros naturais, se pode demonstrar o PRINCIpIO DE INDUÇÃO EM IN (definindo a relação < a partir da adição, como se tem indicado, e o nómero 1 como o primeiro elemento de IN).
Com efeito, seja X um subconjunto de IN que verifica as duas seguintes condições: 1EX,
nEX~n+1EX
Queremos provar que X = IN. Suponhamos o contrário, isto é, que X .f. IN, e seja Y o complementar de Xem IN, isto é:
Então Y não é vszio e tem, portanto, um elemento mlnimo, m. Mas m.f. 1 e m - 1 E X (porqu§?). Portanto m E X (porqu§ 1). Mas isto é imposslvel, porque m EY.
Assim, em conclusão: A PROPOSiÇÃO 2 é equivalente ao PRINCIpIO DE INDUÇÃO EM IN,
desde que 8e admitam os axiomaa A1-A4, bem como a8 referidas
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definições da relação < e do número 1. E ·o . mesmo se pode dizer quanto à PROPOSiÇÃO 1, visto que: PRINCIpIO DE INDUÇÃO EM IN ~ PROPOSiÇÃO 1 PROPOSiÇÃO 1 ~ PROPOSiÇÃO 2 PROPOSiÇÃO 2 ~ PRIN~rPIO DE INDUÇÃO EM IN .
.
Verifica-se, pois, equivalência entre as três proposições conside- . radas, desde que se admitam os axiomas A1-A4 e as referidas definições (1) . E não havérá circulo vicioso na teoria dedutiva, desde que uma destas proposições seja admitida como axioma. ·
3.
Vejamos, agora, o que se passa no universo IR, quanto às
propriedades de máximo e de minimo. Para isso, convém desde já Introduzir as seguintes definições: Dado um conjunto A de números reais, diz-se que um número real k é majorante de A, sse k é superior ou iguala todo o elemento de A, isto é, sse: 'ltfxeA
:. k>x
Diz-ae que k é mlnorante de A, sse: 'ltfxeA
: k~ x
( , ) Pode parecer que, para provar que /I prop. 1 Implica a prop. 2, ..Ja n.c .... rlo admitir como axioma a exllt'ncla do primeiro tltmtnto dt IN. Um. In.lIl. mlll flnl di qutetlo moltrl que til nlo • n.c....rlo.
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GUIA. DO OOMP'8NDIO DEMATEMATIOA
.O conjunto A diz-se limitado superiormente, sse existe pelo menos um majorante de A em IR; diz-se limitado inferiormente, sse existe pelo menos um minorsnte de A em IR; diz-se limitado, sse é limitado superiormente e limitado inferiormente. Por exemplo. o conjunto R +
é limitado inferiormente, o conjunto IR - é limitado superiormente e o conjunto [0,1] é limitado. Se existe um majorante de A que seja elemento de -se elemento máximo (ou último elemento) de
A. este chama-
A. e representa-se
por max A. Se existe um minorante de A · que seja elemento de A. este chama-se elemento mlnimo (ou primeiro elemento) de
A. e
representa-se por min A. Por exemplo:
max [O. 1]
=1
• min [O, 1] = O
Estas definições podem ser estendidas a qualquer conjunto
ordenado, em vez de IR. Quando se trata do conjunto ordenado (IN. <). todo o conjunto A contido em IN é limitado inferiormente; por isso, neste caso, dizer que o conjunto A é limitado superiormente equivale a dizer que ·é limitado, o que justifica a definição deste conceito dada no ·número anterior.· Voltemos ao universo IR e seja A, por exemplo, o conjunto dos
números positivos menores que 1, (1 )
i~to
é:
A = {x : O < x < 1} .= ]0, . 1 [ Este conjunto é, evidentemente, limitado: são majorantes de A
o número 1 e qualquer nI:Jmero maior que 1; são minorantes de
A.
o número O e qualquer número negativo. Mas. pergunta-se:
Tem este conjunto elemento máximo? . Tem este conjunto elemento mlnimo? 183
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J. SEBABTIAO RI SILVA
A resposta a qualquer das perguntas é negativa, embora o conjunto sejs limitado. Com efeito, vejamos:
o número 1 é majorante de A, mas não pertence a A.
