La quadratura de la paràbola

La quadratura de la paràbola fou un dels tractats del matemàtic grec Arquimedes que es referien principalment al mètode d'exhaustió (és a dir, essencialment al càlcul integral). Enviat al seu amic Dositeu, en l'obra figura la resolució del problema de trobar la quadratura del segment parabòlic (més concretament, en la proposició 17 de les 24).

Arquimedes declara en el text realitzar el descobriment mitjançant la mecànica i haver-lo confirmat després amb la geometria. En efecte, el matemàtic grec proporciona en un principi una demostració mitjançant la mecànica (la qual reprodueix, encara que de manera més breu, en la seva obra posterior El Mètode); mes no considera la prova com prou rigorosa i en les set proposicions que segueixen (de la 18 a la 24) ens mostra una segona demostració diferent del mateix teorema.

La quadratura de la paràbola tingué un ressò molt important, ja que pels temps d'Arquimedes les seccions còniques ja es coneixien des de fa aproximadament un segle, però fins llavors no s'havia produït cap avanç en qüestió al càlcul de les àrees relacionades amb aquestes.

Teorema principal

En vermell el segment parabòlic, en verd el triangle inscrit.

Definim el segment parabòlic d'una paràbola com la regió $K$ delimitada per una paràbola i un segment que talla la mateixa. Siguin $A,B$ els punts on el segment talla la paràbola, $C$ el punt on la recta tangent a la paràbola i paral·lel al segment talla a la paràbola. Aleshores l'àrea $K$ és quatre terços de l'àrea del triangle; és a dir, si $T=\mathrm{\Delta }ABC$ aleshores

$K=\frac{4}{3}T$

Demostració mecànica trobada a El Mètode

La demostració que es troba a El Mètode conté la mateixa idea que la que hi ha a La quadratura de la paràbola però és més curta. Abans de veure la demostració exposem unes proposicions, extretes de La quadratura de la paràbola i numerades segons com la podem trobar a l'obra original, que posteriorment utilitzarem.

Proposicions prèvies

Proposició 2

Proposició 4

Proposició 5

Demostració del teorema principal (proposició 1 en El Mètode)

Representació de la palanca en la demostració mecànica a El Mètode

Sigui $ABC$ un segment comprés entre la recta $AC$ i la secció $ABC$ d'un con rectangle; divideix $AC$ per la meitat en $D$ i traça la recta $DBE$ paral·lela al diàmetre, i unint $B$ amb $A$ i $B$ amb $C$, traça les rectes $Ab$ i $BC$. Dic que el segment $ABC$ és quatre terços del triangle $ABC$. Traça pels punts $A$ i $C$ la recta $AZ$ paral·lela a $DBE$ i la $CZ$ tangent a la secció; prolonga $CB$ fins $K$ i sigui $KT$ igual a $CK$. Considera $CT$ com una palanca, essent $K$ el seu punt mig, i sigui $MQ$ una recta paral·lela a $ED$.

Com $CBA$ és una paràbola i que $CZ$ és tangent a elsa, i $CD$ és una ordenada, $EB$ és igual a $BD$, com es demostra en els Elements. Pel mateix motiu i atès que $ZA$ i $MQ$ són paral·leles a la recta $ED$, són igual $MN$ i $NQ$, així com $ZK$ i $KA$. I atès que la raó entre $CA$ i $AQ$ és igual a la raó entre $CK$ i $KN$, succeïx que essent també $CT$ igual que $KT$, la raó entre $TK$ i $KN$ serà igual entre $MQ$ i $QO$. Ara bé, atès que el punt $N$ és el centre de gravetat de la recta $MQ$, per ésser $MN$ igual que $NQ$, si prenem la recta $UH$ igual a $QO$ de forma que el seu centre de gravetat sigui el punt $T$, tal que sigui $UT$ igual que $TH$, la recta $UTH$ estarà en equilibri amb la recta $MQ$, que roman en el seu lloc, per ésser $TN$ dividida en parts que es troben en raó inversa als pesos $UH$ i $MQ$, essent la raó entre $TK$ i $KN$ igual a la raó entre $MQ$ i $HU$, i llavors $K$ és el centre de gravetat del conjunt de tots dos pesos. Anàlogament si el triangle $ZAC$ es tracen tantes paral·leles com es vulgui a $ED$, aquestes, romanent en el seu lloc, es trobaran en equilibri amb els segments determinats sobre elles per la secció i traslladats al punt $T$, de forma que el centre de gravetat d'unes i les altres serà $K$.

