Trigonometría racional

La trigonometría racional es una reformulación de la métrica del plano y de la geometría del espacio (que incluye la trigonometría) propuesta por el matemático canadiense Norman J. Wildberger, profesor asociado de matemáticas en la Universidad de Nueva Gales del Sur. Sus ideas se exponen en su libro de 2005 "Divine Proportions: Rational Trigonometry to Universal Geometry" (Proporciones divinas: de la Trigonometría Racional a la Geometría Universal).^[1] Según la revista New Scientist, parte de su motivación para una alternativa a la trigonometría tradicional era evitar algunos problemas que afirma que ocurren cuando se usan series infinitas en matemáticas. La trigonometría racional evita el uso directo de funciones transcendentes como el seno y las funciones trigonométricas, sustituyéndolas por sus equivalentes al cuadrado.^[2] Wildberger se inspira en los matemáticos anteriores a la teoría de conjuntos infinitos de Georg Cantor, como Carl Friedrich Gauss y Euclides, quienes asegura que eran mucho más cautelosos al usar conjuntos infinitos que los matemáticos modernos.^[2]^{[nb 1]} Hasta la fecha, la trigonometría racional no se menciona en la literatura matemática convencional.

Enfoque

La trigonometría racional sigue un enfoque basado en aplicar los métodos del álgebra lineal a los temas de geometría elemental (nivel de secundaria). El concepto de distancia se reemplaza por su valor al cuadrado (cuadranza) y la idea de ángulo se reemplaza por el valor al cuadrado de la proporción del seno usual (extensión) asociado a cualquier ángulo entre dos líneas. (El complementario de la extensión, conocido como cruce, también corresponde a una forma escalada del espacio prehilbertiano entre segmentos de línea tomados como vectores). Las tres leyes principales de la trigonometría, el teorema de Pitágoras, el teorema de los senos y el teorema del coseno, se dan en forma racional (con equivalencia a los valores al cuadrado) y se complementan con otras dos leyes: la fórmula de la cuadranza triple (que relaciona las cuadranzas de tres puntos colineales) y la fórmula de la extensión triple (relacionada con las extensiones de tres líneas concurrentes), dando las cinco leyes fundamentales del tema.

La trigonometría racional, por lo demás, se basa ampliamente en la geometría analítica cartesiana, con un punto definido como un par ordenado de números racionales

(x, y)

y una línea en la forma

a x + b y + c = 0,

una ecuación de primer grado general con coeficientes racionales Plantilla:Mvar, Plantilla:Mvar y Plantilla:Mvar.

Al evitar los cálculos que dependen de operaciones como la raíz cuadrada que dan solo distancias aproximadas entre puntos o funciones trigonométricas estándar (y sus inversas), dar solo polinomios truncados como aproximaciones de ángulos (o sus proyecciones), la geometría se vuelve completamente algebraica. En otras palabras, no se asume la existencia de soluciones en forma de números reales a los problemas, sino que los resultados se dan en el campo de los números racionales, su extensión algebraica o cuerpo finito. A continuación, se afirma, esto hace que muchos resultados clásicos de la geometría euclidiana se apliquen en forma racional (mediante análogos cuadráticos) sobre cualquier campo que no sea de característica dos.

El libro Proporciones divinas muestra la aplicación del cálculo utilizando funciones trigonométricas racionales, que incluyen cálculos de volumen tridimensional. También se ocupa de la aplicación de la trigonometría racional a situaciones que involucran elementos irracionales, como la prueba de que todos los sólidos platónicos tienen diferenciales racionales entre sus caras.^{[nb 2]}

Repercusión y crítica

La trigonometría racional se menciona solo en un número modesto de publicaciones matemáticas, además de en los propios artículos y libros de Wildberger. Proporciones divinas fue descartada por el crítico Paul J. Campbell, quien escribió en el Mathematics Magazine de la Mathematical Association of America (MAA): "El autor afirma que esta nueva teoría requerirá 'menos de la mitad del tiempo habitual para aprender'; pero lo dudo, y aún tendría que estar conectado con los conceptos y la notación tradicionales".

El crítico William Barker, profesor Isaac Wing de Matemáticas en el Bowdoin College, que también escribió para el MAA, fue más aprobador: "«Proporciones divinas» es sin dudas una valiosa adición a la literatura matemática. Desarrolla cuidadosamente un pensamiento estimulante, inteligente, y un enfoque alternativo útil para la trigonometría y la geometría euclidiana. No sería sorprendente que algunos de sus métodos finalmente se filtren en el desarrollo estándar de estos temas. Sin embargo, a menos que haya un cambio inesperado en los puntos de vista aceptados de los fundamentos de las matemáticas, la trigonometría racional no muestra razones de peso para reemplazar a la teoría clásica".^[3]

Amanda Gefter, de New Scientist, describió el enfoque de Wildberger como un ejemplo de finitismo.^[2] James Franklin en The Mathematical Intelligencer argumentó que el libro merecía una consideración cuidadosa.^[4]

