História da Matemática - Tradução da 3ª edição americana

Boyer “Boyer e Merzbach destilaram milhares de anos de matemática nesta crônica fascinante. Dos gregos a Gödel, a matemática é brilhante; o elenco de personagens é notável; o vaivém das ideias é evidente em toda parte... Sem dúvida, esta é – e continuará sendo por muito tempo – uma história clássica em um volume da matemática e dos matemáticos que a criaram.”

William Dunham, autor de Journey Through Genius: The Great Theorems of Mathematics “Ao mesmo tempo de leitura fácil e erudito... uma excelente introdução ao assunto.”

J. David Bolter, autor de Turing’s Man “Quando lemos um livro como História da Matemática, temos a figura de uma estrutura crescente, sempre mais alta e mais larga e mais bela e magnífica e com uma base que é tão imaculada e tão funcional agora como era quando Tales elaborou os primeiros teoremas geométricos, há quase vinte e seis séculos.”

Isaac Asimov (do prefácio) Por mais de vinte anos, História da Matemática tem sido texto de referência para aqueles que querem aprender sobre a fascinante história da relação da humanidade com números, formas e padrões. Esta edição revisada apresenta uma cobertura atualizada de tópicos como o último teorema de Fermat e a conjectura de Poincaré, além de avanços recentes em áreas como teoria dos grupos finitos e demonstrações com o auxílio do computador.

Quer você esteja interessado na idade de Platão e Aristóteles ou de Poincaré e Hilbert, quer você queira saber mais sobre o teorema de Pitágoras ou sobre a razão áurea, História da Matemática é uma referência essencial que o ajudará a explorar a incrível história da matemática e dos homens e mulheres que a criaram.

Uta C. Merzbach é Curadora Emérita de Matemática no Smithsonian Institution e diretora do LHM Institute.

O falecido Carl B. Boyer foi professor de matemática no Brooklyn College e autor de diversas obras clássicas sobre história da matemática.

www.blucher.com.br

Carl B. Boyer Uta C. Merzbach TRADUÇÃO DE

HELENA CASTRO PREFÁCIO DE

ISAAC ASIMOV

IS B N 97 8-8 5- 212-0641- 5

9 788521 206415

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História da Matemática Tradução da 3ª edição americana Carl B. Boyer e Uta C. Merzbach

Lançamento 2012 Páginas: 508 ISBN: 9788521206415 Formato: 20,5 x 25,5 cm

Boyer “Boyer e Merzbach destilaram milhares de anos de matemática nesta crônica fascinante. Dos gregos a Gödel, a matemática é brilhante; o elenco de personagens é notável; o vaivém das ideias é evidente em toda parte... Sem dúvida, esta é – e continuará sendo por muito tempo – uma história clássica em um volume da matemática e dos matemáticos que a criaram.”

William Dunham, autor de Journey Through Genius: The Great Theorems of Mathematics “Ao mesmo tempo de leitura fácil e erudito... uma excelente introdução ao assunto.”

J. David Bolter, autor de Turing’s Man “Quando lemos um livro como História da Matemática, temos a figura de uma estrutura crescente, sempre mais alta e mais larga e mais bela e magnífica e com uma base que é tão imaculada e tão funcional agora como era quando Tales elaborou os primeiros teoremas geométricos, há quase vinte e seis séculos.”

Isaac Asimov (do prefácio) Por mais de vinte anos, História da Matemática tem sido texto de referência para aqueles que querem aprender sobre a fascinante história da relação da humanidade com números, formas e padrões. Esta edição revisada apresenta uma cobertura atualizada de tópicos como o último teorema de Fermat e a conjectura de Poincaré, além de avanços recentes em áreas como teoria dos grupos finitos e demonstrações com o auxílio do computador.

Quer você esteja interessado na idade de Platão e Aristóteles ou de Poincaré e Hilbert, quer você queira saber mais sobre o teorema de Pitágoras ou sobre a razão áurea, História da Matemática é uma referência essencial que o ajudará a explorar a incrível história da matemática e dos homens e mulheres que a criaram.

Uta C. Merzbach é Curadora Emérita de Matemática no Smithsonian Institution e diretora do LHM Institute.

O falecido Carl B. Boyer foi professor de matemática no Brooklyn College e autor de diversas obras clássicas sobre história da matemática.

www.blucher.com.br

Carl B. Boyer Uta C. Merzbach TRADUÇÃO DE

HELENA CASTRO PREFÁCIO DE

ISAAC ASIMOV

IS B N 97 8-8 5- 212-0641- 5

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Conteúdo

Carl B. Boyer Uta C. Merzbach

HISTÓRIA DA MATEMÁTICA

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Conteúdo

CONTEÚDO

1

Vestígios, 23

2

Egito antigo, 29

3

4

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Raciocínio dedutivo, 73 Demócrito de Abdera, 75 Matemática e as Artes liberais, 76 A Academia, 76 Aristóteles, 85

Conceitos e relações, 23 Primeiras bases numéricas, 25 Linguagem numérica e contagem, 25 Relações espaciais, 26

A era e as fontes, 29 Número e frações, 30 Operações aritméticas, 31 Problemas de “pilhas”, 32 Problemas geométricos, 33 Problemas de inclinação, 36 Pragmatismo aritmético, 36

5

Euclides de Alexandria, 87

6

Arquimedes de Siracusa, 99

7

Apolônio de Perga, 111

8

Correntes secundárias, 121

Mesopotâmia, 39

A era e as fontes, 39 Escritura cuneiforme, 40 Números e frações: sexagesimais, 40 Numeração posicional, 41 Frações sexagesimais, 41 Aproximações, 42 Tabelas, 42 Equações, 43 Medições: ternas Pitagóricas, 46 Áreas poligonais, 48 A geometria como aritmética aplicada, 49

Tradicões Helênicas, 53

A era e as fontes, 53 Tales e Pitágoras, 54 Numeração, 61 Aritmética e logística, 63 Atenas do quinto século, 64 Três problemas clássicos, 64 Quadratura de lunas, 65 Hípias de Elis, 67 Filolau e Arquitas de Tarento, 68 Incomensurabilidade, 70 Paradoxos de Zeno, 71