Ara bé, les rectes traçades en el triangle $CZA$ componen el propi triangle i els segments rectilinis obtinguts en la secció de la mateixa forma que $OQ$ componen el segment $ABC$; aleshores el triangle $ZAC$, romanent en el seu lloc, estarà en equilibri, respecte del punt $K$, amb el segment de la secció traslladat fins a tenir el seu centre de gravetat en $T$, de forma que el centre de gravetat del conjunt de tots dos serà el punt $K$.

Divideix ara $CK$ pel punt $X$ de forma que $CX$ sigui el triple de $KX$; llavors el punt $X$ serà el centre de gravetat del triangle $AZC$, com està demostrat en el llibre Sobre l'Equilibri. I atès que el triangle $ZAC$, romanent en el seu lloc, està en equilibri, respecte del punt $K$, amb el segment $BAC$, traslladat amb centre de gravetat en $T$, i que $X$ és el centre de gravetat del triangle $ZAC$, es verifica, per consegüent, que la raó del triangle $AZC$ al segment $ABC$ col·locat al voltant del centre $T$ és igual a la raó de $TK$ a $XK$. Ara bé, $TK$ triple $KX$, el triangle $ZAC$ serà triple del segment $ABC$. A més, el triangle $ZAC$ és quàdruple del triangle $ABC$, ja que $ZK$ és igual que $KA$ i $AD$ és igual que $DC$, aleshores el segment $ABC$ equival a quatre terços del triangle $ABC$.

Demostració mecànica

En el llibre "Sobre la quadratura de la paràbola", Arquimedes troba una demostració del teorema utilitzant un sistema de balances per equilibrar àrees. A continuació exposem les proposicions més importants d'aquest apartat:Plantilla:Teorema

Plantilla:DemostracióAmb aquest procediment, acaba trobant altres relacions utilitzant triangles no rectangles i trapezis. El següent pas que utilitzà Arquimedes per arribar a la demostració desitjada consisteix a aproximar l'àrea tancada per una paràbola utilitzant les relacions trobades.Plantilla:TeoremaUn cop hem demostrat aquestes 15 proposicions, ens apropem a la resolució final que consta de les dues últimes proposicions, les quals confirmen la tesi plantejada al principi:Plantilla:TeoremaAleshores, a partir de la proposició 16, Arquímedes arriba sense dificultat a demostrar que l'àrea d'una paràbola $BOG$ (on $O$ és el vèrtex de la paràbola) és quatre terços de l'àrea del triangle $BOG$, el qual queda demostrat en veure que el triangle $BOG$ és una quarta part del triangle $BDG$.

Aquesta forma de demostrar la quadratura de la paràbola resulta bastant extensa i complicada si no s'està familiaritzat amb el mètode mecànic de resolució que Arquimedes va inventar i el qual utilitzava per a tota mena de tractats. Per aquest motiu, el mateix Arquimedes dona una resolució alternativa utilitzant únicament els conceptes geomètrics per tal que sigui més senzill de seguir.

Demostració geomètrica

Com vàrem comentar, Arquimedes no es troba satisfet amb la demostració mecànica, i així ho va exposar textualment al final de la demostració en El Mètode. Procedim, com és necessari, a exposar totes les proposicions (en l'ordre que les podem trobar a La quadratura de la paràbola) necessàries a fi de demostrar el teorema principal:

Definicions

A continuació ens referirem a alguns conceptes de la següent manera: en segments delimitats per una corba i una línia recta, anomenarem base a la línia recta i altura a la major perpendicular a la corba que es pot dibuixar des de la base, i vèrtex és el punt on aquesta altura coincideix amb la corba.