Un análisis de Michael Gilsdorf de los mismos ejemplos de problemas trigonométricos utilizados por Wildberger en un artículo anterior, concluyó que una de las afirmaciones efectuadas (que la trigonometría racional toma menos pasos para resolver "la mayoría" de los problemas en comparación con los métodos clásicos) puede no ser cierta si es libre la selección de métodos que está disponible para la solución óptima de un problema; como usar la fórmula del área de Gauss para el área de un triángulo a partir de las coordenadas de sus vértices, o aplicar el caso especial del teorema de Stewart directamente a un triángulo con una mediana conocida. En cuanto a la pedagogía, y si las cantidades cuadráticas introducidas por la trigonometría racional ofrecen beneficios reales sobre el aprendizaje tradicional del sujeto, el autor hizo observaciones adicionales de que la trigonometría clásica no se basaba en el uso de series de Taylor para aproximar ángulos, sino en mediciones de la cuerda (dos veces el seno de un ángulo), y así, con una comprensión adecuada, los estudiantes podrían obtener ventajas del uso continuado de la medición lineal sin las incoherencias lógicas reclamadas cuando se introduce posteriormente la parametrización circular mediante el ángulo.^[5]

Cuadranza

La cuadranza y la distancia (como su raíz cuadrada) miden la separación de puntos en el espacio euclidiano.^[6] Siguiendo el teorema de Pitágoras, la cuadranza de dos puntos Plantilla:Math y Plantilla:Math en un plano, se define como la suma de los cuadrados de las diferencias entre las coordenadas $x$ e $y$ de dos puntos:

Q (A_{1}, A_{2}) = (x_{2} - x_{1})^{2} + (y_{2} - y_{1})^{2} .

La desigualdad triangular $d_{3} \leq d_{1} + d_{2}$ se expresa en trigonometría racional como $(Q_{3} - Q_{1} - Q_{2})^{2} \leq 4 Q_{1} Q_{2}$ .

Extensión

La extensión da una medida a la separación de dos líneas mediante una sola magnitud adimensional en el rango Plantilla:Math (de paralelo a perpendicular) para la geometría euclidiana. Reemplaza el concepto de (y tiene varias diferencias con) el ángulo discutido en la sección que figura a continuación. Las descripciones de la extensión pueden incluir:

Trigonométrica (la más elemental): es la relación senoidal entre las cuadranzas de un triángulo rectángulo (izquierda) y por lo tanto equivale al cuadrado del seno del ángulo.^[6] Al extender el lado Plantilla:Mvar para formar parte del diámetro unitario de un círculo y considerando triángulos semejantes (derecha), la extensión se mide por la longitud del segmento exterior, igual a la mitad (1 menos el coseno del [[Ángulo central|doble del ángulo en Plantilla:Mvar]]) y, por lo tanto, su verseno.

Vectorial: como una función racional de las direcciones relativas (o pendientes) de un par de líneas donde se encuentran.

Cartesiana: como una función racional de las tres coordenadas utilizadas para caracterizar dos vectores.

Álgebra lineal (del producto de punto): una función racional normalizada: el cuadrado del determinante de dos vectores (o un par de rectas que se intersecan) formando una matriz dividida por el producto de sus cuadranzas.

Cálculo de la extensión

Trigonométrico

Supóngase que dos líneas, Plantilla:Math y Plantilla:Math, se cruzan en el punto Plantilla:Mvar como se muestra a la derecha. Elíjase un punto Plantilla:Math en Plantilla:Math tal que Plantilla:Mvar sea el pie de la perpendicular desde Plantilla:Mvar a Plantilla:Math. En consecuencia, la extensión de Plantilla:Mvar es^[6]

s (ℓ_{1}, ℓ_{2}) = \frac{Q (B, C)}{Q (A, B)} = \frac{Q}{R} .

Vector/pendiente (dos variables)

Al igual que el ángulo, la extensión depende solo de las pendientes relativas de dos líneas (se eliminan los términos constantes) y es invariable bajo la traslación (es decir, se conserva cuando las líneas se mueven manteniéndose paralelas a sí mismas). Entonces, dadas dos rectas cuyas ecuaciones son

a_{1} x + b_{1} y = constant y a_{2} x + b_{2} y = constant

se pueden reescribir como dos rectas que se encuentran en el origen Plantilla:Math con ecuaciones

a_{1} x + b_{1} y = 0 y a_{2} x + b_{2} y = 0

En esta posición, el punto Plantilla:Math satisface la primera ecuación y Plantilla:Math satisface la segunda y los tres puntos Plantilla:Math, Plantilla:Math y Plantilla:Math que forman la extensión darán tres cuadranzas:

\begin{matrix} Q_{1} & = (b_{1}^{2} + a_{1}^{2}), \\ Q_{2} & = (b_{2}^{2} + a_{2}^{2}), \\ Q_{3} & = {(b_{1} - b_{2})}^{2} + {(a_{1} - a_{2})}^{2} \end{matrix}

La ley cruzada -véase más adelante- en términos de extensión es

1 - s = \frac{(Q_{1} + Q_{2} - Q_{3})^{2}}{4 Q_{1} Q_{2}} .

que se convierte en:

1 - s = \frac{{(a_{1}^{2} + a_{2}^{2} + b_{1}^{2} + b_{2}^{2} - (b_{1} - b_{2})^{2} - (a_{1} - a_{2})^{2})}^{2}}{4 (a_{1}^{2} + b_{1}^{2}) (a_{2}^{2} + b_{2}^{2})} .