Alexandria, 87 Obras perdidas, 87 Outras preservadas, 88 Os elementos, 89

O cerco de Siracusa, 99 Sobre os equilíbrios dos planos, 99 Sobre corpos flutuantes, 100 O contador de areia, 101 Medida do círculo, 101 Sobre espirais, 102 Quadratura da parábola, 103 Sobre conoides e esferoides, 104 Sobre a esfera e o cilindro, 105 O livro de lemas, 106 Sólidos semirregulares e trigonometria, 107 O método, 107

Trabalhos e tradição, 111 Obras perdidas, 112 Ciclos e epiciclos, 113 As cônicas, 113

Mudança de direção, 121 Eratótenes, 122 Ângulos e cordas, 122 O Almagesto de Ptolomeu, 126 Heron de Alexandria, 130 Declínio da matemática grega, 132 Nicômaco de Gerasa, 132

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História da Matemática

Diofante de Alexandria, 133 Papus de Alexandria, 135 O fim do domínio de Alexandria, 140 Proclo de Alexandria, 140 Boécio, 140 Fragmentos atenienses, 141 Matemáticos bizantinos, 141

9

China antiga e medieval, 143

10

Os mais antigos documentos, 143 Os nove capítulos, 144 Numerais em barras, 144 O ábaco e as frações decimais, 145 Valores de pi, 146 A matemática do Século Treze, 148

Índia antiga e medieval, 151

O início da matemática na Índia, 151 Os Sulbasutras, 152 Os Siddhantas, 152

Aryabhata, 153

Numerais, 154

Trigonometria, 156

Multiplicação, 156

Divisão, 157

Brahmagupta, 158

Equações indeterminadas, 160

Bhaskara, 160

Madhava e a Escola keralesa, 161

11

12

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A hegemonia Islâmica, 163

Conquistas árabes, 163 A Casa da Sabedoria, 164 Al-Khwarizmi, 165 ‘Abd Al-Hamid Ibn-Turk, 169 Thabit Ibn-Qurra, 169 Numerais, 170 Trigonometria, 171 Destaques dos séculos onze e doze, 171 Omar Khayyam, 173 O postulado das paralelas, 174 Nasir al-Din al-Tusi, 174 Al-Kashi, 175

O ocidente latino, 177

Introdução, 177 Compêndio da Idade das Trevas, 177 Gerbert, 178 O século da tradução, 179

Abacistas e algoristas, 180 Fibonacci, 181 Jordanus Nemorarius, 183 Campanus de Novara, 184 O saber no Século XIII, 185 O restabelecimento de Arquimedes, 185 Cinemática Medieval, 185 Thomas Bradwardine, 186 Nicole Oresme, 187 A latitude das formas, 187 Séries infinitas, 189 Levi ben Gerson, 189 Nicholas de Cusa, 190 Declínio do saber medieval, 190

13

O renascimento Europeu, 193

14

Primeiros matemáticos modernos dedicados à resolução de problemas, 219

15

Análise, síntese, o infinito e números, 231

Panorama geral, 193

Regiomontanus, 194

O Triparty de Nicolas Chuquet, 196

A Summa de Lucca Pacioli, 197

Álgebras e aritméticas alemãs, 198 A Ars magna de Cardano, 200

Rafael Bombelli, 203

Robert Recorde, 204

Trigonometria, 205

Geometria, 206

Tendências do Ranascimento, 210

François Viète, 211

Acessibilidade de cálculos, 219 Frações decimais, 219 Notações, 221 Logaritmos, 221 Instrumentos matemáticos, 224 Métodos infinitesimais: Stevin, 228 Johannes Kepler, 228

As duas novas ciências de Galileu, 231 Boaventura Cavalieri, 233 Evangelista Torricelli, 235 Os interlocutores de Mersenne, 236 René Descartes, 237 Lugares geométricos de Fermat, 244 Gregório de St. Vincent, 248

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Conteúdo

Teoria dos números, 249 Gilles Persone de Roberval, 250 Girard Desargues e a geometria projetiva, 251 Blaise Pascal, 253 Philippe de Lahire, 256 George Mohr, 257 Pietro Mengoli, 257 Frans van Schooten, 257 Jan De Witt, 258 Johann Hudde, 258 René François de Sluse, 259 Christiaan Huygens, 260

16 Técnicas britânicas e métodos

continentais, 265

John Walis, 265 James Gregory, 268 Nicolaus Mercator e William Brouncker, 269 Método de Barrow das tangentes, 270 Newton, 271 Abraham De Moivre, 280 Roger Cotes, 282 James Stirling, 283 Colin Maclaurin, 283 Livros didáticos, 285 Rigor e progresso, 286 Leibniz, 286 A família Bernoulli, 291 Transformações de Tschirnhaus, 297 Geometria analítica do espaço, 298 Michel Rolle e Pierre Varignon, 298 Os Clairaut, 299 Matemática na Itália, 300 O postulado das paralelas, 301 Séries divergentes, 301

17 Euler, 303

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Vida de Euler, 303 Notação, 304 Fundamentos da análise, 305 Logaritmos e identidades de Euler, 307 Equações diferenciais, 308 Probabilidade, 309 Teoria dos números, 310 Livros didáticos, 311 Geometria analítica, 311 Postulado das paralelas: Lambert, 312

18 A França de pré a

pós-revolucionária, 315

Homens e instituições, 315 O comitê de Pesos e Medidas, 316 D’Alembert, 316 Bézout, 318 Condorcet, 319 Lagrange, 320 Monge, 322 Carnot, 325 Laplace, 328 Legendre, 330 Aspectos da abstração, 332 Paris da década de 1820, 332 Fourier, 333 Cauchy, 334 Difusão, 340

19 Gauss, 343

Panorama do século dezenove, 343 Primeiras obras de Gauss, 343 Teoria dos números, 344 Recepção das disquisitiones arithmeticae, 346 Contribuições de Gauss à astronomia, 347 A meia-idade de Gauss, 347 O início da geometria diferencial, 348 Últimos trabalhos de Gauss, 349 Influência de Gauss, 350

