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1 Uma visão geral de problemas muito interessantes do livro “Os nove capítulos da arte matemática” de Liu Hui, do seculo II d.C. Otilia T. Wiermann Paques – otilia@ime.unicamp.br Adilson Pedro Roveran - aproveran@yahoo.it Com a colaboração de integrantes do grupo de estudos em História da matemática no ensino de matemática do LEM – Laboratório de ensino de Matemática do IMECC/UNICAMP – 2017. INTRODUÇÃO. Para discutir os mestres não basta se assegurar na dinâmica do pensamento científico, é necessário, também, ter ambiente social e político favorável. Na Grécia antiga, a base cultural do nascimento da ciência, foi também o nascimento da democracia. Conceber uma estrutura política democrática supõe de fato em aceitar que as melhores discussões emergem das discussões entre todos que de uma só autoridade. Anaximandro (Filósofo e astrônomo grego), nasceu em 610 a. C. em Mileto, onde também teria morrido, em 547 a.C. Sabe-se que foi discípulo de Tales. São-lhe atribuídas a descoberta da obliquidade da elíptica, a introdução do quadrante solar e a invenção de mapas geográficos. Ele trouxe para o terreno do saber uma prática já corriqueira na Grécia: criticar a posição de um mestre, não para faltar de respeito com ele, mas sim para dividir uma melhor proposição. Com isso floresceu toda uma "civilização ocidental", com seu conhecimento científico que até hoje desenvolvemos. Isso não durou muito no Ocidente. Séculos depois, o império romano toma o poder para as mãos de uma só pessoa, depois os cristãos substituem o saber para as mãos do Divino e seus intermediários, os padres. De onde esse conhecimento se estagna mailto:otilia@ime.unicamp.br mailto:aproveran@yahoo.it 2 por um grande período no Ocidente. Ela é retomada no final da Idade Média. Por outro lado, uma revolução científica comparável à ocidental, não ocorreu na civilização chinesa, mesmo sabendo que durante séculos foi igual e mesmo em alguns casos superior, isso porque, para os historiadores das ciências, os mestres chineses não foram jamais criticados, jamais colocaram em discussão seus saberes. A ciência chinesa se desenvolveu pelo enriquecimento e aprofundamento das questões e nunca por colocar seus conhecimentos em discussão (Luminet, 2013). Se para a matemática ocidental os Elementos de Euclides (300 a.C.), constituem o pilar dessa matemática, para os chineses Os nove capítulos da arte matemática, com as observações de Lui Hui pode ser considerado o correspondente. Constitui de 246 problemas resolvidos e comentados por Liu Hui, na sua versão mais conhecida de hoje. O que se conhece é que este livro já era citado na Qin Dynasty (221-207 a.C.) e posteriormente recopiado por Zhang Chang (? -152 a.C.) e Geng Shouchang (no 1º século a.C.) e mais tarde na Former Han Dynasty (206aC - 8dC). Lui Hui Há poucas informações sobre o matemático chinês Liu Hui nascido no ano de 225, em Wei, China e morrido no ano de 280. É sabido que foi um oficial no Reino de Wei no século III d.C., após um colapso da grande dinastia Han. Liu Hui em 263 edita o livro com suas anotações suplementares usando suas próprias aproximações baseadas em novas teorias e ideias. É a tradução desse livro que foi analisada e estudada por pesquisadores do LEM (Laboratório de Educação Matemática - UNICAMP) na escrita desse texto. 3 A tradução dos Os nove Capítulos da Arte Matemática demorou muito tempo a aparecer, enquanto os matemáticos ocidentais buscavam o porquê de um problema, os orientais se interessavam em como. Daí o não interesse pela matemática oriental. Houve também, as duas grandes guerras, nas quais a ciência ocidental contribuiu muito para dominação do Ocidente sobre o Oriente. Somente no século XIX, que os historiadores das ciências iniciaram um estudo mais detalhado sobre a ciência oriental. Os nove capítulos da arte matemática aparece, pela primeira vez traduzido e comentado em 1999, por Kangshen, Crossley e Lun editado pela Science Press, Beijing, e logo em seguida pela Oxford University Press de N.Y. Existe uma tradução para o francês de 2004 de Chemla, K. e Shuchum, G. pela Editora de Savoir, que é dito "Pour la première fois en Occident", que não corresponde à verdade, mas tem seu valor . Os Nove capítulos da Arte Matemática tratam dos seguintes temas: Capítulo 1: Medidas de campos (Fang thien). Capítulo 2: Cereais (Su mei). Capítulo 3: Distribuição por proporções (Tshui fen). Capítulo 4: Quanto mede? (Shao kuang). Capítulo 5: Cálculos para construções (Shang kung) Capítulo 6: Impostos justos (Chung shu). Capítulo 7: Excesso e falta (Chun shu). Capítulo 8: Arranjos retangulares (Fang cheng). Capítulo 9: Triângulos retângulos (Gou gu). Os últimos problemas dos Os Nove capítulos da Arte Matemática exploram conteúdos elementares de agrimensura. Liu Hiu iniciou um processo de inserir mais problemas sobre esse assunto e acabou por criar uma outra obra denominada Haidao suanjing (Manual Matemático da Ilha do Mar) no final do século III. Os conteúdos dos capítulos são os seguintes: Capítulo 1 – Discute medidas de áreas de figuras planas. Cálculo com frações . 