21/11/2013

21/11/2013

Aritmética Modular

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          Podemos, de forma resumida, definir que o Tratamento da Informação lida com um conjunto de saberes e competências de natureza estatística, combinatória e de análise de códigos existentes em nosso cotidiano.
Estar alfabetizado nos dias de hoje, supõe saber ler e interpretar dados apresentados, de maneira organizada e construir representações, para formular e resolver problemas que impliquem o recolhimento de dados e a análise dos diversos tipos de  informações.
Essa característica da vida contemporânea traz ao currículo de Matemática uma demanda em abordar elementos do tratamento da informação, desde os ciclos iniciais.

  • PCN – BLOCOS DE CONTEÚDO – TRATAMENTO DA INFORMAÇÃO
          Nesse estudo, deixaremos algumas sugestões práticas de como esse tópico pode ser abordado, de forma significativa e lúdica na Educação Básica.
Dicionário do Aurélio: Código = Vocabulário ou sistema de sinais convencionais ou secretos utilizados em correspondências ou comunicações.

  • CÓDIGOS NO COTIDIANO – CARÁTER INTERDISCIPLINAR E CONTEXTUALIZAÇÃO
           A Congruência, módulo k

          Uma das ferramentas mais importantes na teoria dos números é a aritmética modular, que envolve o conceito de congruência. Uma congruência é a relação entre dois números que, divididos por um terceiro - chamado módulo de congruência - deixam o mesmo resto. Por exemplo, o número 9 é congruente ao número 16, módulo 7, pois ambos deixam resto 2, ao serem divididos por 7. Representamos essa congruência do exemplo por 9 º16, mod. 7.
Foi o brilhante Gauss que observou que usávamos com muita frequência frases do tipo “a dá o mesmo resto que b quando divididos por k” e que essa relação tinha um comportamento semelhante à igualdade. Foi Gauss então que introduziu uma notação específica para este fato e que denominou de “congruência”.

          a º b, mod. k Þ a e b, divididos por k, dão o mesmo resto.

          Tema da Teoria dos Números, relacionado à divisibilidade e restos de uma divisão de números naturais.

          O que não tem sido muito explorado? As aplicações desse tema no cotidiano das pessoas.

          É um tema bastante atual, gerador de excelentes oportunidades de contextualização no processo de ensino / aprendizagem de matemática, e que pode ser trabalhado já nas classes do Ensino Fundamental.

  • ATIVIDADES INICIAIS:
          Antes de apresentarmos as definições e propriedades relacionadas à congruência, vamos desenvolver três exemplos que poderiam ser colocados para alunos da Educação Básica, ainda não familiarizados com o tema, como introdução ao assunto.

          Exemplo 1:

          Vamos apresentar uma questão retirada do banco de questões do site da OBMEP (Olimpíada Brasileira de Matemática das Escolas Públicas).

          A, B, C, D, E, F, G e H são os fios de apoio que uma aranha usa para construir sua teia, conforme mostra a figura a seguir. A aranha continua seu trabalho. Sobre qual fio de apoio estará o número 118?



          SOLUÇÃO: Vejamos o que está acontecendo?

A B C D E F G H
0 1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14 15
16 17 18 19 20 21 22 23
24 25 26 27 28 29 30 31

          • Os números de cada fio formam uma P.A de razão igual a 8.
          • O fio A = (8. n, com n Î IN).
          • O fio B = (8.n + 1, com n Î IN).
          • O fio C = (8.n + 2, com n Î IN).
          • ...
          • O fio H = (8.n + 7, com n Î IN).

          A qual fio pertence o número 118? Ou seja, qual o resto da divisão de 118 por 8?

          Verificamos que o número 118 é igual a 8 . 14 + 6, ou seja, pertence à família dos números que estão no fio G.

          Verifique que os números 14 e 22, por exemplo, também estariam sobre esse fio G pois ambos divididos por 8 deixam resto 6. Isso significa que tais números são congruentes no módulo 8.

          Simbolicamente, poderemos escrever: 14 º 22, mod. 8

          Exemplo 2: Aritmética do relógio

          Trata-se de um caso de congruência, módulo 12 (nos relógios analógicos, é claro). Note que 13 horas é congruente a 1 hora, no módulo 12. Ambos divididos por 12, deixam resto 1. 17 horas é congruente a 5 horas, módulo 12. Tanto 17, como 5, divididos por 12, deixam resto 5... e assim, sucessivamente.

          1 º 13 º 25 º ...., mod 12
          5 º 17 º 29 º ...., mod 12

          Assim as horas marcadas num relógio analógico constituem também um exemplo clássico de congruência, nesse caso com módulo 12, aplicado ao cotidiano das pessoas.

          Exemplo 3: Calendários e congruência módulo 7.
          Verificamos que o dia 1 de janeiro de 2007 caiu numa segunda-feira. Vejamos a primeira semana desse ano.
          Segunda ® 1 Terça ® 2 Quarta ® 3 Quinta ® 4 Sexta ® 5  Sábado ® 6 Domingo ® 7
          Qualquer data desse ano recairá nessa sequência, através da congruência, módulo 7.
          5 de julho de 2007?
          Primeiro vamos contar quantos dias existem de 1º de janeiro até 5 de julho.

          Janeiro = 31 dias
          Fevereiro = 28 dias (2007 não foi bissexto)
          Março = 31 dias
          Abril = 30 dias
          Maio = 31 dias
          Junho = 30 dias
          Julho = 5 dias
          Total = 186 dias.

          Se dividirmos 186 por 7, teremos:
          186 : 7 = 26
          Logo, o 186 é congruente ao 4, módulo 7. Como o dia 4 foi uma quinta-feira, o dia 186 também o será.
          Congruência, módulo k, oportunidade de Contextualização da Matemática da Educação Básica.

          Conceitos Básicos da Congruência módulo k:

           Se os inteiros a e b dão o mesmo resto quando divididos pelo inteiro k        (k > 0) então podemos dizer que a e b são côngruos, módulo k e podemos representar:

          a º b  mod k

          Uma maneira equivalente de dizer isso é afirmar que a diferença (a – b) ou (b – a) é divisível por k, ou que k é divisor dessa diferença. Veja um exemplo:
          47 º 43 mod 4, logo (47 – 43) é divisível por 4.
           A congruência define uma equivalência, pois atende às propriedades reflexiva, simétrica e transitiva, ou seja:

          a º a, mod k (reflexiva)
          a º b, mod k, então b º a, mod k (simétrica)
          a º b, mod k e b º  c, mod k, então a º c, mod k (transitiva)

          Aplicações da Congruência módulo k

          Em qualquer texto, um erro de ortografia numa palavra pode ser facilmente percebido, pois ou a palavra não faz parte do idioma ou não faz sentido com o contexto. Por exemplo, se digitamos engenheior, logo percebemos que fizemos uma inversão das duas últimas letras. Mas, quando isso ocorre com os algarismos de um número, de um código de identificação qualquer, não teríamos como perceber a troca num simples olhar. Para isso e também para minimizar fraudes, foram criados os chamados dígitos de controle ou verificação. Tais dígitos são normalmente baseados na noção de congruência que mostramos anteriormente.
          Mostraremos nesse capítulo alguns desses casos de dígitos de controle usados como identificadores.
  • 1 - ISBN DE CATALOGAÇÃO DE LIVROS – PARA PUBLICAÇÕES ANTERIORES A JANEIRO DE 2007
          Um dos exemplos mais antigos é o sistema International Standard Book Number (ISBN) de catalogação de livros, que foi criado em 1969.
          No ISBN, as publicações eram identificadas através de 10 algarismos, sendo que o último (dígito de controle) era calculado através da aritmética modular envolvendo operações matemáticas com os outros nove dígitos.
Os nove primeiros dígitos - 3 partes, de tamanho variável, transmitem informações sobre o país, editora e sobre o livro em questão.
          Cálculo do dígito final do ISBN (controle).
          Representando por a sequência formada pelos 9 primeiros dígitos, devemos multiplicá-los, nessa ordem, pela base {10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2} e somar os produtos obtidos.  A soma obtida representamos por S.
          Dígito de controle = a10
          S + a10  deve ser múltiplo de 11, ou seja, S + a10 º 0 mod 11.
          OBS: Em todos os casos de códigos de identificação ocorrerá uma soma S, obtida a partir de uma base de multiplicação. S + x ou S – x deverá ser côngruo a zero, módulo 10 ou módulo 11.