20 Geometria, 357

A escola de Monge, 357 A geometria projetiva: Poncelet e Chasles, 358 Geometria sintética métrica: Steiner, 360 Geometrica sintética não métrica: von Staudt, 361 Geometria analítica, 361 Geometria não euclidiana, 364 Geometria riemanniana, 366 Espaços de dimensão superior, 367 Felix Klein, 368 A geometria algébrica pós-riemanniana, 370

21

Álgebra, 371

Introdução, 371 A álgebra na Inglaterra e o cálculo operacional de funções, 371 Boole e a álgebra da lógica, 372 De Morgan, 375 William Rowan Hamilton, 375

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22

História da Matemática

Grassmann e Ausdehnungslehre, 377 Cayley e Sylvester, 378 Álgebras lineares associativas, 381 Geometria algébrica, 382 Inteiros algébricos e aritméticos, 382 Axiomas da aritmética, 383

22 Análise, 387

Berlim e Göttingen em meados do século, 387 Riemann Göttingen, 388 Física-matemática na Alemanha, 388 Física-matemática nos países de língua inglesa, 389 Weierstrass e estudantes, 390 A aritmetização da análise, 392 Dedekind, 394 Cantor e Kronecker, 395 Análise na França, 399

23 Legados do Século Vinte, 403

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Panorama geral, 403 Poincaré, 404 Hilbert, 408 Integração e medida, 415 Análise funcional e topologia geral, 417

Álgebra, 419 Geometria diferencial e análise tensorial, 420 Probabilidade, 421 Limitantes e aproximações, 422 A década de 1930 e a Segunda Guerra Mundial, 423 Nicolas Bourabki, 424 Álgebra homológica e teoria das categorias, 426 Geometria algébrica, 426 Lógica e computação, 427 As medalhas Fields, 429

24

Tendências recentes, 431

Panorama geral, 431 A conjectura das quatro cores, 431 Classificação de grupos simples finitos, 435 O último teorema de Fermat, 437 A questão de Poincaré, 438 Perspectivas futuras, 441

Referências, 443 Bibliografia, 469 Índice remissivo, 479

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1 – Vestígios

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VESTÍGIOS Trouxeste-me um homem que não sabe contar seus dedos?

Do Livro dos Mortos Egípcio

Conceitos e relações Os matemáticos contemporâneos formulam afirmações sobre conceitos abstratos que podem ser verificadas por meio de demonstrações. Por séculos, a matemática foi considerada a ciência dos números, grandeza e forma. Por esta razão, aqueles que procuram os primeiros exemplos de atividade matemática apontarão para resquícios arqueológicos que refletem a consciência humana das operações numéricas, contagem ou padrões e formas “geométricos”. Mesmo quando estes vestígios refletem atividade matemática, eles raramente evidenciam muito significado histórico. Eles podem ser interessantes quando mostram que pessoas em diferentes partes do mundo realizavam certas ações que envolviam conceitos que têm sido considerados matemáticos. Para que uma destas ações assuma significado histórico, entretanto, procuramos por relações que indiquem que esta ação era conhecida por outro indivíduo ou grupo engajado em uma ação relacionada. Uma vez que

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uma destas conexões tenha sido estabelecida, a porta se abre para estudos históricos mais específicos, como os que tratam da transmissão, tradição e mudança conceitual.

Em geral, os vestígios matemáticos são encontrados no domínio das culturas primitivas, o que torna a avaliação de seu significado ainda mais complexa. Regras de operação podem existir como parte de uma tradição oral, muitas vezes na forma musical ou de versos, ou eles podem estar encobertos na linguagem da mágica ou em rituais.

Algumas vezes, eles são encontrados em observações do comportamento animal, removendo-os para ainda mais longe do domínio do historiador.

Enquanto os estudos da aritmética canina ou da geometria das aves pertencem aos zoologistas, os do impacto das lesões cerebrais na consciência numéricam pertencem aos neurologistas, e os de encantamentos numéricos que curam, aos antropologistas, todos estes estudos podem se mostrar úteis aos historiadores da matemática sem ser uma parte clara desta história.

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1 – Vestígios

Primeiras bases numéricas Historicamente, contar com os dedos, ou a prática de contar por grupos de cinco e dez, parece ter surgido mais tarde que a contagem por grupos de dois e três; entretanto, os sistemas quinário e decimal quase invariavelmente substituíram o binário e o ternário. Um estudo de várias centenas de tribos de índios americanos, por exemplo, mostrou que quase um terço usava a base decimal e aproximadamente outro terço usava um sistema quinário ou quinário-decimal; menos de um terço tinha um esquema binário, e os que usavam um sistema ternário formavam menos de um por cento do grupo. O sistema vigesimal, com base 20, ocorria em cerca de 10 por cento das tribos.

Um exemplo interessante de sistema vigesinal é o usado pelos Maias de Yucatan e da América Central. Este foi decifrado algum tempo antes que o resto das línguas maias pudesse ser traduzido.

Em sua representação de intervalos de tempo entre datas em seu calendário, os maias usavam uma numeração com valor na posição, geralmente com 20 como base primária e 5 como auxiliar.

(Veja a ilustração ao lado.) Unidades eram representadas por pontos e cincos por barras horizontais, de modo que o número 17, por exemplo, teria a aparência (ou seja, 3(5) + 2). Era usado um arranjo vertical de posição, com as unidades de tempo maior acima; Portanto, a notação denotava 352 (ou seja, 17(20) + 12). Como o sistema era principalmente para a contagem de dias em um calendário que tinha 360 dias em um ano, a terceira posição em geral não representava múltiplos de (20)(20), como em um sistema vigesimal puro, mas (18)(20). Entretanto, além deste ponto, prevalecia novamente a base 20. Nesta notação posicional, os maias indicavam as posições ausentes pelo uso de um símbolo, que aparece em várias fontes, e lembra um pouco um olho semiaberto.

Assim, no esquema deles, a notação denotava 17(20 · 18 · 20) + 0(18 · 20) + 13(20) + 0.