Esto se simplifica en el numerador a Plantilla:Math, dando:

1 - s = \frac{{(a_{1} a_{2} + b_{1} b_{2})}^{2}}{(a_{1}^{2} + b_{1}^{2}) (a_{2}^{2} + b_{2}^{2})} .

(Nota: Plantilla:Math es la expresión del cruce, el cuadrado del coseno de cualquier ángulo entre un par de rectas o vectores, que da su nombre a la ley cruzada).

Luego, usando la identidad de Brahmagupta

{(a_{2} b_{1} - a_{1} b_{2})}^{2} + {(a_{1} a_{2} + b_{1} b_{2})}^{2} = (a_{1}^{2} + b_{1}^{2}) (a_{2}^{2} + b_{2}^{2}),

la expresión estándar para la extensión en términos de pendientes (o direcciones) de dos líneas se convierte en

s = \frac{{(a_{1} b_{2} - a_{2} b_{1})}^{2}}{(a_{1}^{2} + b_{1}^{2}) (a_{2}^{2} + b_{2}^{2})} .

En esta forma (y en su equivalente cartesiano que se muestra a continuación) una extensión es la relación de cuadranzas según el determinante de dos vectores (numerador) y el producto de sus cuadranzas (denominador).

Cartesiano (tres variables)

Esto reemplaza a Plantilla:Math con Plantilla:Math, Plantilla:Math con Plantilla:Math y el origen Plantilla:Math, como el punto de intersección de dos líneas, con Plantilla:Math en el resultado anterior:

s = \frac{((y_{1} - y_{3}) (x_{2} - x_{3}) - (y_{2} - y_{3}) (x_{1} - x_{3}))^{2}}{((y_{1} - y_{3})^{2} + (x_{1} - x_{3})^{2}) ((y_{2} - y_{3})^{2} + (x_{2} - x_{3})^{2})} .

Extensión en comparación con el ángulo

A diferencia del ángulo, que puede definir una relación entre rayos que emanan de un punto, mediante una parametrización de la medida del arco, y donde un par de líneas se pueden considerar cuatro pares de rayos, formando cuatro ángulos, la extensión es fundamental en la trigonometría racional, que describe dos líneas mediante una sola medida de una función racional (véase arriba).^[6] Equivale al cuadrado del seno del ángulo correspondiente Plantilla:Mvar (y al verseno de la base de la cuerda del ángulo doble Plantilla:Math), por lo que con esta notación la extensión de un ángulo y el propio ángulo son iguales.

Extensión	Ángulo (Plantilla:Mvar)					Valor
Plantilla:Math	Cuadrantes	Vueltas	Radianes	Grados sexagesimales	Grados centesimales	Unidad
0	0	0	0	0°	0^g
Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	30°	Plantilla:Sfrac^g
Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	45°	50^g
Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	60°	Plantilla:Sfrac^g
1	1	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	90°	100^g	Rectas ortogonales
Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	120°	Plantilla:Sfrac^g
Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	135°	150^g
Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	Plantilla:Sfrac	150°	Plantilla:Sfrac^g
0	2	Plantilla:Sfrac	π	180°	200^g

La extensión no es proporcional, sin embargo, a la separación entre líneas como sería el ángulo; con extensiones de 0, Plantilla:Sfrac, Plantilla:Sfrac, Plantilla:Sfrac y 1 correspondientes a ángulos espaciados de forma desigual 0°, 30°, 45°, 60° y 90°.

En cambio, (recordando la propiedad suplementaria) dos extensiones iguales y de terminal común, determinan una tercera extensión, cuyo valor será una solución de la fórmula de la extensión triple para un triángulo (para tres rectas concurrentes) con extensiones Plantilla:Mvar, Plantilla:Mvar y Plantilla:Mvar:

\begin{matrix} (2 s + r)^{2} & = 2 (2 s^{2} + r^{2}) + 4 s^{2} r \\ 4 s^{2} + 4 s r + r^{2} & = 4 s^{2} + 2 r^{2} + 4 s^{2} r \end{matrix}

dando el polinomio cuadrático (en Plantilla:Mvar):

\begin{matrix} r^{2} + 4 s^{2} r - 4 s r & = 0 \\ r^{2} - 4 s (1 - s) r & = 0 \end{matrix}

y soluciones

r = 0 (trivial) o r = 4 s (1 - s)

Esto es equivalente a la identidad trigonométrica:

{sen}^{2} (2 θ) = 4 {sen}^{2} θ (1 - {sen}^{2} θ)

de los ángulos Plantilla:Mvar, Plantilla:Mvar y Plantilla:Math de un triángulo, usando

S_{2} (s) = S_{2} ({sen}^{2} θ) = {sen}^{2} (2 θ) = r (s)

para denotar un segundo polinomio extendido en Plantilla:Mvar.