          Vejamos um exemplo:

          Temas e Problemas Elementares, da SBM, temos o seguinte código do ISBN: 85-85818-29-8. Vejamos o cálculo do dígito de controle que, como estamos observando, é igual a 8.

8 5 8 5 8 1 8 2 9
10 9 8 7 6 5 4 3 2

          Cálculo da soma S:
          8 . 10 + 5 . 9 + 8 . 8 + 5 . 7 + 8 . 6 + 1 . 5 + 8 . 4 + 2 . 3 + 9 . 2 =
          80 + 45 + 64 + 35 + 48 + 5 + 32 + 6 + 18 = 333. Logo, S = 333.
          333 : 11 = 30. S + a10  = múltiplo de 11, concluímos que tal número será  igual a 8, pois 11 – 3 = 8.
          Isso significa que 333 + 8 = 341.
          341 º 0  mod 11.

          Tente descobrir ...

          O livro Matemática Aplicada à Administração, Economia e Contabilidade, da Editora Thompson, tem o seguinte código ISBN  85-221-0399-? Qual o seu dígito de controle?

          Solução:

8 5 2 2 1 0 3 9 9
10 9 8 7 6 5 4 3 2

          Efetuando a soma dos produtos correspondentes, teremos:

          80 + 45 + 16 + 14 + 6 + 0 + 12 + 27 + 18 = 218. Logo, S = 218.
          218 : 8 = 19
          Dessa forma, o dígito de controle será igual a 2  (11 – 9 = 2).

          OBSERVAÇÕES:
       
          Os dois livros que usamos como exemplo tem o prefixo 85, que identifica livros publicados no Brasil.
          No ISBN, se o dígito for igual a 10 (no caso do resto da divisão por 11 ser igual a 1), como se pretende que sejam utilizados dez símbolos alfanuméricos, é usado o símbolo do 10 na numeração romana, o X.
          A partir de 01 de Janeiro de 2007, o ISBN passou a contar com 13 dígitos.
          O novo código fica precedido pelo número 978, porém os prefixos editoriais não terão mudança. Esta formatação deixou os códigos do ISBN semelhantes aos códigos de barras EAN-13, que já eram usados para a grande maioria das mercadorias que compramos no comércio em geral.
          Dessa forma, os códigos do ISBN passaram também a obedecer a todos os critérios usados nas identificações por códigos de barras. A seguir veremos mais informações sobre os códigos de barras.

  • 2 - CÓDIGO DE BARRAS EAN-13
          O código de barras, que foi desenvolvido nos Estados Unidos pelo Uniform Code Council (UCC), é lido por raio laser (leitura ótica). Com o domínio de alguns conhecimentos simples, as pessoas também conseguem traduzir esses códigos. Eles servem para identificação dos produtos em geral e, a partir de janeiro de 2007, para os livros também.
O código mais utilizado atualmente é o EAN/UCC-13, que usa um conjunto de 13 dígitos, sendo que o último (dígito verificador) é obtido mediante congruência, módulo k.

          ATIVIDADE DE INVESTIGAÇÃO – INTERPRETANDO OS CÓDIGOS DE BARRAS

          Trabalhando com seus alunos do Ensino Fundamental você pode levar (ou pedir que eles tragam para sala de aula) diversas embalagens de produtos com seus respectivos códigos de barras. Comparando essas embalagens, através de informações como: País de origem, produto, empresa, ... Os alunos poderão tirar importantes conclusões sobre as informações contidas nos 12 primeiros dígitos, antes até de se trabalhar com o cálculo do 13º dígito, pela aritmética modular.
          Você pode apenas informar, como preparação da atividade, que os 12 primeiros dígitos dividem-se em 3 partes, cada uma delas com uma informação sobre o produto ou sobre o livro.



          Em seguida, através de investigação com os rótulos que levaram, estimule que tentem perceber o que cada uma dessas três partes está informando sobre o produto.
Vejamos algumas embalagens, como exemplo:



789 1000 25260 4 / 789 1000 14810 5

          CONCLUSÃO DA ATIVIDADE INVESTIGATIVA:

          1) Através da sua observação nos exemplos dados, você saberia inferir alguma conclusão sobre os três primeiros algarismos do código?
Resposta: País de registro do produto ou do livro (ou idioma).
          2) E sobre o segundo bloco, com 4 algarismos, o que você é capaz de concluir?
Resposta: Empresa fabricante do produto ou editora do livro.
          3) E com relação ao terceiro bloco, com 5 algarismos, saberia dizer alguma coisa?
Resposta: Define o produto daquele fabricante ou livro e autoria.
          4) E sobre o décimo terceiro dígito, você foi capaz de descobrir alguma coisa?
Resposta: É o código de segurança e aí que retornamos à Aritmética Modular.

          CÁLCULO DO 13º DÍGITO - Algarismo de controle no sistema EAN -13 (ISBN dos livros, itens dos supermercados, comércio em geral)

          Nesse caso é usado a congruência módulo 10 e os fatores que constituem a base de multiplicação são os dígitos 1 e 3, que vão se repetindo da esquerda para a direita, correspondendo a cada um dos 12 primeiros números do código.
Se  é a sequência formada pelos 12 primeiros dígitos, devemos multiplicá-los, nessa ordem, pela base {1, 3, 1, 3, 1, 3, 1, 3, 1, 3, 1, 3} e somar os produtos obtidos. Se a soma obtida é S, o número S + a13  deve ser múltiplo de 10, ou seja, S + a13 º 0  mod. 10.
          Se  A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9, A10, A11, A12  é a sequência formada pelos 12 primeiros dígitos, devemos multiplicá-los, nessa ordem, pela base {1, 3, 1, 3, 1, 3, 1, 3, 1, 3, 1, 3} e somar os produtos obtidos. Se a soma obtida é S, o número S + a13  deve ser múltiplo de 10, ou seja, S + a13  0  mod. 10.



          Usaremos o código de barras acima, de uma garrafa para bebidas, de Portugal, como nosso primeiro exemplo.
Vamos efetuar os cálculos para a determinação do dígito de controle (que estamos vendo ser o dígito 7).

8 4 2 4 9 0 6 2 0 1 7 6
1 3 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3

          Efetuando os produtos, teremos:
          8 + 12 + 2 + 12 + 9 + 0 + 6 + 6 + 0 + 3 + 7 + 18 = 83
          83 : 10 = 8 
          Logo, o dígito de controle será igual a 7 (10 – 3). Note que 83 + 7 = 90 (múltiplo de 10).
Essa é para você resolver. Descubra o  valor do dígito de controle do código de barras abaixo:
          Vamos escrever a sequência dos 12 primeiros dígitos, repetindo abaixo deles, da esquerda para a direita, a sequência 1, 3, 1, 3, 1, 3, ...