Linguagem Numérica e Contagem

Do Códex de Dresden, dos maias, exibindo números. A segunda coluna da esquerda, de cima para baixo, contém os números 9, 9, 16, 0, 0, que indicam 9 × 144.000 + 9 × 7.200 + 16 × 360 + 0 + 0 = 1.366.560. Na terceira coluna estão os números 9, 9, 9, 16, 0 representando 1.364.360. O original é nas cores preta e vermelha. (Tirado de Morley, 1915, p. 266).

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Acredita-se, em geral, que o desenvolvimento da linguagem foi essencial para que surgisse o pensamento matemático abstrato; no entanto, palavras que exprimem ideias numéricas apareceram lentamente. Sinais para números provavelmente precederam as palavras para números, pois é mais fácil fazer incisões em um bastão do que estabelecer uma frase bem modulada para identificar um número. Se o problema da linguagem não fosse tão difícil, talvez sistemas rivais do decimal tivessem feito maiores progressos. A base 5, por exemplo, foi uma das que deixaram a mais antiga evidência escrita palpável; mas quando a linguagem se tornou formalizada, a base dez já predominava. As línguas modernas são construídas quase sem exceção em torno da base 10, de modo que o número treze,

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2 – Egito antigo

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EGITO ANTIGO Sesóstris… repartiu o solo do Egito entre seus habitantes… Se o rio levava qualquer parte do lote de um homem ... o rei mandava pessoas para examinar e determinar por medida a extensão exata da perda… Por esse costume, eu creio, é que a geometria veio a ser conhecida no Egito, de onde passou para a Grécia.

Heródoto

A era e as fontes Em cerca de 450 a.C., Heródoto, o inveterado viajante grego e historiador narrativo, visitou o Egito. Ele viu os monumentos antigos, entrevistou sacerdotes e observou a majestade do Nilo e as conquistas dos que trabalhavam ao longo de suas margens. O relato resultante se tornou uma das pedras fundamentais da narrativa da história antiga do Egito. Ao tratar de matemática, ele manteve que a geometria tinha-se originado no Egito, pois acreditava que o assunto tinha aparecido lá a partir da necessidade prática de redemarcar terras depois da enchente anual das margens do vale do rio. Um século mais tarde, o filósofo Aristóteles especulou sobre o mesmo assunto e atribuiu a busca da geometria pelos egípcios à existência de uma classe de sacerdotes com tempo para o lazer. O debate, que se estende bem além das fronteiras do Egito, sobre creditar o progresso em matemática aos homens práticos (os demarcadores de terras ou “esticadores de corda”) ou aos elementos contemplativos da sociedade (os sacerdotes e o filó-

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sofos) continua até nossos tempos. Como iremos ver, história da matemática mostra uma constante influência mútua entre estes dois tipos de contribuição.

Ao tentar desvendar história da matemática no Egito antigo, os pesquisadores até o século dezenove encontraram duas grandes dificuldades. A primeira era a inabilidade de ler os materiais-fonte que existiam. A segunda era a escassez destes materiais. Por mais de trinta e cinco séculos, as inscrições usaram escrita hieroglífica, com variações de puramente ideográficas para a hierática mais suave e eventualmente para as formas demóticas, ainda mais fluentes. Após o terceiro século d.C., quando os hieróglifos foram substituídos pelo cóptico e eventualmente suplantados pelo árabe, o conhecimento sobre eles desapareceu. O desenvolvimento que permitiu aos pesquisadores modernos decifrarem os textos antigos ocorreu no início do século dezenove, quando o pesquisador francês Jean-François Champollion, trabalhando em estudos em várias línguas, foi capaz de lentamente

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Figura 2.2

O Problema 10 no Papiro de Moscou apresenta uma questão mais difícil de interpretar que a do Problema 14. Aqui, o escriba pede a área da superfície do que parece ser um cesto com um diâmetro 4 1/2. Ele procede como se usasse o equivalente da fórmula S = (1 – 1/9)2 (2x) · x onde x é 4 1/2, obtendo como resposta 32 unidades. Como (1 – 1/9)2 é a aproximação egípcia para π/4, a resposta 32 corresponderia à superfície de um hemisfério de diâmetro 4 1/2; e essa foi a interpretação dada ao problema em 1930 . Tal resultado, precedendo de cerca de 1.500 anos o mais antigo cálculo conhecido de uma superfície hemisférica, seria assombroso, e de fato, parece que seria bom demais para ser verdadeiro. Análise posterior indica que a “cesta” pode ter sido um teto — algo como o de um hangar em forma de meio cilindro de diâmetro 4 1/2 e comprimento 4 1/2. O cálculo, nesse caso, não exige mais que o conhecimento do comprimento de um semicírculo, e a obscuridade do texto permite oferecer interpretações ainda mais primitivas, inclusive a possibilidade de ser o cálculo apenas uma avaliação grosseira da área de um teto de celeiro em forma de cúpula. De qualquer forma, parece que temos aqui uma das primeiras estimativas da área de uma superfície curva.

Problemas de inclinação Na construção de pirâmides era essencial manter uma inclinação constante das faces e pode ter sido essa preocupação que levou os egípcios a introduzir um conceito equivalente ao de cotangen-

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História da Matemática

te de um ângulo. Na tecnologia moderna, é usual medir o grau de inclinação de uma reta por uma razão entre segmentos verticais e horizontais que é recíproca da usada costumeiramente no Egito.

A palavra egípcia seqt significava o afastamento horizontal de uma reta oblíqua em relação ao eixo vertical para cada variação de unidade na altura.

O seqt correspondia assim, exceto quanto a unidades de medida, ao termo usado hoje pelos arquitetos para indicar a inclinação de uma parede.

A unidade de comprimento vertical era o cúbito; mas para medir a distância horizontal a unidade usada era a “mão”, das quais havia sete em um cúbito. Portanto, o seqt da face de uma pirâmide era o quociente do afastamento horizontal pelo vertical, o primeiro medido em mãos, o segundo, em cúbitos.