Se existisse
um elememo m máximo de A, teria de ser, segundo '(1 ):
m< 1 Mas então existiria, pelo menos, um número real m' tal que
(2)
m < m' < 1 , por exemplo m'
= m + -1-m -2
m
m'
O !----------------------------~I-----~----I
1
EntAo, segundo (1), m' seria elemento de A, e, segundo (2), m nlo seria elemento máximo de A, contra a hipótese. Analogamente se prova que não existe mfnimo de A. Assim, como se vê, a PROPOSiÇÃO 1 do número anterior não se estende a IR. No entanto, observa-se o seguinte: . A demonstração anterior mostra que 1 é o menor dos majorsntes de A e que O é o maior dos minorantes de A. Exprimem-se
estes factos dizendo que 1 é.o extremo superior (ou o supremo) de A e que O é o extremo inferior (ou o Infimo) de A; e escrevendo:
1
= sup
A , O = inf A
Dum modo geral: DEFINIÇOES.
Diz-se que k 6 o supremo de um conjunto A
(limitado superiormente), sse k 6 o menor dos majorant•• de A,
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GUIA DO OOMPIlNDIO DE MATEMATIOA
isto é, o elemento minimo do conjunto dos majorantes de A. Diz-se que k é o Infimo de um conjunto A (limitado inferiormente), ssek é o maior dos minorantes de A, isto é, o elemento máximo do conjunto dos minorantes de A. No primeiro caso escreve-se k = sup A e no segundo k = inf A. Facilmente se reconhece que um conjunto não pode ter mais de um supremo nem mais de um ínfimo. Por outro lado, é evidente que
Por
sup A
= max A
inf A
= min A
, sse sup A , sse inf A
E
E
A
A
êxemplo~
sup ]0, 2] inf Mas nlo exilte max
= max ]0,
2]
=2
[O, 2[ = min [O, 2[ =
°
[O, 2[, porque 2 rF [O, 2[ , etc.
Analogamente, se designarmos por M o conjunto dos números
inversos dos números naturais, isto é: 1
3 teremos sup M = 1 = max M
,
, inf M
...
,
1
n
,
...
}
°
= rF M.
Ora a propriedade que, em IR, substitui a PROPOSiÇÃO 1 (em IN) é a seguinte:
Todo o conjunto de números reais limitado ,up,riormente tem supremo em IR, PROPOSiÇÃO 1',
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J . SEBASTIil.O E SILVA
Esta propriedade pode ser demonstrada, se admitirmos que os
números reais são representados pelas dízimas infinitas (precedidas ou não do sinal -). com as convenções usuais relativas à relação <. Com efeito, seja A um conjunto de números reais limitado superiormente. Dois casos se podem dar: 1.°
3X EA: x > O. Ponhamos A+ = {x: x EA 1\ x > O}. Então A+
não é vazio e o conjunto das partes inteiras dos elementos de A +
é limitado (porquê?) . Seja ao o elemento máximo desse conjunto de inteiros e designemos por A ~ o conjunto dos elementos de A + cuja parte inteira é ao. Então A ~ não é vazio. Seja a, o maior dos
algarismos das décimas dos elementos de A ~ . Dum modo geral , seja (')
an+ = máx. algaris+mo decimal de ordem
n dos elementos de A~
{ A +, = {x : x EA 1\ algarismo decimal de ordem n de x = an} n n Posto isto, seja s o número representado pela dizima infinita cuja parte inteira é ao e cujo algarismo decimal de ordem n é an , 'v'n E IN; isto é, em notação intuitiva:
s=a o, a,a 2 ... an ... ( 2) Então s = sup A+ = supA
( 1)
Seria mais correcto dizer: 'a n é o maior dos números representados pelos
algarismos decimais de ordem
(2)
n
dos elementos de A +',
Se a dizima for periódica do per/odo 9. pode substituir·se pela dízima
normal equivalente.
186
(porquê?) .
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GUIA DO OOMP1!:NDIO DE MATEMATICA
2.°
'rIxEA: x ';; O. Tomemos arbitrariamente aEA
, k < a, e
seja B o conjunto dos números y = x - k com XEA.
a
k
Então O < a - k E B
o
e assim B está no 1.° caso:
Seja r = sup B, s = r + k. Então s = supA
(porquê?).
DA PROPOSiÇÃO l ' fácilmente se deduz a seguinte:
PROPOSiÇÃO 2'.