4 Capítulo 2 e Capítulo 3 – Contém uma variedade de problemas de agricultura, comércio e indústria. São resolvidos pela regra conhecida hoje como Regra de Três. Envolve também progressões aritméticas e geométricas. Capítulo 4 – São problemas que pedem as dimensões de uma figura plana, dada a sua área. O texto trata da extração de raízes quadradas e cúbicas. Também introduz algumas propriedades de raízes irracionais. Capítulo 5 – Este capítulo dá fórmulas de volumes de várias formas de figuras. Capítulo 6 – Trata de considerações sobre o cálculo de taxas, ou impostos. Capítulo 7 – Neste Capítulo os problemas seguem das regras da falsa posição e da dupla falsa posição. Capítulo 8 – O método de solução de sistemas lineares é equivalente ao método de eliminação de Gauss (que data do século XIX). Também dá regras para cálculos com números positivos e negativos. Um problema super interessante é de um sistema indeterminado de equações lineares de cinco equações com seis incógnitas. Capítulo 9 – Trata da regra Gougu, que hoje é chamada de teorema de Pitágoras. Aparecem problemas sobre triplas pitagoreanas e equações quadráticas. Durante os séculos VII-X a obra Os nove capítulos da Arte Matemática foi considerada uma enciclopédia matemática e depois passou a ser adotada como um texto fundamental para as pessoas que ingressavam no serviço do Estado e além de ser uma obra clássica para pesquisa da comunidade científica. A redação do Os nove capítulos da Arte Matemática é na forma de formulação de problemas e o procedimento de sua solução, sem nenhuma preocupação de uma generalização mais teórica. Sempre foi visto mais como uma série de exercícios escolares. Era usado principalmente pelos empregados governamentais. Daí a consideração de que a matemática chinesa só se ocupou em como 5 resolver um problema e nunca em saber se existia uma teoria mais geral que o validava. Chemla K. (2013) propõe uma releitura diferente dos Os nove Capítulos da Arte matemática, onde Liu Hui teria a noção de uma teoria mais geral da Matemática, para explicar seus algoritmos na solução dos problemas. Seu argumento é de que em vários problemas Hui usa o mesmo algoritmo, mesmo sendo em contextos completamente distintos. A autora usa vários exemplos no seu texto para comprovar sua tese. Usando ferramentas iguais em soluções de problemas de diferentes enunciados, isso garante a existência de uma teoria mais geral da Matemática que valida as soluções dos problemas, e não dar a cada um tratamento específico? Isso foi que levou os gregos à busca das teorias gerais da Matemática, e ainda é hoje o quebuscam os pesquisadores da Matemática. Por Eduardo Sebastiani Ferreira – esebastiani@uol.com.br O sistema de medidas na Qin e Han Dinastias eram os seguintes: 1 - Medidas de comprimento: No “Os nove capitulos da arte matemática”, somente ocorrem 3 unidades de medida, zhang, chi e cun. Se um comprimento era menor que 1 cun, ele era expresso em frações, por exemplo, problema 7.11, 4 chi 8 6/13 cun. Para medir campos, introduz uma outra unidade de comprimento, o bu. Define, também, 1 li = 300 bu = 6 chi x 300 = 1800 chi. Podemos ver algumas equivalências, 1 cun = 2,304 cm. Um chi = 23,04 cm. Um bu = 6 chi = 1,3824m, 1 zhang = 2,304 m. 1li = 300 bu = 414,72 m; 1 zhang = 10 chi. 2 - Medidas de áreas: A regra para campos retangulares do capítulo 1 diz o seguinte: ”multiplique o número de bu da largura pelo do comprimento para obter o bu produto. Dividindo pelo fator de conversão 240, bu mailto:esebastiani@uol.com.br 6 (quadrados) em 1 mu dá o número de mu. 100 mu faz 1 qing”. Isto é a regra popular da área do retângulo. 3 - Capacidade: Somente três unidades de capacidade aparecem hu, dou e sheng. (decrescendo no sistema decimal) (10 sheng = 1 dou, 1 hu = 100 shengs). 4 - Pesos: São dan, jun, jin, liang e zhu. As regras de conversão são: 1 dan = 4 jun; 1 jun = 30 jin; 1 jin = 16 liang, 1 liang = 24 zhu 5 – Tempo: O ano tinha 12 meses dos quais 6 tinham 30 dias e outros seis com 29 dias, dando um total de 354 dias. Na China Antiga o dia era dividido em 12 partes iguais, cada parte (shichen) de 2 horas. Dia e noite eram iguais, tinham 6 shichen cada . Neste trabalho estudamos os problemas de todos os capítulos do Os nove capitulos da Arte Matemática,organizados por Liu Hui, procurando apresentar aos leitores os que achamos mais interessantes, o que são muitos. Os problemas são de ordem prática e podem facilmente serem estudados pelos nossos alunos do ensino fundamental como pelos universitários. Mantivemos a numeração original e apresentamos o “Método”, que foi a solução dada pelos chineses. Muitas vezes apresentamos a interpretação dada por Lui Hui seguida da nossa solução. Baseamos nossos estudos principalmente no livro: KANGSHEN, S. - CROSSLEY, J. - LUN, A, W, C, - (1999) The Nine Chapters on the Mathematical Art. Companion and Commentary - Oxford Univ.Pre. UNK. Convem ressaltar que a obra Os nove capitulos da arte matemática, revela o poder da matemática chinesa na Antiguidade, contando-se entre as suas inovações : (Sá C.C.. et al, 2003). . uso de um sistema de frações . . resolução de sistemas de equações lineares empregrando técnicas matriciais. 