7 8 9 4 3 2 1 6 1 4 0 3
1 3 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3

          Vejamos agora a soma dos produtos encontrados:
          S = 7 + 24 + 9 + 12 + 3 + 6 + 1 + 18 + 1 + 12 + 0 + 9 = 102
          Como o resultado da divisão de 102 por 10, deixa resto 2, o dígito que estamos procurando será igual a 8 (10 – 2). Logo, o dígito verificador desse código de barras EAN-13 é 8.
  • 3 - CADASTRO DAS PESSOAS FÍSICAS NA RECEITA FEDERAL – CPF
          Verificação dos dois dígitos de controle do CPF de uma pessoa:

          O número de CPF de uma pessoa, no Brasil, é constituído de 11 dígitos, sendo um primeiro bloco com 9 algarismos e um segundo, com mais dois algarismos, que são os dígitos de controle ou de verificação . A determinação desses dois dígitos de controle é também feita através da congruência aritmética, módulo 11, semelhante às que mostramos anteriormente.
          No caso do CPF, o décimo dígito (que é o primeiro dígito verificador) é o resultado de uma congruência, módulo 11 de um número obtido por uma operação dos primeiros nove algarismos.
          Se é a sequência formada pelos 9 primeiros dígitos, devemos multiplicá-los, nessa ordem, pela base {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} e somar os produtos obtidos. O dígito que está faltando, que vamos representar por a10 deve ser tal que ao ser subtraído da soma obtida, deve gerar um múltiplo de 10, isto é, se a soma obtida é S, o número S - a10  deve ser múltiplo de 11, ou seja, S - a10 º 0 mod 11. Note que tal número será o próprio resto da divisão por 11 da soma obtida.
          A determinação do segundo dígito de controle é feita de modo similar, sendo que agora acrescentamos o décimo dígito (que já foi calculado anteriormente) e usamos uma base de multiplicação de 0 a 9.

          Exemplo: 235 343 104 ? ?

          a)Cálculo do primeiro dígito de controle:

2 3 5 3 4 3 1 0 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9

          S = 2 x 1 + 3 x 2 + 5 x 3 + 3 x 4 + 4 x 5 + 3 x 6 + 1 x 7 + 0 x 8 + 4 x 9 = 116.

          Dividindo o número 116 por 11, teremos: 116 : 11 = 10.
          Dessa forma, o primeiro dígito de controle será o algarismo 6.

          b)Cálculo do segundo dígito de controle:

2 3 5 3 4 3 1 0 4 6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

          S = 2 x 0 + 3 x 1 + 5 x 2 + 3 x 3 + 4 x 4 + 3 x 5 + 1 x 6 + 0 x 7 + 4 x 8 + 6 x 9 = 145

          Dividindo o número 145  por 11, teremos: 145 : 11 = 13.
          Logo, o segundo dígito de controle é o 2.
          Concluímos então que, no nosso exemplo, o CPF completo seria:            235 343 104 – 62

          OBSERVAÇÃO:

          Se o resto da divisão fosse 10, ou seja, se o número obtido fosse congruente ao 10, módulo 11, usaríamos, nesse caso, o dígito zero.
          Temos ainda a informação de que o nono dígito (da esquerda para a direita) representa a região fiscal onde o CPF foi emitido. Verifique esse código na lista abaixo:
  • A CRIPTOGRAFIA
          A palavra criptografia vem do grego kryptos (escondido) + grafia (escrita):  e significa a arte ou ciência de escrever em cifra ou código, ou seja, é um conjunto de técnicas que permitem tornar incompreensível uma mensagem de forma a permitir que, normalmente, apenas o destinatário a decifre e compreenda.
Nas aulas de matemática da Educação Básica diversas atividades ricas e interdisciplinares podem ser desenvolvidas, usando algumas noções simples sobre criptografia. Também na criptografia, como mostraremos a seguir, estão presentes noções da Teoria dos Números, como o conceito de congruência, módulo k.

          Congruência e Criptografia

          - Gpukpq Hwpfcogpvcn

          O que está escrito acima?
          Uma pista...substitua cada letra pela letra que fica duas posições antes dela no alfabeto completo (26 letras). Você vai obter:
          “Ensino Fundamental” .
          Nesse caso, para entendermos a mensagem, precisamos saber qual a chave usada. De posse dessa informação foi fácil decifrar o código.
          Nesse primeiro exemplo foi como se tivéssemos usado uma função matemática (y = x + 2), que transformava cada letra numa outra, situada “duas posições” depois, no alfabeto. O receptor teria de aplica a função inversa para decifrar a mensagem.
          O imperador romano Júlio César usava algo desse tipo para mandar suas mensagens. Se ele combinava  “pule três”, estava indicando que cada letra estava sendo substituída por outra situada, anteriormente, três posições no alfabeto.
  •  AS MÁQUINAS DA RENASCENÇA
          Na Renascença, a partir de 1300 d.C., que começaram a surgir os primeiros dispositivos criptográficos de importância. Os discos de cifragem foram inventados nesta época. Como exemplo pode-se citar o Disco de Alberti e a Grelha de Cardano.
          O receptor, de comum acordo com o emissor, colocava uma “máscara” sobre a tabela, lendo a mensagem.
Sugestão de atividade:  Chave numérica simples.


A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

          Exemplo: Somar 4

          Com essa chave, cada letra fica substituída pela letra cujo número corresponde  ao número original, aumentado de 4. Quando acontecer do resultado ser superior ao 26, voltamos ao início do alfabeto. Por exemplo, o número 28 corresponderá à letra b, pois 28 = 26 + 2 (temos agora um caso de congruência, módulo 26 ou seja 28 º 2 mod 26 ).

CIDADE MARAVILHOSA +4 = GMHEHI QEVEZMPLSWE

GMHEHI QEVEZMPLSWE  -4 = CIDADE MARAVILHOSA

          Em classes do Ensino Médio o professor poderia representar cada chave por uma função bijetora (para que tivesse inversa) e o receptor da mensagem criptografada teria que obter a função inversa, para traduzir a mensagem recebida.
Depois da Segunda Guerra Mundial, com o desenvolvimento dos computadores, a área realmente incorporou complexos algoritmos matemáticos. Na verdade, esse trabalho criptográfico formou a base para a ciência da computação moderna.
Diversos filmes e livros têm explorado de forma inteligente esse tema, como “Uma Mente Brilhante” um filme estrelado por Russel Crowe e que contava a história do brilhante matemático John Nash. Os livros “Fortaleza Digital” e “Código Da Vinci”, de Don Brown também tratam desse tema.

          A HISTÓRIA DE BOB E ALICE (Criptografia e chaves públicas)

          Imaginemos um casal, Alice e Bob, que vivem isolados e apenas podem comunicar através do correio. Eles sabem que o carteiro é um tremendo “fofoqueiro” e que lê todas as suas cartas. Alice tem uma mensagem para Bob e não quer que ela seja lida. Que é que pode fazer? Ela pensou em lhe enviar um cofre com a mensagem, fechado a cadeado. Mas como lhe fará chegar a chave? Não pode enviar dentro do cofre, pois assim Bob não o poderá abrir. Se enviar a chave em separado, o carteiro pode fazer uma cópia.
          Depois de muito pensar, ela tem uma idéia. Envia-lhe o cofre fechado com um cadeado. Sabe que Bob é esperto e acabará por perceber a sua idéia. Com mais uma ida e uma volta do correio, e sem nunca terem trocado chaves, a mensagem chega até Bob, que abre o cofre e a lê. Como é que você acha que resolveram o problema? Pense bem no assunto, tente responder a questão. É simples... depois que você descobrir, é claro.
          O “truque” usado foi o seguinte: Bob colocou um outro cadeado no cofre e ele tinha a chave desse segundo cadeado.             Devolve o cofre a Alice por correio, desta vez fechado com os dois cadeados. Alice remove o seu cadeado, com a chave que possui e reenvia o cofre pelo correio só com o cadeado colocado por Bob. É claro que Bob tem apenas que abrir o cofre, com a sua própria chave e ler a mensagem enviada pela sua amada. O carteiro não tem como saber o conteúdo do cofre.

          CRATO, N,. Alice e Bob. Expresso / Revista, 22 de Setembro, pp. 118-120.  (2001).