Todo o conjunto de números reais limitado
inferiormente tem Infimo em IR. Com efeito, se for A um tal conjunto e se designarmos por M o conjunto dos minorantes de A. M é limitado superiormente e é fácil ver que sup M = max M = inf A. De modo análogo
podlamos deduzir a PROPOSiÇÃO l ' da
PROPOSiÇÃO 2'. Ora bem:
A PROPOSiÇÃO l' (ou a PROPOSiÇÃO 2' equivalente) é muitas vezes tomada como axioma da teoria dos números reais, desempenhando aI papel análogo ao do PRINCiPIO DE INDUÇÃO EM IN
4.
Para ver como a PROPOSiÇÃO l' pode ser tomada para
axioma de uma teoria dedutiva dos números reais, convém adaptar o ponto de vista geral das estruturas de ordem. Consideremos um conjunto ordenado (U,~) qualquer (subentende-se que se trata de uma relação de ordem total estrita). As definições de 'majorante', 'minorante', 'supremo', 'Infimo', etc. podem
187
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J. SEBASTIAO E SILVA
ser dadas como em IR. Para indicar que um elemento k de U é majorante ou minorante de um subconjunto A de U, escreveremos, respectivamente: A:ik , k:iA(')
Será pois, por definição: A -< k
~
'fIx e A
x -< k
e analogamente para k -< A.
Por sua vez, as definições de sup e max serão: m = sup A ~ A -< m A (A -< k m
t
m :i k)
= max A ~ m = sup A 1\ m E A
Analogamente se definem inf e mino Designando agora por
.I!., a classe dos conjuntos limitados
superiormente em U, tem-se, por definição: Ae.l!.,
<:>
3keU
Analogamente se define a classe
: A-< k
.ei
dos conjuntos limitados
Inferiormente. Posto isto: DEFINIÇÂO~
( ,)
188
Diz-se que o conjunto ordenado U é completo
Recordemos que o linal :i se lê 'precede ou 6 igual e',
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GUIA. DO COMP8NDIO DE MATEMATICA
sse todo o conjunto limitado superiormente em U tem supremo emU, isto é, sse:
"I A E S , 3m EU:
m .J!.= sup A
Fôacilmente se reconhece que esta condição é equivalente à seguinte:
"I A E.J!.i , 3m EU: m = inf A
A propriedade de ser completo chamaremos 'completude'. Desde logo se vê que são completos os conjuntos IN, IN o e l, com a relação de ordem usual. Mas, em qualquer destes casos, o supremo é sempre máximo e o Intimo é sempre mlnimo. Vejamos ainda um exemplo concreto. Seja rf) o conjunto das palavras do Novo Dicionário da Llngua Portuguesa, de Cândido de Figueiredo. ~ evidente que (j), com a ordem alfabética, é um conjunto ordenado completo (limitado). Seja rtJ B o conjunto das palavras de (j) começadas por · 'B'; o supremo de rO B é a palavra 'Bisantino', que, por pertencer a
'lJB,
é também o máximo (ou
último elemento) deste conjunto. Aliás, é intuitivo e pode-se provar que:
Se um conjunto ordenado U é finito, todo o subconjunto de U tem primeiro elemento e último elemento (e portanto U é completo). A recIproca desta proposição também é verdadeira e pode servir para uma nova definição de 'conjunto finito'. Vejamos mais dois exemplos: 1)
Designemos por (Q- o conjunto de todos os números reais
que podem ser representados por dIzimas finitas, precedidas ou não
189
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
J. SEBASTIÃO E SILVA
do sinal -.
!:
claro que
(a- dO.
Será (O- um conjunto ordenado
completo (com a relação de ordem usual) 7
!:
fácil ver que não.
Seja, por exemplo, A o conjunto dos números ~6
;
~66
;
~666
;
, • •
I
representados por todas as dizimas finitas cuja parte inteira é O e cujos algarismos decimais são todos 6. O conjunto A tem Supremo em
(a (o número 2/3), mas não em(O-, visto
que 2/3 não é represen-
tável por nenhuma dizima finita.
O conjunto O dos números racionais, ordenado segundo o critério usual, não é completo. S~j a, por exemplo, A o conjunto dos números racionais cujo quadrado é menor que 2: 2)
Este conjunto tem supremo em IR (o número em ta, visto que
'/2
\1'2), mas r.ão
não é racional.
O conjunto ordenado IR obtém -se precisamente completando lO (ou
«r).
5.