7 . fórmulas exatas para calcular áreas e volumes complicados. .uso sofisticado do teorema de Pitágoras ( Swetz, 1994). BIBLIOGRAFIA CHEMILA, K - (2013) Problèmes et démonstration de La correction d´algorithmes en Chine ancienne. – Hal - achives ouvertes. Paris. CHEMLA,K. e SHUCHUN,G. - (2004) Les Neuf Chapitres - La classique mathématique de La Chine ancienne et ses commentaires - Editeur de Savoir –Paris. KANGSHEN, S. - CROSSLEY, J. - LUN, A, W, C, - (1999) The Nine Chapters on the Mathematical Art. Companion and Commentary - Oxford Univ.Pre. UNK. KATZ, V. - (2009) História da Matemática, Editor Gulbenkian. LUMINET, J. P. - (2013) La naissance de la science (1/3): Anaximandre de Milet - Luminiesciences: le blog de Jean-Pierre Luminet. Paris - acessado em 16 de dezembro de 2016. YABUUTI, K. Une histoire des mathématiques chinoises – tradução de C. Jami e K. Baba, Belin – Pour la science – 2000. SÁ, C. C. et al. História da Matemática. Universidade Aberta. – 2003 - Lisboa. STRAFFIN, P. D. Liu Hui and the First Golden Age of chinese Mathematiques - (Beloit College) – Mathematics Magazine, Vol . 71, No.3 (jun.1998), p. 163-181. SWETZ, F. Learning Activities from the History of Mathematics, Portland Weston Waltch Publisher. YUN, Y. X. - Jiu Zhang Suan Shu and THE GAUSS ALGORITM FOR LINEAR EQUATIONS - Documenta Mathematica – Extra Volume ISMP (2012) p. 9-14. 8 1 CAPÍTULO 1 - MEDIÇÃO DE CAMPOS (FANG THIEN) Este capítulo trata, essencialmente, do cálculo de áreas de campos e operações com frações. Trabalha com campos na forma retangular, quadriláteros, círculos, segmentos circulares e anéis. O capítulo 1 tem 38 problemas que podem ser classificados em dois grupos: 1. Cálculo de áreas de figuras planas. Denomina de “figuras retilíneas”, os retângulos (Problemas 1-4, 19-24), triângulos (25-26) e trapézios (27-30) e calcula as suas áreas. De ”figuras curvilíneas”, que são os círculos (33-34), segmentos circulares (35-36) e anéis (37-38). As fórmulas para retângulos, triângulos, trapézios, anéis e círculos são exatas enquanto que a fórmula para segmentos circulares é aproximada. 2- A teoria das frações. Este grupo compreende redução de frações (Problema 5-6), adição (7-9), subtração (10-14), divisão (17-18) e multiplicação (19-24). Introduz cálculos de áreas envolvendo lados de comprimento racionais. Fizemos a escolha de alguns problemas que julgamos interessantes e não repetitivos. Vamos conservar a numeração dos problemas como no livro. Problema 1 - Dado um campo retangular de largura 15 bu e 16 bu de comprimento, quanto mede sua área? Resposta: 1 mu Regra para a determinação da área de um campo retangular: Multiplique o número de bu da largura pelo comprimento para obter bu (quadrado). Divida, então, pelo fator de conversão de 240 bu (quadrados) em 1 mu dá o número de mu. 15 bu x 16 bu = 240 bu ( quadrados) = 1 mu. Problema 25 - Dado um campo triangular com base 12 bu e altura 21 bu. Qual é a área? Resposta: 126 bu (quadrados). Regra da área de um campo triangular: Multiplique a metade da base pela altura. 12 ∙ 21 2 = 126 bu (quadrado) Problema 27 – Dado um campo trapezoidal com dois ângulos retos e bases medindo 30 bu e 42 bu, respectivamente, e altura 64 bu,encontre a sua área. 2 Reposta: 9 mu 144 bu (quadrado). Regra da área do trapézio: multiplique metade da soma das bases superior e inferior pela altura. 64 ∙ (30+42) 2 = 2304 = 9 ∙ 240 + 144 = 9 mu e 144 bu (quadrado). Teoria das frações: A regra da redução de frações. Se o denominador e o numerador podem ser divididos por dois, então divida-os. Se não, escreva o denominador d e o numerador n na forma (n,d). Compare d e n e subtraia o menor número do maior e os coloque na forma acima. Repita o processo até obter (m,m) onde m é o máximo divisor comum, teng. Simplifique a fração original dividindo ambos os números pelo teng. Trata-se, afinal, de aplicar o processo de subtração recíproca para a determinação do máximo divisor comum de dois números, descrito por Euclides no Livro 7 de Os Elementos. Problema 6 - Reduza a fração 𝟒𝟗 𝟗𝟏 na sua forma irredutível. Resposta: 7 13 . Método: Escreve-se, sucessivamente, usando a regra acima. (49 , 91); (49 , 42); (7 , 42); (7 , 35); (7 , 28); (7 , 21); (7 , 14); (7 , 7) 7 é o máximo divisor comum (teng) do numerador e denominador e resulta a fração 7 13 , equivalente à fração dada. Observe que no Os nove capítulos da arte matemática, 160 dos 246 problemas envolvem cálculos com frações. Neste livro não aparecem frações com numerador maior que o denominador. Neste caso são reduzidas a frações mistas. Para somar ou subtrair frações, os matemáticos chineses reduziam ao denominador comum (mas sem a preocupação de ele ser o menor possível) deixando para o final a simplificação da fração resultante. Problema 8 - Dadas as frações 𝟐 𝟑 , 𝟒 𝟕 𝒆 𝟓 𝟗 . Somando-as quanto temos? Resposta: 𝟏 𝟓𝟎 𝟔𝟑 3 Solução: 2 3 + 4 7 + 5 9 = 2 ∙7 ∙9 3 ∙7 ∙9 + 4 ∙3 ∙9 3 ∙7∙9 + 5 ∙3 ∙7 3 ∙7 ∙9 = 126+108+105 189 = 339 189 = 1 150 189 = 1 50 63 . Para multiplicarfrações se procedia exatamente como hoje. Problema 10 - De 𝟖 𝟗 subtraia 𝟏 𝟓 . Quanto resta? Resposta: 𝟑𝟏 𝟒𝟓 Método: Cada numerador é multiplicado pelos denominadores das outras frações. Então subtraia o menor (produto) do maior. O resto é o dividendo. Multiplique os denominadores como o divisor. Divida. Em linguagem moderna, esta regra pode ser descrita assim: 𝑏 𝑎 − 𝑑 𝑐 = 𝑏𝑐 − 𝑎𝑑 𝑎𝑐 Então, temos: 8 9 − 1 5 = 8 ∙5−9 ∙1 9 ∙5 = 31 45 Problema 12 - Qual é maior 𝟓 𝟖 ou 𝟏𝟔 𝟐𝟓 ? Resposta: 16 25 é a maior e o excesso é 