O MÉTODO DE EXAUSTÃO E SUA CONTRIBUIÇÃO PARA O ...
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RESUMO<br />
O <strong>MÉTODO</strong> <strong>DE</strong> <strong>EXAUSTÃO</strong> E <strong>SUA</strong> <strong>CONTRIBUIÇÃO</strong> <strong>PARA</strong> O<br />
<strong>DE</strong>SENVOLVIMENTO DO CONHECIMENTO MATEMÁTICO<br />
Mauro Lopes Alvarenga<br />
Licenciando em Matemática<br />
Universidade Católica de Brasília<br />
Este trabalho vem nos dar uma pálida idéia sobre a vida e a obra de um dos maiores matemáticos de todos os<br />
tempos, Arquimedes de Siracusa. Dentro de seus feitios, Arquimedes aprimorou um método, atribuído a Eudoxo,<br />
chamado de método de exaustão, muito utilizado para se determinar áreas e volumes de figuras geométricas.<br />
Devido ao rigor que Arquimedes impunha em suas demonstrações utilizando o método de exaustão, daremos<br />
aqui uma mera introdução deste método e suas aplicações feitas em: A Quadratura da Parábola, Medida do<br />
Círculo e Método de Equilíbrio; Sendo que, neste último, o método de exaustão é utilizado para se provar o<br />
resultado obtido na etapa anterior (aplicação de O Método de Equilíbrio).<br />
1. INTRODUÇÃO<br />
O nosso interesse principal no ramo da matemática grega reside no trabalho de Arquimedes, a<br />
quem de acordo com a maioria dos historiadores, deve-se a antecipação (ou mesmo a<br />
invenção) do cálculo integral. Em relação às suas obras, destacaremos algumas, seu mais<br />
famoso método demonstração: o método de exaustão; além de seus efeitos, seus fundamentos<br />
e suas contribuições para o desenvolvimento do conhecimento matemático, e um método<br />
particular para chegar aos resultados: o método do equilíbrio. Arquimedes quase sempre<br />
chegava a conclusões pelo método do equilíbrio (método do próprio Arquimedes) e depois<br />
demonstrava estas conclusões pelo método de exaustão (creditado a Eudoxo).<br />
2. HISTÓRICO<br />
Arquimedes de Siracusa (287 – 212 a.C.) é considerado consensualmente o maior matemático<br />
da antiguidade. Superou todos os outros pela quantidade e dificuldade dos problemas que<br />
tratou, pela originalidade de seus métodos e pelo rigor de suas demonstrações. Interessava-se<br />
tanto pela matemática pura quanto pela aplicada e criou dois ramos da física (estática e<br />
hidrodinâmica). Tornou-se famoso por suas invenções mecânicas, algumas delas utilizadas na<br />
defesa da cidade de Siracusa contra o ataque das tropas romanas comandadas pelo general<br />
Marcelo durante a segunda guerra Púnica (218 – 201 a.C.). Segundo a lenda, Arquimedes foi<br />
morto por um soldado romano durante a tomada da cidade enquanto estudava um diagrama<br />
geométrico na areia. Mas o episódio da morte de Arquimedes é cheio de informações<br />
desencontradas, cada um relatando um tipo de situação. O certo é que sua morte muito afligiu<br />
Marcelo; e que Marcelo sempre considerou quem o matou como assassino; e que ele procurou<br />
os parentes de Arquimedes e os honrou com muitos favores.<br />
“Em seu trabalho, desenvolveu também o método de exaustão, creditado a<br />
Eudoxo, pelo qual se aproxima a quantidade desejada pelas somas parciais de<br />
uma série ou pelos termos de uma seqüência. Obteve aproximações da área de um<br />
círculo comparando-a com as áreas de polígonos regulares inscritos e<br />
circunscritos”. (Boyer, 1995).
