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ciencia hoje leonhard euler, Notas de estudo de Matemática

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Tipologia: Notas de estudo

Antes de 2010

Compartilhado em 09/02/2008

francisco-medeiros-12
francisco-medeiros-12 🇧🇷

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Princípio da
ação
mínima
Maior nome da matemática do século 18,
o suíço Leonhard Euler(1707-1783)
pavimentou as bases do cálculo, criado
no século anterior por mentes guiadas mais por intuição
física do que por um pensamento matemático rigoroso.
Em 1755, escreveu um importante tratado sobre o
cálculo diferencial, Instituições do cálculo diferencial, e
lançou mais tarde, em três volumes, um estudo sobre o
cálculo integral (Instituições do cálculo integral). Nessas
obras e em todas as demais que produziu, procurou dar
ao cálculo um tratamento estritamente analítico,
eliminando o apelo geométrico e apoiando-se na
estrutura algébrica (aritmética) dos números. Abria
assim caminho para um ramo da matemática que, a partir
daí, é chamado de Análise: estudo dos processos
infinitos por meios aritméticos. Em 1748, havia escrito um
tratado em dois volumes com essa abordagem analítica,
Introdução à análise do infinito, a primeira apresentação
conexa dos processos variacionais.
Além disso, foi responsável pela extensão do cálculo,
retratada nos estudos do princípio da ação mínima.
A invenção do cálculo é o grande acontecimento
do século 17 no campo da matemática. Isaac Newton
(1642-1727) e Gottfried Leibniz (16461716) criaram
métodos básicos para lidar com processos dinâmicos,
uma nova maneira de abordar a mecânica (que investiga
os movimentos e as forças que os provocam). Ao
permitir previsibilidade e domínio sobre a natureza -
conhecimentos extremamente demandados pela
sociedade da era moderna -, a nova abordagem dotava o
homem de saberes que poderiam torná-lo senhor absoluto
dos fenômenos naturais.
Muita coisa ainda estava por ser feita, e o século 18 se
encarregou disso. Das bases do cálculo surgiram áreas
importantes do conhecimento, como equações diferenciais,
séries infinitas, geometria diferencial, funções de
variáveis complexas, cálculo variacional etc. Embora os
rudimentos desses temas já estivessem presentes nos
trabalhos de Newton e Leibniz, só no século 18 haveria
uma preocupação mais intensa com o seu
desenvolvimento, que constitui a área da matemática
denominada Análise.
Havia um esforço muito maior em aplicar os princípios
do cálculo do que propriamente em entendêlos.
Quantidades infinitesimais, velocidade instantânea,
incrementos nulos e ao mesmo tempo quantidades
positivas, tudo isso fazia parte da linguagem e do
procedimento do cálculo sem um adequado fundamento.
Contrariamente à epistemologia de origem grega, os
resultados justificavam os princípios. Apesar do clima de
insegurança racional, os cientistas do século 18
desenvolveram o cálculo e fundaram novos e
importantes ramos da análise matemática. Eles
conviveram com as aflições do erro e as confusões
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Princípio da

ação

mínima

Maior nome da matemática do século 18,

o suíço Leonhard Euler(1707-1783)

pavimentou as bases do cálculo, criado

no século anterior por mentes guiadas mais por intuição

física do que por um pensamento matemático rigoroso.

Em 1755, escreveu um importante tratado sobre o

cálculo diferencial, Instituições do cálculo diferencial, e

lançou mais tarde, em três volumes, um estudo sobre o

cálculo integral (Instituições do cálculo integral). Nessas

obras e em todas as demais que produziu, procurou dar

ao cálculo um tratamento estritamente analítico,

eliminando o apelo geométrico e apoiando-se na

estrutura algébrica (aritmética) dos números. Abria

assim caminho para um ramo da matemática que, a partir

daí, é chamado de Análise: estudo dos processos

infinitos por meios aritméticos. Em 1748, havia escrito um

tratado em dois volumes com essa abordagem analítica,

Introdução à análise do infinito, a primeira apresentação

conexa dos processos variacionais.