3 200 . Método da comparação das frações: Cada numerador é multiplicado pelo denominador da outra fração. Subtrai o menor produto do maior. O resto é o dividendo; multiplique os denominadores como divisor. Divida para obter o excesso. Solução: No caso, tome 5 ∙ 25 = 125 e 16 ∙ 8 = 128. Como 125 < 128, 𝟓 𝟖 < 𝟏𝟔 𝟐𝟓 . O excesso é 3 200 . A regra para dividir frações (diferente de hoje). Problema 17 - Sete pessoas devem dividir 𝟖 𝟏 𝟑 de moedas. Quanto cabe a cada pessoa? Resposta: Para cada uma 1 4 21 de moedas. Método da divisão de frações: Tome o número de pessoas como divisor e o número de moedas como dividendo. Divida. Se o dividendo ou o divisor for uma fração mista, converta-a a uma fração imprópria. Se ambas são frações mistas, converta-as a frações impróprias com denominador comum. a) A regra diz o seguinte, cada numerador é multiplicado pelo denominador da outra fração. Multiplique o denominador para uniformizar os denominadores. Ou seja: 4 𝑏 𝑎 ∶ 𝑑 𝑐 = 𝑏𝑐 𝑎𝑐 ∶ 𝑑𝑎 𝑎𝑐 e isto é igual a 𝑏𝑐 𝑎𝑑 . b) Se ambos o dividendo e divisor são frações mistas: (𝑎 + 𝑐 𝑏 ) ∶ (𝑑 + 𝑓 𝑒 ) Então reduza-as a impróprias: 𝑎𝑏 + 𝑐 𝑏 ∶ 𝑑𝑒 + 𝑓 𝑒 Dai como acima, 𝑒 ∙ (𝑎𝑏 + 𝑐) 𝑒𝑏 ∶ 𝑏 ∙ (𝑑𝑒 + 𝑓) 𝑒𝑏 = 𝑒 ∙ (𝑎𝑏 + 𝑐) 𝑏 ∙ (𝑑𝑒 + 𝑓) Logo, no problema 17, temos 𝟖 𝟏 𝟑 : 𝟕 = 𝟐𝟓 𝟑 ∶ 𝟕 = 𝟐𝟓 𝟑 ∶ 𝟕 ∙𝟑 𝟑 = 𝟐𝟓 𝟐𝟏 = 𝟏 𝟒 𝟐𝟏 . Oservação: Li (1987) chama a atenção para o fato de os Os Nove capitulos da arte matemática ser o primeiro trabalho no mundo a discutir sistematicamente a manipulação de frações, o que só no século VII vem a acontecer na Índia e, ainda mais tarde, na Europa. O recurso ao mínimo múltiplo comum (Swetz ,1972) entre os denominadores não foi utilizado antes do seculo XV. Problema 31 - Dado um campo circular, com circunferência de 30 bu e diâmetro 10 bu. Qual é a sua área? Resposta: 75 bu (quadrado). O método da área de campos circulares: 1ª regra: multiplique metade da circunferência pelo seu raio dá a área do círculo em bu (quadrado). 2ª regra: um quarto do produto da circunferência e o diâmetro. 3ª regra: um quarto do produto de três vezes o diâmetro ao quadrado. 4ª regra: a circunferência ao quadrado dividido por 12. A primeira e a segunda regras são corretas. Nos dias de hoje é o mesmo que dizer que a área é 𝜋 ∙ 𝑟2. Na terceira e na quarta, está assumindo para o número é 𝜋 o valor de 3 Para obter a resposta do problema 31 foi usada a 2ª regra, obtendo 75 bu (quadrado). Atualmente sabemos que este problema não tem solução, pois não existe um círculo com circunferência medindo 30 e raio 5, pois a circunferência mede 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟 = 10𝜋, que nunca será 30. Somente utilizando 𝜋 igual a 3 isto é possível. Um problema com medidas racionais. 5 Problema 32 - Dado um campo circular, com circunferência medindo 181 bu e diâmetro 𝟔𝟎 𝟏 𝟑 bu , encontre a área deste campo. Resposta: 11 mu 90 1 12 bu (1 mu = 240 bu quadrado) Método: Segue da primeira regra acima. 181 2 ∙ 181 6 = 32761 12 = 2730 1 12 = 11 mu 90 1 12 bu (quadrado). Problema 36 - Dado um campo, na forma de segmento circular, cuja corda é 𝟕𝟖 𝟏 𝟐 bu, e flecha 𝟏𝟑 𝟕 𝟗 bu encontre sua área. Resposta: 2 mu 155 56 81 bu (quadrado). Método: Tome a corda e multiplique pela flecha; tome o quadrado da flecha; some e divida por dois. Em outras palavras: Se a é a corda de um segmento e b sua flecha, a área igual a 1 2 ∙ (𝑎𝑏 + 𝑏2). Sabemos que esta fórmula é falsa. Uma moderna fórmula aproximada de um segmento circular é dada por 2 3 𝑎𝑏, (pg 127, K,S;C,J;L,A.). Fazendo os cálculos verificamos que, com a fórmula dada no Os nove capitulos da arte matemática, obtemos um valor aproximado de 635,69 para a área do segmento circular e usando a fórmula moderna aproximada, obtemos o valor 721,03. Atualmente encontramos a área por: Área = 𝑟2 2 ∙ (𝛼 − sin 𝛼), onde r é o raio do círculo e 𝛼 é o ângulo central em radianos. Neste caso, o valor encontrado é 738,28. 6 Problema 36 - Dado um campo em forma de anel circular, cujas circunferências interna e externa medem 𝟔𝟐 𝟑 𝟒 bu e 𝟏𝟏𝟑 𝟏 𝟐 bu, respectivamente, e largura 𝟏𝟐 𝟐 𝟑 bu, qual é sua área? Resposta: 4 mu 156 1 4 bu (quadrado). Método para campos anelares: Faça a soma das circunferências interna e externa, tome sua metade, multiplique pela largura do anel. O produto obtido é a área em bu (quadrado). A regra dada pode ser interpretada da seguinte forma, de acordo coma linguagem moderna. Sejam: C1 a circunferência externa e R seu raio; C2 a circunferência interna e r seu raio; A1 a área do círculo externo e A2 a área do círculo interno. A(anel) = 𝐴1 − 𝐴2 A(anel) = 𝜋𝑅2 − 𝜋𝑟2 A(anel) = 𝜋(𝑅2 − 𝑟2) A(anel) = 𝜋(𝑅 + 𝑟)(𝑅 − 𝑟) A(anel) = 2𝜋 2 (𝑅 + 𝑟)(𝑅 − 𝑟) A(anel) = ( 2𝜋𝑅 2 + 2𝜋𝑟 2 ) (𝑅 − 𝑟) A(anel) = ( 𝐶1+ 𝐶2 2 ) (𝑅 − 𝑟) No problema 38 temos: 𝐴 = (113 1 2 + 62 3 4 ) ∶ 2 ∙ 12 2 3 = 𝐴 = ( 227 2 + 251 4 ) ∶ 2 ∙ 38 3 = 𝐴 = ( 454 8 + 251 8 ) ∙ 38 3 𝐴 = 705 8 ∙ 38 3 = 26790 24 = 13395 12 = 1116 1 4 bu (quadrado). 𝐴 = 4 mu 156 1 4 bu (quadrado). 