A mais notável das contribuições feitas à matemática se traduz no desenvolvimento inicial de<br />
alguns dos métodos de cálculo integral.<br />
Segundo Dieguez (2003):<br />
“Arquimedes foi o primeiro a deduzir a lei das alavancas e das roldanas e a<br />
descobrir porque os barcos flutuam. Gostava de máquinas e inventou um grande<br />
número de engenhos úteis e extremamente eficientes, como um aparelho de<br />
bombear água denominado “Parafuso de Arquimedes”, que até hoje é usado em<br />
algumas partes do mundo, e terríveis catapultas de guerra, com os quais se<br />
podiam lançar pedras de um quarto de tonelada a um (1) quilômetro de distância.<br />
Seu prestígio era tão grande, que se atribuía a ele até façanhas improváveis, como<br />
a de ter montado um jogo de espelhos capaz de concentrar a luz solar e incendiar<br />
navios de guerra no mar.”<br />
As contribuições de Arquimedes na matemática foram bastante significativas, como na<br />
determinação de áreas de figuras cilíndricas, parabólicas e elípticas. Determinou também<br />
volumes do cone e da esfera utilizando para isso métodos bastante rigorosos.<br />
O método de exaustão é o fundamento de um dos processos essenciais do cálculo<br />
infinitesimal. No entanto, enquanto no cálculo se soma um número infinito de parcelas,<br />
Arquimedes nunca considerou que as somas tivessem uma infinidade de termos. Para poder<br />
definir uma soma de uma série infinita seria necessário desenvolver o conceito de número real<br />
que os gregos não possuíam. Não é, pois, correto falar do método de exaustão como um<br />
processo geométrico de passagem para ao limite. A noção de limite pressupõe a consideração<br />
do infinito que esteve sempre excluída da matemática grega, mesmo em Arquimedes. Mas, no<br />
entanto, o seu trabalho foi, provavelmente, o mais forte incentivo para o desenvolvimento<br />
posterior da idéias de limite e de infinito no século XIX. De fato, os trabalhos de Arquimedes<br />
constituem a principal fonte de inspiração para a geometria de século XVII que desempenhou<br />
um papel importante no desenvolvimento do cálculo infinitesimal.<br />
Apesar da grande originalidade dos trabalhos de Arquimedes, ele não teve discípulos diretos<br />
na Grécia. Mas os matemáticos árabes interessaram-se pelo método da exaustão desde o<br />
século IX.<br />
Conforme Boyer (1995):<br />
“Para achar áreas e volumes, o versátil Arquimedes usou sua própria versão<br />
primitiva do cálculo integral, que, de alguma maneira, é muito semelhante, quanto<br />
ao espírito, ao cálculo atual. Numa carta a Eratóstenes, Arquimedes expôs seu<br />
“método da alavanca” para descobrir fórmulas de áreas e volumes. Mas, quando<br />
publicava provas para essas fórmulas, ele utilizava o método de exaustão para se<br />
ajustar aos padrões de rigor da época.”<br />
Deve-se notar que a frase “método de exaustão” não era usada pelos gregos antigos, sendo<br />
uma invenção moderna; mas está tão firmemente estabelecida na história da matemática que<br />
continuamos a fazer uso dela.<br />
2
Ainda, conforme Boyer (1996):<br />
“Segundo Arquimedes, foi Eudoxo (408 – 355 a. C.) que forneceu o axioma que<br />
hoje tem o nome de Arquimedes, às vezes, chamado axioma de Arquimedes e que<br />
serviu de base para o método de exaustão, o equivalente grego de cálculo integral.<br />
O axioma diz que: dadas duas grandezas que têm uma razão (isto é, nenhuma<br />
delas sendo zero), pode-se achar um múltiplo de qualquer delas que seja maior<br />
que a outra. Esse enunciado eliminava um nebuloso argumento sobre segmentos<br />
de reta indivisíveis, ou infinitésimos fixos, que às vezes aparecia.” (Boyer, 1996).<br />
Do axioma de Eudoxo (ou Arquimedes) é fácil, por uma redução ao absurdo, provar uma<br />
proposição que formava a base de método de exaustão dos gregos:<br />
Proposição: Se de uma grandeza qualquer se subtrai uma parte não menor que sua metade e<br />
do resto novamente subtrai-se uma parte não menor que sua metade, e assim por diante, se<br />
chegará por fim a uma grandeza menor que qualquer outra predeterminada da mesma<br />
espécie.<br />
Demonstração: em linguagem matemática moderna, temos: seja M uma grandeza qualquer;<br />
1<br />
ε uma grandeza prefixada e ≤ r < 1.<br />
Fazendo M − Mr = M1,<br />
segue que M1 = M ( 1−<br />
r)<br />
,<br />
2<br />
2<br />
mas M − M r = M M = M ( 1−<br />
r)<br />
M = M ( 1−<br />
r).(<br />
1 − r)<br />
M = M ( 1 − r)<br />
, sabe-se<br />
1<br />
1<br />
2<br />
2<br />
1<br />
2<br />