Proposicions prèvies

Proposició 1

Proposició 19

Proposició 20

Proposició 21

Proposició 22

Demostració del teorema principal (proposició 24 a La quadratura de la paràbola)

Suposem $K=\frac{4}{3}\mathrm{\Delta }ABC$ on $C$ és el vèrtex del segment; hem de provar doncs que l'àrea del segment és igual a $K$. Si no és igual a $K$, ha de ser més gran o més petit. Suposem que l'àrea del segment és més gran que $K$. Si llavors inscrivim en els segments tallats per $CA,CB$ triangles que tenen la mateixa base e igual altura, i.e. triangles amb els mateixos vèrtexs $R,R^{\prime }$ com aquells dels segments, i si en la resta dels segments inscrivim triangles de la mateixa manera, i així successivament, arribarem finalment a segments la suma dels quals és menor que l'àrea en el qual el segment $ABC$ excedeix $K$. Llavors el polígon format d'aquesta manera ha de ser més gran que l'àrea $K$; el que és impossible ja que per la proposició 23

$A_1+\dots +A_n\le \frac{4}{3}{A}_1$

on $A_1=\mathrm{\Delta }ABC$. Tenim doncs que l'àrea del segment no pot ser major que $K$. Suposem, si és possible, que l'àrea del segment és més petit que $K$. Llavors si $\mathrm{\Delta }ABC=A_1,A_2=\frac{1}{4}{A}_1,A_3=\frac{1}{4}{A}_2$ i així successivament, fins que arribem a l'àrea $A_i$ tal que $A_i$ és més petit que la diferència entre $K$ i el segment, tenim (per la proposició 23)

$A_1+\dots +A_i+\frac{1}{3}{A}_i=\frac{4}{3}{A}_1=K$

Ara, com $K$ excedeix $A_1+\dots +A_i$ per una àrea menor que $A_i$, i l'àrea del segment per una àrea major que $A_i$, es segueix que

$A_1+\dots +A_i>\stackrel{`}{a}readelsegment$

el que és impossible per la proposició 22. Concloem doncs que si el segment no pot ser ni més petit ni més gran que $K$, aleshores és $K$.

Demostració moderna

Triangles inscrits en el segment parabòlic.

Com podem veure en la demostració geomètrica, Arquimedes prova en primer lloc (ometent demostracions que no s'usen en el teorema principal) que l'àrea del triangle $ABC$ (diem-li $T$), amb base $AB$ és igual a quatre vegades la suma dels corresponents triangles inscrits amb base cada un dels segments $AC$ i $BC$ (prop. 22). A continuació demostra que la suma de tots aquests triangles inscrits ha de ser més petit que el segment $ABC$ (prop. 23), i finalment prova per una doble reducció a l'absurd que el segment no pot ser ni més petit ni més gran que quatre terços del triangle $ABC$ (prop. 24). Però en realitat la demostració es podria haver acabat fàcilment en el primer pas.

Efectivament, observem que el segment parabòlic es troba format per infinits triangles inscrits, l'àrea dels quals les podem identificar amb la proposició 22. A partir d'aquí s'intueix que l'àrea $K$ del segment parabòlic $ABC$ vindrà donat per la suma de la sèrie infinita

$\sum _{i=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{4}{3^i}T$

que és una sèrie geomètrica que convergeix a $\frac{4}{3}T$. En la seva obra però, Arquimedes no parla de cap suma infinita. Això és degut al fet que per la seva època els processos infinits no eren acceptats.

L'axioma d'Arquimedes

En el preàmbul a La quadratura de la paràbola ens trobem amb la hipòtesi o lema que es coneix avui com l'axioma d'Arquimedes: ‘Que l'excés pel qual la major de dues àrees desiguals supera a la menor, afegida a si mateixa la quantitat de vegades que sigui necessari, pot arribar a excedir qualsevol àrea donada’.

Bibliografia

• Boyer C. B., Historia de la matemática. Madrid: Alianza Editorial, 2007
• Dorce, C. Història de la matemàtica. Des de Mesopotàmia al Renaixement. Publicacions de la UB. 2013.
• Arquímedes, El Método relativo a los teoremas mecánicos : la vía heurística de los descubrimientos matemáticos de Arquímedes. Bellaterra: Publicacions de la Universitat Autònoma de Barcelona, 1993.
• Heath, T. L:, The Works of Archimedes. Nova York: Dover Publications Inc.,1987