1.4 DE LA GEOMETRÍA ANALÍTICA AL CÁLCULO

En esta sección nos interesa reseñar una de los momentos más importantes en la historia de las matemáticas.

La Geometría Analítica

Una mención aparte y especial para nosotros en este libro merece la Geometría Analítica que, como sabemos, conecta los conceptos de la geometría con los del álgebra y viceversa; al decir de Descartes, la expresión de curvas por medio de relaciones algebraicas. Ya desde la Antigüedad esta vinculación se trató de plantear. Por ejemplo Menecmo, quien fue discípulo de Eudoxo, se supone que conocía algo de geometría analítica; aunque con las limitaciones impuestas al álgebra por los griegos es difícil que esto haya sido muy desarrollado. Sin embargo, Apolonio de Perga en su famosa obra Las Cónicas, y quien vivió alrededor de los años 262 y 190 a.C., usó rectas de referencia para puntos, también un diámetro y una tangente a la misma para expresar esos puntos; es decir, algo parecido a lo que en geometría analítica moderna hacemos cuando usamos los ejes de coordenadas. También Pappus y Omar Khayyam los usaron en su resolución de ecuaciones cúbicas.

Parte de la obra de Las Cónicas fue traducida por los árabes y fue introducida en Europa precisamente por Edmund Halley (1556-1742) quien fue un científico amigo de Newton.

Descartes

Muchos otros matemáticos hicieron algunos avances en esta relación entre álgebra y geometría durante esta época. Giovani di Casoli, Nicole Oresme (c. 1323-1382) y el mismo Galileo habían tratado de establecer representaciones gráficas de conceptos como los de tiempo, rapidez, distancia y velocidad; sin embargo, fue René Descartes quien dió el impulso definitivo en esta dirección a la geometría. Subrayemos que Descartes es considerado el primer filósofo moderno y, por eso mismo, debe interpretarse que la geometría analítica corresponde al espíritu de lo que ya es una nueva era en el desarrollo de la sociedad occidental.

René Descartes

La obra de Descartes es auténticamente revolucionaria. Podemos decir que el método que él proponía se reduce a tres pasos:

1- La expresión de un problema geométrico en forma algebraica.

2- Resolución de las ecuaciones algebraicas que corresponden al problema geométrico.

3- Construir o interpretar geométricamente lo que planteaba la solución.

Descartes se dice que buscaba liberar a la geometría del exceso de figuras, pero también buscaba darle sentido o significado al álgebra por medio de la geometría. Fue revolucionario Descartes al establecer que una curva se construye con solamente ofrecer una ecuación algebraica. Recordemos que en la Antigüedad para que una curva existiera era necesario que hubiera un procedimiento con regla y compás para poderla construir.

Fermat

Se le atribuye también la creación de la geometría analítica a Pierre de Fermat, quien escribió sobre estos temas antes incluso que Descartes hubiera publicado su obra seminal sobre el tema, pero que, desafortunadamente, fue publicada de manera póstuma posteriormente a la obra de Dercartes.

El Álgebra

Lo importante a subrayar acá es el uso de los métodos algebraicos. Podríamos decir que hasta el siglo XVII el álgebra estuvo subordinada a la geometría y a partir de este momento el rol se invirtió y, con ello, se dio un cambio sustancial en la historia de las matemáticas.

A pesar del impacto de la geometría analítica desarrollada por Descartes y Fermat, su repercusión no fue tan grande en esa época; fue hasta el trabajo de Gaspard Monge (1746-1818) y sus discípulos en la Escuela Politécnica Francesa, ya en el siglo XVIII y XIX, que llegó a tener la importancia, proyección, dinamismo e impacto que hoy reconocemos a la geometría analítica. Sin embargo, debemos decir que la geometría analítica fue decisiva para el desarrollo del Cálculo Diferencial e Integral, que constituyó una auténtica revolución en el pensamiento matemático.

Las matemáticas del siglo XVII

De manera general, podemos decir que durante el siglo XVII las matemáticas tuvieron un carácter muy aplicado, lo cual correspondía a una demanda en crecimiento del uso de las ciencias en la vida social, y a flujos e influjos en la economía y en las técnicas que afectaron los trabajos en las matemáticas; aunque no puede decirse de una manera mecánica y determinista que las demandas de la vida social y física fueron las que generaron los resultados matemáticos.

En el siglo XVII las ideas científicas se abrieron con gran intensidad. Gassendi (1592-1655) introdujo de nuevo una forma de la teoría atomista de Leucipo y Demócrito. Grimaldi (1618-1663) y después Newton obtuvieron resultados en la óptica y en el esclarecimiento de la naturaleza de la luz. Huygens hizo una descripción matemática de un funcionamiento ondulatorio de la luz. Torricelli (1608-1647), discípulo de Galileo, inventó el barómetro descubriendo la presión atmosférica y también el "vacío''. Es el siglo de Boyle con sus resultados sobre el vacío y la teoría de gases; también de Hooke, a quien se le atribuye haber sido el principal físico experimental antes de Faraday. Los resultados y las figuras científicas del XVII pueden seguir enumerándose pero, sin duda, es la obra de Newton la que culmina la llamada Revolución Científica.