que M 2 − M 2r<br />
= M 3 M 3 = M 2 ( 1−<br />
r)<br />
M 3<br />
2<br />
= M ( 1−<br />
r)<br />
.( 1−<br />
r)<br />
M 3<br />
3<br />
= M ( 1−<br />
r)<br />
...<br />
N<br />
1<br />
Repetindo sucessivamente chegamos a M N = M ( 1−<br />
r)<br />
. Como 0 < 1−<br />
r ≤ , temos que<br />
2<br />
N<br />
( 1−<br />
r) tende a zero com o crescimento de N . Daí, encontra-se N , tal que<br />
N<br />
M = M ( 1−<br />
r)<br />
< ε , qualquer que seja o valor dado para ε .<br />
N<br />
“Esta proposição que chamaremos de ‘propriedade de exaustão’ equivale à<br />
seguinte formulação moderna: se M é uma grandeza dada,ε uma grandeza<br />
1<br />
prefixada de mesma espécie e r é uma razão tal que ≤ r < 1,<br />
então podemos<br />
2<br />
achar um inteiro N tal que: − < ε<br />
N<br />
M ( 1 r)<br />
, para todo n > N . Isto é, a<br />
propriedade de exaustão equivale a dizer que lim M ( 1−<br />
r)<br />
= 0 . Ainda mais, os<br />
n→∞<br />
gregos usaram essa propriedade para provar teoremas sobre as áreas e volumes de<br />
figuras curvilíneas.” (Boyer, op cit).<br />
Neste contexto, Arquimedes fez aplicações muito importantes do chamado “método de<br />
exaustão”, as quais contribuíram para marcar a importância deste método na matemática<br />
antiga e para o desenvolvimento de grande parte da matemática como concebemos hoje. No<br />
entanto, nem Arquimedes nem qualquer outro matemático grego apresentam o método de<br />
exaustão sob a forma de um resultado geral aplicável a todas as figuras (ou pelo menos a mais<br />
de um caso). Dada a figura, observava-a e tentava formar figuras circunscritas e/ou inscritas,<br />
valendo-se das propriedades daquela figura particular. Era este, ao menos, o procedimento<br />
n<br />
2<br />
3
empregado nas primeiras obras. Isto quer dizer que o método era particular (usado de forma<br />
diferente) para cada problema<br />
Este método, que se tornou o modelo grego nas demonstrações de cálculos de áreas e<br />
volumes, era muito rigoroso, no entanto, tinha um grande senão: o resultado para ser provado,<br />
tinha de ser conhecido a priori. Arquimedes, sem dúvida, calculava integrais, mas como não<br />
as conhecia e pela semelhança com a idéia de cálculo integral dos tempos modernos, foi<br />
atribuído a esse processo o nome de método de exaustão. De onde concluímos que<br />
Arquimedes foi o precursor da integração.<br />
Arquimedes era um estudioso da matemática e autor de vários trabalhos dos quais muitos<br />
foram perdidos. Das obras que foram preservadas, destacam-se as seguintes em ordem<br />
cronológica:<br />
Sobre o Equilíbrio das Figuras Planas I;<br />
A Quadratura da Parábola;<br />
Sobre o Equilíbrio de Figuras Planas II;<br />
Sobre a Esfera e o Cilindro;<br />
Sobre as Espirais;<br />
Sobre os Cones e os Esferóides;<br />
Sobre os Corpos Flutuantes;<br />
A Medida de um Círculo;<br />
O Contador dos Grãos de Areia.<br />
Dessas obras citadas, iremos mostrar a aplicação do método da exaustão em duas delas: A<br />
Quadratura da Parábola, A Medida de um Círculo. A terceira aplicação será da obra O<br />
Método, perdida até 1906. Nesta aplicação, mostraremos o método de equilíbrio de<br />
Arquimedes. Ainda existem outros textos perdidos ou incompletos (corrompidos por<br />
traduções) como o Livro dos Lemas.<br />
3. APLICAÇÕES DO <strong>MÉTODO</strong><br />
3.1 A Quadratura da Parábola<br />
Dos tratados onde houve aplicação do método de exaustão, o mais popular era a Quadratura<br />
da Parábola. Sabe-se que, na matemática grega, a determinação de áreas e volumes fazia-se<br />
por comparação com áreas conhecidas, como, por exemplo, a área do quadrado. Quadratura<br />
(ou quadrar) era o nome que se dava a essa determinação. Medir uma figura geométrica, para<br />
os geômetras gregos, não era encontrar um número, mas sim uma figura conhecida com o<br />
mesmo comprimento, área ou volume da primeira. Nessa perspectiva, o que se coloca não é o<br />
problema de calcular a medida de uma área, mas o problema de determinar a relação entre<br />
duas áreas: a área que se quer conhecer e uma área já conhecida, comparando-as. As secções<br />
cônicas eram conhecidas havia mais de um século quando Arquimedes escreveu, mas nenhum<br />
progresso fora feito no cálculo de suas áreas. A prova pelo método de Exaustão é longa e<br />
elaborada, mas Arquimedes provou rigorosamente que a área K de um segmento parabólico é<br />
quatro terços da área de um triângulo T tendo a mesma base e a mesma altura do segmento<br />
parabólico.<br />