          Na criptografia usam-se chaves que, de certa forma, são análogas à estratégia usada pelos namorados de nossa história.
          Alice e Bob são personagens fictícios, mas são nomes sistematicamente utilizados pelos especialistas de criptografia.           É mais interessante do que falar apenas no emissor e receptor, ou apenas em A e B. Costuma se acrescentar a eles uma terceira personagem, representada na nossa história pelo carteiro, que costuma receber o nome de Eva - «Eve», em inglês - e que representa aquela que se põe à escuta - ou seja, aquela que “eavesdrop".
          Esta história relata a velha charada do sigilo nas comunicações e uma de suas brilhantes soluções. Talvez tenha servido de inspiração para os três jovens norte-americanos, Whitefield Diffie, Martin Hellman e Ralph Merkle, ao construirem em 1976 um sistema de criptografia em que o segredo da comunicação é assegurado por duas chaves, que os comunicantes não precisam trocar entre si, como aconteceu na historinha do Bob e da Alice. Foi esta invenção que inspirou o sistema de criptografia RSA. Mostraremos que o sistema que eles criaram está também baseado na aritmética modular.
          Simon Singh , no seu “Livro dos Códigos”, dá um exemplo que retrata bem o processo matemático da aritmética modular, envolvido nessas chaves públicas.
          Os comunicantes, como Alice e Bob combinam nos números que servem: o primeiro de base para uma potenciação e o segundo para o módulo da congruência. Digamos que tenham optado pelos números  5 e 11. Estariam então se referindo ao cálculo de 5x e da congruência no módulo 11.
          (O  expoente x seria secreto, à escolha de cada um deles).
          Alice escolhe 3 para seu número secreto (expoente da potência).
          Alice calcula 53 = 125 e, através de congruência módulo 11, gera o número 4, pois 125 dividido por 11 deixa resto 4.           Alice envia o resultado  4 para Bob.
          Bob escolhe 6 para seu número secreto (novamente o expoente da potência)
          Bob calcula 56 = 15 625  e, através de congruência módulo 11, gera o número 5, pois  15 625 dividido por 11 deixa resto 5.
          Bob envia o resultado 5 para Alice.
          Note que, mesmo que esses dois números que eles enviaram um ao outro, fossem interceptados, as pessoas não teriam como saber a chave final do processo.
          Alice pega o resultado de Bob, 5, e o seu número secreto, 3, e calcula 53 = 125 =  4 (mod 11). 125 dividido por 11 deixa resto 4.
          Bob pega o resultado de Alice, 4, e o seu número secreto, 6, e calcula 46 = 4096 = 4 (mod 11). 4096 dividido por 11 também deixa resto 4.
          Veja que Alice e Bob encontraram o mesmo número, 4, sem que tivessem informado um ao outro os seus números secretos pessoais. Esse número seria agora usado como chave para a composição das mensagens criptográficas. A congruência, como foi aplicada aqui, funcionou exatamente como a história dos cadeados e do correio, contada por Crato.
          Tente fazer com outros números secretos, verifique que você sempre irá obter resultados iguais. Por que será?
          Trabalhando com seus alunos
          Esse tipo de trabalho com os códigos de identificação e a criptografia é uma excelente oportunidade de você relacionar conteúdos importantes da matemática, como divisibilidade e funções, com o cotidiano das pessoas. É o que denominamos de contextualização. Prepare atividades como as que sugerimos e aproveite para comentar com seus alunos sobre fraudes, ética, cidadania e demais temas que possam ser transversais às aulas de matemática.

Bibliografia:

A Magia da Matemática: Atividades Investigativas, Curiosidades e Histórias da Matemática
Editora Ciência Moderna – www.lcm.com.br
Prof. Ilydio Pereira de Sá
UERJ – USS - UNIFESO
A matemática através dos tempos: Um guia fácil e pratico para professores entusiastas
Editora BLUCHER – www.blucher.com.br
Elza F. Gomide e Helena Castro

A História da Trigonometria

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          Neste artigo nosso interesse é analisar a gênese e o desenvolvimento da trigonometria, o aparecimento do conceito de função trigonométrica e, em particular, o das funções seno e cosseno[1]. Nossa motivação para escrevê-lo está na crença da importância que tem para quem ensina Matemática o conhecimento do como e do porquê do surgimento de um novo conceito e quais as transformações e evoluções por ele sofridas. Além disso, acreditamos que o estudo histórico do surgimento de um conceito é importante, pois evidencia os obstáculos epistemológicos[2] do processo de construção do saber matemático. A análise desses obstáculos, vividos pelos matemáticos no passado, nos ajuda a compreender as dificuldades dos alunos de hoje e, por outro lado, o nosso entendimento da própria História e evolução da Matemática podeser ampliado a partir da análise dos erros e embaraços dos estudantes. (Arsac, 1987; Sierpinska, 1985; Vergnaud, 1994).

          Para considerar a gênese, devemos discutir qual o significado que daremos ao termo Trigonometria. Se o tomarmos como a ciência analítica estudada atualmente, teremos a origem no século XVII, após o desenvolvimento do simbolismo algébrico. Mas, se o considerarmos para significar a geometria acoplada à Astronomia, as origens remontarão aos trabalhos de Hiparco, no século II a.C., embora existam traços anteriores de seu uso. Se o considerarmos, ainda, para significar literalmente “medidas do triângulo”, a origem será no segundo ou terceiro milênio antes de Cristo.
          Limitaremos este nosso trabalho ao desenvolvimento da idéia de funções
trigonométricas em R dando, porém, um esboço das raízes desta ciência, desde as tabelas de
sombras (século XV a.C.) até a expansão das funções trigonométricas em séries (século XVIII).
Estudar a história da trigonometria também permite observar o surgimento e o progresso
da Análise e da Álgebra, campos da Matemática nela contidos de forma embrionária.
          A trigonometria, mais que qualquer ramo da matemática, desenvolveu-se no mundo antigo a partir
de necessidades práticas, principalmente ligadas à Astronomia, Agrimensura e Navegação.
Dividiremos esse artigo em sete partes: As raízes da Trigonometria; A Trigonometria na Grécia; A contribuição dos Hindus; A Trigonometria dos Árabes e dos Persas; A Influência do
Conhecimento Árabe sobre os Europeus; A Trigonometria na Europa a partir do século XIV e A Trigonometria Incorporada pela Análise Matemática.


  • AS RAÍZES DA TRIGONOMETRIA
          Os primeiros indícios de rudimentos de trigonometria surgiram tanto no Egito quanto na Babilônia, a partir do cálculo de razões entre números e entre lados de triângulos semelhantes. No Egito, isto pode ser observado no Papiro Ahmes, conhecido como Papiro Rhind[3], que data de aproximadamente 1650 a.C., e contém 84 problemas, dos quais quatro fazem menção ao seqt de um ângulo.
          Ahmes não foi claro ao expressar o significado desta palavra mas, pelo contexto, pensa-se que o seqt de uma pirâmide regular seja equivalente, hoje, à cotangente do ângulo OMV.


     
          Exemplo:
          Seja OV = 40 e OM = 80,
          então o seqt = 80/40
          isto é: seqt = 2