7 1 CAPÍTULO 2 – CEREAIS (SU MEI). O capítulo 2 trata de taxas de conversão entre quantidades apresentadas em capacidade ou massa e geralmente aplica regras de proporção. Os tipos de problemas apresentados são: - Uso da regra Jinyou (regra de três) – problemas 1 até 24. - Transformação entre diferentes tipos de grãos – problemas 25 a 31. - Uso da regra Jinglu A (divisão entre inteiros) – problemas 32 e 33 - Uso da regra Jinglu B (divisão entre racionais) – problemas 34 a 37 - Regra Qilu – uma variação da regra Jinglu para o caso em que se deseja saber quantas moedas são necessárias para comprar um item. Normalmente não há respostas com frações – problemas 38 a 43. - Regra Qilu inversa – usada quando o número de itens é maior que o número de moedas. Nesse caso a resposta é “quantos itens compra uma moeda ao invés de quantas moedas são necessárias para comprar um item” – problemas 44 a 46. No capítulo 2 são usadas as seguintes unidades de medida: CAPACIDADE 1 hu = 10 dou 1 dou = 10 sheng 1 sheng = 10 ge 1 ge = 2 yue Pode-se considerar uma aproximação para 1 sheng = 200 ml MASSA 1 dan = 4 jun 1 jun = 30 jin 1 jin = 16 liang 1 liang = 24 zhu Pode-se considerar uma aproximação para 1 jun de 250 g. Fizemos a escolha de alguns problemas que julgamos interessantes e não repetitivos. Vamos conservar a numeração dos problemas como no livro. 2 Para os problemas de 1 a 24 faz-se uso da tabela abaixo, que apresenta as taxas de conversão entre diferentes tipos de grãos. A resolução é feita com o uso da regra Jinyou (regra de três), cujo enunciado é: “Tome o número dado e o multiplique pela taxa procurada. O produto é o dividendo. A taxa dada é o divisor. Faça a divisão”. Problema 1- Dado 1 dou de grãos de milho, obter a quantidade correspondente de milho descascado. Resposta: 6 sheng de milho descascado Método: Usar a tabela de conversão(regra Jinyou), multiplicar por 3 e dividir por 5. Note que a correspondência é de 30 para 50. Como 1 dou = 10 sheng, obtemos: 10 .30 50 = 6 𝑠ℎ𝑒𝑛𝑔. Problema 15 - Temos 7 dou e 5 𝟒 𝟕 sheng de grãos de milho para trocar por grãos de arroz com casca. Quanto obteremos em grãos de arroz com casca? Resposta: 9 𝑑𝑜𝑢 24 35 𝑠ℎ𝑒𝑛𝑔 de arroz com casca. Método: (Regra Jinyou) multiplique o valor disponível por 6 e divida por 5. De fato, pela tabela de conversão temos grão de milho: 50 e arroz com casca: 60. Como 7 dou e 5 𝟒 𝟕 sheng = 75 𝟒 𝟕 sheng, 75 4 7 . 6 5 = 529 35 . 6 = 3174 35 = 90 24 35 𝑠ℎ𝑒𝑛𝑔 = 9 𝑑𝑜𝑢 24 35 𝑠ℎ𝑒𝑛𝑔 Problema 31 - 1 dou de grãos de trigo corresponde a quanto de trigo moído grosso? Resposta: 1 dou e 2 sheng de trigo moído grosso. Método: (Regra Jinyou) A taxa de transformação de trigo em trigo moído grosso é de 45 para 54. Para simplificar a conta, usa-se o máximo divisor comum entre 45 e 54, obtendo a razão 5 para 6, 3 logo divide-se 1 dou por 5 e multiplica-se o resultado por 6, obtendo 1,2 dou ou 1 dou e 2 sheng. Regra Jinglu A. Tome o número de itens comprados como divisor e o número de moedas pago como dividendo. Divida. De acordo com a regra Jinglu A, a quantidade de moedas é o número dado. 1 item é a taxa procurada e o número de itens comprados é a taxa dada. Usando a regra de três (Jinyou) obtém-se o número procurado. O problema 32 é um exemplo da regra Jinglu A, quando a divisão é feita entre inteiros. Problema 32 - 160 moedas compram 18 tijolos. Quanto custa cada tijolo? Resposta: cada tijolo custa 8 8 9 moedas. Método: Divida 160 por 18, obtendo a quantidade de moedas procurada. 160 18 = 8 ∙ 18 + 16 18 = 8 8 9 Regra Jinglu B. Tome a taxa procurada e multiplique pelo número de moedas como dividendo, tome o número de itens comprados como divisor. Divida. Observe que esta regra é exatamente a divisão de frações do capítulo 1. O problema 34 é resolvido com uso da regra Jinglu B. Problema 34 - 5785 moedas são necessárias para comprar 1 hu, 6 dou e 7 𝟐 𝟑 sheng de laca. Quanto custa 1 dou de laca? Resposta: 1 dou de laca custa 345 15 503 moedas. Método: use a regra Jinglu B. Primeiro transforme a medida em sheng: 1 hu, 6 dou e 7 2 3 sheng = 503 3 sheng. Então o preço unitário, isto é a taxa procurada é igual a 5785 ∙ 1 ∶ 503 3 = 5785 ∙ 1 ∙ 3 503 = 17355 503 sheng = 173550 503 dou = 345 15 503 dou . Para os próximos problemas será necessário usar a REGRA QILU e sua correspondente REGRA QILU INVERSA. Em notação moderna é o seguinte : 4 Sejam: a uma quantidade de moedas e b a quantidade de itens que a pode comprar, Regra QILU: Se a > b, então o preço unitário de cada item é maior que uma moeda. Se a/b não resulta em um número inteiro, e como na China antiga não havia uma definição para valores menores do que uma moeda, Os nove capitulos da arte matemática apresenta uma forma de representar essa situação: a = bq + r [*] (divisão euclidiana) (0 < r < b), então 𝑎 𝑏 = 𝑞 + 𝑟 𝑏 e, consequentemente, o valor unitário x, satisfaz q < x < q + 1 Fica implícito que devem existir itens de menor qualidade custando uma moeda a menos que o item de qualidade superior e que o valor médio situa-se entre esses dois valores. Se tomarmos r itens da qualidade superior custando q + 1 moedas cada, e o resto, b – r, (itens de qualidade inferior) custando q moedas cada, o total de moedas a ser pago é exatamente: r (q + 1) + (b – r) q = qb + r = a, sendo então r (q + 1) o valor pago para a quantidade de itens de qualidade superior e (b – rq) de inferior. Problema 38 - 576 moedas são necessárias para comprar 78 bambus. Os bambus são classificados em grossos ou finos. Quanto custa cada um em moedas? Resposta: 7 moedas para cada um dos 48 bambus finos e 8 moedas para cada um dos 30 restantes. Método: Usa-se aqui a regra QILU: a = 576 e b = 78, temos q = 7 