4
É nesse tratado que encontramos o hoje usualmente chamado axioma de Arquimedes: “Que o<br />
excesso pelo qual a maior de duas áreas diferentes excede a menor pode, sendo somada a si<br />
mesma, vir a exceder qualquer área finita dada.” Isto elimina o infinitésimo ou indivisível<br />
fixo já discutido no tempo de Platão e é basicamente o mesmo axioma da exaustão que<br />
Arquimedes admitiu que um lema semelhante a esse já era usado por geômetras de antes,<br />
“pois é por seu uso que demonstraram que círculos estão para si na razão dupla de seus<br />
diâmetros, e que esferas estão entre si na razão tripla de seus diâmetros; e ainda que toda<br />
pirâmide é um terço do prisma de mesma base que a pirâmide e mesma altura; também, que<br />
todo cone é um terço do cilindro de mesma base que o cone e mesma altura.” (Boyer, 1996)<br />
Para demonstrar esse resultado, que depende de muita intuição, Arquimedes usa o método de<br />
exaustão. Inscreve no segmento parabólico um triângulo de mesma base e altura. A seguir, em<br />
cada um dos segmentos parabólicos resultantes, inscreve igualmente um triângulo, e continua<br />
a inscrever triângulos nos segmentos parabólicos resultantes em cada etapa. Prova então que<br />
para cada triângulo os dois triângulos construídos sobre seus lados têm uma área total que é<br />
1 4 da área do triângulo dado. Dessa forma ele exaure o segmento parabólico, removendo<br />
sucessivamente esses triângulos inscritos. A área total pode ser aproximada por uma soma de<br />
áreas que, agrupadas adequadamente, levam a uma progressão geométrica em que cada termo,<br />
salvo o primeiro, é 1 4 do anterior. A soma de tal progressão geométrica é 4 3 do primeiro<br />
termo. Cuidadosamente, Arquimedes mostra que a área do segmento parabólico não pode<br />
exceder 4 3 da área do primeiro triângulo inscrito e, da mesma forma, que não pode ser<br />
menor que esse valor. Assim ele chega à conclusão desejada e, evitando a armadilha dos<br />
infinitésimos e das operações com limites, atinge um nível de rigor insuperado até o século<br />
XVIII.<br />
Arquimedes define o que significa base, altura e vértice de um segmento de parábola: a base é<br />
a reta que interrompe a parábola, a altura é a perpendicular máxima que pode ser traçada da<br />
curva até a base e o vértice o ponto a partir do qual a altura é traçada. As outras alturas dos<br />
outros triângulos traçados são obtidas por interseções da curva (parábola) com retas paralelas<br />
à altura máxima da parábola. Essas retas são traçadas tendo como referência de partida, os<br />
respectivos pontos médios em que foi divida a base da parábola (ver figura 1).<br />
Esclarecido como formar o polígono inscrito na parábola, este polígono se aproxima da<br />
parábola, isto é, pode ser inscrito nesta um polígono de tal forma que os segmentos restantes<br />
sejam menores do que qualquer grandeza determinada.<br />
Explicando melhor, Arquimedes inscreve sucessivos triângulos no segmento de parábola,<br />
calcula a área desses triângulos e vai obtendo valores cada vez mais próximos do pretendido,<br />
somando as áreas dos sucessivos triângulos. Assim, demonstra que a área do segmento de<br />
parábola é igual a 4 3 da área do triângulo com a mesma base e altura do segmento. No<br />
entanto, Arquimedes não prolonga as somas até o infinito. Ele deduz o seu valor<br />
demonstrando que não pode ser nem maior, nem menor que esses 4 3 . Pois bem, nomeando<br />
as partes resultantes do processo de quadratura da parábola temos: seja P o segmento de<br />
parábola e T 0 o triângulo inscrito (ver figura 1); nos dois segmentos restantes são escritos<br />
outros dois triângulos, t 01 e t 02 , de mesma base e altura. Seja a soma destes T 1 . Nos quatro<br />
segmentos de parábola formados são inscritos os triângulos t 11 , t 12 , t 13 , e t 14 , cuja soma é T 2 .<br />
5
T0<br />
T1<br />
Precisamos demonstrar, mediante as propriedades da parábola, que T 1 = , T2<br />
= e assim<br />
4 4<br />
por diante, isto é, os “pedaços” que são acrescidos ao triângulo não só se tornam cada vez<br />
menores, mas cada um é igual a 1 4 do anterior.<br />
Figura 1<br />
Fonte: Scientific American Brasil nº 7, 2005.<br />
Para isso, considere a figura 2. Por meio de convenientes rotações e translações podemos<br />
2<br />
supor que qualquer parábola assume a forma y = ax , com a > 0 . Suponha o segmento<br />
1<br />
parabólico limitado pela reta y = b , b > 0 . Mostremos que T 1 = T0<br />
(os demais triângulos<br />
4<br />
