POTENCIAS CAPRICHOSAS

De los días del año a Fermat   

    Desde que era un niño siempre me ha gustado hacer "jueguecitos" con los números en ciertos momentos de ocio o de aburrimiento, me he inventado de diversos tipos y he observado que, generalmente, los más sencillos son los que más enganchan...
    Uno de estos, quizás medio manía o medio superstición, es tratar de adivinar todo lo posible sobre un número que me hayan asignado al azar, como si de esta forma pudiese prever si me será favorable o no y dado que no necesito la calculadora para andar por el mundo, mientras que otro se fumaría, aburrido, un par de cigarrillos, yo remuevo un poco mis neuronas...
    ¡Hay gente para todo! pensaréis y tenéis toda la razón, pero mis pulmones, al menos, ¡están contentos!   (al menos por ahora)
    Así, por ejemplo, conservo un buen recuerdo del 511 que me permitió descubrir el concepto de los "múltiplos sinceros" y que me fue muy favorable...
    Pues bien, no hace mucho fue el 365 el número que se cruzó en el mi camino o mejor dicho carretera...
    Todos conocemos este número porque son los días del año (no bisiesto), claro, pero quizás también habréis escuchado alguna vez aquello de:

”¿Sabías que esta carretera tiene exactamente 365 curvas?"

    Yo conozco un buen número de casos. ¡Parece como si todas las carreteras sinuosas de este país tuviesen siempre 365 curvas!
    Así que, llegado a este punto, permitidme una breve definición del número 365:

 

"¡Paradigma de los años, de las carreteras sinuosas y de los cuadrados!"

 
    Por cierto y antes de aclarar esto, os planteo una cuestión:

¿Cuántos años de este tercer milenio tendrán exactamente 365 dies?
 

(solución)

 
    Pasemos, ahora sí, al tema central de este capítulo, tal como he definido el 365 es un número paradigmático entre los números al cuadrado dado que es el único que cumple una curiosa propiedad:

102+ 112 + 12= 132 + 142 = 365

    La demostración no es muy complicada, busquemos 5 números consecutivos que cumplan:

(n  2)2 + (n  1)2 + n= (n + 1)2 +  (n + 2)2

    Deducimos, por tanto, que:

n2  4n + 4 + n2  2n + 1 + n2 = n2 + 2n + 1 + n2 + 4n + 4

    Agrupemos los términos semejantes y:

n2  12n = 0  =>  n · (n  12) = 0

    las dos soluciones posibles son: n = 0 (que no nos sirve) y n = 12
    Los únicos números que lo cumplen son: 102, 112, 122, 132, 14 que sumados dan 365.

    Y no sólo esto, además el 365 lo podemos expresar también así:
            22 + 192 = 365
            42 + 52 + 18= 365
            32 + 62 + 82 + 162 = 365
  He llegado a pensar que se podría expresar con todos los cuadrados del 1 al 19 sin repetir ninguno, pero fallaron, por bien poco, un par de casos:
            12  + 72 + 92 + 32 = 365     que repite el 32
            22+ 62 + 172 + 62 = 365    el 62  lo estropea un poco.
    Además si lo descomponemos en factores primos tenemos que:

    365 = 5 · 73= (12 + 22) · (32 + 82)

 

Sucesiones piramidales y otras relaciones remarcables

 
    Animado por estos hallazgos, busqué más curiosidades entre potencias, básicamente cuadrados y cubos, de las que ahora os hago partícipes.
    Fácilmente deducible del hecho de que la "distancia entre dos números consecutivos al cuadrado  es igual a la suma de ambos" es la divertida sucesión piramidal:
            12 = 1
            22 = 1 + 3
            32 = 1 + 3 + 5
            42 = 1 + 3 + 5 + 7
            52 = 1 + 3 + 5 + 7 + 9, etc.
    Observemos como siempre el número que añadimos a la sucesión es la suma de el anterior y el último:
            3 = 1 + 2, 5 = 2 + 3, 7 = 3 + 4, 9 = 4 + 5, etc.
    Otra singular y magnífica sucesión piramidal es la de los números naturales elevados al cubo:
            13 = 1
            23 = 3 + 5
            33 = 7 + 9 + 11
            43 = 13 + 15 + 17 + 19
            53 = 21 + 23 + 25 + 27 + 29, etc.
    Que tampoco no es ninguna "casualidad" si tenemos presente que:

n3 = n·n2 =  n·2n2/2

    Si observamos estos sumatorios veremos que en los números impares el término central es el número al cuadrado (en el caso de 33 => 9 = 32, en el caso de 53 => 25 = 52, etc.).
    El primer término siempre es a1= n2 - n + 1        Ej. (25 - 5 + 1 = 21)
    y el último es an= n2 + n - 1                                 Ej. (25 + 5 - 1 = 29)
    Entonces podemos expresar 2n2  como (n2+ n - 1) + (n2 - n + 1) sumando y restando n - 1

n·2n2/2 = n·[(n2 + n - 1) + (n2 - n + 1)] / 2 = n·(a1+ an) / 2

    Esta expresión justamente es el sumatorio de números impares expuesto.
    No parece que para otras potencias exista algo similar...