          Na construção das pirâmides era essencial manter uma inclinação constante das faces, o que levou os egípcios a introduzirem o conceito de seqt, que representava a razão entre afastamento horizontal e elevação vertical.
          Além da utilização da trigonometria nas medições das pirâmides, apareceu no Egito (1500 a.C. aproximadamente) a ideia de associar sombras projetadas por uma vara vertical a sequências numéricas, relacionando seus comprimentos com horas do dia (relógios de sol). Poderíamos dizer então que essas ideias estavam anunciando a chegada, séculos depois, das funções tangente e cotangente. Os predecessores da tangente e da cotangente, no entanto, surgiram de modestas necessidades de medição de alturas e distâncias. Como já mencionamos, os primeiros vestígios de trigonometria surgiram não só no Egito, mas também na Babilônia. Os babilônios tinham grande interesse pela Astronomia, tanto por razões religiosas, quanto pelas conexões com o calendário e as épocas de plantio. É impossível estudar as fases da Lua, os pontos cardeais e as estações do ano sem usar triângulos, um sistema de unidades de medidas e uma escala.
          Os babilônios foram excelentes astrônomos e influenciaram os povos posteriores. Eles construíram no século 28 a.C., durante o reinado de Sargon, um calendário astrológico e elaboraram, a partir do ano 747 a.C, uma tábua de eclipses lunares. Este calendário e estas tábuas chegaram até os nossos dias (Smith, 1958).
          Parece ter existido uma relação entre o conhecimento matemático dos egípcios e dos babilônios. Ambos, por exemplo, usavam as frações de numerador 1. Também é plausível supor que os povos posteriores tivessem conhecimento da trigonometria primitiva egípcia. Um importante conceito no desenvolvimento da Trigonometria é o conceito de ângulo e de como efetuar sua medida, uma vez que ele é fundamental em diversas situações, como na compreensão das razões trigonométricas em um triângulo retângulo (números que dependem dos ângulos agudos do triângulo e não da particular medida dos lados). Existem evidências de tentativas de medi-los, em datas muito remotas, pois chegaram até nossos dias fragmentos de círculos que parecem ter feito parte de astrolábios primitivos, provavelmente usados com propósito de medições (Smith, 1958).
          Uma trigonometria primitiva também foi encontrada no Oriente. Na China, no reinado de Chóu-pei Suan-king, aproximadamente 1110 a.C., os triângulos retângulos eram frequentemente usados para medir distâncias, comprimentos e profundidades. Existem evidências tanto do conhecimento das relações trigonométricas quanto do conceito de ângulo e a forma de medi-lo mas, infelizmente não temos registro de como eram feitas as medições e quais as unidades de medida usadas. Na literatura chinesa encontramos uma certa passagem que podemos traduzir por: “O conhecimento vem da sombra, e a sombra vem do gnômon”, o que mostra que a trigonometria plana primitiva já era conhecida na China no segundo milênio a.C.. No mundo Ocidental, o saber dos egípcios foi seguido pelo dos gregos. É reconhecido que, se os egípcios foram seus mestres, não tardou para que estes fossem superados pelos discípulos. Na Grécia a Matemática teve um grande desenvolvimento, e a civilização grega passou a servir de preceptora a todas as outras nações.
  • A TRIGONOMETRIA NA GRÉCIA
          Segundo o historiador Heródoto (490 - 420 a.C.), foram os gregos que deram o nome gnômon ao relógio de sol que chegou até eles através dos babilônios, embora já tivesse sido utilizado pelos egípcios antes de 1500 a.C..
          O mais antigo gnômon de que temos conhecimento e que chegou até nossos dias, está no museu de Berlim (Eves, 1995). Ele evidencia e reforça a hipótese de que a trigonometria foi uma ferramenta essencial para observação dos fenômenos astronômicos pelos povos antigos, uma vez que a documentação relativa a esse período é praticamente inexistente.


          O gnômon era uma vareta (GN na figura 2) que se espetava no chão, formando com ele um ângulo de 90º, e o comprimento de sua sombra (AN) era observado, num horário determinado: meio dia. Uma observação dos limites da sombra permitia medir a duração do ano e o movimento lateral diário do ponto A permitia medir a duração do dia.
          Como o tamanho do gnômon era constante, ou seja, usava-se sempre a mesma vareta, na mesma posição, o comprimento de AN ao meio dia variava com o ângulo A. Para nós isto significa uma colocação de AN, ou AN/GN como uma “função” do ângulo A, nos dias de hoje denominada cotangente. Porém, não temos nenhum vestígio do nome no período.
          Sabemos que os diversos ramos da Matemática não se formaram nem evoluíram da mesma maneira e ao mesmo tempo, mas sim gradualmente. O desenvolvimento da trigonometria está intimamente ligado ao da geometria. Neste campo, a Grécia produziu grandes sábios; entre eles Thales (625 - 546 a.C.), com seus estudos de semelhança que embasam a trigonometria, e seu discípulo Pitágoras (570 - 495 a.C.). Conjectura-se que este último tenha feito a primeira demonstração do teorema que leva seu nome: “Em todo triângulo retângulo a área do quadrado construído sobre a hipotenusa é igual à soma das áreas dos quadrados construídos sobre os catetos”. Deste teorema deriva a relação fundamental da trigonometria.
          A Escola Pitagórica, fundada no século V a.C., foi responsável por descobertas na acústica, elaborando uma lei de intervalos musicais. Essa lei relacionava os diapasões de notas emitidas por cordas distendidas, sob tensões iguais, aos comprimentos das cordas. Podemos tomar a lei dos intervalos musicais como um prenúncio do aparecimento das funções seno e cosseno no osciloscópio do futuro, para se estudar o som (Bell, 1945).
          A primeira amostra documentada de contribuição grega para o estudo da trigonometria apareceu por volta de 180 a.C. quando Hipsícles, influenciado pela cultura babilônica, dividiu o zodíaco em 360 partes. Essa idéia foi posteriormente generalizada por Hiparco para qualquer círculo (Eves, 1995).
          Por volta do ano 200 a.C. os astrônomos gregos estavam muito interessados em calcular a distância entre dois pontos da superfície terrestre e também o raio da Terra. Foi Eratóstenes de Cirene (276 -196 a.C.), contemporâneo de Arquimedes (287-212 a. C.) e Aristarco (310-230 ª C.) que produziu a mais notável medida da Antiguidade para a circunferência da Terra, usando semelhança de triângulos e razões trigonométricas, o que o levou a perceber a necessidade de relações mais sistemáticas entre ângulos e cordas. Salientamos que, para tornar possível o trabalho de 
          Eratóstenes, foi determinante na época o conhecimento do conceito de ângulo e de como medi-lo. O tratado “Sobre a medida da Terra” resume as conclusões a que ele chegou mas, infelizmente, esses escritos se perderam e tudo o que conhecemos sobre o assunto chegou até nós pelos relatos de Ptolomeu e Heron.
          Concluímos que na Grécia, durante os dois séculos e meio compreendidos entre Hipócrates e Eratóstenes, a trigonometria esteve “engatinhando”, o que nos leva a concordar com a afirmativa de Boyer (1974), “de Hipócrates a Eratóstenes os gregos estudaram as relações entre retas e círculos e as aplicaram na Astronomia mas disso não resultou uma trigonometria sistemática”.
          Surgiu então, na segunda metade do século dois a.C., um marco na história da trigonometria: Hiparco de Nicéia (180-125 a.C.). Fortemente influenciado pela matemática da Babilônia, ele acreditava que a melhor base de contagem era a 60. Não se sabe exatamente quando se tornou comum dividir a circunferência em 360 partes, mas isto parece dever-se a Hiparco, assim como a atribuição do nome arco de 1 grau a cada parte em que a circunferência ficou dividida. Ele dividiu cada arco de 1o em 60 partes obtendo o arco de 1 minuto. Sua trigonometria baseava-se em uma única “função”, na qual a cada arco de circunferência de raio arbitrário, era associada a respectiva corda.
          Hiparco construiu o que foi presumivelmente a primeira tabela trigonométrica com os valores das cordas de uma série de ângulos de 0° a 180°, em cuja montagem utilizou interpolação linear. Ele observou que num dado círculo a razão do arco para a corda diminui quando o arco diminui de 180° para 0°. Resolveu então associar a cada corda de um arco o angulo central correspondente, o que representou um grande avanço na Astronomia e por isso ele recebeu o título de “Pai da Trigonometria”.
          Em linguagem moderna, esse resultado seria:



          Hiparco foi uma figura de transição entre a astronomia babilônica e o grande Cláudio Ptolomeu, (Klaudius Ptolemaios) autor da mais importante obra da trigonometria da Antiguidade, surgida no século dois de nossa era, em Alexandria, a “Syntaxis Mathemática”, composta de treze volumes. Ela ficou conhecida como Almagesto, que significa em árabe “A maior” = Al magest, pois os tradutores árabes a consideravam a maior obra existente na época, em Astronomia. “As obras de Autolico, Euclides, Ipsicle e Aristóteles em Astronomia, juntas formavam a Coleção Menor de Astronomia”. A obra de Ptolomeu era a Coleção Maior: “µ ε γ ι σ τ η“, e as duas eram indispensáveis para se entender o legado astronômico da Antiguidade grega.
          O Almagesto é um marco, um modelo de Astronomia que perdurou até Copérnico, no século XVI. Ptolomeu, na verdade, sistematizou e compilou no Almagesto uma série de conhecimentos bastante difundidos em sua época e que a maior parte da obra é baseada no trabalho do astrônomo e matemático grego Hiparco, cujos livros se perderam. Isto aparece num comentário sobre trabalhos mais antigos, de Teon de Alexandria, que viveu dois séculos após e foi um dos matemáticos que pesquisaram sobre as descobertas dos gregos anteriores. Ele menciona que Hiparco escreveu doze livros sobre cálculo de cordas, incluindo uma tábua de cordas.
          O Almagesto sobreviveu e por isso temos suas tabelas trigonométricas e também uma exposição dos métodos usados nas construções, o que é de grande importância para nós, visto que tanto daquela época se perdeu. Como disse Kennedy (1992):“Para os matemáticos o Almagesto tem interesse devido às identidades trigonométricas que Ptolomeu divisou para auxiliá-lo a reunir dados para sua tabela de cordas”.
Dos treze livros que compõem o Almagesto, o primeiro contém as informações matemáticas preliminares, indispensáveis na época, para uma investigação dos fenômenos celestes, tais como proposições sobre geometria esférica, métodos de cálculo, uma tábua de cordas e explicações gerais sobre os diferentes corpos celestes. Os demais livros são dedicados à Astronomia.
          Ptolomeu desenvolveu o estudo da trigonometria nos capítulos dez e onze do primeiro livro do Almagesto. O capítulo 11 consiste numa tabela de cordas e o capítulo 10 explica como tal tabela pode ser calculada. Na verdade, não existe no Almagesto nenhuma tabela contendo as “funções” seno e cosseno, mas sim a função corda do arco x, ou crd x, embora naturalmente estes termos não apareçam.
          A “função” corda do arco x era definida como sendo o comprimento da corda que corresponde a um arco de x graus em um círculo cujo raio é 60. Assim, na tabela de cordas de Ptolomeu existiam três colunas: a primeira listando os arcos, a segunda, o comprimento da corda correspondente a cada arco e a terceira que dava o aumento médio de crd x correspondente a um acréscimo de um minuto em x. Esta coluna era usada para interpolações, isto é, para achar o valor de crd x se x estivesse entre duas entradas na coluna de arcos.



          No Almagesto temos: (a) Uma tabela mais completa que a de Hiparco, com ângulos de meio em meio grau, de 0° a 180°; (b) O uso da base 60, com a circunferência dividida em 360 graus e o raio em 60 partes e frações sexagesimais, não só para expressar ângulos e sim para qualquer tipo de cálculo, com exceção dos de medida de tempo. (c) O resultado que passou a ser conhecido como Teorema de Ptolomeu: Se ABCD é um quadrilátero convexo inscrito num círculo, então a soma dos produtos dos lados opostos é igual ao produto das diagonais. A partir desse resultado, operando com as cordas dos arcos, Ptolomeu chegou a um equivalente das fórmulas de seno da soma e da diferença de dois arcos, isto é sen (a+b) e sen (a-b). Especialmente a fórmula para a corda da diferença foi usada por ele para a construção da tabela trigonométrica. (d) O uso, também usando cordas, do seno do arco metade:



          Em nosso entender, a mais importante contribuição do Almagesto foi tornar evidente a possibilidade de uma descrição quantitativa dos fenômenos naturais, pela Matemática, já que ele desenvolveu, como muito bem escreveu Aaboe (1984):
          “…não somente seus modelos astronômicos, mas também as ferramentas matemáticas, além da geometria elementar, necessárias para a Astronomia, entre elas a trigonometria.(pág. 128). Mais do que qualquer outro livro, o Almagesto contribuiu para a idéia tão básica nas atividades científicas, de que uma descrição quantitativa matemática dos fenômenos naturais, capaz de fornecer predições confiáveis, é possível e desejável”.
          Como o centro de nossas atenções é a trigonometria, propomo-nos a investigar aqui apenas a gênese das funções trigonométricas. Isso significa que o desenvolvimento do conceito de função será mencionado rapidamente. Um estudo histórico mais detalhado de funções pode ser encontrado nos trabalhos de Mendes (1994), Schwarz (1995) e Oliveira (1997).
          Na Grécia Antiga o conceito de função propriamente dito não foi desenvolvido, mas nos estudos de Aristóteles aparecem idéias sobre quantidades variáveis e nos trabalhos de cônicas de Arquimedes e Apolônio é introduzido o “Symptom” de uma curva, que é definido por eles como a condição para que um ponto pertencesse à cônica, isto é, uma espécie de dependência funcional. (Kennedy,1994).
          A Matemática da Antiguidade Clássica não estabeleceu a noção geral de quantidade variável ou de função e concluímos com Youschkevtch (1981) que os métodos quantitativos de pesquisa, usados em Astronomia, tinham como objetivo representar, em tabelas, relações entre conjuntos discretos de quantidades dadas, mas sem a preocupação de generalização.

  • A CONTRIBUIÇÃO DOS HINDUS
          No século IV da nossa era, a Europa Ocidental entrou em crise com as invasões dos bárbaros germânicos e com a queda do Império Romano. O centro da cultura começou a se deslocar para a Índia, que revolucionou a trigonometria com um conjunto de textos denominados Siddhanta, que significa sistemas de Astronomia.
          O que chegou até nós foi o Surya Siddhanta, que quer dizer Sistemas do Sol e é um texto épico, de aproximadamente 400 d.C, escrito em versos e em sânscrito. Os hindus diziam que o autor do texto foi Surya, o deus do Sol. Esta obra contém poucas explicações e nenhuma prova pois, afinal, tendo sido escrita por um Deus, seria muita pretensão exigir provas. (Boyer, 1974).
          A importância do Surya, para nós, é que ele abriu novas perspectivas para a Trigonometria por não seguir o mesmo caminho de Ptolomeu, que relacionava as cordas de um círculo com os ângulos centrais correspondentes. Nas aplicações da “função” corda, na Astronomia, era necessário dobrar o arco antes de usá-lo na tábua de cordas. Naturalmente, era mais conveniente ter uma tábua na qual o próprio arco fosse a variável independente. No Surya, a relação usada era entre a metade da corda e a metade do ângulo central correspondente, chamada por eles de jiva. Isto possibilitou a visão de um triângulo retângulo na circunferência,
como na Figura 4.



          Definiam o jiva como sendo a razão entre o cateto oposto e a hipotenusa.



          A metade da corda dividida pelo raio do círculo é o seno da metade do arco (ou da metade do ângulo central correspondente a todo o arco).
          Com os hindus, as principais “funções” trigonométricas foram introduzidas e os métodos de tabulação se aperfeiçoaram, particularmente os de interpolação quadrática e linear. Por volta de 500 d.C., o matemático hindu Aryabhata já calculava semi cordas e usava também o sistema decimal, desenvolvido aproximadamente em 600 d.C. Ao surgirem, os numerais hindus continham nove símbolos e não havia símbolo para o zero. Quando os hindus introduziram os conceitos de semi corda e de seno, demostraram algumas identidades, e encontramos em Varahamihira, no ano 505 d.C., o equivalente verbal de sen² θ + cos² θ = 1.
          Após os hindus, foram os árabes e os persas a dar sua contribuição à trigonometria.

  • A TRIGONOMETRIA DOS ÁRABES E PERSAS
          O Império Muçulmano ou Árabe, além da expansão econômica, viveu extraordinário avanço nos diversos campos das artes e da ciência do fim do século VIII até o século XI, com destaque ao século IX. A expansão do saber muçulmano deveu-se, sobretudo, à difusão da língua árabe, que substituiu o grego na condição de língua internacional. O emprego do árabe permitiu a fixação e a preservação de obras antigas, que foram traduzidas e assim difundidas entre os intelectuais muçulmanos.
          Podemos dizer que a influência árabe começou com a fundação da Escola de Bagdad, no século IX, e um dos seus maiores expoentes foi o príncipe da Síria Mohamed-ben-Geber, conhecido como AL Battani (aproximadamente 850 a 929 d.C.), ou Albategnius, nas traduções latinas, chamado o Ptolomeu de Bagdad.
          Os estudos de AL Battani ficaram entre o Almagesto e Siddhanta e foi por sua influência que a trigonometria hindu foi adotada pelos árabes, principalmente a partir de sua genial idéia de introduzir o círculo de raio unitário e com isso demonstrar que a razão jiva é válida para qualquer triângulo retângulo, independentemente do valor da medida da hipotenusa.