Chegou, agora, o momerito de apresentar uma axiomática dos
números reais em termos de 'aaição', 'multiplicação' e 'relação de
grandeza'. Trata-se de caracterizar axiomaticamente o sistema (IR, +, x, <). Uma ~al carac\erização pode ser a seguinte: J)
li)
IR é um corpo a respeito das operações + e x. IR é um conjunto ordenado completo, a respeito da rela. ção <.
190
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
GUIA DO aOMP8NDIO DEMATEMATICA
IH) 'Ia, b,c E IR
: a<
b~
a+c< b+c
IV) 'Ia, b, c E IR : a < b 1\ c > O ~ ac < bc
A propriedade 111 é a monotonia da adição e a propriedade IV, a
monotonia parcial da multiplicação.
t: claro que esta axiomática se apresenta já extremamente condensada. Assim, o axioma I é a conjunção dos seguintes: axiomas de grupo comutativo (IR, +), axiomas de semigrupo comutativo (IR, x), axiomas da existência de elemento unidade, axioma da existência de inverso para todo o elemer.to :f: O e distributividade da multiplicação a respeito da adição. Por sua vez, o axioma 11 é a conjunção dos seguintes: axioma de conjunto ordenado e
axioma da completude. Provaremos mais adiante que esta axiomática é categórica, isto é, que duas realizações da axiomática são necessariamente
isomorfas (a respeito das operações +, x e da relação < ). Por conseguinte, a axiomática define efectivamente a estrutura do corpo ordenado (I R, +, ., <), mas não o conceito de número real. Assim, todas as proposições verdadeiras relativas a números reais - todos os teoremas de análise real - podem ser demonstradas a partir do anterior sistema de axiomas e das definições que forem sendo introduzidas para simplificar a linguagem. Quanto ao conceito de número real, já sabemos que surge naturalmente no PROBLEMA DA MEDIÇAo
DE
GRANDEZAS
(de
que trataremos mais adiante), assim como o conceito de número
natural nasce do problema da
CONTAGEM DOS ELEMENTOS DE UM
CONJUNTO FINITO.
191
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
J ••II.~.""~O
6.
(a·,
•
IIZ.VA.
Observemos entretanto que, nOI conjuntos ordenados (Q,
IR, etc., se verifica a seguinte propriedade, muito importante:
Quaisquer que sejam os elementos a, b, sendo a "" b, existe sempre, pelo menos, um elemento x do conjunto situado entre a e b. Com efeito, em qualquer dos conjuntos considerados, existe por exemplo o número x
= a; b
, que está situado entre
a
e b.
Assim, se for por exemplo a < b, tem-se 2a < a + b < 2b, donde, dividindo por 2:
a< a +b < b 2 Ora bem:
I.
Diz-se que um conjunto ordenado U é denso, sse tem mais
de um elemento e possui a referida propriedade. Esta pode traduzir-se do seguinte modo: Va,b E IJ
11.
a ~ b=> 3x E U
a~x~b
Diz-se que um conjunto ordenado U é contInuo, sse é denso
e completo. Desde logo se vê que: Os conjuntos IN, IN o e Z não são densos e, portanto, nlo são contInuas, embora sejam completos. 1)
2) Os conjuntos CO e (a· são densos, mas não contInuas, visto que não são completos. 192
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
GU/A. DO OOJlP.ND/O DB JlA'l'EJI.I.'l'/OA.
O conjunto IR é
3)
dens.o e completo; portanto contInuo. E o
mesmo se pode dizer dos conjuntos IR +. IR- e. dum modo geral. de todos os intervalos em IR que não se reduzem a um ponto. Convém. agora. registar uma terceira definição: Diz-se que um conjunto ordenado U é
111.
discreto, sse todo o
subconjunto limitado de U. não vazio. tem máximo e tem mini mo em U.
todo o conjunto discreto é completo, mas nio continuo. Com efeito, seja a um elemento qualquer de um Desde logo se vê que
conjunto discreto; então. três casos se podem dar: 1.° 3xeU
: a -< x. Neste caso. seja
Xo
um tal elemento e
ponhamos
Como A é limitado tem mlnimo em U: seja min A = b. Então é claro que -3xeU: a-< x-< b e diz-se que b é o
sucessor de a (ou que a é
o antecessor de b). 2. 0
•
3xeU
: x -< a. Analogamente se prova que. neste caso,
a tem antecessor em U. 3. o
U tem um só elemento. Neste caso U
também não é denso,
por definição. Posto isto, não é diflcil reconhecer que:
Todo o conjunto ordenado discreto, com primeiro elemento · e sem último elemento, é isomorfo a IN. Todo o conjunto ordenado discr8to sem primeiro ti sem último elemento é isomorfo a l. Todo o .conjunto ord8nado discreto com primeiro e com último elemento é finito. 193