No Problema 56 do Papiro de Ahme, pede-se o seqt de uma pirâmide que tem 250 cúbitos (ou ells) de altura e uma base quadrada com lado de 360 cúbitos. O escriba começa dividindo 360 por 2, depois divide o resultado por 250, obtendo 1/2 + 1/5 + 1/50. Multiplicando o resultado por 7, deu o resultado de 5 1/25 em mãos por cúbitos. Em outros problemas sobre pirâmides no Papiro de Ahmes, o seqt dá 5 1/4, o que está um pouco mais de acordo com o da grande Pirâmide de Quéops, com lado de base 440 cúbitos e altura 280, o seqt sendo 5 1/2 mãos por cúbito.

Pragmatismo aritmético O conhecimento revelado nos papiros egípcios existentes é quase todo de natureza prática e o elemento principal nas questões eram cálculos. Quando parecem entrar elementos teóricos, o objetivo pode ter sido o de facilitar a técnica.

Mesmo a geometria egípcia, outrora louvada, na verdade parece ter sido principalmente um ramo da aritmética aplicada. Onde entram relações de congruência elementares, o motivo aparentemente é o de fornecer artifícios de mensuração.

As regras de cálculo dizem respeito apenas a casos concretos específicos. Os papiros de Ahmes e Moscou, nossas duas principais fontes de informação, podem ter sido apenas manuais destinados a estudantes, mas mesmo assim indicam a direção e

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9 – China Antiga e Medieval

9

CHINA ANTIGA E MEDIEVAL Ninguém tem o método bom…

Neste mundo, não há maneiras naturalmente corretas, e entre os métodos, técnicas que sejam exclusivamente boas.

Ji Kang

Os mais antigos documentos As civilizações das margens dos rios Iang-tse e Amarelo são de época comparável à do Nilo ou de entre os rios Tigre e Eufrates; mas registros cronológicos da história da matemática na China são menos confiáveis do que os relativos ao Egito e Babilônia. Como no caso de outras civilizações antigas, há vestígios das primeiras atividades matemáticas na forma de contagem, medições e pesagem de objetos. O conhecimento do teorema de Pitágoras parece ser anterior aos primeiros textos matemáticos conhecidos. Entretanto, datar os documentos matemáticos da China não é nada fácil.

Não se conhece nenhuma versão dos primeiros clássicos que tenha se preservado. Um conjunto de textos em faixas de bambu, descoberto no início da década de 1980, projeta alguma luz sobre a idade de alguns clássicos relacionados, pois foram encontrados selados em tumbas que datam do século dois a.C. Estimativas quanto ao Zhoubi

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Suanjing (Chou Pei Suang Ching), geralmente considerado o mais antigo dos clássicos matemáticos, diferem por quase mil anos. Alguns consideram o Zhoubi como uma boa exposição da matemática chinesa de cerca de 1200 a.C., mas outros colocam a obra no primeiro século antes de nossa era. Na verdade, pode representar a obra de períodos diferentes. Uma data de depois de 300 a.C. parece razoável, o que colocaria a obra perto do ou no período da dinastia de Han (202 a.C.). A palavra “Zhoubi” parece referir-se ao uso do gnomo no estudo das trajetórias circulares no céu, e o livro com esse título trata de cálculos astronômicos, embora contenha uma introdução relativa às propriedades do triângulo retângulo, o teorema de Pitágoras e alguma coisa sobre o uso de frações. A obra tem a forma de um diálogo entre um príncipe e seu ministro sobre o calendário; o ministro diz ao governante que a arte dos números deriva do círculo e do quadrado, o quadrado pertencendo à terra e o círculo aos céus.

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9 – China Antiga e Medieval

1299, foi o Suanxue qimeng (Suan-hsueh ch’i-meng) (Introdução aos estudos matemáticos), obra relativamente elementar que influenciou fortemente a Coreia e o Japão, embora na China se perdesse até reaparecer no século dezenove. De maior interesse histórico e mate­mático é o Siyuan yujian (Ssu-yuan yu-chien) (Precioso espelho dos quatros elementos) de 1303. No século dezoito, esse também desapareceu na China, sendo redescoberto somente no século seguinte. Os quatro elementos, chamados céu, terra, homem e matéria, são as representações de quatro incógnitas na mesma equação. O livro representa o ápice do desenvolvimento da álgebra chinesa, pois trata de equações simultâneas e de equações de grau até quatorze. Nele, o autor descreve um método de transformação que chama fan fa, cujos elementos parecem ter surgido muito antes disso na China, mas que tem geralmente o nome de Horner, que viveu meio milênio depois. Para resolver a equação x2 + 252x – 5.292 = 0, por exemplo, Zhu Shijie primeiro obteve x = 19 como aproximação (uma raiz cai entre x = 19 e x = 20), depois usou o fan fa, nesse caso a transformação y = x – 19, para obter a equação y2 + 290y – 143 = 0 (com uma raiz entre y = 0 e y = 1). Deu então a raiz dessa como (aproximadamente) y = 143/(1 + 290); portanto, o valor correspondente de x é 19 143/291. Para a equação x3 – 574 = 0 ele usou y = x – 8 para obter y3 + 24y2 + 192y – 62 = 0, e deu a raiz como sendo x = 8 + 62/(1 + 24 +192) ou x = 8 2/7. Em alguns casos, ele encontrou aproximações decimais.

O triângulo de “Pascal”, como mostrado em 1303 na capa do Espelho precioso, de Zhu Shijie. É intitulado “O diagrama do velho método dos sete quadrados multiplicativos” e coloca em uma tabela os coeficientes binomiais até a oitava potência. (Reproduzido de J. Needham, 1959, v. 3, p. 135.)

Algumas das muitas somas de séries encontradas no Espelho são as seguintes: ( 2n + 1) 1 + 2 + 3 +  + n = n( n + 1) 3! ( n + 2) 1 + 8 + 30 + 80 +  + n2( n + 1) 3! ( 4 n + 1) = n( n + 1)( n + 2)( n + 3) × 5!

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No entanto, não são dadas demonstrações, nem o tópico parece ter continuado na China outra vez se­não no século dezenove. Zhu Shijie parece ter tratado suas somas pelo método de diferenças

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finitas, elementos do qual parecem remontar na China ao século sete; mas logo depois de sua obra o método desapareceu por muitos séculos.