e r = 30. Assim r = 30 bambus de qualidade superior custando (7+1) = 8 moedas cada um e (b - r) = 48 bambus de qualidade inferior, custando 7 moedas cada um. Problema 44 - 3970 moedas são necessárias para comprar 1 dan, 2 jun, 28 jin 3 liang e 5 zhu de seda. A seda é classificada como de qualidade inferior e superior. Quanto custa cada tipo em zhu? Para a conversão deve-se usar: 1 dan = 46080 zhu 1 jun = 11520 zhu 1 jin = 384 zhu 5 1 liang = 24 zhu Resposta: 6 zhu por moeda para pagar 60594 zhu de seda de qualidade superior, o que resulta em 1 dan, 1 jun, 7 jin, 12 liang e 18 zhu. 5 zhu por moeda para pagar 19355 zhu de seda de qualidade inferior, o que resulta em 1 jun, 20 jin, 6 liang e 11 zhu. Método: Regra QILU inversa: Como a < b, então o valor unitário é menor que uma moeda. Neste caso, a idéia é mudar o questionamento para quantos itens podem ser comprados com uma moeda, daí ser chamada de regra QILU inversa . De [*] acima , 𝑏 𝑎 = 𝑝 𝑠 𝑎 , sendo (0 < s < a) e, como supomos que uma moeda compra y itens, p < y < p + 1 Assim como na regra QILU, está implícito que, simetricamente (em relação à regra QILU), uma pessoa compra mais itens de inferior qualidade por moeda que de qualidade superior. Assim, se usamos s moedas do total a para os itens de qualidade inferior, custando p + 1 itens por moeda, o restante, a – s, moedas será usado para comprar os itens de qualidade superior. O total de itens a serem comprados é: s (p + 1) + (a – s) p = pa + s = b , sendo então s (p + 1) a quantidade de itens de qualidade inferior e a – sp é a quantidade de itens de qualidade superior. No problema, temos 1 dan, 2 jun, 28 jin 3 liang e 5 zhu = 79109 zhu, = b, a = 13970 79949 : 13970 = 5 (parte inteira) = p Pela regra Qilu inversa, s (p + 1) + (a – s) p = pa + s = b s . 6 + (13970 – s) 5 = 79949 6s + 69850 – 5s = 79949 s = 10099 zhu p = 5 p + 1 = 6 s (p + 1) = 6 . 10099 = 60594 zhu. 1 CAPÍTULO 3 - DISTRIBUIÇÃO POR PROPORÇÃO (TSHUI FEN) Os 20 problemas deste capítulo tratam de distribuições proporcionais, incluindo proporções diretas, inversas e compostas. Assim ele pode ser visto como uma continuação da regra de três do capítulo 2. O problema 1 trata de proporcionalidade direta. Problema 1 - Existem 5 oficiais de diferentes escalões (posições hierárquicas): Dafu, Bugeng, Zanniao, Shangzao e Gongshi. Juntos caçaram 5 cervos. Se a divisão da caça deve ser feita de acordo com sua posição hierárquica, quanto cada um deverá receber? Resposta: Dafu receberá 1 2 3 de cervo, Bugeng receberá 1 1 3 de cervo, Zanniao receberá 1 cervo, Shangzao receberá 2 3 de cervo e Gongshi receberá 1 3 de cervo. Método: Mantenha o peso de cada posição como a razão da distribuição. Tome sua soma como divisor. Multiplique 5 cervos por cada razão como dividendo. Divida, dando o número de cervos para cada oficial. Liu: O peso para cada posição significa Dafu 5, Bugeng 4, Zanniao 3, Shangzao 2 e Gongshi 1. Pelas regras vigentes, “conceder recompensas de acordo com suas posições”, as razões de distribuição são as razões buscadas, sua soma, as razões dadas e a quantidade de cervos, os números dados. Aplicando a regra obteremos a resposta. Em linguagem moderna: Seja x a quantidade de cervos que Gongshi deverá receber, 2x para Shangzao, 3x para Zannio, 4x para Bugeng e 5x para Dafu. 5𝑥 + 4𝑥 + 3𝑥 + 2𝑥 + 𝑥 = 5 , 15𝑥 = 5. 𝑥 = 1 3 𝑐𝑒𝑟𝑣𝑜, 2𝑥 = 2 3 𝑐𝑒𝑟𝑣𝑜, 3𝑥 = 1 𝑐𝑒𝑟𝑣𝑜, 4𝑥 = 1 1 3 𝑐𝑒𝑟𝑣𝑜, 5𝑥 = 1 2 3 𝑐𝑒𝑟𝑣𝑜 O problema 2 trata de uma sequência geométrica. Problema 2: Uma vaca, um cavalo e um carneiro comeram todas as sementes de um campo. O dono do campo pediu 5 dou de grãos de milho como compensação. O dono do carneiro disse: meu carneiro come metade do que come um cavalo. O dono do2 cavalo disse: meu cavalo come metade do que come uma vaca. A compensação deve ser distribuída de acordo com as razões. Quanto pagará cada um? Resposta: O dono da vaca paga 2 dou 8 4 7 sheng, o dono do cavalo paga 1 dou 4 2 7 sheng e o dono do carneiro paga 7 1 7 sheng. Método : Mantenha as razões para distruibuição : vaca 4, cavalo 2 e carneiro 1. Tome sua soma como divisor. Multiplique por 5 dou por cada razão como dividendo. Divida dando o número de dou. Método moderno: 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑒 𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑛𝑒𝑖𝑟𝑜 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑒 𝑜 𝑐𝑎𝑣𝑎𝑙𝑜 = 1 2 ∶ 1 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑒 𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑛𝑒𝑖𝑟𝑜 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑒 𝑎 𝑣𝑎𝑐𝑎 = 1 4 ∶ 1 1 4 ∶ 1 2 ∶ 1 = 1 ∶ 2 ∶ 4 𝑥 : quanto come o carneiro. 