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
J. BEBAB'I'IAO li BJ.LVA.
Vemos pois, aqui, caracterizações axiomáticas dos conjuntos ordenados IN (ou IN o ) e l. Quando um 'conjunto discreto U tem primeiroslemento, chaml3-se segundo elemento de U o sucessor do primeiro, terceiro elemento de U o sucessor do segundo, e assim sucessivamente. Os adJt;tctivos 'primeiro', 'st;tgundo', 'terceiro', etc., são numerais ordinais, que se distinguem nitidamente dos numerais cardinais 'um', 'dois', 'três', etc. Convém ainda notar que um conjunto ordenado pode não IIr discreto e não ser continuo; · exemplos: os conjuntos (O, (Q+,
O·, etc.
7.
Põe-se, agora, a seguinte questão:
Entre as noções anleriores, qual o mlnimo que se deverá exigir um aluno do 3.° ciclo? Em primeiro lugar, parece-nos que seria conveniente dar-lhes as noçÕes de 'majorante', 'minorante', '.supremo', 'infimo', 'máximo',
8
'minimo' (de um conjunto), bem como as de 'conjunto ordenado completo', 'conjunto ordenado denso', 'conjunto ordenado continuo' e 'conjunto ordenado discreto' - com exemplos, mas sem demonstrações. Em segundo lugar, haveria todo o interesse em apresentar-lhes uma axiomática da teoria dos números reais, como a anterior. Mas não conviria ficar por aqui: mais tarde, quando o condlclonalismo do i'lossoensino secundário o permitiS$8, deveriam fazer-se algumas demonstrações em que interviesse o AXIOMA DA COMPJ..ETUDI:, para o aluno ficar a ter uma ideia do seu papel na estruturação lógica da análise -papel esse compar6veJ ao do PRINCiPIO DE INDUÇÃO em IN, como já foi observado 8tr61. Na verdade, quase todos os teoremas importantes da análise fazem intervir o axioma da completude: deixam de ser verdadeiros 194
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
GUIA DO aOMPSNDlO DE MATEMATlOA
num domlnio em que não se verifique tal axioma (por exemplo em 10). Exemplos de teoremas em que intervém o . axioma da completude: 1)
Teoremas de Cauchy e de Weierstrass sobre funções contI-
nuas (em particular, o teorema de Cauchy permite afirmar a existência , ' de 'lia e lo9ba, va,b E IR+; n E IN, com b #- 1). Os teoremas que relacionam o sinal da derivada de. ums função num dado intervalo com o sentido da variação da função nesse intervalo. 2)
3)
O teorema segundo o qual toda a função contInua num inter-
valo limitado e fechado é integrável nesse intervalo. O teorema segundo o qual toda a função monótona num intervalo limitado é integrável nesse intervalo. 4)
Acontece, porém, que as demonstrações destes teoremas são pouco acesslveis a alunos do 3.° ciclo; a não ser talvez as . dos teoremas indicados em 1) e 2), que foram admitidos intuitivamente (trata-se efectivamente de factores muito intuitivos). Haveria bastante interesse em que, pelo . menos os alunos muito bons, vissem a demonstração de alguns desses teoremas.
E, para tornar mais atraente · o assunto, conviria mostrar-lhes primeiramente que, tal como sucede com o PRINCiPIO D.E INDUÇÃO MATEMÁTICA, o PRINCiPIO DE COMPLETUDE dá origem a novos
métodos de racioclnio dedutivo, alguns dos quais se podem apresentar com aspecto bastante pitoresco, apto a excitar a imaginação juvenil, Um desses é o METoDO DAS SUBDIVISOES SUCESSIVAS DE INTERVALOS, a que · certo matemático chamou humoristicamente, 'METoDO DE CAÇAR LEOES', Em vez de 'leões',
195
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
J. BIIB~ll'l'l"O • llIL"~
poderfamol falar de 'jaca rês', 'bandidos', •pulgas', 'mixordeirol', etc.: depende do gosto e da fantasia de cada um. Adoptando a In.terpretação de caça aos bandidos' ou'caça aOI mheordeiros' o método pode ser apresentado sob a forma de h/st6r/s de tipo policisl, que, como já sabemos, se presta muito para exemplificações de raciocrnio lógico. Imaginemos a seguinte versão: 'Na cidade X do pais Y começaram a apareCér no mercado grandes quantidades de carne ensacada imprópria para o consumo. Posta em campo a policia. de.cobriu-se que o artigo provinha de certo bairro da cidade.