O Espelho precioso começa com um diagrama do triângulo aritmético impropriamente conhecido no Ocidente como “triângulo de Pascal” (veja a ilustração acima). No arranjo de Zhu, temos os coeficientes das expansões binomiais até a oitava potência, claramente dadas em numerais em barra e um símbolo redondo para o zero. Zhu não reivindicava crédito pelo triângulo, referindo-se a ele como um “diagrama do velho método para achar potên-

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10 – Índia Antiga e Medieval

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ÍNDIA ANTIGA E MEDIEVAL Uma mistura de conchas de pérolas e tâmaras amargas… ou de valioso cristal e pedregulho comum. Índia, de Al-Biruni

O início da matemática na Índia

Sanskrit, a língua em questão, nos apresenta a primeira informação concreta sobre os conceitos matemáticos indianos primitivos.

Escavações arqueológicas em Mohenjo Daro e Harappa fornecem evidências de uma civilização antiga e de alta cultura no vale do Indo durante a era das construções das pirâmides egípcias (cerca de 2650 a.C.), mas não temos documentos matemáticos indianos dessa época. Existem evidências de um sistema estruturado de pesos e medidas e foram encontradas amostras de numeração com base decimal. Entretanto, durante este período e nos séculos seguintes, ocorreram grandes movimentos e conquistas de povos no subcontinente indiano. Muitas das línguas e dialetos que apareceram como resultado ainda não foram decifradas. É, portanto, difícil traçar um mapa do espaço-tempo das atividades matemáticas nesta vasta região. O desafio liguístico é aumentado pelo fato de que as amostras mais antigas da língua indiana conhecidas eram parte de uma tradição oral, em vez de uma tradição escrita. Apesar disso, Vedic

O Vedas, grupo de textos antigos essencialmente religiosos, inclui referências a números grandes e a sistemas decimais. De especial interesse são as dimensões, formas e proporções dadas para os tijolos usados na construção de altares de fogo rituais. A Índia, como o Egito, tinha seus “estiradores de corda”, e as primitivas noções geométricas adquiridas em conexão com o traçado de templos e medida e construção de altares tomaram a forma de um corpo de conhecimentos conhecido como os Sulbasutras ou “regras de corda”, Sulba (ou sulva) refere-se às cordas usadas para medidas, e sutra significa um livro de regras ou aforismos relativos a um ritual ou a uma ciência. O estirar de cordas é notavelmente reminiscente da origem da geometria egípcia, e sua associação com funções nos templos nos faz lembrar a possível origem ritual da matemática. Mas tão importante quanto a dificuldade em datar as regras são as dúvidas

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História da Matemática

Brahmagupta

Divisão em galeão, século seis. De um manuscrito não publicado de um monge veneziano. O título do trabalho é “Opus Arithmetica D. Honorati veneti monarch coenobij S. Lauretig“. Da biblioteca do Mr. Plimpton.

suas afirmações. É possível que influências babilônicas e chinesas desempenhassem um papel no problema da evolução ou extração de raiz. Diz-se frequentemente que a “prova por noves fora” é invenção hindu, mas parece que os gregos conheciam já antes essa propriedade, sem usá-la muito, e o método se tornou de uso comum somente com os árabes do século onze.

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Os últimos parágrafos anteriores podem ter dado a impressão injustificada de que havia uniformidade na matemática hindu, pois frequentemente localizamos desenvolvimentos simplesmente como sendo de “origem indiana”, sem especificar o período. A dificuldade é que há um alto grau de incerteza na cronologia hindu.

O material no importante manuscrito Bakshali, contendo uma aritmética anôni­ma, data, ao que alguns supõem, do terceiro ou quarto século, mas outros creem que é do oitavo ou nono século ou ainda de mais tarde; e há uma sugestão de que pode não ser sequer de origem hindu. Colocamos a obra de Aryabhata em 500 d.C. aproximadamente, mas houve dois matemáticos chamados Aryabhata e não podemos com certeza atribuir resultados ao nosso Aryabhata, o mais antigo. A matemática hindu apresenta mais problemas históricos do que a grega, pois os matemáticos indianos raramente se referiam a seus predecessores e exibiam surpreendente independência em seu trabalho matemático. Assim é que Brahmagupta (viveu em 628 d.C.), que viveu na Índia Central um pouco mais de cem anos depois de Aryabhata, tem pouco em comum com seu predecessor, que tinha vivido no leste da Índia. Brahmagupta menciona dois valores de p — o “valor prático” 3 e o “valor bom”  10 — mas não o valor mais preciso de Aryabhata; na trigonometria de sua obra mais conhecida, o Brahmasphuta Siddhanta, ele usou um raio de 3.270, em vez de 3.438 como Aryabhata. Em um aspecto ele se assemelha a seu predecessor — na justaposição de resultados bons e ruins. Achou a área “bruta” de um triângulo isósceles multiplicando a metade da base por um dos lados iguais; para o triângulo escaleno com base quatorze e lados treze e quinze, ele achou a área “bruta” multiplicando a metade da base pela média aritmética dos outros lados. Ao achar a área “exata”, ele utilizou a fórmula arquimediana-heroniana. Para o raio do círculo circunscrito a um triângulo, ele deu o equivalente do resultado trigonométrico correto 2R = a/sen A = b/sen B = c/sen C, mas isto, é claro, é apenas uma reformulação de um resultado que Ptolomeu já conhecia

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11 – A Hegemonia Islâmica

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A HEGEMONIA ISLÂMICA Ah, mas meus Cálculos, dizem as Pessoas, trouxeram o Ano à Medida humana?

Então, foi por cortar do Calendário o Amanhã que ainda não nasceu e o morto Ontem.

Omar Khayyam (Rubayat, na tradução de FitzGerald)

Conquistas árabes Um dos desenvolvimentos mais transformadores a afetar a matemática na Idade Média foi a notável expansão do Islam. Dentro de um século a partir de 622 d.C., o ano do Hégira do profeta Maomé, o Islam tinha expandido da Arábia até a Pérsia, o norte da África e a Espanha.