2b<br />
b<br />
a<br />
seguem os mesmos cálculos): da figura 2 segue facilmente que T = = b b<br />
0<br />
. Em D<br />
2 a<br />
temos<br />
1 b<br />
x = e<br />
2 a<br />
1 b<br />
y = , ou<br />
2 a<br />
2<br />
b<br />
y = . Daí,<br />
4<br />
1 b b<br />
D , . A reta r passando pelos<br />
2 a 4<br />
b b<br />
pontos A e C é da forma r : y = mx , onde ( A é a origem) m = = a = ab .<br />
b b<br />
a<br />
Assim, r : y = abx<br />
.<br />
6
Figura 2<br />
1<br />
Seja s a reta perpendicular a r passando por D . Temos que s : y = − x + k , ou seja,<br />
m<br />
s : y = −<br />
1 b<br />
−<br />
x<br />
b 2 a<br />
+ k . Como D é ponto da reta, segue que =<br />
ab<br />
4 ab<br />
+ k , donde segue que<br />
2 + ab<br />
k = . Assim, s : y = −<br />
4a<br />
x 2 + ab<br />
+ .<br />
ab 4a<br />
O ponto F é a interseção das retas r e s . Isto significa que<br />
x =<br />
F<br />
( 2 + ab)<br />
4a(<br />
1 + ab)<br />
( 2 + ab)<br />
4a(<br />
1+<br />
ab)<br />
ab<br />
. Agora,<br />
ab b<br />
,<br />
4<br />
( 2 + ab)<br />
( 1+<br />
ab)<br />
.<br />
y =<br />
abx<br />
=<br />
ab ⋅<br />
( 2 + ab)<br />
4a(<br />
1+<br />
ab)<br />
ab<br />
b<br />
=<br />
4<br />
abx<br />
( 2 + ab)<br />
( 1+<br />
ab)<br />
x 2 + ab<br />
= − + , ou<br />
ab 4a<br />
. Portanto temos<br />
7
Para calcular a área do triângulo t 01 temos que achar a sua altura h , que é a distância do<br />
ponto D a F :<br />
simples chegamos a<br />
( 2 + ab)<br />
4a(<br />
1 + ab)<br />
2<br />
( 2 + ab)<br />
( 1 + ab)<br />
ab 1 b b b<br />
h = d(<br />
D,<br />
F)<br />
=<br />
− + − . Com cálculos<br />
2 a 4 4<br />
2<br />
b<br />
h = . A base do mesmo triângulo é<br />
4 1 + ab<br />
2<br />
b 2 b + ab<br />
d(<br />
A,<br />
C)<br />
= + b = . Assim, a área do triângulo t 01 é:<br />
a<br />
a<br />
A t<br />
01<br />
=<br />
1<br />
2<br />
b + ab<br />
a<br />
2<br />
⋅<br />
4<br />
b<br />
1 + ab<br />
. Daí, a área dos triângulos t 01 e t 02 somadas é T 1,<br />
onde<br />
T 1 =<br />
2<br />
b + ab<br />
⋅<br />
a 4<br />
b b<br />
=<br />
1 + ab 4<br />
b T0<br />
= . O processo é essencialmente o mesmo para provar<br />
a 4<br />
T1<br />
que T 2 = e os demais.<br />
4<br />
Voltando ao cálculo da área do segmento parabólico, basta perceber que o polígono<br />
construído (ver figura 1) se aproxima efetivamente do segmento da parábola e que T0 + T1 +<br />
4 T0<br />
T 0 T 0 T 0 4<br />
T2 + T4 + ...+ T n + ...= T 0 , ou melhor, T0 + + + + + + → T<br />
2 3<br />
n 0 .<br />
3<br />
4 4 4 4 3<br />
Em linguagem atual, pensando em repetir o processo infinitamente, teríamos<br />
1 1 1<br />
T0<br />
1+ + + ... + n<br />
4 16 4<br />
+ ...<br />
∞ 1<br />
= T0<br />
n<br />
n=<br />
0 4<br />
∞<br />
4<br />
1<br />
= T0<br />
, pois a série n<br />
3<br />
n=0<br />
4<br />
converge para 4<br />
, já que ela<br />
3<br />
1<br />
é a soma de uma progressão geométrica infinita de razão . Sendo assim, a soma de seus<br />
4<br />
1 1 4<br />
termos é dada por: = = .<br />
1 3<br />
1−<br />
3<br />
4 4<br />
O elegante é observar que mesmo não pensando no infinito (soma de infinitos termos),<br />
Arquimedes encontra a soma exata da série.<br />
3.2 A Medida de um Círculo<br />
Em A Medida de um Círculo, obra composta por apenas três proposições, Arquimedes<br />
demonstra primeiro que a área A de um círculo de raio r é igual a de um triângulo cuja base é<br />
rC<br />
igual à circunferência C do círculo e cuja altura é r , ou seja, A = . Resulta disso que a<br />
2<br />
razão da área do círculo pelo quadrado de seu raio é igual à razão da sua circunferência por<br />
seu diâmetro. Esta razão comum é o que chamamos hoje de π . Já se tinha em mente, naquela<br />
época, um valor aproximado para π de 3 , 16 descoberto pelos egípcios no século XV a.C.,<br />
aproximadamente. Eles partiram de um quadrado inscrito e outro circunscrito à circunferência<br />
2<br />
8
e, em seguida, dobrando-se os lados dos respectivos quadriláteros, obtendo-se com isso dois<br />
polígonos de oito lados, calcularam a razão entre os perímetros dos octógonos inscritos e<br />
circunscritos e o diâmetro da circunferência. Arquimedes também quis descobrir a razão<br />
entre o comprimento de uma circunferência e o seu diâmetro. A diferença e que Arquimedes<br />
partiu de um hexágono regular inscrito e outro circunscrito à circunferência e calculou os<br />
perímetros dos polígonos obtidos dobrando sucessivamente o número de lados até chegar a<br />
um polígono de 96 lados. O resultado obtido por Arquimedes descrito na matemática atual<br />
