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14/06/2021

Qual é o número seguinte?

Muitos de nós já encontrámos problemas do tipo:
Problema
  • Qual é o número que se segue?
  • Indica o termo geral da sucessão cujos primeiros termos são:
  1. 1,2,3,4,...
  2. 2,4,6,8,...
  3. 1,-4,9,-16,...
  4. 2,4,8,16,...

Certamente, muitos responderão:
  1. Número seguinte:$5$, termo geral $a_n=n$

  2. Número seguinte:$10$, termo geral $b_n=2n$

  3. Número seguinte:$25$, termo geral $c_n=(-1)^{n+1}n^2$

  4. Número seguinte:$32$, termo geral $d_n=2^n$

Estarão correctos?
Sim... e não!
Há um problema na formulação destas questões.
É que na realidade não há resposta única!
Pedir "o" número seguinte, quando na verdade a resposta não é única, não faz sentido
Imagino que o leitor esteja a pensar "Este tipo está maluco! Como não há resposta única?"

Por exemplo, poderia apetecer-me responder
  1. Número seguinte:$2021$, termo geral $a_n= 84n^{4}- 840{n}^{3}+2940{n}^{2}- 4199{n}+2016$

  2. Número seguinte:$77$, termo geral $b_n= \displaystyle\frac{67}{24}n^{4}-\displaystyle\frac{335}{12}{n}^{3}+\displaystyle\frac{2345}{24}{n}^{2}-\displaystyle\frac{1651}{12}{n}+67 $

  3. Número seguinte:$0$, termo geral $c_n= \displaystyle\frac{45}{8}n^{4}-\displaystyle\frac{787}{12}{n}^{3}+\displaystyle\frac{2095}{8}{n}^{2}-\displaystyle\frac{4991}{12}{n}+215 $

  4. Número seguinte:$2020$, termo geral $d_n=\displaystyle\frac{995}{12}n^{4}-\displaystyle\frac{4973}{6}{n}^{3}+\displaystyle\frac{34813}{12}{n}^{2}-\displaystyle\frac{24859}{6}{n}+1990$

Não estou a ser troll. Podem verificar, sem problema nenhum, que as minhas respostas satisfazem as condições do enunciado, e também dão os números que apresentei.
Recomendo mesmo que faça as contas!
[Se pressionar no botão que se segue pode ver screenshots da minha calculadora CASIO fx-CG20 onde mostro as minhas contas feitas.]




Está convencido que as minhas expressões geram os números do enunciado e também os números que eu disse? [Se não está, faça as contas... garanto que não estou a vigarizar...]
Note que o enunciado não impede que o nosso termo geral seja definido por ramos!
Portanto, eu até poderia dar uma resposta um bocadinho diferente.
\[ a_5=2021\\ a_n = \left\{ {\begin{array}{c} {n\text{ se }n \leq 4} \\ {2021\text{ se }n > 4} \end{array}} \right. \] \[ b_5=77\\ b_n = \left\{ {\begin{array}{c} {2n\text{ se }n \leq 4} \\ {77\text{ se }n > 4} \end{array}} \right. \] \[ c_5=0\\ c_n = \left\{ {\begin{array}{c} {(-1)^{n+1}n^2\text{ se }n \leq 4} \\ {0\text{ se }n > 4} \end{array}} \right. \] \[ d_5=2020\\ d_n = \left\{ {\begin{array}{c} {2^n\text{ se }n \leq 4} \\ {2020\text{ se }n > 4} \end{array}} \right. \]
Não digam que "não estou a seguir o padrão". Quem vos garante que "o padrão" não é uma das fórmulas que indiquei? Fui eu que escrevi o enunciado!
Estando o enunciado como está, os valores de $a_5$, $b_5$, $c_5$, $d_5$ são arbitrários! E assim sendo, não há expressões únicas para as expressões dos termos gerais.
Portanto a resposta a "Qual é o número que se segue?" pode muito bem ser: "Um número qualquer"!
E está correcta!
Querem que a resposta seja "única"? Formulem a pergunta de outra forma.