Pela época em que Brahmaguta escrevia, o Império Sabeano da Arábia Félix tinha caído e a península passava por uma crise séria. Era habitada principalmente por nômades do deserto, chamados beduínos, que não sabiam ler nem escrever. Entre eles estava o profeta Maomé, nascido em Meca, cerca de 570. Durante suas viagens, Maomé entrou em contato com judeus e cristãos, e o amálgama dos sentimentos religiosos que surgiram em sua mente levou-o a considerar-se como apóstolo de Deus, enviado para conduzir seu povo. Durante uns dez anos pregou em Meca, mas em 622, perante uma conspiração para matá-lo, aceitou um convite para ir a Medina. Essa “fuga”, conhecida como Hégira, marcou o início

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da era maometana — era que exerceria forte influência sobre o desenvolvimento da matemática.

Maomé agora tinha se tornado um líder militar, além de religioso. Dez anos depois, estabeleceu um estado maometano, com centro em Meca, no qual os judeus e cristãos, sendo também monoteístas, recebiam proteção e liberdade de culto. Em 632, enquanto planejava atacar o Império Bizantino, Maomé morreu em Medina. Sua morte súbita não impediu de modo algum a expansão do domínio islâmico, pois seus seguidores invadiram territórios vizinhos com espantosa rapidez. Dentro de poucos anos, Damasco e Jerusalém e grande parte do vale mesopotâmico caíram perante os conquistadores; em 641, Alexandria, que por muitos anos fora o centro matemático do mundo, foi capturada. Como acontece tão frequentemente nestas conquistas, os livros na biblioteca foram queimados. A extensão do estrago feito nesta ocasião não é clara; tem sido suposto que após as depredações de fanáticos militares e religiosos anteriores, e longos períodos de completo abandono, pode ter havido relativamente poucos

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História da Matemática

máticos e artísticos se encontra em Albrecht Dürer, um contemporâneo de Leonardo e conterrâneo de Werner em Nüremberg. Na obra de Dürer vemos também a influência de Pacioli, especialmente na célebre gravura de 1514, intitulada Melancholia.

Aqui, o quadrado mágico tem presença proeminen­ te. Esse é considerado frequentemente o primeiro uso do quadrado mágico no Ocidente, mas Pacio­ li tinha deixado um manuscrito não publicado, De viribus quantitatis, em que mostra interesse por tais quadrados.

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O interesse de Dürer pela matemática, no en­ tanto, era muito mais geométrico do que aritmé­ tico, como indica o título de seu livro mais impor­ tante: “Investigação sobre a medida com círculos e retas de figuras planas e sólidas”. Essa obra, que apareceu em várias edições alemãs e latinas entre 1525 e 1538, contém várias novidades dignas de nota, sendo suas novas curvas as mais importan­ tes. Essa é uma direção em que o Renascimento poderia facilmente ter aperfeiçoado a obra dos antigos, que só haviam estudado um punhado de tipos de curvas. Dürer tomou um ponto fixo sobre um círculo e depois deixou que o círculo rolasse ao longo da circunferência de um outro círculo, gerando uma epicicloide; mas, não tendo os ins­ trumentos algébricos necessários, não a estudou analiticamente. O mesmo se deu com outras cur­ vas planas que ele obteve projetando curvas re­ versas helicoidais sobre um plano para formar espirais. Na obra de Dürer, encontramos a cons­ trução de Ptolomeu do pentágono regular, que é exata, bem como outra construção original que é apenas uma aproximação. Para o heptágono e o eneágono, ele também deu construções engenho­

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Melancholia, de Albrecht Dürer (Museu Britânico).

Observe o quadrado mágico de ordem quatro no canto superior direito.

sas, mas evidentemente inexatas. A construção de Dürer de um nonágono, aproximadamente regu­ lar, é a seguinte: seja O o centro de um círculo ABC, em que A, B, C são os vértices do triângulo

A D F

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14 – Primeiros matemáticos modernos dedicados à resolução de problemas

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PRIMEIROS MATEMÁTICOS MODERNOS DEDICADOS À RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS Na matemática, não posso achar deficiência, a não ser que os homens não compreendem suficientemente o uso excelente da matemática pura.

Francis Bacon

Acessibilidade de cálculos Durante o fim do século dezesseis e início do século dezessete, um número crescente de comerciantes, proprietários, cientistas e praticantes de matemática sentiram a necessidade de meios que simplificassem cálculos aritméticos e medidas geométricas e que permitissem que uma população em grande parte analfabeta e com dificuldades numéricas participassem das transações comerciais da época.

Entre os que procuravam ferramentas mais efetivas na resolução de problemas matemáticos, estavam numerosos indivíduos bem conhecidos. Consideraremos agora alguns dos mais importantes deles, espalhados pela Europa ocidental. Galileu Galilei (1564-1642) veio da Itália; vários outros, como Henry Briggs (1561-1639), Edmund Gunter (1581-1626) e William Oughtred (1574-1660) eram ingleses; Simon Stevin (1548-1620) era flamengo; John Napier (1550-1617) era escocês; Jo-

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bst Bürgi (1552-1632) era suíço e Johannes Kepler (1571-1630), alemão. Bürgi construía relógios e instrumentos, Galileu era um cientista físico, e Stevin, engenheiro. Já vimos que o trabalho de Viète resultou de dois fatores em particular: (1) a redescoberta dos clássicos gregos antigos; e (2) os desenvolvimentos relativamente novos na álgebra medieval e do início da era moderna. Durante todo o século dezesseis e início do século dezessete, os matemáticos teóricos, tanto profissionais quanto amadores, mostraram preocupação com as técnicas práticas da computação, o que contrastava fortemente com a dicotomia enfatizada por Platão dois milênios antes.

Frações decimais Viète, em 1579, tinha recomendado insistentemente o uso de frações decimais em vez de sexagesimais. Em 1585, uma recomendação ainda mais forte em favor da escala decimal para frações, bem como para inteiros, foi feita pelo principal matemático dos Países Baixos, Simon Stevin, de Bru-

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16 – Técnicas britânicas e métodos continentais

ou análise. Em 1676, Leibniz visitou novamente Londres, trazendo consigo sua máquina de calcular; foi durante esses anos entre suas duas visitas a Londres que o cálculo diferencial tomou forma.