Além disso, foi responsável pela extensão do cálculo,

retratada nos estudos do princípio da ação mínima.

A invenção do cálculo é o grande acontecimento do século 17 no campo da matemática. Isaac Newton (1642-1727) e Gottfried Leibniz (16461716) criaram métodos básicos para lidar com processos dinâmicos, uma nova maneira de abordar a mecânica (que investiga os movimentos e as forças que os provocam). Ao permitir previsibilidade e domínio sobre a natureza - conhecimentos extremamente demandados pela sociedade da era moderna -, a nova abordagem dotava o homem de saberes que poderiam torná-lo senhor absoluto dos fenômenos naturais. Muita coisa ainda estava por ser feita, e o século 18 se encarregou disso. Das bases do cálculo surgiram áreas importantes do conhecimento, como equações diferenciais, séries infinitas, geometria diferencial, funções de variáveis complexas, cálculo variacional etc. Embora os rudimentos desses temas já estivessem presentes nos trabalhos de Newton e Leibniz, só no século 18 haveria uma preocupação mais intensa com o seu desenvolvimento, que constitui a área da matemática denominada Análise. Havia um esforço muito maior em aplicar os princípios do cálculo do que propriamente em entendêlos. Quantidades infinitesimais, velocidade instantânea, incrementos nulos e ao mesmo tempo quantidades positivas, tudo isso fazia parte da linguagem e do procedimento do cálculo sem um adequado fundamento. Contrariamente à epistemologia de origem grega, os resultados justificavam os princípios. Apesar do clima de insegurança racional, os cientistas do século 18 desenvolveram o cálculo e fundaram novos e importantes ramos da análise matemática. Eles conviveram com as aflições do erro e as confusões

do processo criativo, tendo alcançado um tratamento puramente formal para o cálculo e para os ramos insurgentes da análise. Guiados mais por intuição física do que por um pensamento matemático preciso, suas habilidades técnicas foram in- superáveis. Os conceitos e as técnicas de cálculo se expandiam com enorme esforço para suprir a falta de fundamentos. A abordagem mais representativa nessa direção deveu- se ao suíço Leonhard Euler, o mais relevante matemático do século 18. Orientado por Jean Bernoulli (1667-1748), estudou na universidade de Basiléia e completou seus estudos aos 15 anos. Os quatro volumes das Instituições de Euler são sem dúvida o tratamento mais completo sobre o cálculo do século 18. Com as devidas adaptações, até hoje os alunos das séries iniciais dos cursos universitários de ciências exatas estudam cálculo da mesma forma apresentada por Euler em seus tratados. Sua vasta produção reúne perto de uma centena de volumes, dos quais 80 já foram publicados pelo governo suíço. A Obra completa do autor está sendo editada em quatro séries: a Série I, com 29 volumes, trata de assuntos relacionados com matemática pura; a II, com 31 volumes, abrange mecânica e astronomia; a III, com 12 volumes, aborda assuntos9 de física e temas variados. A Série IV divide-se em duas partes: a IVA, com oito volumes, reúne a correspondência de Euler; a IVB, ainda não publicada, incorpora seus manuscritos. 0 tratado de 1755, Instituições do cálculo diferencial, foi editado na Obra completa como volume 10 da Série I, em 1913, e possui 676 páginas. A principal contribuição de Euler talvez seja seu estudo sobre cálculo variacional, denominação por ele criada em trabalho apresentado na Academia de Berlim em 1756. Trata-se de uma extensão do cálculo em que se estudam taxas de variação não mais de grandezas representadas por funções dependentes de um número finito de variáveis, mas de grandezas representadas por funcionais. No estudo de funções com n variáveis independentes, é conveniente a associação geométrica em que os n números são vistos como pontos de um espaço euclidiano com n dimensões. Para isso é suficiente considerar um único e universal espaço euclidiano n-dimensional.