10 1<br />
equivale a considerar que 3 < π < 3 , que, em decimais, teríamos o seguinte intervalo:<br />
3 , 14084 < π < 3,<br />
142858 .<br />
71<br />
7<br />
Arquimedes calculou a área de um círculo descobrindo os limites entre os quais essa área se<br />
estende e depois estreitando pouco a pouco esses limites até mais ou menos a área real. Para<br />
isso, inscreveu dentro do círculo um polígono regular e depois circunscreveu o círculo com<br />
um polígono similar.<br />
Figura 3<br />
O processo utilizado por Arquimedes consistia na utilização de dois hexágonos e, através da<br />
duplicação de seus lados e da repetição do processo, Arquimedes, finalmente, chaga a um<br />
polígono de 96 lados. Em seguida, calculou a área do polígono interno que estabelecia o<br />
limite inferior da área do círculo. Feito isso, calculou-se também a área do polígono externo,<br />
9
que fixava o limite superior. E assim, através desse processo, chegou-se a um valor<br />
aproximado para a área do círculo a qual figurava, rigorosamente, entre esse dois limites.<br />
Bastante contribuição teve para a matemática ao utilizar essa inovação de fazer uso da<br />
aproximação no lugar da igualdade precisa. Arquimedes percebeu que com freqüência bastava<br />
fazer duas aproximações comparativamente fáceis de uma resposta que propusesse um limite<br />
inferior e um outro superior – entre os quais residiria a resposta. Quanto maior a exatidão<br />
exigida, mais estreitos os limites. Por exemplo, no diagrama anterior, os lados de um polígono<br />
podiam ser aumentados indefinidamente, reduzindo assim a diferença entre os limites superior<br />
e inferior até um resultado infinitesimalmente pequeno. Assim teve início o cálculo, embora<br />
outros 2.000 anos ainda fossem necessários antes que alguém desenvolvesse essa idéia. Isso<br />
só aconteceu a partir de 1666, quando Newton formulou os elementos essenciais do cálculo<br />
diferencial.<br />
Utilizando os recursos da matemática moderna, refinada e tendo a figura 3 como apoio,<br />
vamos mostrar a aproximação feita para π , partindo de dois polígonos de 96 lados, um<br />
inscrito e outro circunscrito à circunferência, assim como Arquimedes considerou. Considere,<br />
também, o raio da circunferência igual a 1.<br />
360 1 360<br />
360<br />
Temos α = e β = ⋅ , ou seja, β = . Das relações trigonométricas em um<br />
96 2 96<br />
192<br />
l<br />
triângulo retângulo, temos 2 l l 360<br />
sen β = = , mas = sen , o que nos dá aproximadamente<br />
1 2 2 192<br />
l = 0,<br />
0654381656 , sendo l o lado do polígono inscrito.<br />
Sendo a o apótema do polígono inscrito, por Pitágoras temos:<br />
2<br />
2<br />
2 l l<br />
a = 1−<br />
= 1−<br />
, ou<br />
2 4<br />
a =<br />
l<br />
1−<br />
4<br />
= 0,<br />
9994645875.<br />
Agora, calculando a área A t de um dos 96 triângulos do<br />
l ⋅ a<br />
polígono inscrito (ver figura 3) temos: At = . Resulta que a área do polígono inscrito é<br />
2<br />
l ⋅ a<br />
Ap = 96 ⋅ At<br />
= 96 ⋅ = 48⋅<br />
l ⋅ a , onde 48 ⋅ l = p , semi-perímetro do polígono inscrito. Disso<br />
2<br />
resulta que encontramos: = 48 ⋅ l ⋅ a , ou A = 3,<br />
1393502030 , aproximadamente.<br />
A p<br />
p<br />
Considerando agora o triângulo maior, do polígono circunscrito, formando o mesmo ângulo<br />
L<br />
β , temos: 2 L<br />
tg β = . Então = tgβ<br />
, ou L = 0,<br />
0654732008 , aproximadamente. Como o<br />
1 2<br />
apótema do polígono circunscrito é o raio r = 1 da circunferência, podemos calcular a área<br />
L ⋅1<br />
L<br />
A T de um dos 96 triângulos do polígono circunscrito. Assim, AT = = e a área do<br />
2 2<br />
2<br />
10
polígono circunscrito será (polígono grande):<br />
L<br />
AP = 96 ⋅ AT<br />
= 96 ⋅ = 48 ⋅ L (ou o<br />
2<br />
semiperímetro do polígono circunscrito). Temos, = 48 . L = 48.<br />
0,<br />
065463008 , resultando<br />
A = 3,<br />
1427145996 , aproximadamente.<br />
G<br />
Portanto, de nossos cálculos, com valores bem próximos aos de Arquimedes, temos:<br />
A ≤ A ≤ A , onde<br />
2<br />
= π ⋅ r é a área do círculo. Como r = 1,<br />
segue que<br />
p<br />
C<br />
G<br />
A C<br />
A G<br />
3, 1393502030 ≤ π ≤ 3,<br />
1427145996 .<br />
3.3 O Método de Equilíbrio de Arquimedes: o volume da esfera<br />
O método de exaustão é rigoroso, mas estéril. Em outras palavras, uma vez conhecida uma<br />
fórmula, o método de exaustão pode se constituir num elegante instrumento para prová-la,<br />