Séries infinitas Como no caso de Newton, as séries infinitas desempenharam papel importante nos primeiros trabalhos de Leibniz. Huygens tinha-lhe proposto o problema de achar a soma dos recíprocos dos números triangulares, isto é, 2/n(n + 1). Leibniz, astuciosamente, escreveu cada termo como soma de duas frações, usando 2 1 1 =2 – n(n + 1) n n +1 de onde fica evidente, escrevendo alguns termos, que a soma dos primeiros n termos é 1 1 2 – , 1 n +1 Gottfried Wilhelm Leibniz

berg. Entrou, então, no serviço diplomático, primeiro para o eleitor de Mainz, depois para a família de Brunswick, e finalmente para os hanoverianos, a quem serviu durante quarenta anos. Entre os eleitores de Hanover a quem Leibniz serviu estava o futuro (1714) Rei George I da Inglaterra. Como um influente representante de governo, Leibniz viajou muito.

Em 1672, foi a Paris, onde encontrou Huygens, que sugeriu que se ele desejava tornar-se um matemático, deveria ler os tratados de Pascal de 1658­-1659.

Em 1673, uma missão política levou-o a Londres, onde comprou um exemplar das Lectiones geometricae de Barrow, encontrou Oldenburg e Collins, e tornou-se membro da Royal Society. É em grande parte em torno dessa visita que gira a querela posterior sobre prioridade, pois Leibniz poderia ter visto a De analysi, de Newton, em manuscrito. Entretanto, é duvidoso que nessa altura ele pudesse tirar grande proveito disso, pois Leibniz não estava ainda bem preparado em geometria

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portanto, que a soma da série infinita é 2. Desse sucesso, ele ingenuamente concluiu que seria capaz de achar a soma de quase todas as séries infinitas.

A soma de séries surgiu novamente no triângulo harmônico, cujas analogias com o triângulo aritmético (de Pascal) fascinaram Leibniz.

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Triângulo aritmético 1 1 1 1 1 1  2 3 4 5 6  3 6 10 15  4 10 20  5 15  6   Triângulo harmônico 1 1

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22 – Análise

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ANÁLISE É com a hipótese mais simples que se precisa ter cuidado; pois é ela que tem mais chance de passar despercebida.

Poincaré

Berlim e Göttingen em meados do século

teoria dos números foi outra. Pelo fim do século, a corrente mais forte era a da aritmetização; afetava a álgebra, a geometria e a análise.

Newton e Leibniz tinham entendido que a análise, o estudo de processos infinitos, tratava de grandezas contínuas, tais como comprimentos, áreas, velocidades e acelerações, ao passo que a teoria dos números tem como seu domínio o conjunto discreto dos números naturais. No entanto, vimos que Bolzano tentou dar demonstrações puramente aritméticas de proposições, tais como o teorema da localização na álgebra elementar, que pareciam depender de propriedades de funções contínuas; e Plücker tinha aritmetizado completamente a geometria analítica. A teoria dos grupos originalmente tratara de conjuntos discretos de elementos, mas Klein tinha em mente uma unificação dos aspectos discreto e contínuo da matemática sob o conceito de grupo. O século dezenove foi, de fato, um período de correlação na matemática. A interpretação geométrica da análise e da álgebra foi um aspecto desta tendência; a introdução de técnicas analíticas na

Em 1855, Dirichlet sucedeu a Gauss em Göttingen. Deixou estabelecida, em Berlim, uma tradição de conferências sobre aplicações da análise a problemas de física e a teoria dos números. Também deixou um pequeno grupo de amigos e estudantes, seus e de Jacobi, que continuaram a influenciar a matemática na Academia, no Journal für die reine und angewandte Mathematik, e na universidade. Em Göttingen, conferências de matemática eram menos solidamente estabelecidas.

Como já observamos, o ensino limitado de Gauss usualmente dava ênfase a temas como o método dos mínimos quadrados, que seriam úteis a seus assistentes no observatório. A maior parte da matemática propriamente dita era ensinada por um único professor, Moritz Stern (1807-1894). Dirichlet tentou enfatizar o “verdadeiro” legado de Gauss com conferências sobre teoria dos números e teoria do potencial.

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24 – Tendências recentes

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TENDÊNCIAS RECENTES O pragmatista sabe que a dúvida é uma arte que deve ser adquirida com dificuldade.

C. S. Pierce

Panorama geral Quando olhamos para trás, para as últimas três décadas, o período revela diversas características emergentes. Centros significativos de atividade matemática se espalharam pela Ásia, e a comunicação matemática se tornou mais rápida e mundial, em grande parte com o auxílio da Internet. O domínio da álgebra puramente abstrata deu lugar a tópicos que se valem de técnicas mais integradas de álgebra e geometria, estudos de estruturas topológicas complexas, sistemas geométricos diferenciais, questões de estabilidade e outros. Diversos problemas, inclusive questões importantes sem solução há muito tempo, foram resolvidas com computadores; a teoria da complexidade e outros desenvolvimentos matemáticos serviram para aumentar o poder computacional dirigido à resolução de problemas matemáticos. O comprimento e a natureza composta de algumas das demonstrações mais conhecidas levaram ao questionamento de sua validade, e a comunidade matemática se dividiu quanto à questão do que constitui uma de-

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monstração aceitável. Prêmios envolvendo a outorga de quantias monetárias nunca vistas antes ajudaram a trazer a público os desafios matemáticos, em meios de comunicação que, ao que se sabe, nunca haviam tratado de tópicos matemáticos no passado.

Concluímos este texto considerando aspectos de quatro problemas famosos resolvidos durante este período, que ilustram diversas destas características.

A conjectura das quatro cores A conjectura das quatro cores foi enunciada pela primeira vez por Francis Guthrie (18311899), um ex-aluno de Augustus De Morgan na University College, que se formou em direito, mas eventualmente voltou para a matemática e obteve um cargo de professor na África do Sul, onde se distinguiu também como botânico. Em 1852, enquanto ainda estudava direito, Francis Guthrie

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