sábado, 16 de febrero de 2019

(431) - Andrica&Firoozbakht. Conjeturas para calcular números primos en intervalos

En el día de hoy traemos dos conjeturas poco conocidas (al menos la segunda) para aproximar números primos en un intervalo determinado. Ambas son fórmulas recursivas, es decir, hacen uno del término n para calcular el término n+1.

Para los muggles de las matemáticas o para aquellos matemáticos que se acaban de dar contra una piedra y tienen amnesia severa, un número primo es un número natural que solo es divisible entre 1 y sí mismo, es decir, sea p un número, solo será primo si al hacer las divisiones de p/1, p/2, p/3, ... , p/(p-2), p/(p-1), p/p solo y únicamente tienen resto 0 las divisiones de p/1 y p/p, con resto distinto de cero el resto de divisiones. (En realidad solo hay que hacer las operaciones hasta el mayor número natural menor o igual que la raíz de p)

De los números primos se sabe mucho y a la vez muy poco. Se saben que son infinitos, pero no se sabe una fórmula general para hallar números primos. Lo que sí se sabe es que cada número primo es mayor que su anterior y menor que su consecutivo.

Notación: p_n se refiere al n-ésimo número primo y p_(n+1) se refiere al (n+1)-ésimo número primo, es decir, el número primo consecutivo a p_n.

Conjetura de Andrica (por Dorin Andrica, matemático rumano, publicada en 1985)

Esta conjetura dice que la diferencia de las raíces de dos primos consecutivos será estrictamente menor que uno, es decir:

 Curiosamente tiene un valor máximo en p_4=7 y p_5=11, por lo que se puede aproximar a (γ'):

Conjetura hasta p(n=100)=541
 
(δ') hace referencia a un caso generalizado con n, m números naturales no necesariamente consecutivos, lo que hace esta desigualdad más débil que la desigualdad de la conjetura en sí.
 

Si se reordenan (α') y (β'), se obtienen (ε') y (ϵ') respectivamente:
 

(ϛ') hace referencia a que cualquier número primo es mayor que su anterior y menor que su posterior, y aplicando raíces, se obtiene (ζ').

Conjetura hasta p(n=200)=1.233

(η') permite acotar el intervalo del número primo consecutivos a partir del número primo anterior. Al estudiar esta conjetura, Dorin Andrica se dio cuenta que la solución más grande del exponente que se cumplía en todos los casos estudiados ocurría en p_30=113 y p_31=127 cuando x es aproximadamente 0'5671481302020177... Por lo que para este valor la función está mejor acotada que para x=0'5 (raíz cuadrada).

Aplicando propiedades matemáticas y despejando se obtiene (ι'), que es la forma más compacta de la conjetura que se puede obtener:



Conjetura hasta p(n=500)=3.571. Se puede ver que, aunque tiene algún pico importante ocasional, siempre cada pico será menor que el anterior y van decreciendo hacia 0.
Conjetura de Firoozbakht (por Farideh Firoozbakht, matemático iraní y profesor de universidad en Isfahan, publicada en 1982)
Esta conjetura dice que la raíz n-ésima del n-ésimo primo será estrictamente mayor que la raíz (n+1)-ésima del (n+1)-ésimo primo, es decir:
(ια') es la fórmula general de la fórmula
 
(ιβ') hace referencia a un caso generalizado con n, m números naturales no necesariamente consecutivos, lo que hace esta desigualdad más débil que la desigualdad de la conjetura en sí.
 
Usando (ϛ') y (ια'), se obtiene la conjetura general (ιγ')
 
Por último cabe resaltar (ιδ') que hace referencia a una desigualdad a partir del cuarto número primo, 7, y la (ιε'), que es más fuerte, se puede utilizar a partir del noveno número primo, 23.



 La conjetura de Farideh Firoozbakht no es muy útil a la hora de calcular qué posición ocupan dos números primos consecutivos sabiendo cuáles son, pues da un intervalo de valores muy grande.

Comparación (es escala logarítmica centesimal en el eje de las ordenadas), de la función "hueco entre primos" (la diferencia entre un primo y su consecutivo) y las conjeturas de Firoozbakht, Cramér y Granville.
Asimismo, empíricamente la conjetura de Firoozbakht proporciona un intervalo de valores mucho más corto y preciso que la conjetura de Andrica, sin embargo en la conjetura de Andrica no es necesario saber qué posición ocupan los números primos mientras que en la conjetura de Firoozbakht es condición necesaria y no omisible conocer qué número primo es y qué orden ocupa en la lista de los números primos.

 Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.

viernes, 21 de diciembre de 2018

(419) - Teorema de Futurama o de Ken Keeler

En el día de hoy traemos una entrega algo más ligera. Un teorema matemático conocido informalmente como Teorema de Futurama.