Como foi que eu obtive as expressões que escrevi antes de escrever as versões definidas por ramos?
Penso que deve ser óbvio.
Se não for, continue a leitura!
Recentemente encontrei no facebook um post onde pediam "o" termo geral para a sucessão. \[18,16,14,13,...\] Não sendo uma coisa "óbvia", deduzi o polinómio interpolador de 3º grau para os pontos $(1,18),(2,16),(3,14),(4,13)$: \[ \begin{array}{|c||c|c|c|c|} \hline {i} & {0} & {1} & {2} & {3} \\ \hline\hline {x}_{i} & {1} & {2} & {3} & {4} \\ {y}_{i} & {18} & {16} & {14} & {13} \\ \hline \end{array} \] Tabela de diferenças divididas associada a estes pares ordenados: \[ \begin{array}{c|c|ccc} {x} & {y} & {y[.,.]} & {y[.,.,.]} & {y[.,.,.,.]} \\ \hline {1} & {18} & { } & { } & { } \\ { } & { } & {- 2} & { } & { } \\ {2} & {16} & { } & {0} & { } \\ { } & { } & {- 2} & { } & {\displaystyle\frac{1}{6}} \\ {3} & {14} & { } & {\displaystyle\frac{1}{2}} & { } \\ { } & { } & {- 1} & { } & { } \\ {4} & {13} & { } & { } & { } \\ \hline \end{array} \] Polinómio interpolador na forma de Newton: \[ P(x)=18- 2\left( x - 1\right)+0\left( x - 1\right)\left( x - 2\right)+\displaystyle\frac{1}{6}\left( x - 1\right)\left( x - 2\right)\left( x - 3\right) \] Polinómio interpolador na forma canónica \[ P(x) = \displaystyle\frac{1}{6}x^{3}- {x}^{2}-\displaystyle\frac{1}{6}{x}+19 \] Logo, uma possível expressão geral para a sucessão, pode ser: \[ u_n = \displaystyle\frac{1}{6}n^{3}- {n}^{2}-\displaystyle\frac{1}{6}{n}+19=\displaystyle\frac{n^{3}-6n^2-n}{6}+19 \] Para ser honesto, na altura resolvi a questão bem rapidamente, com a minha calculadora, e não o fiz como apresentei.
O polinómio interpolador de Lagrange para $N+1$ pontos sem repetições de abcissas coincide com a regressão polinomial de grau $N$ para esses pontos
[Posso sugerir a demonstração disso como exercício, (ver comentário 1 no fim)...Fi-lo uma vez para reduzir uma lista de trabalho que eu tinha para metade...].
Ou seja, se fizerem uma regressão polinomial de grau $3$ para os $4$ pontos que se seguem \[(1,18),(2,16),(3,14),(4,13)\] obtêm o mesmo polinómio.





Já perceberam como obtive as expressões polinomiais?
Moral da história: Qual é o número que se segue?
Resposta: O número que vos apetecer!
Até uma próxima oportunidade.
Carlos Paulo


Comentários:
  1. A demonstração de que o polinómio interpolador de Lagrange é a curva de regressão polinomial descrita no texto é óbvia: qual é mesmo a distância dos pontos ao gráfico da função descrita pelo polinómio interpolador?
  2. O algoritmo das diferenças divididas apresentado no texto, foi totalmente gerado por uma criação minha, a cpcalculadorajs, que esteve alojada no serviço de homepages do sapo entre 2004 e 2014.O serviço fechou em 2014.
    A cpcalculadorajs calculou o polinómio, e gerou todo o código LaTeX.
    Em 2008, um professor, numa tentativa de me insultar e menosprezar o meu trabalho disse-me que não via a utilidade daquilo.
    Na altura respondi: Está na Internet, e corre em qualquer computador, em qualquer sistema operativo sem necessidade de software especial. Eu não preciso do Mathematica. nem do Matlab, nem de uma linguagem de programação. Basta-me ter um browser.
    Hoje em dia existem centenas de sites que usam a mesma filosofia de trabalho...
    A cpcalculadoraJS já não está online... mas continua a estar nos meus computadores. Aqui em casa, uma cópia está num RaspberryPi 4B.
    Para este texto, levei menos de 30 segundos a introduzir os pontos, e a ter o polinómio calculado, e o LaTeX gerado e copiado para aqui.