mas o método, por si só, não se presta para a descoberta inicial do resultado. Quanto a esse<br />
aspecto, o método de exaustão assemelha-se muito ao princípio de indução matemática, ou<br />
seja, será que esta propriedade vale sempre, para qualquer situação? Como, então,<br />
Arquimedes descobriu as fórmulas que tão elegantemente demonstrava pelo método de<br />
exaustão?<br />
Com a descoberta feita em 1906 por J. L. Heiberg, na biblioteca de um mosteiro em<br />
Constantinopla, a questão teve, finalmente, esclarecimento. Através de uma cópia de um<br />
tratado escrito por Arquimedes, cujo nome ficou conhecido como O método e que se<br />
encontrava perdido desde os primeiros séculos de nossa era. Esse texto foi escrito por volta do<br />
século X num pergaminho e, depois, por volta do século XIII, foi raspado para em seu lugar<br />
ser escrito um texto religioso. Com o tempo, o texto apagado voltou a ficar visível em alguns<br />
trechos. Felizmente, foi possível restaurar a maior parte do texto original.<br />
Para descobrir, então, suas fórmulas, Arquimedes usou o Método de Equilíbrio ou lei das<br />
alavancas. Considere a figura 4 abaixo: teremos equilíbrio se o produto do peso X pela<br />
distância x entre o ponto de suspensão de X e o fulcro for igual ao produto do peso Y por<br />
sua distância y ao fulcro (esses produtos são, por vezes, chamados de momento).<br />
Para Eves (1997):<br />
Figura 4<br />
“Esse método diz que para determinar uma área ou um volume, corte a região<br />
correspondente num número muito grande de tiras planas ou de fatias paralelas<br />
11
finas e (mentalmente) pendure esses pedaços numa das extremidades de uma<br />
alavanca dada, de tal maneira a estabelecer o equilíbrio com uma figura de área ou<br />
volume e centróide (centro de massa) conhecidos. Arquimedes não se satisfazia<br />
com esse procedimento, daí porque ele recorria ao método de exaustão para<br />
fornecer uma demonstração mais rigorosa em casos como o que acabamos de<br />
focalizar. Pelo Método de Equilíbrio pode-se ver a fertilidade da idéia que<br />
consiste em considerar toda grandeza como sendo formada de um número muito<br />
grande de porções atômicas, embora essa idéia não tenha uma fundamentação<br />
precisa.”<br />
A aplicabilidade do método será ilustrada aqui com a segunda proposição de O Método,<br />
segundo o qual o volume da esfera é 4 vezes o volume de um cone com base igual ao círculo<br />
maior da esfera e altura igual ao raio. (Anteriormente Demócrito tinha conhecimento de que o<br />
volume de um cone é 1 3 do volume do cilindro de mesma altura e mesmo raio). Arquimedes<br />
descobriu esse teorema através de uma engenhosa condição de equilíbrio entre as seções<br />
circulares de uma esfera e um cone, de um lado, e os elementos circulares de um cilindro de<br />
outro, como mostra a figura 5.<br />
Figura 5<br />
Fonte: Eves (1983)<br />
Seja r o raio da esfera. Coloque a esfera com seu diâmetro polar ao longo de um eixo<br />
horizontal x com o pólo norte N na origem. Construa o cilindro e o cone de revolução<br />
12
obtidos girando o retângulo NABS e o triângulo NCS (que é um triângulo retângulo<br />
isósceles com lados de comprimento 2r) sobre o eixo x . Agora corte nos três sólidos finas<br />
fatias verticais ( assumindo que eles são cilindros achatados) à distância x de N e de espessura<br />
∆ x . Os volumes destas fatias são aproximadamente:<br />
esfera : πx(<br />
2r<br />
− x)<br />
∆x,<br />
2<br />
cilindro : πr<br />
∆x,<br />
2<br />
cone : πx<br />
∆x<br />
Tome fatias correspondentes da esfera e do cone e os pendure pelos seus centros em T onde<br />
TN = 2r. O momento (o momento de um volume sobre um ponto é o produto do volume pela<br />
distância do ponto ao centróide do volume) combinado destas duas fatias sobre N é:<br />
2<br />
2<br />
[ π x( 2r<br />
− x)<br />
∆x<br />
+ πx<br />
∆x]<br />
2r<br />
= 4πr<br />
x∆x<br />
.<br />
Isto, podemos ver, é quatro vezes o momento da fatia cortada do cilindro quando aquela fatia<br />
é pendurada onde está. Somando um número grande destas fatias acharemos:<br />
2r[volume da esfera + volume do cone] = 4r[volume do cilindro], ou<br />
8π r<br />
4<br />
2r[volume da esfera ] = 8πr , ou<br />
3<br />
4π r<br />
volume da esfera = .<br />
3<br />
Isto, que nos é narrado em O Método, foi o modo como Arquimedes descobriu fórmula do<br />
volume de uma esfera. Mas a consciência matemática dele não lhe permitia aceitar o tal<br />
método como uma prova, daí Arquimedes forneceu uma demonstração rigorosa por meio do<br />