Encontrar el triple de una extensión también hace uso de la fórmula de la extensión triple como una ecuación cuadrática en la tercera extensión desconocida Plantilla:Mvar tratando las extensiones conocidas Plantilla:Mvar y Plantilla:Mvar (de la solución anterior) como constantes. Resulta que (después de eliminar la solución 'más pequeña' Plantilla:Mvar) se tiene:

S_{3} (s) = s (3 - 4 s)^{2} = t (s)

Se pueden generar múltiplos adicionales de cualquier extensión básica de líneas mediante el uso continuado de la fórmula de la extensión triple de esta manera, o mediante el uso de una fórmula de recursión (véase a continuación) que la aplica indirectamente. Mientras que cualquier extensión múltiple de una extensión que sea racional será polinomial en esa extensión (y, por lo tanto, racional), lo contrario no se aplica. Por ejemplo, con las identidades trigonométricas, dos líneas que se encuentran en un ángulo de 15° (o 165°) tienen una extensión de:

hav (3 0^{\circ}) = {sen}^{2} (\frac{3 0^{\circ}}{2}) = \frac{1 - \cos 3 0^{\circ}}{2} = \frac{1 - \frac{\sqrt{3}}{2}}{2} = \frac{2 - \sqrt{3}}{4} \approx 0.0667 .

y existe así por extensión algebraica de los números racionales.

Vuelta y covuelta

Plantilla:VT

(Definiciones pendientes de completar)

Giro

Plantilla:VT

(Definiciones pendientes de completar)

Polinomios extendidos

Como se ve para las extensiones dobles y triples, un múltiplo Plantilla:Mvar-ésimo de cualquier extensión Plantilla:Mvar, da un polinomio en esa extensión, denotado como Plantilla:Mvar, como una solución a la fórmula de la extensión triple.

En el lenguaje convencional de funciones trigonométricas, estos polinomios extendidos de Plantilla:Mvar-ésimo grado, para Plantilla:Math, se pueden caracterizar por la identidad:

{sen}^{2} (n θ) = S_{n} ({sen}^{2} θ) .

Identidades

Fórmulas explícitas

$S_{n} (s) = s \sum_{k = 0}^{n - 1} \frac{n}{n - k} (\binom{2 n - 1 - k}{k}) (- 4 s)^{n - 1 - k} .$ (Michael Hirschhorn, Shuxiang Goh)^[1]
$S_{n} (s) = \frac{1}{2} - \frac{1}{4} {(1 - 2 s + 2 \sqrt{s^{2} - s})}^{n} - \frac{1}{4} {(1 - 2 s - 2 \sqrt{s^{2} - s})}^{n} .$ (M. Hovdan)
$S_{n} (s) = - \frac{1}{4} {({(\sqrt{1 - s} + i \sqrt{s})}^{2 n} - 1)}^{2} {(\sqrt{1 - s} - i \sqrt{s})}^{2 n} .$ (M. Hovdan)

De la definición, se sigue inmediatamente que

S_{n} (s) = {sen}^{2} (n \arcsin (\sqrt{s})) .

Fórmula de recursión

Dado que la fórmula de la extensión triple $(s_{1} + s_{2} + s_{3})^{2} = 2 (s_{1}^{2} + s_{2}^{2} + s_{3}^{2}) + 4 s_{1} s_{2} s_{3}$ es una ecuación cuyas entradas se pueden extender a polinomios de la forma: $s$ , $S_{n} (s)$ y $S_{n + 1} (s)$ ,

tomando la extensión de las expresiones

(s + S_{n} (s) + S_{n + 1} (s))^{2} = 2 (s^{2} + S_{n} (s)^{2} + S_{n + 1}^{2}) + 4 s S_{n} (s) S_{n + 1}

y

(s + S_{n} (s) + S_{n - 1} (s))^{2} = 2 (s^{2} + S_{n} (s)^{2} + S_{n - 1}^{2}) + 4 s S_{n} (s) S_{n - 1}

y reorganizando los términos, se obtiene una relación recursiva:

S_{n + 1} (s) = 2 (1 - 2 s) S_{n} (s) - S_{n - 1} (s) + 2 s .

^[1]

Relación con los polinomios de Chebyshov

Los polinomios extendidos están relacionados con los polinomios de Chebyshov de primer tipo, Plantilla:Math, por la identidad

1 - 2 S_{n} (s) = T_{n} (1 - 2 s) .

Esto implica que^[1]

S_{n} (s) = \frac{1 - T_{n} (1 - 2 s)}{2} = 1 - T_{n}^{2} (\sqrt{1 - s}) .