    El siguiente hallazgo remarcable podemos observarlo rápidamente si construimos una tabla con los números al cubo y esta sencilla, pero única, suma:

33+ 43 + 5= 63

    Efectivamente:    27 + 64 + 125 = 256

  Analizando con más profundidad se me ocurrió de sumar la sucesión piramidal de números al cubo expuesta anteriormente:
            13 = 1
            13 + 23 = 1 + 3 + 5 = 9
            13 + 23 +33 = 1 + 3 + 5 + 7 + 9 + 11 = 36
            13 + 23 +33 + 43 =  1 + 3 + 5 + 7 + 9 + 11 + 13 + 15 + 17 + 19 = 100, etc.
  y el corazón me dio un bote de alegría, ¡Dios perdone mi ignorancia en este campo de la aritmética!  cuando advertí la relación que se entreveía:
            13 = 1 = 12
            13 + 23 =  9 = 32 = (1 + 2)2
            13 + 23 +33 = 36 = 62 = (1 + 2 + 3)2
            13 + 23 +33 + 43 = 100 = 102 = (1 + 2 + 3 + 4)2
            13 + 23 +33 + 43 + 53 = 225 = 152= (1 + 2 + 3 + 4 + 5)2
    Es decir: 13 + 23 +33 + ... + n3 =  (1 + 2 + 3 + ... + n)2

¡La suma de los cubos de los n primeros números naturales es igual a su suma elevada al cuadrado!

 
    No tenía ninguna duda de que era una propiedad conocida, pero consideré una gran fortuna poder redescubrirla y quizás sentir la misma emoción que los primeros calculistas que la hallaron, ahora ya sé que los árabes ya la conocían en la Edad Media.
 

¡Un teorema mítico!

 
    Cuando comenzamos a comparar los números elevados a diversas potencias, desde 2 hasta n, se puede caer en la tentación de buscar la misma relación que existe en el Teorema de Pitágoras:

a2 + b2 = c2

pero para las demás potencias, es decir, hallar tres números tales que la suma de los dos primeros elevados a una determinada potencia tenga por resultado el tercero elevado a esta potencia, por ejemplo:

a3 + b3 = c3

    o en general:

an + bn = cn

 

pues bien, ya en el siglo XII el matemático árabe Al-Jayyam había comprobado que no existía ninguna solución para la potencia 3, en el conjunto de los enteros.
    Y, posteriormente, el gran matemático Pierre Fermat a mediados del siglo XVII formuló su famosa conjetura en la que afirmaba que an + bn = c (para n > 2) no tenía solución, en el conjunto de los números enteros.
    Esta ha sido una de las grandes cuestiones sin resolver, casi un mito, que ha traído de cabeza a los mejores matemáticos de las tres últimas centurias. La historia es muy sugerente:
    Resulta que Fermat escribió al margen de una obra de Diofanto, en la cual aparecía el Teorema de Pitágoras, que an + bn = c(para n > 2) no tenía solución y que él había encontrado una demostración maravillosa para este teorema, pero que no tenía suficiente espacio para desarrollarla, también lo manifestó en alguna de sus cartas a amigos matemáticos de la época, pero nunca se halló tal demostración...
    Algunos matemáticos posteriores la demostraron para algunas potencias, como Euler que lo hizo para las potencias 3 y 4, etc.

    Para acabar de engrandecer el mito se dice que, en cierta ocasión, había sido hallada su demostración, pero que ésta, inexplicablemente, se perdió.
    Así se llegó al siglo XX, habiéndose hallado demostraciones para potencias inferiores a 100, pero nunca se llegó a una demostración general de esta conjetura. Incluso se comenzaba a dudar que fuese posible, de hecho se ofrecía un premio millonario a quién la hallase, aunque el plazo expiraba en el año 2.007.
    Pero la noticia saltó a finales del milenio: "¡El Teorema de Fermat ha sido demostrado!"

    A finales de 1.994 se ratificó que la demostración del matemático británico Andrew Wiles era correcta y válida.
    No hace falta decir más ya que la red está llena de información sobre este feliz acontecimiento...

 
    Para acabar os quería plantear un pequeño problema muy en la línea de este capítulo, se trata de resolver una ecuación muy similar al Teorema de Fermat, pero claro, con solución, al menos para a la potencia tercera.

LA ECUACIÓN IMPOSIBLE

(índice matemaravillas)

SOLUCIONES
 

    ¿Cuántos años de este tercer milenio tendrán exactamente 365 dies?


        Pues serán exactamente 758 años de 365 días y, obviamente, 242 años de 366 días.
        Si habéis pensado que 750 siento deciros que todavía regís vuestros destinos con el "Calendario Juliano"
        Según la reforma de este calendario establecida durante el reinado del Papa Gregorio XIII en el año 1.582:      "Los años acabados en 00 sólo serán años bisiestos si son múltiples de 400",
por lo cual lo fueron el 1.600 y el reciente 2.000 ("¿Será bisiesto el año 2.000?" debate muy popular los meses previos), en cambio no lo fueron ni el 1.700, ni el 1.800, ni el 1.900.
    Así que del nuevo milenio tendremos que sólo lo serán el 2.400 y el 2.800 y por lo tanto, de los 250 posibles debemos restar 8.
    ¿Lo serán el año 3.000 y el 4.000?
    Pues, ¡quizás en el año 4.000 tendremos una sorpresa!, he dicho "tendremos?..." ¡Viva el optimismo!
    Si la queréis saber tendréis que escribirme E-milios, y cuando vea un poco de interés os lo explicaré.

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Autor: Blai Figueras Álvarez

E-mail: mentaludix@hotmail.com