En 2010, en el episodio 98 de la serie Futurama, «El prisionero de Benda» (The prisoner of Benda - temporada 6, episodio 10) el profesor Hubert y Amy se intercambian los cuerpos con una máquina, pero a la hora de volver a sus cuerpos originales, la máquina no es capaz de hacerlo, es decir, si A intercambió su cuerpo con B con la máquina, la máquina no podrá intercambiar de vuelta directamente de B a A. Al final el profesor Hubert consigue resolver el problema creando y demostrando un teorema que recibe el nombre de Teorema de Futurama.

El Teorema en sí lo enunció y demostró Ken Keeler, guionista de Futurama y doctor en matemáticas aplicadas por la Universidad de Harvard.


Esta situación es muy similar a una escena de 1999 del episodio «Vacaciones» (Holiday - temporada 2, episodio 18) de la serie de ciencia ficción Spacegate SG-1. Este tipo de situaciones ya habían aparecido en series de dibujos en 1996.


El teorema en sí dice: Sea A un conjunto finito y sean x, y objetos distintos que no pertenezcan a A. Cualquier permutación sobre A se puede reducir a la permutación identidad al usar una serie de diferentes trasposiciones A∪{x,y}, cada una de las cuales incluye al menos un elemento de {x,y}.

Dejamos aquí dos enlaces a vídeos donde explican el teorema con cierta profundidad:


Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.

miércoles, 28 de noviembre de 2018

(409) - Nicolás Bourbaki y el Bourbakismo

¿Qué tienen en común Tintín, unos rusos disparando a británicos a caballo y un hito de las matemáticas? (No es el inicio de ningún chiste aunque parezca que sea uno graciosísimo).

En el día de hoy traemos la historia, biografía e hitos del gran matemático poldavo nacionalizado francés, Nicolás Bourbaki, con un poco de trasfondo.

Nicolás Bourbaki (Никола́ Бурбаки́–Nikolá Burbakí en ruso, Нікаля Бурбакі–Nìkalja Burbakì en bielorruso, Ніколя Бурбакі–Nìkolya Burbakì en ucraniano, Никола́ Бурбаки́–Nikolá Bourbakí en búlgaro, Nicolas Bourbaki en francés, polaco y en checo) ha sido uno de los matemáticos más influyentes y prolíficos de la matemática de los siglos XX y XXI.
Bandera del I.Ruso circa la Guerra de Crimea

La familia Bourbaki es originaria de Poldavia, una región eslava e histórica de Europa del Este, en Rutenia y cercana a la ciudad de Poltava (Ucrania), con la cual es probable que comparta etimología.



C.Bourbaki (Pau1816–Bayona1897)
La primera mención en la historia de la que se tiene constancia de la familia Bourbaki viene de la Guerra de Crimea (1853 – 1856) en la que Piamonte-Cerdeña y los Imperios Británico, Francés y Otomano se enfrentaron al Imperio Ruso. En esta campaña cabe destacar la acción de un francés, el general Charles Denis Sauter Bourbaki, conocido por sus históricas acciones militares e intervenciones bélicas en la Conquista de Argelia, en la Guerra de Crimea, en la Guerra italiana de 1859 y en la Guerra franco–prusiana. El general Bourbaki sirvió al mando de Napoleón III, siguiendo el ejemplo de su padre, un griego nacionalizado francés, el coronel Constantin Denis Bourbaki (nacido Διονύσιος Βούρβαχης–Dionýsios Voúrvachis, Cefalonia 1787 – Kamatero 1827), que luchó en la Guerra de Independecia de Grecia y sirvió al mando de Napoleón I, gracias a los contactos de su padre, el cretense Κωνσταντῖνος-Σοτιριος Βούρβαχης–Konstantinos-Sotirios Voúrvachis.

Estandarte imperial ruso durante la guerra
 Tras la Guerra de Crimea no se sabe bien por qué una familia poldava tomó el apellido Bourbaki, ya fuese el apellido que se le asignó a un huérfano, como gesto de admiración al tan conocido general o como testigo de un posible hijo bastardo, la familia Bourbaki ya estaba establecida en Poldavia. 

Los primeros años del siglo XX fueron bastante convulsos para Europa del Este con distintos conflictos bélicos: I Guerra de los Balcanes (1912 – 1913), II Guerra de los Balcanes (1913), I Guerra Mundial (1914 – 1918), Revolución de Febrero y Revolución de Noviembre (Revolución rusa de 1917), Guerra bolchevique-ucraniana (1917 – 1921) y Guerra polaco-soviética (1919 – 1921). Tras tanta guerra y tanta inestabilidad en 1929, el Comité de Defensa de los poldavos envió una carta a los diputados de su tan amiga Francia para llevar su caso a la Liga de Naciones (la ONU de su época) y traer de vuelta la estabilidad.

La relaciones poldavo-francófonas fueron tales que Hergé, el autor del cómic Tintín, incluyó al cónsul de Poldavia en el libro «el Loto Azul». (Un enlace a la serie de televisión de Tintín en Youtube para ver esta escena y el episodio para los interesados, minutos:33-34)

The Blue Lotus

The Blue Lotus
Tras la II Guerra Mundial (1939–1945) toda la Europa del Este cayó directa o indirectamente bajo influencia y control soviéticos. Sin embargo la familia Bourbaki consiguió emigrar a tiempo a Francia donde el genio de Nicolás Bourbaki empezó a gestarse. Más concretamente se instalaron en Besse (más tarde conocida como Besse-en-Chandesse y después como Besse-et-Saint-Anastaise).