La segunda igualdad anterior se deriva de la identidad

2 T_{n}^{2} (x) - 1 = T_{2 n} (x)

en los polinomios de Chebyshov.

Composición

Los polinomios extendidos satisfacen la composición identidad^[1]

S_{n} (S_{m} (s)) = S_{n m} (s) .

Coeficientes en campos finitos

Cuando los coeficientes se consideran miembros de un cuerpo finito Plantilla:Math, la secuencia Plantilla:Math de polinomios extendidos es periódica con el período Plantilla:Math. En otras palabras, si Plantilla:Math, entonces Plantilla:Math, para todo Plantilla:Mvar.

Ortogonalidad

Cuando los coeficientes tomados son números reales, entonces para Plantilla:Math, se tiene que^[1]

\int_{0}^{1} (S_{n} (s) - \frac{1}{2}) (S_{m} (s) - \frac{1}{2}) \frac{d s}{\sqrt{s (1 - s)}} = 0 .

Para Plantilla:Math, la integral es Plantilla:Sfrac a menos que Plantilla:Math, en cuyo caso es Plantilla:Sfrac.

Funciones generadoras

La función generadora ordinaria es

\sum_{n = 1}^{\infty} S_{n} (s) x^{n} = \frac{s x (1 + x)}{(1 - x)^{3} + 4 s x (1 - x)} .

(Michael Hirschhorn)^[1]

La función generadora exponencial es

\sum_{n = 1}^{\infty} \frac{S_{n} (s)}{n!} x^{n} = \frac{1}{2} e^{x} (1 - e^{- 2 s x} \cos (2 x \sqrt{s (1 - s)})) .

Plantilla:Citation needed

Ecuación diferencial

Plantilla:Math satisface la ecuación diferencial no homogénea lineal de segundo orden

s (1 - s) y^{″} + (\frac{1}{2} - s) y^{'} + n^{2} (y - \frac{1}{2}) = 0 .

Teorema de periodicidad de las extensiones

Por cada número entero Plantilla:Mvar y cada número primo Plantilla:Mvar, hay un número natural Plantilla:Mvar tal que Plantilla:Math es divisible por Plantilla:Mvar precisamente cuando Plantilla:Mvar divide a Plantilla:Mvar. Este número Plantilla:Mvar es un divisor de Plantilla:Math o Plantilla:Math. La prueba de esta propiedad teórica numérica se dio primero en un documento de Shuxiang Goh y N. J. Wildberger.^[7] Implica considerar el análogo proyectivo a la cuadranza en la recta proyectiva Plantilla:Math.

Tabla de polinomios extendidos, con factorizaciones

Los primeros polinomios extendidos son los siguientes:

\begin{matrix} S_{0} (s) & = 0 \\ S_{1} (s) & = s \\ S_{2} (s) & = 4 s - 4 s^{2} \\ = 4 s (1 - s) \\ S_{3} (s) & = 9 s - 24 s^{2} + 16 s^{3} \\ = s (3 - 4 s)^{2} \\ S_{4} (s) & = 16 s - 80 s^{2} + 128 s^{3} - 64 s^{4} \\ = 16 s (1 - s) (1 - 2 s)^{2} \\ S_{5} (s) & = 25 s - 200 s^{2} + 560 s^{3} - 640 s^{4} + 256 s^{5} \\ = s {(5 - 20 s + 16 s^{2})}^{2} \\ S_{6} (s) & = 36 s - 420 s^{2} + 1792 s^{3} - 3456 s^{4} + 3072 s^{5} - 1024 s^{6} \\ = 4 s (1 - s) (1 - 4 s)^{2} (3 - 4 s)^{2} \\ S_{7} (s) & = 49 s - 784 s^{2} + 4704 s^{3} - 13440 s^{4} + 19712 s^{5} - 14336 s^{6} + 4096 s^{7} \\ = s {(7 - 56 s + 112 s^{2} - 64 s^{3})}^{2} \\ S_{8} (s) & = 64 s - 1344 s^{2} + 10752 s^{3} - 42240 s^{4} + 90112 s^{5} - 106496 s^{6} \\ + 65536 s^{7} - 16384 s^{8} \\ = 64 s (s - 1) (1 - 2 s)^{2} {(1 - 8 s + 8 s^{2})}^{2} \\ S_{9} (s) & = 81 s - 2160 s^{2} + 22176 s^{3} - 114048 s^{4} + 329472 s^{5} - 559104 s^{6} \\ + 552960 s^{7} - 294912 s^{8} + 65536 s^{9} \\ = s (- 3 + 4 s)^{2} {(- 3 + 36 s - 96 s^{2} + 64 s^{3})}^{2} \\ S_{10} (s) & = 100 s - 3300 s^{2} + 42240 s^{3} - 274560 s^{4} + 1025024 s^{5} \\ - 2329600 s^{6} + 3276800 s^{7} - 2785280 s^{8} + 1310720 s^{9} - 262144 s^{10} \\ = 4 s (1 - s) {(5 - 20 s + 16 s^{2})}^{2} {(1 - 12 s + 16 s^{2})}^{2} \\ S_{11} (s) & = 121 s - 4840 s^{2} + 75504 s^{3} - 604032 s^{4} + 2818816 s^{5} \\ - 8200192 s^{6} + 15319040 s^{7} - 18382848 s^{8} + 13697024 s^{9} - 5767168 s^{10} + 1048576 s^{11} \\ = s {(11 - 220 s + 1232 s^{2} - 2816 s^{3} + 2816 s^{4} - 1024 s^{5})}^{2} \end{matrix}