La teoría newtoniana de la gravitación universal completó la destrucción del modelo cosmológico anterior. Con Newton, efectivamente, puede considerarse que una fase intelectual fue completada. En las etapas históricas siguientes nuevos saltos cualitativos hacia adelante en la ciencia van a demandar más condiciones económicas, técnicas, políticas y sociales.

Isaac Newton

El Cálculo

Con la creación del Cálculo infinitesimal va a completar los trabajos matemáticos que desde Eudoxo y Arquímedes en la Antigüedad hasta Kepler, Fermat y Descartes (entre muchos otros en la nueva época) se venían dando en busca de un método para abordar el "continuo''. El Cálculo infinitesimal representó el resultado matemático más decisivo del siglo XVII, que generaría un extenso territorio intelectual para los siglos siguientes no solo en las matemáticas sino en la ciencia en general. Ya sólo esto hubiera sido suficiente para inmortalizar a Newton, pero realizó otra hazaña intelectual: la mecánica celeste; es decir, la descripción del movimiento de los astros a partir de las leyes de la mecánica terrestre. Fue la fundición teórica de los resultados de Copérnico y Kepler con los de Galileo. No se trataba de un sistema filosófico, sino de una descripción matemática.

La obra que condensó sus extraordinarias contribuciones a la mecánica fue el famoso Philosophiae naturalis principia mathematica ("Principios matemáticos de la filosofía natural''), publicado en 1687. Es una de las joyas del pensamiento humano. En ella, donde aplica hasta cierto punto el Cálculo, formula con gran rigor matemático las leyes de Kepler sobre el movimiento planetario, las cuales habían sido establecidas de manera empírica. Newton demostró que estas leyes se deducían de la ley de gravitación de los cuadrados inversos:

La fuerza gravitacional entre dos masas es igual a una constante por el producto de las masas, dividido éste por el cuadrado de la distancia entre ellas.

Explicó el movimiento de los cuerpos celestes y de las mareas. También estableció los fundamentos de la teoría del movimiento de la Luna. Newton asumió un tratamiento axiomático y matemático, en el que asumía el espacio y el tiempo como absolutos.

El descubrimiento-construcción del Cálculo lo realizó entre 1665 y 1666 mientras estaba en su lugar de nacimiento en el campo para escapar de la peste que atormentaba Cambridge.

Newton construyó el Cálculo entre 1665 y 1666 mientras Leibniz lo hizo entre 1773 y 1776, pero fue Leibniz quien publicó primero sus resultados entre 1684 y 1686 y, luego, lo hizo Newton entre 1704 y 1736. Ambos hicieron sus contribuciones de manera independiente y con características propias, sin embargo se dio una polémica muy famosa, que duró décadas, sobre quién lo había encontrado primero.

Con el Cálculo se resolvieron problemas fundamentales que implicaban el uso de un concepto central: el límite. Tanto Newton como Leibniz usaron esta noción pero lo hicieron de una manera más bien intuitiva, física o geométrica. Una formulación más precisa y rigurosa tendría que esperar más de un siglo en la historia de las matemáticas.

Wilhelm Leibniz

Con la idea de "límite'' no solo se respondería a los problemas inmediatos con los que se enfrentaron los matemáticos de la Revolución Científica, sino a aquellos originados en la Antigüedad alrededor del infinito y la continuidad. Todos esos procesos matemáticos en los que se usó el término "indefinidamente'' hacían referencia al límite. Ya fuera que se planteara realizar sumas indefinidas de términos o subdivisión indefinida de una longitud, área o volumen, hay una relación con los métodos infinitos. Es la noción de límite a la que se apela cuando en el método de Exhausción se pasa del área de polígonos regulares inscritos en un círculo con lados, al área del círculo. O, también, cuando se puede dividir un área en un número infinito de rectas "indivisibles'', o cuando para calcular el área bajo la curva se construye rectángulos y, luego, este número se vuelve infinito o, lo que es igual, la base de los mismos "se va hacia el cero''.

Para el cálculo de áreas se retomó el espíritu del método de eshausción con aproximaciones al área por medio de figuras geométricas representadas analíticamente; los rectángulos sustituyeron los triángulos (o polígonos compuestos por triángulos) que se usaron anteriormente. El concepto de la integral posee su origen en estos objetivos. Debe subrayarse la existencia de una íntima relación entre Geometría Analítica y Cálculo. Aunque el cálculo de áreas, longitudes y volúmenes ocupó una historia más larga en las matemáticas, el cálculo de la tangente a una curva (planteado en el siglo XVII) fue decisivo y determinante para el desarrollo de los métodos El cálculo de la recta tangente y el de la velocidad instantánea se redujeron al cálculo de la derivada, lo que hoy reconocemos como un tipo particular de límite. Newton, incluso, consideró sus derivadas como velocidades. No podemos dejar de mencionar que la relación complementaria o inversa entre los procesos de la derivación y la integración fue uno de los resultados más interesantes y sorprendentes de esta temática.