𝑥 + 2𝑥 + 4𝑥 = 5 7𝑥 = 5 𝑥 = 5 7 dou = 50 7 sheng = 7 1 7 sheng. ( para o carneiro). O problema 8 trata de proporcionalidade inversa. Problema 8 – Existem 5 oficiais de diferentes escalões (posições hierárquicas): Dafu, Bugeng, Zangiao,Shangzao e Gongshi. Juntos devem pagar o total de 100 moedas. Se este pagamento deve ser partilhado de acordo com o escalão de cada um, o mais importante paga menos e o de menor importância paga mais. Quanto deverá pagar cada um? Resposta: Gongshi paga 43 109 137 , Shangzao paga 21 123 137 moedas, Zanniao paga 14 82 137 moedas, Bugeng paga 10 130 137 moedas e Dafu paga 8 104 137 moedas. Método: Mantenha os recíprocos das posições como razões para compartilhar. Tome sua soma como divisor. Multiplicando 100 moedas por cada razão, temos cada dividendo. Divida dando o número de moedas de cada posição. Ou seja: Como a distribuição é inversamente proporcional à posição hierárquica, o de menor escalão deverá pagar 1 cota, o segundo em posição meia cota, o terceiro um terço da cota, o quarto um quarto 3 da cota e o mais graduado um quinto da cota. A soma das cotas é 100 moedas. Basta multiplicar o denominador da soma das cinco cotas por 100 e dividir pelo numerador para encontrar o valor de uma cota, que será atribuída ao de menor graduação (Gongshi). Os outros oficiais terão seu pagamento calculado de acordo com a cota que lhe cabe. Proposta moderna de resolução: o primeiro (em importância) deve pagar 1 5 do rateio, denotado por x, o segundo 1 4 , o terceiro 1 3 , o quarto 1 2 e o quinto 1 unidade. Assim : 𝑥 5 + 𝑥 4 + 𝑥 3 + 𝑥 2 + 𝑥 = 100; 137𝑥 60 = 100, 𝑥 = 43 109 137 , 𝑥 2 = 21 123 137 , 𝑥 3 = 14 82 137 , 𝑥 4 = 10 130 137 , 𝑥 5 = 8 104 137 . Problema 20: Se alguém empresta 1000 moedas a um juro mensal de 30 moedas, quanto de juro deverá ser pago se emprestar 750 moedas por 9 dias? Resposta: O juro deverá ser de 6 3 4 de moeda. Método: Tome um mês com 30 dias e multiplique por 1000 moedas, como divisor. Multiplique o juro 30 pelo número de moedas do empréstimo, e ainda por 9 dias como dividendo. Divida, dando o número de moedas. Ou seja: considere um mês de 30 dias. O produto 30 ∙ 1000 será o divisor. O empréstimo de 750 moedas por 9 dias deverá gerar um juro de 750 ∙ 9 ∙ 30, se considerarmos a taxa para 30 dias. Dividindo- o por 30000 obtém-se a taxa de 6,75 moedas, ou seja, 6 3 4 de moeda. Outra forma de resolver o problema é por meio de uma tabela que pode ser construida com os alunos do oitavo ano do Ensino Fundamental: Quantidade de moedas (a) Dias (b) a . b Juro (a.b/1000) 1000 30 30000 30 1000 3 3000 3 1000 9 9000 9 3000 9 27000 27 750 9 6750 6,75 ou 6 ¾ 4 CAPITULO 4 – QUANTO MEDE? ( SHAO KUANG) Este capítulo contém problemas envolvendo cálculos para encontrar o lado ou o diâmetro etc, de áreas ou volumes dados. Ou seja, envolve extração de raízes quadradas e cúbicas. Por exemplo, dada a área de um quadrado, encontrar o seu lado. A inspiração original para resolver numericamente equações algébricas de graus elevados está fortemente ligada com os cálculos apresentados nele. Os 24 problemas desse capítulo podem ser divididos em três grupos: 1. Medidas pequenas: regra para somas de inteiros com frações unitárias. Problemas de 1 a 11. 2. A regra da extração de raízes quadradas. Problemas de 12 a 18. 3. A regra da extração de raízes cúbicas. Problemas de 19 a 24. O primeiro grupo é uma extensão da teoria de frações do capítulo 1. O algoritmo para encontrar o máximo divisor comum (mdc) de naturais foi desenvolvido no capítulo 1, mas o mínimo múltiplo comum (mmc) não foi introduzido. Assim os chineses não somam as frações usando o mmc dos denominadores, mas de uma regra muito simples e muito interessante, que é a regra das medidas pequenas. No segundo e terceiro grupos, os algoritmos são completos e corretos. Contudo Liu Hui nos mostra geometricamente porque eles são corretos. Observação importante: uma das mais significantes contribuições da China Antiga é a solução numérica de equações polinomiais. A fonte original de todos estes trabalhos é Os nove capitulos da arte matemática, na extração de raízes quadradas e cúbicas. O processo para determinar a raiz quadrada de um número, traduzido nos tempos atuais, é muito próximo do “algoritmo da raiz quadrada” (método da chave), que era ensinado no Brasil nas escolas, até há pouco tempo. Para a raiz cúbica, é idêntico ao da raiz quadrada, baseado no desenvolvimento do cubo de um binômio. Fizemos a escolha de alguns problemas que julgamos interessantes e não repetitivos. Regra para a soma de inteiros e frações unitárias(regra das medidas pequenas): mantenha a parte inteira e a parte fracionária dos bu. Multiplique o inteiro e todos os numeradores pelo maior denominador. Reduza as frações a inteiros sempre que possível. Agora vai repetindo o processo até que todos os numeradores sejam inteiros. Some-os como divisor. Multiplique o número dos bu (quadrados) pelo denominador resultante como dividendo e divida dando o número de bu como comprimento. Veja esta regra comentada no problema 6. Problema 1 - Dado um campo retangular, cuja largura é 1 ½ bu e cuja área é 1 mu, encontrar o seu comprimento . Resposta : 160 bu. Método: A = 1 mu = 240 bu (quadrado). Largura l = 1 1 2 = 3 2 . Assim o comprimento é igual a 240 x 2 3 = 160 bu. Problema 2 - Dado um campo retangular, cuja largura é 1 ½ bu e um terço, e área 1 mu, encontrar o seu comprimento . Resposta : 130 10 11 bu. Método: A = 1 mu = 240 bu (quadrado). Largura l = 1 1 2 + 1 3 = 3 2 + 1 3 = 11 6 . Assim o comprimento é igual a 240 x 6 11 = 130 10 11 bu. Problema 3 - Dado um campo retangular, cuja largura é 1 ½ bu mais um terço e um quarto e área 1 mu, encontrar o seu comprimento . Resposta: 115 1 5 bu. Método: A = 1 mu = 240 bu (quadrado). Largura l = 1 + 1 2 + 1 3 + 1 4 = 4 + 2 + 4 3 + 1 4 = 12 + 6 + 4 + 3 4 ∙ 3 = 25 12 . Assim o comprimento é igual a 240 x 12 25 = 115 1 5 bu. Problema 4 - Dado um campo retangular, cuja largura é 1 ½ bu