Leyes de la trigonometría racional

Wildberger afirma que existen cinco leyes básicas en la trigonometría racional. También afirma que estas leyes se pueden verificar utilizando matemáticas de nivel secundario. Algunas son equivalentes a fórmulas trigonométricas estándar con las variables expresadas como cuadranzas y extensiones.^[6]

En las siguientes cinco fórmulas, se tiene un triángulo formado por tres puntos Plantilla:Math. Las extensiones de los ángulos en esos puntos son Plantilla:Math y Plantilla:Math, son las cuadranzas de los lados del triángulo opuestos a Plantilla:Math, respectivamente. Como en la trigonometría clásica, si se conocen tres de los seis elementos Plantilla:Math, Plantilla:Math y estos tres no son los tres Plantilla:Mvar, entonces se pueden calcular los otros tres.

Fórmula de la cuadranza triple

Los tres puntos Plantilla:Math son colineales si y solo si:

(Q_{1} + Q_{2} + Q_{3})^{2} = 2 (Q_{1}^{2} + Q_{2}^{2} + Q_{3}^{2})

donde Plantilla:Math representan las cuadranzas entre Plantilla:Math respectivamente. Puede ser probado por geometría analítica (el medio preferido dentro de la trigonometría racional) o deducido de fórmula de Herón, usando la condición de colinealidad de que el triángulo formado por los tres puntos tiene área cero.

Plantilla:Demostración

Teorema de Pitágoras

Las líneas Plantilla:Math (de cuadranza Plantilla:Math) y Plantilla:Math (de cuadranza Plantilla:Math) son perpendiculares (su dispersión es 1) si y solo si:

Q_{1} + Q_{2} = Q_{3} .

donde Plantilla:Math es la cuadranza entre Plantilla:Math y Plantilla:Math.

Esto es equivalente al teorema de Pitágoras (y su inverso).

Hay muchas pruebas clásicas del teorema de Pitágoras; esta está enmarcada en los términos de la trigonometría racional.

La extensión de un ángulo es el cuadrado de su seno. Dado el triángulo Plantilla:Math con una extensión de 1 entre los lados Plantilla:Mvar y Plantilla:Mvar,

Q (A B) + Q (A C) = Q (B C)

donde Plantilla:Mvar es la cuadranza, es decir, el cuadrado de la distancia.

Plantilla:Demostración

Ley de extensión

Para cualquier triángulo Plantilla:Math con cuadranzas distintas de cero:^[1]

\frac{s_{1}}{Q_{1}} = \frac{s_{2}}{Q_{2}} = \frac{s_{3}}{Q_{3}} .

Este es el teorema de los senos, pero en cuadranzas.

Ley cruzada

Para cualquier triángulo Plantilla:Math,^[1]

(Q_{1} + Q_{2} - Q_{3})^{2} = 4 Q_{1} Q_{2} (1 - s_{3}) .

Esto es análogo al teorema del coseno. Se llama ley cruzada porque Plantilla:Math, el cuadrado del coseno del ángulo, se llama cruce.

Fórmula de la extensión triple

Para cualquier triángulo Plantilla:Math,^[1]

(s_{1} + s_{2} + s_{3})^{2} = 2 (s_{1}^{2} + s_{2}^{2} + s_{3}^{2}) + 4 s_{1} s_{2} s_{3} .

Esta relación se puede derivar de la fórmula del seno de un ángulo compuesto: en un triángulo (cuyos tres ángulos suman 180°) se tiene que

sen (a) = sen (b + c) = sen (b) \cos (c) + sen (c) \cos (b)

.

Equivalentemente, describe la relación entre las extensiones de tres líneas concurrentes, ya que la extensión (como el ángulo) no se ve afectada cuando los lados de un triángulo se mueven paralelos a sí mismos para encontrarse en un punto común.

Conocer dos extensiones permite que la tercera se calcule resolviendo la fórmula cuadrática asociada, pero, dado que son posibles dos soluciones, se deben usar otras reglas de distribución de triángulos para seleccionar la adecuada. (La complejidad relativa de este proceso contrasta con el método mucho más simple de obtener un ángulo suplementario de otros dos).