          Se um triângulo retângulo tem um ângulo agudo θ/2 então, quaisquer que sejam as medidas do cateto oposto e da hipotenusa, podemos afirmar que:




          Com esta fórmula pôde-se construir uma tábua, de 1/4 a 90 graus, variando de 1/4 em 1/4 de graus, ou seja, uma tabela de senos, apesar deste nome não ter sido usado para designá-la. Al-Battani estava interessado em calcular a altitude do sol, para isso foi necessário usar as razões trigonométricas e construir tábuas mais precisas que as existentes na época. Depois de Al-Battani, digno de nota entre os matemáticos árabes foi Abû’l Wêfa que, em 980, iniciou uma organização, uma sistematização de provas e teoremas de trigonometria. Destacamos também o astrônomo Persa Nasîr ed-dên al-Tûsî autor, em 1250, do primeiro trabalho no qual a trigonometria plana apareceu como uma ciência por ela própria, desvinculada da Astronomia. Isto seria retomado na Europa, no século XV, quando Regiomontanus estabeleceu a trigonometria como um ramo da Matemática.
          Quando a Escola de Bagdad entrou em declínio, o centro das atividades intelectuais deslocou-se para o sul da Europa, na Península Ibérica, e com ele o estudo da trigonometria, particularmente nos triângulos esféricos necessários aos estudos astronômicos. A cidade de Toledo tornou-se o mais importante centro da cultura, a partir de 1085, quando foi libertada pelos cristãos do domínio mouro. Isto ocorreu porque para ela afluíram os estudiosos ocidentais, visando a adquirir o saber muçulmano. O século XII na História da Matemática foi, então, um século de tradutores dos quais citamos Platão de Tivoli, Gerardo de Cremona, Adelardo de Bath e Robert de Chester . Com isso, a Europa teve acesso à matemática árabe e à herança grega que havia sido conservada, na medida do possível, por eles. (Struik, 1992).

  • A INFLUÊNCIA DO CONHECIMENTO ÁRABE SOBRE OS EUROPEUS
          Diversos dos astrônomos árabes se deslocaram para a Espanha para trabalhar e passaram a difundir o saber. Os mais importantes escritores foram os astrônomos Ibrâhîm ibn Yahyâ al Naqqâsh, (conhecido como Abû Ishâq ou Ibn al-Zarqâla ou, nas traduções latinas como Arzachel, e que viveu em Córdoba) autor de um conjunto de tábuas trigonométricas em 1050, e Jabir ibn Aflah (conhecido como Jeber ibn Aphla, tendo vivido em Sevilha), cujos estudos astronômicos de 1145 se mostraram tão interessantes que, séculos mais tarde (1543), foram publicados em Nuremberg. O matemático europeu mais habilidoso do século XIII foi Fibonacci (1170-1250). Ele estudou no norte da África e depois viajou pelo Oriente como mercador, com isso sofreu grande influência dos árabes. Sua obra “Practica Geometriae”, de 1220, é uma aplicação da trigonometria árabe na Agrimensura. O rei Alfonso X de Castela ordenou, no ano 1250, a estudiosos (cristãos, mouros e judeus) de Toledo que traduzissem os livros de Astronomia e modernizassem as tábuas trigonométricas árabes. Em 1254 foram concluídas as Tábuas Afonsinas, que junto com Os Libros del Saber de Astronomia foram considerados de grande valia, uma vez que “a cultura astronômica preservada na Península Ibérica foi o esteio da arte portuguesa de navegar, no século XV” (Serrão, pág. 49,1971).

  • A TRIGONOMETRIA NA EUROPA A PARTIR DO SÉCULO XIV
          Na Europa do século XIV alguns importantes passos foram dados para o desenvolvimento da Matemática.
Pela primeira vez, as noções de quantidades variáveis e de função são expressas e, tanto na Escola de Filosofia Natural do Merton College de Oxford quanto na Escola de Paris, chega-se à conclusão de que a Matemática é o principal instrumento para o estudo dos fenômenos naturais.
          Com o início do estudo da velocidade instantânea ou pontual e a atenção especial dada ao movimento, tornou-se necessário desenvolver um suporte matemático.
Paralelamente ao desenvolvimento da trigonometria, que já vinha ocorrendo na Europa desde o século XI com a retomada do conhecimento árabe, ocorreu o desenvolvimento das funções. Neste campo surgiu Nicole Oresme (1323 -1382) com seu “Treatise on the configuration of Qualities and Motions”, no qual introduziu a representação gráfica que explicita a noção de funcionalidade entre variáveis (no caso velocidade por tempo). Seu trabalho influenciou Galileu (1564-1642) e Descartes (1596-1650) nos séculos XVI e XVII. Com os estudos de Oresme, começou a se consolidar o conceito de função. No século XIV, Purbach, na Inglaterra, retomou a obra de Ptolomeu e computou uma nova tábua de senos, muito difundida entre os estudiosos europeus. Purbach foi o mestre de Regiomontanus (1436-1475), um dos maiores matemáticos do século XV, cujo trabalho teve grande importância, estabelecendo a Trigonometria como uma ciência independente da Astronomia.
          Regiomontanus escreveu um “Tratado sobre triângulos”, em cinco livros, contendo uma trigonometria completa. A invenção posterior dos logaritmos e alguns dos teoremas demonstrados por Napier (1550-1617) mostram que a Trigonometria de Regiomontanus não diferia basicamente da que se faz hoje em dia. No “Tratado” ele calculou novas tábuas trigonométricas, aperfeiçoando a de senos de Purbach, e introduziu na trigonometria européia o uso das tangentes, incluindo-as em suas tábuas. Podemos dizer que foi ele quem lançou as fundações para os futuros trabalhos na trigonometria plana e esférica. Copérnico (1473-1543) também contribuiu ao completar, em 1520, alguns trabalhos de Regiomontanus, que incluiu em um capítulo de seu “De Lateribus et Angulis Triangulorum”, publicado separadamente por seu discípulo Rhaeticus em 1542.
          Com o advento da imprensa, a cultura se difunde e, a partir daí, nenhum grupo nacional conserva a liderança. Na Antiguidade foi a Grécia a sobrepujar os outros povos do Ocidente, na Idade Média o Mundo Árabe mas, do século XV em diante, com o desenvolvimento do Racionalismo, a atividade matemática desloca-se repetidamente para diversos países. O primeiro trabalho impresso em trigonometria provavelmente foi a “Tabula Directionum” de Regiomontanus, publicado em Nuremberg certamente antes de 1485, pois a segunda edição data deste ano, em Veneza. As seis funções trigonométricas foram definidas como funções do ângulo, em vez de funções do arco, e subentendidas como razões, pela primeira vez, no “Canon DoctrinaeTtriangulorum” de Joachim Rhaeticus em Leipzig, 1551, embora ele não tenha dado nomes para seno, cosseno ou cossecante, exceto perpendiculum, basis e hypotenusa.
          Rhaeticus (1514-1576) retomou, um século depois, as tábuas de Regiomontanus de 1464, com maior rigor nos cálculos. Aumentou a precisão para onze casas decimais e os senos, cossenos, tangentes e secantes foram calculados de minuto em minuto para os arcos do primeiro quadrante e de dez em dez segundos para o arco de 1°. Ele foi o primeiro a adotar a organização das tábuas em semiquadrantes, dando os valores dos senos, cossenos e tangentes de ângulos até 45° e completando a tabela com o uso da igualdade sen x = cos (≠/2-x). Deve-se também a Rhaeticus a introdução das secantes na trigonometria européia e os cálculos do sen nθ em termos de senθ, que foram retomados e aprimorados por Jacques Bernoulli, em 1702.
          Neste relato histórico não poderíamos deixar de mencionar Viète (1540-1603), pois foi ele quem adicionou um tratamento analítico à trigonometria, em 1580. Foi o primeiro matemático a usar letras para representar coeficientes gerais, o que representou grande progresso no campo da Álgebra. Também construiu tábuas trigonométricas e calculou o sen 1’ com treze casas decimais.
          Viète iniciou o desenvolvimento sistemático de cálculo de medidas de lados e ângulos nos triângulos planos e esféricos, aproximados até minutos, e com a ajuda de todas as seis funções trigonométricas. Além disso, foi ele que introduziu métodos gerais de resolução em matemática. É dele a idéia de decompor em triângulos retângulos os triângulos oblíquos, para determinar todas as medidas dos seus lados e ângulos. Isto está em sua obra “Canon Mathematicus”. No livro “Variorum de rebus mathematicis” aparece um equivalente da nossa lei das tangentes:


          Com A e B ângulos e a e b os arcos respectivos. Na verdade, esta relação só foi publicada pelo matemático dinamarquês Thomas Fincke, no seu “Geometria Rotundi”, em Basel 1583, apesar de ser devida a Viète. A próxima figura notável na trigonometria foi Pitiscus que publicou um tratado, em 1595, no qual corrigiu as tábuas de Rhaeticus e modernizou o tratamento do assunto. A palavra trigonometria aparece pela primeira vez, como título de um livro seu. Seguindo Pitiscus, destacamos o britânico Napier, que estabeleceu regras para triângulos esféricos, que foram amplamente aceitas, enquanto sua maior contribuição, os logaritmos, ainda estavam sendo analisados e não eram reconhecidos como válidos por todos.
          Suas considerações sobre os triângulos esféricos foram publicadas postumamente no “Napier Analogies”, do “Constructio” no ano de 1619, em Edinburgh.
          Outro grande expoente em trigonometria foi Oughtred. Em seu trabalho, de 1657, preocupou-se em desenvolvê-la do ponto de vista simbólico. No entanto, como o simbolismo algébrico estava pouco avançado para tornar isto possível, a idéia não foi aceita até que Euler exercesse sua influência neste sentido no século XVIII.
          John Newton (1622-1678) publicou em 1658 o tratado “Trigonometria Britannica” que, embora baseado nos trabalhos de Gellibrand e outros escritores, era o mais completo livro do tipo que havia surgido em seu tempo. Newton e Gellibrand anteciparam a tendência atual de introduzir divisões centesimais do ângulo nas tábuas trigonométricas.
          O próximo importante passo em trigonometria foi dado por John Wallis (1616-1703) ao expressar fórmulas usando equações em vez de proporções, e por trabalhar com séries infinitas. Sir Isaac Newton (1642-1727) também deu sua contribuição à trigonometria pois, paralelamente aos seus estudos de cálculo infinitesimal apoiados fortemente na geometria do movimento, trabalhou com séries infinitas, tendo expandido arcsen x em séries e, por reversão, deduzido a série para sen x. Além disso, comunicou a Leibniz a fórmula geral para sen (nx) e cos(nx) tendo, com isso, aberto a perspectiva para o sen x e o cos x surgirem como números e não como grandezas, sendo Kastner, em 1759, o primeiro matemático a definir as funções trigonométricas de números puros.
          Finalizando, vale mencionar que Thomas-Fanten de Lagny foi o primeiro matemático a evidenciar a periodicidade das funções trigonométricas, em 1710, e a usar a palavra “goniometry”, em 1724, embora mais num sentido etimológico do que como medida de ângulo, como agora é o caso.

  • A TRIGONOMETRIA INCORPORADA PELA ANÁLISE MATEMÁTICA
          A trigonometria toma a sua forma atual quando Euler (1707-1783) adota a medida do raio de um círculo como unidade e define funções aplicadas a um número e não mais a um ângulo como era feito até então, em 1748. A transição das razões trigonométricas para as funções periódicas começou com Viète no século XVI, teve novo impulso com o aparecimento do Cálculo Infinitesimal no século XVII e culminou com a figura de Euler.
          Uma idéia genial de Euler foi criar a função E, que denominaremos função de Euler. Ela associa a cada número um ponto de um círculo C1 unitário e centrado na origem do plano cartesiano. Seu domínio é o conjunto ℜ [4] e o contra domínio é C1 A função E: ℜ → C1 associa a cada x ∈ ℜ, um ponto P ∈ C1, P = (a, b) pertence a C1 se e somente se a² +b²=1
          Como essa função faz a correspondência entre cada número x e os pontos do círculo C1, ao número zero corresponde o ponto A = (1,0) e, dado x ∈ ℜ, x > 0, mede-se, a partir desse ponto A, um arco de comprimento x, no sentido anti - horário. A extremidade do arco é um ponto P = E(x). Se x<0, mede-se, a partir de A, um arco de comprimento x, no sentido horário, e se obtem o ponto P = E(x) correspondente. A função E: ℜ → C1 consiste em envolver a reta ℜ como se fosse um fio inextensível sobre o círculo C1 que, por sua vez, é imaginado como um carretel.
          Definindo-se as funções: h1:C1 → ℜ por h1( P(a,b))=a e h2:C1→ ℜ por h2(P(a,b))=b, e tomando-se as compostas: f = h1 o E e g = h2 o E, podem-se definir as funções seno e cosseno de um número real x e não mais de um ângulo, como era anteriormente necessário. Dado x ∈ ℜ, a ele se associa um ponto P, do círculo, sendo: P=E(x)=(a,b). Considerando a = cos x e b = sen x definimos: f :ℜ → ℜ e g:ℜ → ℜ f (x) = sen x g(x) = cos x. Sendo cosx a abscissa e senx a ordenada de P = E(x).
          Vide figura abaixo.


          Como muito bem falou Lima (1991):“A função de Euler E: R→ C1, que possibilita encontrar senx e cosx, como função de uma variável real x, abriu para a trigonometria as portas da Análise Matemática e de inúmeras aplicações às Ciências Físicas”. O tratamento analítico das funções trigonométricas está no livro “Introductio in Analysin Infinitorum”, de 1748, considerado a obra chave da Análise Matemática. Nele, o seno deixou de ser uma grandeza e adquiriu o status de número obtido pela ordenada de um ponto de um círculo unitário, ou o número definido pela série:



          Onde i é a unidade imaginária, possibilitando definir as funções seno e cosseno a partir dessas relações, inserindo-as no campo dos números complexos.
          Enfim a trigonometria, no início uma auxiliar da Agrimensura e da Astronomia, tornou-se primeiramente autônoma e por fim transformou-se em uma parte da Análise Matemática, expressando relações entre números complexos, sem necessidade de recorrer a arcos ou ângulos.
          Foi um longo caminho da Humanidade para chegar até a trigonometria que hoje ensinamos aos nossos alunos. Nesse texto não tratamos da evolução do conceito de ângulo que é subjacente e essencial ao desenvolvimento da trigonometria, nem da construção das tábuas trigonométricas ou da trigonometria esférica, indispensável na Astronomia. Nos propusemos apenas a descortinar parte dessa trajetória. Fica a nossa mensagem ao professor para que, ao ensinar trigonometria, de alguma forma se discuta com os alunos questões que os levem a perceber que o conhecimento matemático não "caiu do céu" ou surgiu pronto e acabado e que de alguma forma a evolução possa ser acompanhada e alguma parte do caminho feita com eles.


Referências Bibliográficas:

AABOE, A. “Episódios da História Antiga da Matemática” trad. de J.B. Pitombeira de
Carvalho - Sociedade Brasileira de Matemática, Rio de Janeiro, 1984.
ARSAC,G. “L’ Origine de la Demonstration: Essai d’ Epistémologie Didactique”, Revista
Recherche en Didactique des Mathématiques (RDM), vol 8, nº 3, pp 267-312, Ed. La
Pensée Sauvage, France, 1987.
BELL, E.T.- “The Development of Mathematics”, 2ª edition. McGraw-Hill Book Company, Inc.,
New York, U.S.A., 1945.