~
r
Para proceder metodicamente. a policia marcou, numa planta da cidade, o bairro em questão. traçando 11 sua volta um rectAngulo R. que dividiu em 4 rectAngulos iguais. Após várias pesquisas, as suspeitas concentraram-se principalmente num desses ractAngulos, R l ' Este foi então dividido em quatro ractlngulos, R 2' Procedendo assim, por aproxlmaçlJas sucasslvas, a pOlicia acabou por se encontrar defronte de um .tapume alto, entre doia prédioa. Ora, atrás do tapume e encoberto por este, achava-se uma vivenda de aspecto romAntico, melo arruinada: era ali que se fabricavam (pelo menos em parte)
OI
referidos produtos
de salsicharia. Com grande surpresa. verificou-"8 que estes eram feitoa com carne de jumento 1'( 1)
(1)
O caso deu muito que falar e a argOcia dos detectiva. foi justamente
louvada. Aliás, tudo dacorreu pacata manta - sam aqualas cenas emoclonant..
19'6
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
GUIA. DO OOMP.NDIO DII MA.'l'IIMÁ'l'IOA.
Como se pode ajuizar por este exemplo pitoroico, o MtrODO DAS
é já em si um m()todo de apro-
SUBDIVISOES SUCESSIVAS
ximações sucessivas. Na realidade, os variadlssimos métodos de aproximações sucessivas que se usam na prática do cálculo numérico
exigem o axioma da completf!de, para poderem ser inteiramente justificados. No exemplo anterior, tal como foi esboçado, o método é aplicado no plano. Na racta, em vez dos rectângulos R, R" R 2'
... ,
é-se
conduzido a uma sucessão de intervalos, I=[a,b]
, 11 =[a 1,b 1]
, ...
, In=[an,bn], ...
cada um dos quais, a partir do segundo, é uma metade do anterior: (1)
(2)
a~a1~.·.~an~""
b-a b1 -a 1 =-2
b~b1~· .. ~bn~'"
b-a b -a = - - , 2 2 4
...
b-a , bn-a n = - , n
2
...
a2
b2 b, 1------------1---11-1-'-1------11
a
8,
a3
b3
b
Nestas cordições, a sucessão an converge para um número À (por ser limitada e crescente em sentido lato), a sucessão bn con-
dos filmes de susptlnss, com que, por esse mundo fora, a TV se esforça por melhorar o intelecto e os instintos dos cidadlios. O método seguido foi, na verdade, engenhoso. ~ claro que há muitos outros processos para detectar mixordeiros. Mas, como a imaginaçlio humana não tem limites, silo também muitos os modos de vender carne de jumento.
197
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
.T. SEBASTIAO E SILVA
verge para um
núm~ro
lato) e tem-se
À
fi (por ser limitada e decrescente em sentido
= fi. visto que. de (2). resulta:
b-a
0 lim bn - lim a = lim - = n 2n Em conclusão:
Existe um e um s6 ponto À que pertence a todos os intervalos I. I, • .. .• In • ... nas condições indicadas. Este ponto
À
é o leão que foi caçado. segundo a primeira inter-
pretação humorlstica que foi citada ( '). Resta um ponto importante a esclarecer:
Onde intervém aqui o axioma da completude 7 " precisamente na existência do limite das sucessões an • bn. No 2.° volume do Compêndio. p. 85. o CRlnRIO DE CONVER-
admitindo que . os números reais são representados pelas dizimas infinitas segundo as convenções usuais. Ora é ai mesmo que intervém GeNCIA DAS SUCESSOES MONÓTONAS é demonstrado.
o axioma .
•
( ')
No plano. as consideraçOes slo análogas. tomando
8S
coordenadas
dos vénices dos sucessivos restlngulos considerados. Analogamente para o espaço. tomando paraleliplpedos em yez de rectangulos.
198
Guia para a Utilização do Compêndio de Matemática, 2º e 3º volumes, Racionalização Matemática do Contínuo
,
Indice Plg,. Considerações de ordem geral ., . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
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 ..............
95
V ....;.. Indução experimental e indução matemática..................
131
VI - Racionalização matemática do continuo ...............•.....
1 81
199