Trigonometría sobre campos arbitrarios

Como las leyes de la trigonometría racional dan relaciones algebraicas (y no trascendentes), se aplican en general a campos de números algebraicos más allá de los números racionales. Específicamente, cualquier campo finito que no tenga característica 2 reproduce una forma de estas leyes, y por lo tanto un campo geométrico finito.^[8] El plano formado por un campo finito Plantilla:Math es el producto cartesiano Plantilla:Math de todos los pares ordenados de elementos del campo, con bordes opuestos identificados formando la superficie de un toro discreto. Los elementos individuales corresponden a puntos estándar, mientras que las rectas son conjuntos de no más de $p$ puntos relacionados por incidencia (un punto inicial) más una dirección o pendiente dada en los términos más simples (podría expresarse por ejemplo como todos los puntos '2 derecha y 1 arriba') que envuelven el plano antes de repetirlo.

Ejemplo: (verificación de la ley de extensión en Plantilla:Math)

La figura (derecha) muestra un triángulo de tres de estas rectas en el campo finito que establece Plantilla:Math:

Cada línea tiene su propio símbolo y las intersecciones de las líneas (vértices) están marcadas por dos símbolos presentes en los puntos:

(2, 8), (9, 9) y (10, 0).

Utilizando el teorema de Pitágoras con la aritmética de módulo 13, se tiene que estos lados tienen cuadranzas de:

(9 - 2) ² + (9 - 8) ² = 50 ≡ 11 mod 13

(9 - 10) ² + (9 - 0) ² = 82 ≡ 4 mod 13

(10 - 2) ² + (0 - 8) ² = 128 ≡ 11 mod 13

Reordenando la ley cruzada como

s_{3} = 1 - \frac{(Q_{1} + Q_{2} - Q_{3})^{2}}{4 Q_{1} Q_{2}}

resultan expresiones separadas para cada extensión, en términos de las tres cuadranzas:

1 - Plantilla:Sfrac = 1 - Plantilla:Sfrac ≡ 8 mod 13

1 - Plantilla:Sfrac = 1 - Plantilla:Sfrac ≡ 10 mod 13

1 - Plantilla:Sfrac = 1 - Plantilla:Sfrac ≡ 8 mod 13

A su vez, se observa que estas relaciones son todas iguales, según la ley de extensión (al menos en mod 13):

Plantilla:Sfrac: Plantilla:Sfrac: Plantilla:Sfrac

Dado que la primera y la última relación coinciden (haciendo que el triángulo sea isósceles) simplemente se realiza la multiplicación cruzada, y se toman las extensiones, para mostrar la igualdad con la proporción media también:

11 × 10 - 8 × 4 = 78 ≡ 0 mod 13

De lo contrario, se considera que el plano euclídeo estándar consiste únicamente en puntos racionales, Plantilla:Math, omitiendo los números no algebraicos como soluciones. Las propiedades como la incidencia de objetos, que representan las soluciones o el contenido de los teoremas geométricos, por lo tanto, siguen un enfoque teórico numérico que difiere y es más restrictivo que el que permiten los números reales. Por ejemplo, se considera que no todas las rectas que pasan por el centro de un círculo coinciden con el círculo en su circunferencia. Para ser incidentes, tales rectas deben ser de la forma

\begin{matrix} a x + b y & = 0 \\ a^{2} + b^{2} & = c^{2} \end{matrix} a, b, c \in ℚ

y cumplir necesariamente con la circunferencia en un punto racional.

Computación: complejidad y eficiencia

La trigonometría racional hace que casi todos los problemas se puedan resolver solo con sumas, restas, multiplicaciones o divisiones, ya que las funciones trigonométricas (de ángulo) se evitan a propósito utilizando proporciones trigonométricas en forma cuadrática.^[6] Como máximo, si se requieren resultados como distancias (o ángulos) se pueden aproximar a partir de un equivalente racional de valor exacto de cuadranza (o extensión) después de que se hayan llevado a cabo estas operaciones más simples. Sin embargo, para aprovechar esta ventaja, cada problema debe darse o configurarse en términos de cuadranzas y extensiones previas, lo que implica un trabajo adicional.^[9]

Las leyes de la trigonometría racional, que son algebraicas y de valor exacto, introducen sutilezas en las soluciones de problemas, como la no aditividad de cuadranzas de puntos colineales (en el caso de la fórmula de la cuadranza triple) o las extensiones de rectas concurrentes (en el caso de la fórmula de la extensión triple), situación muy diferente del enfoque clásico, donde la linealidad se incorpora a la distancia y la medida circular de los ángulos, aunque las técnicas "trascendentales" requieran una aproximación de los resultados.

Véase también

Notas

↑ For Wildberger's views on the history of infinity, see the Gefter New Scientist article, but also see Wildberger's History of Mathematics and Math Foundations lectures, University of New South Wales, circa 2009–2014 in more than 120 videos and lectures, available online @youtube
↑ Véase Divine Proportions para numerosos ejemplos de cálculo hecho con funciones trigonométricas racionales, así como también problemas que involucran la aplicación de la trigonometría racional a situaciones que contienen elementos irracionales.