método de exaustão.<br />
Se a imprensa fosse invenção dos tempos antigos, certamente O Método de Arquimedes teria<br />
um significado maior no desenvolvimento do cálculo. Durante quase dois milênios, o trabalho<br />
permaneceu essencialmente desconhecido já que foram feitas poucas cópias. A redescoberta<br />
de O Método de Arquimedes foi um feito memorável.<br />
DISCUSSÃO E CONCLUSÃO<br />
Sabemos que hoje em dia o Cálculo Integral é largamente usado em diversas áreas do<br />
conhecimento humano e aplicado para a solução de problemas não só de matemática, mas de<br />
Física, Química, Astronomia, Economia, por exemplo. Mas para se chegar a métodos<br />
refinados, como os de agora, o conhecimento matemático passou por diversas lapidações e<br />
contradições que duraram séculos para se resolverem.<br />
Arquimedes, pelas obras produzidas, pelo grau de rigor que se auto-exigia em suas<br />
demonstrações e pelo seu fabuloso raciocínio geométrico parecia ser um matemático que não<br />
condizia com o tempo em que vivia, pois, de longe, pensava muito além dos demais<br />
matemáticos contemporâneos, principalmente quando se falava em geometria. Sem dúvida<br />
alguma, a matemática arquimediana contribuiu bastante para o surgimento da matemática<br />
13
moderna, já que, partindo de seus postulados foi-se capaz de se chegar a resultados mais<br />
convincentes e elaborados e que não exigiam todo aquele rigor presente nos trabalhos de<br />
Arquimedes.<br />
Com relação ao método de exaustão, que já sabemos que foi criado por Eudoxo, Arquimedes<br />
foi quem o aplicou de maneira mais elegante, aproximando-se da atual e verdadeira<br />
integração. O que podemos concluir com isso, a sua influencia no desenvolvimento do<br />
conhecimento matemático. O interessante é que nenhum matemático clássico dizia: “vamos<br />
recorrer ao método de exaustão para encontrarmos a solução do problema”. De fato, esse<br />
termo (método de exaustão) é uma invenção tardia, por volta do século XVII.<br />
Mas, entender o método de exaustão e suas aplicações e resultados não é nada trivial. O que<br />
iremos encontrar nos livros referentes ao assunto são algumas poucas e repetidas informações,<br />
além de rigorosas demonstrações nada fácil de se interpretar e tirar conclusões. Isso vem a<br />
mostrar que grande parte das obras e dos manuscritos feitos por Arquimedes foram perdidos e<br />
o que se tem hoje em dia é fruto de espinhosas traduções e interpretações muitas vezes<br />
contraditórias. Conclui-se, assim, que não se pode dar uma idéia de sua obra traduzindo os<br />
resultados para a nossa linguagem, já que uma tradução desse tipo transformaria nosso texto<br />
em um fraco elenco de resultados facilmente dedutíveis mediante as técnicas refinadas que<br />
conhecemos atualmente. Então, para estudar e reconstruir as contribuições de Arquimedes é<br />
preciso mergulhar na sua rigorosa matemática da idade antiga.<br />
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS<br />
AABOE, Asger. Episódios da matemática antiga (coleção fundamentos da matemática elementar).<br />
Rio de Janeiro: SBM, 1984.<br />
ALVES, José Afonso Rodrigues. Lição de cálculo diferencial e integral. Goiânia-Go: Universa,<br />
2004.<br />
BORN, Margareth E. Curso de história da matemática: origens e desenvolvimento do cálculo.<br />
Brasília: Universidade de Brasília.<br />
BOYER, Carl B. Cálculo - tópicos de história da matemática para uso em sala de aula. São Paulo:<br />
Atual Editora Ltda, 1995. v. 6.<br />
______. História da matemática. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher Ltda, 1996.<br />
EVES, Howard. Great moments in mathematcs. Dolciani Mathematical Exposition nº 5, USA: The<br />
Mathematical Assiciation of American, 1983.<br />
______. Introdução à história da matemática. 2. ed. São Paulo: Unicamp, 1997.<br />
REVISTA GALILEU. Especial Eureca: Eureca – A matemática divertida e emocionante. 94p. Edição<br />
Especial (2003).<br />
SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL. Coleção Gênios da Ciência: Arquimedes, pioneiro da<br />
matemática. Nº 7. 98p. Edição Especial (2005).<br />
STRATHERN, Paul. Arquimedes e a alavanca em 90 minutos (coleção 90 minutos). Rio de Janeiro:<br />
Jorge Zahar Ed., 1998.<br />
Mauro Lopes Alvarenga (maurolopes.mat@gmail.com)<br />
Curso de Matemática, Universidade Católica de Brasília<br />
EPCT – QS 07 – Lote 01 – Águas Claras – Taguatinga – CEP.: 72966-700<br />
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