Weil (París 1906 – Princeton 1998)
 Una de las grandes mentes matemáticas que modelaron al joven Bourbaki fue el parisino André Weil, hermano de la filósofa Simone Weil. A. Weil fue miembro de la Academia de Ciencias de Francia (Académie des sciences), de la Royal Society, de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos (National Academy of Sciences) y de la Academia de Ciencias de Baviera (Bayerische Akademie der Wissenschafte). Entrar en cualquiera de ellas ya es difícil, pero a todas ya es signo de un verdadero genio. No obstante, ninguna de estas era de la que más orgulloso se sentía, pues tal y como aparece en su biografía oficial, el honor que resaltaba sobre el resto era ser miembro de la Academia de Ciencias y de Letras de Poldavia, gracias al trabajo conjunto y amistad de su alumno Nicolás Bourbaki.

Bourbaki conseguió desde adolescente organizar seminarios de matemáticas en París en los que se exponían los últimos hitos de las matemáticas y cómo iba avanzando. Estos seminarios, se han estado realizando desde 1948, por lo que este año ha sido el LXX aniversario del I Séminaire Nicolas Bourbaki (I Seminario Nicolás Burbaki.)

Una vez que hubo acabado la carrera de matemáticas, Bourbaki se volvió a su Poldavia natal, aún bajo influencia comunista en medio de la Guerra Fría, para ser profesor de universidad. Este cambio de aires trastocó hasta tal punto a Bourbaki que se propuso homogeneizar y unificar las diferentes ramas de las matemáticas que estaban saliendo a mediados del siglo XX. Al cabo de unos años, el aún joven Bourbaki se volvió de vuelta a Francia. Tras este suceso, su mentor A. Weil lo describió desde los años 60 como «ancien professeur à l'Université royale de Besse-en-Poldavie» (un exprofesor de la Universidad Real de Besse en Poldavia), cuando todos los libros de matemáticas empezaron a escribir siguiendo sus exigencias y rigurosidad.

Tras su regreso, Bourbaki trajo un espíritu de «partigiano matemático» y entre sus lemas resaltaban «Todos deben interesarse en todo», con la idea de redactar textos nuevos para sus clases universitarias, y «À bas Euclide» (Abajo Euclides/Muera Euclides), que no lo consiguió ya que en vez de unificar y formalizar, la geometría básica y computacional se separaron más del tronco principal que son las matemáticas bourbakistas.

Hasta el día de hoy Bourbaki ha conseguido hasta cinco medallas Fields con la considerable recompensa en matemáticas. Todas ellas se obtuvieron en colaboración: con Laurent Schwartz en 1950, con Jean-Pierre Serre en 1954, con Alexandre Grothendieck en 1966, con Alain Connes en 1982 y con Jean-Christophe Yoccoz en 1994.

Hilbert (1862 - 1943)
Bourbaki siempre ha trabajado con matemáticos jóvenes de mentes frescas, pues todos sus miembros opinaban que a partir de los 50 años las personas eran reacias a ver los problemas desde otra perspectiva. La Asociación de colaboradores de Nicolás Bourbaki (Association des collaborateurs de Nicolas Bourbaki) tiene sus oficinas en la Escuela Normal Superior de París (École Normale Supérieur) desde donde ha estado trabajando durante años el Grupo Bourbaki.

Topologie générale
Este conjunto de matemáticos ha intentado desde su fundación en el siglo XX basar, unificar y formalizar todas las matemáticas en la teoría de conjuntos. Este movimiento se conoce como bourbakisme (bourbakismo) y se puede trazar sus orígenes al Congreso Internacional de Matemáticos de 1900 en el que el prusiano David Hilbert la convocó para resolver los famosos 23 Problemas de Hilbert.
Élémentes de Mathématique

Él mismo ha redactado los volúmenes de «Théorie des ensembles (Teoría de conjuntos)», «Algèbre (Álgebra)»,​ «Topologie générale (Topología general)», «Fonctions d'une variable réelle (Funciones de una variable real)», «Espaces vectoriels topologiques (Espacios vectoriales topológicos)», «Intégration (Integración)»,​ «Álgebra conmutativa», «Variedades diferenciables y analíticas», «Grupos y álgebras de Lie» y «Teorías espectrales», cuyas notas (por las que Nicolás Bourbaki era conocido) se publicaron en 2006 bajo el título «Elementos de Historia de la matemática».

Théorie des ensembles


Su impacto puede verse desde los programas educativos de matemáticas de secundaria y bachillerato, que se dan con mucha más teoría de conjuntos que antes de publicarse sus obras en especial en países como Irlanda o Escocia, hasta en el rigorismo y formalismo matemáticos apreciándose claramente las diferencias entre un texto anterior y posterior a la llegada de Nicolás Bourbaki a las matemáticas. 





Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.