Referencias

Plantilla:Listaref

Referencias generales

Una comparación de trigonometría clásica y racional
Trigonometría racional aplicada a la robótica, por João Pequito Almeida
La Imposibilidad de Trisecting y Angle with Straightedge and Compass: Un Acercamiento Usando la Trigonometría Racional, por David G. Poole
Cómo multiplicar y dividir triángulos, por Maurice Craig

Enlaces externos

Wildberger's rational trigonometry site, including downloadable papers and sections of his book
Spread polynomials, rotations and the butterfly effect
Euler Math Toolbox implementation of Rational Trigonometry

Plantilla:Control de autoridades

↑ ^1,00 ^1,01 ^1,02 ^1,03 ^1,04 ^1,05 ^1,06 ^1,07 ^1,08 ^1,09 Plantilla:Cite book
↑ ^2,0 ^2,1 ^2,2 "Infinity's end: Time to ditch the never-ending story?" by Amanda Gefter, New Scientist, 15 August 2013
↑ http://www.maa.org/publications/maa-reviews/divine-proportions-rational-trigonometry-to-universal-geometry
↑ J. Franklin, Review of Divine Proportions, Mathematical Intelligencer 28 (3) (2006), 73-4.
↑ http://web.maths.unsw.edu.au/~norman/papers/TrigComparison.pdf
↑ ^6,0 ^6,1 ^6,2 ^6,3 ^6,4 ^6,5 Plantilla:Cite journal
↑ Plantilla:Cite journal
↑ Plantilla:Cite journal, page 1. Another version of this article is at Le Anh Vinh, Dang Phuong Dung (2008), "Explicit tough Ramsey Graphs Plantilla:Enlace roto", Proceedings of International Conference on Relations, Orders and Graphs: Interaction with Computer Science 2008, Nouha Editions, 139–146.
↑ Olga Kosheleva (2008), "Rational trigonometry: computational viewpoint", Geombinatorics, Vol. 1, No. 1, pp. 18–25.

[3] For Wildberger's views on the history of infinity, see the Gefter New Scientist article, but also see Wildberger's History of Mathematics and Math Foundations lectures, University of New South Wales, circa 2009–2014 in more than 120 videos and lectures, available online @youtube

[4] Véase Divine Proportions para numerosos ejemplos de cálculo hecho con funciones trigonométricas racionales, así como también problemas que involucran la aplicación de la trigonometría racional a situaciones que contienen elementos irracionales.

[Wildberger_2005-1] 1,00 ^1,01 ^1,02 ^1,03 ^1,04 ^1,05 ^1,06 ^1,07 ^1,08 ^1,09 Plantilla:Cite book

[Gefter1-2] 2,0 ^2,1 ^2,2 "Infinity's end: Time to ditch the never-ending story?" by Amanda Gefter, New Scientist, 15 August 2013

[5] ttp://www.maa.org/publications/maa-reviews/divine-proportions-rational-trigonometry-to-universal-geometry

[6] J. Franklin, Review of Divine Proportions, Mathematical Intelligencer 28 (3) (2006), 73-4.

[web.maths.unsw.edu.au-7] ttp://web.maths.unsw.edu.au/~norman/papers/TrigComparison.pdf

[Horizons-8] 6,0 ^6,1 ^6,2 ^6,3 ^6,4 ^6,5 Plantilla:Cite journal

[9] Plantilla:Cite journal

[10] Plantilla:Cite journal, page 1. Another version of this article is at Le Anh Vinh, Dang Phuong Dung (2008), "Explicit tough Ramsey Graphs Plantilla:Enlace roto", Proceedings of International Conference on Relations, Orders and Graphs: Interaction with Computer Science 2008, Nouha Editions, 139–146.

[11] Olga Kosheleva (2008), "Rational trigonometry: computational viewpoint", Geombinatorics, Vol. 1, No. 1, pp. 18–25.

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[nb 1]

[nb 2]

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[6]

[7]

[8]

[9]

Trigonometría racional

Sumario

Enfoque

Repercusión y crítica

Cuadranza

Extensión

Cálculo de la extensión

Trigonométrico

Vector/pendiente (dos variables)

Cartesiano (tres variables)

Extensión en comparación con el ángulo

Vuelta y covuelta

Giro

Polinomios extendidos

Identidades

Fórmulas explícitas

Fórmula de recursión

Relación con los polinomios de Chebyshov

Composición

Coeficientes en campos finitos

Ortogonalidad

Funciones generadoras

Ecuación diferencial

Teorema de periodicidad de las extensiones

Tabla de polinomios extendidos, con factorizaciones

Leyes de la trigonometría racional

Fórmula de la cuadranza triple

Teorema de Pitágoras

Ley de extensión

Ley cruzada

Fórmula de la extensión triple

Trigonometría sobre campos arbitrarios

Ejemplo: (verificación de la ley de extensión en Plantilla:Math)

Computación: complejidad y eficiencia

Véase también

Notas

Referencias

Referencias generales

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Trigonometría racional

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Relación con los polinomios de Chebyshov

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Leyes de la trigonometría racional

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