Denomina-se funcional uma correspondência que

associa um número real a uma função (ou curva)

pertencente a determinada classe de funções (ou de

curvas). Desse modo, devemos considerar cada fun-

ção y(x) pertencente a uma dada classe, como um

ponto em algum espaço. Os domínios cujos elementos

são funções chamam-se espaços funcionais. Nesse

contexto, surgem várias complicações, uma das

quais é o fato de não existir mais, como antes, um

único e universal espaço; cada problema sob consideração determinará a escolha do espaço fun- cional. É nesse mundo que Euler vagueia, buscando sentido em situações nas quais pontos geométricos são substituídos por objetos como funções ou curvas. Ele cria, inventa, dá existência a uma dinâmica que ocorre em um lugar que não é lugar, perde-se contato com o mundo. Paradoxalmente tudo isso estava sendo feito para resolver problemas da física.

Antecedentes Tudo começou com o matemático grego Euclides (século 3 a.C.) em seu livro Catoptrica, onde provou que o caminho percorrido pela luz refletida em um espelho tem ângulos de incidência e reflexão iguais. Daí, o

matemático e físico grego Héron de Alexandria (século 1

d.C.) demonstrou que o caminho percorrido pela luz,

ao ir de um ponto P a um ponto Q com reflexão no espelho, é o menor entre todos os caminhos que saem do ponto P, refletem no espelho e atingem o ponto Q. Se o meio for homogêneo, a velocidade da luz é constante. Portanto, ela percorre o caminho que leva o menor tempo. Héron aplicou esse princípio a problemas de reflexão em espelhos esféricos côncavos e convexos. Com base nos problemas de reflexão, os filósofos do período pós-grego estenderam esse princípio de otimização e propuseram a doutrina de que a natureza age sempre da melhor maneira possível, nada fazendo de supérfluo ou desnecessariamente. Leo- nardo da Vinci (1452-1519) acreditava que a natureza era econômica e que sua economia era quantitativa. Na Idade Média era consensual a idéia de que a natureza assim se comportava. No século 17, o matemático francês Pierre de Fermat (1601-1665) postulou o Princípio do Tempo Mínimo e, a partir dele, deduziu a lei da refração da luz. No início do século 18 os matemáticos tinham muitos exemplos de que a natureza empreende a otimização de algumas quantidades importantes. Os exemplos sugeriam que deveria haver um princípio geral, segundo o qual toda dinâmica ocorre na otimização quantitativa de algo: tempo, distância, trabalho, energia etc. Restava saber se havia algo universal cuja otimização quantitativa fosse capaz de reger todas as dinâmicas. A procura desse princípio geral foi empreendida pelo matemático francês Pierre-Louis Moreau de Maupertuis (1698-1759), que propôs em 1744 seu famoso Princípio da Ação Mínima. Segundo esse princípio, qualquer dinâmica na natureza deve minimizar o que Maupertuis chamou de Ação: a quantidade de movimento vezes a distância percor- rida. Em termos matemáticos: A = mvs, em que m é a massa do corpo, v sua velocidade e s a distância percorrida. 0 resultado desse produto Maupertuis chamou de Ação. Quando a velocidade não é constante e o caminho percorrido é uma curva, a Ação é dada pela integral A = (^) ∫ mvds, pois se trata de uma soma

infinita de velocidades instantâneas multiplicadas por percursos infinitesimais, bem ao gosto do cálculo. Maupertuis proclamou seu princípio de Lei Universal da Natureza e o considerava a primeira prova científica da existência de Deus. Para ele, a quantidade universal a ser otimizada era a Ação.

Força viva Em 1744, Euler reformulou a definição de Ação, introduzindo a variável temporal. Como ds = v d t , ao substituir a igualdade na equação que define a Ação, obteve A = (^) ∫ mv^2 d t. Ele percebeu então que a Ação é a