27/02/2020

Do método das tangentes aos fractais de Newton

Considere o gráfico cartesiano de uma função $f$ de domínio $\R$, e contradomínio contido em $\R$. Vamos ainda assumir que $f$ é diferenciável em $\R$
  1. Seja $x_n$ um ponto do domínio de $f$. Qual é a equação reduzida da recta tangente ao gráfico de $f$ no ponto de abcissa $x_n$?


    \[y=f'(x_n)x-f'(x_n)x_n+f(x_n)\]
  2. Assumindo que a recta não é horizontal, ela intersecta o eixo dos $x$ num ponto. Seja $x_{n+1}$ a abcissa desse ponto. Determine $x_{n+1}$.


    \[x_{n+1}=x_n-\frac{f(x_n)}{f'(x_n)}\]
  3. Partindo de um valor real $x_0$ inicial, a fórmula do exercício anterior define, por recorrência, uma sucessão. Assumindo que a sucessão $(x_n)$ converge para um limite $l\in\R$, tal que $f'(l)\neq 0$. Calcule $f(l)$.
    Que concluí sobre o limite $l$ ?


    (nota: vou utilizar a convenção habitual escrever $\lim$ sem escrever por baixo que $n\to\infty$... para onde querem que os naturais tendam mesmo?)
    Aplicando limites a ambos os termos da igualdade do exercício anterior, temos \[\lim x_{n+1}=\lim x_n-\lim \frac{f(x_n)}{f'(x_n)}\] \[\Leftrightarrow \lim \frac{f(x_n)}{f'(x_n)}=0\] \[\Leftrightarrow \lim f(x_n)=0\] Sendo $f$ diferenciável em $l$, $f$ é contínua em $l$, logo \[ f( \lim x_n)=0\] ou seja \[f( l)=0\] Por outras palavras: $l$ é um zero de $f$.
    PS: Se alguém me pede bibliografia para isto, mando-o passear.
O método de obtenção de valores aproximados de zeros através desta sucessão $(x_n)$ é conhecido por "Método das tangentes", "Método de Newton", "método de Newton-Raphson" e sou capaz de jurar que já li algures "Newton-Fourier", e é estudado em várias cadeiras de Análise Numérica/Métodos numéricos em muitos cursos no ensino superior.

Fractais de Newton

Se resolveu os três exercícios que propus, em particular o último, facilmente perceberá que se $f$ for agora uma função complexa de variável complexa, diferenciável no plano complexo, partindo de um $z_0$ inicial e assumindo que a sucessão definida por recorrência por \[z_{n+1}=z_n-\frac{f(z_n)}{f'(z_n)}\] converge, ela convergirá para um zero de $f$.
Por exemplo a função $f(z)=z^3-1$ tem três zeros: $1, -\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i , -\displaystyle\frac{1}{2}-\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i$.
Para que zero é que a sucessão converge?
Naturalmente, dependerá do valor do $z_0$.
Vamos fazer este exercício mental: vamos atribuir uma cor a cada um dos zeros.
  • verde : 1
  • vermelho : $-\displaystyle\frac{1}{2}+\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i$
  • azul : $-\displaystyle\frac{1}{2}-\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}i$
Depois, vamos percorrer todo o plano complexo, usar cada ponto do plano como $z_0$, e pintar o correspondente afixo (ou imagem pontual) no plano, de acordo com o limite da sucessão...
A seguir reproduzo uma imagem aproximada do que se obtém percorrendo o rectangulo $\left[-3,3\right]\times \left[-1.6875,1,6875\right]$
Podemos ainda escurecer os pontos de acordo com a convergência do método. Se a convergência for mais rápida, fica mais claro e se for mais lenta (ou nem convergir) fica mais escuro.
A imagem obtida, é aquilo a que se chama um Fractal de Newton.
Eu uso uma versão desta imagem nos meus cartões...
E até neste vídeo...
As imagens que apresento foram geradas em C++ recorrendo a algumas bibliotecas, mas já o fiz, por exemplo, em Pascal (!).
Hoje em dia é fácil gerar estas imagens para qualquer equação em varias linguagens como por exemplo Python (eu não estaria a afirmar isto se já não o tivesse feito).
Podem passar pelo meu deviantart e ver mais alguns fractais de Newton.
Detalhes sobre como implementar isto?
Este blog é sobre Matemática e ciências exactas, mas posso pensar no assunto e publicar noutro sítio, desde que me prometam respeitar os direitos de autor...

Actualização (17/07/2020)
Agradecimentos:Margarida Gouveia, Beatriz Martins e Sónia Correia Martins