mais um terço, um quarto, e um quinto e área 1 mu, encontrar o seu comprimento . Resposta : 105 15 137 bu. Método: Largura l = 1 + 1 2 + 1 3 + 1 4 + 1 5 = 5 + 5 2 + 5 3 + 5 4 + 1 5 = 20 + 10 + 20 3 + 5 + 4 5 ∙ 4 = 60 + 30 + 20 + 15 + 12 5 ∙ 4 ∙ 3 = 137 60 . Assim o comprimento é igual a 240 x 60 137 = 105 15 137 bu . Problema 5 - Dado um campo retangular, cuja largura é 1 ½ bu mais um terço, um quarto, um quinto e um sexto e área 1 mu, encontrar o seu comprimento . Resposta: 97 47 49 bu. Método: Largura l = 1 + 1 2 + 1 3 + 1 4 + 1 5 + 1 6 = 6 + 3 + 2 + 6 4 + 6 5 + 1 6 = 30 + 15 + 10 + 30 4 + 6 + 5 6 ∙ 5 = 120 + 60 + 40 + 30 + 24 + 20 6 ∙ 5 ∙ 4 = 294 120. Assim o comprimento é igual a 240 x 120 294 = 97 47 49 bu. Problema 6 - Dado um campo retangular, cuja largura é 1 ½ bu mais um terço, um quarto, um quinto, um sexto e um sétimo e área 1 mu, encontrar o seu comprimento . Resposta: 92 68 121 bu. Método: Largura l = 1 + 1 2 + 1 3 + 1 4 + 1 5 + 1 6 + 1 7 . O maior denominador é 7. Multiplique o inteiro e todos os numeradores por este denominador e divida cada numerador por este denominador, ou seja: 7 + 7 2 + 7 3 + 7 4 + 7 5 + 7 6 + 1 7 = Faça o mesmo na próxima etapa, encontrando o maior denominador. Neste caso é o 6. = 42 + 21 + 14 + 21 2 + 42 5 + 7 + 6 7 ∙ 6 = Observe que não foi utilizada inteiramente a regra, pois foi feita uma simplificação que não reduziu a inteiro. A próxima etapa. O maior denominador é o 5. = 210 + 105 + 70 + 105 2 + 42 + 35 +30 7 ∙ 6 ∙ 5 = A próxima etapa. O maior denominador é o 2. = 420 + 210 + 140 + 105 + 84 + 70 +60 7 ∙ 6 ∙ 5 ∙ 2 = 1089 420 . Assim o comprimento é igual a 240 x 420 1089 = 92 68 121 bu . Problema 11 - Dado um campo retangular, cuja largura é 1 ½ bu mais um terço, um quarto, um quinto, um sexto, um sétimo, um oitavo, um nono, um décimo, um onze avos e um doze avos e área 1 mu, encontrar o seu comprimento . Resposta : 77 29183 86021 bu. Método: Largura l =1 + 1 2 + 1 3 + 1 4 + 1 5 + 1 6 + 1 7 + 1 8 + 1 9 + 1 10 + 1 11 + 1 12 = = 12 + 6 + 4 + 3 + 12 5 + 2 + 12 7 + 12 8 + 12 9 + 12 10 + 12 11 + 1 12 = = 132 + 66 + 44 + 33 + 132 5 + 22 + 132 7 + 132 8 + 132 9 + 132 10 + 12 + 11 12 ∙11 = = 1320 + 660 + 440 + 330 + 264 + 220 + 1320 7 + 165 + 1320 9 + 132 + 120 + 110 12 ∙ 11 ∙ 10 = = 11880 + 5940 + 3960 + 2970 + 2376 + 1980 + 11880 7 + 1485 + 1320 + 1188 + 1080 + 990 12 ∙ 11 ∙ 10 ∙ 9 = = 83160 + 41580 + 27720 + 20790 + 16632 + 13860 + 11880 + 10395 + 9240 + 8316 + 7560 + 6930 12 ∙ 11 ∙ 10 ∙ 9 ∙ 7 = 258063 83160 Assim o comprimento é igual a 240 x 83160 258063 = 77 29183 86021 bu. O método das Medidas Pequenas também vale para frações ordinárias. O Método da extração da raiz quadrada será explicado ao longo do próximo problema . Problema 12 - Dada a área de um quadrado de 55 225 bu (quadrado), encontre o seu lado . Resposta: 235 bu. Método da raiz quadrada: Vamos encontrar a raiz quadrada do número acima, usando uma notação moderna, mas de acordo com a regra do Os nove capitulos da arte matemática. Tome x como a solução. Logo S = x2 = 55225 . 1) Para estimar o primeiro dígito da raiz, transformamos a equação acima diminuindo a raiz para x1 = x /100 e obtenha 10 000 x1 2 = 55225. (pois como 55225 está em dezenas de milhares, o lado será em centenas). 2) Para estimar x1, encontre, [x1] ( onde [ ] significa a parte inteira de x1), tal que [x1] 2 ≤ 5 < ([x1] +1) 2 . Assim tome [x1] = 2. 3) Subtraia a raiz, y = x1 – [x1] = x1 – 2, e a equação se transforma em 10 000 (y + 2)2 = 55225, ou seja, 10 000 y2 + 40 000y = =15 225. Pelo algoritmo “da chave” 55.225 200 - 40.000 15.225 Ou seja, geometricamente, 15225 é a área do gnômom restante, quando se retira a área do quadrado (40000). 40000 55225 = 200 = 10[x1] 200 = 10[x1] 4) Aumente agora a raiz, y1 = 10 y, e temos 100 y1 2 + 4000y1 = 15225. Estime [y1] tal que 4000[y1] ≤ 15225 < 4 000 ([y1]+1). Assim tome [y1] = 3 e opere, obtendo 2325. Pelo algoritmo “da chave” 55.225 200+30 - 40.000 2 . 200 = 400 15.225 (400 + 30) . 30 = 12900 - 12.900 2.325 Geometricamente: 5) Subtraia a raiz z = y1 – [y1] = y1 -3, dando 100 ( z + 3) 2 + 4000 (z+3) = 15225. Ou seja: 100 z2+ 4600 z = 2325. 6) Aumente a raiz, z1 = 10 z, dando z1 2 + 460 z1 = 2325. Neste caso [z1] = 5. E finalmente temos x = 100 [x1] + 10 [y1] + [z1] = 235. 55225 30 = 10 [y1] = 200 = 10[x1] 200 = 10[x1] 30 = 10 [y1] 40000 55225 30 = 10 [y1] = 200 = 10[x1] 200 = 10[x1] 3 0 = 1 0 [ y 1 ] 40000 5 5 Pelo algoritmo “da chave” 55.225 200+30+5 - 40.000 2 . 200 = 400 15.225 (400 + 30) . 30 = 12900 - 12.900 2.325 2 . 230 = 460 - 2.325 (460 + 5) . 5 = 2325 0 No método do Os nove capitulos da arte matemática se, continuando o processo sobrar um resto, o número S é chamado não extraível e o lado do quadrado é igual à raiz quadrada de S. Problema 15 - Dada a área de 564 752 ¼ bu quadrados, encontrar o lado do quadrado. Resposta: 751 ½ bu. Método: é como anterior, só que envolve números racionais, então basta fazer a raiz quadrada do numerador e do denominador e dividir. Regra de como encontrar a circunferência conhecendo a área: dada uma área em bu quadrados de uma circunferência. Multiplique por 12. Extraia a raiz quadrada do produto dando a circunferência. Liu explica: No Os nove capitulos da arte matemática ,a razão entre a circunferência e o seu diâmetro é igual a 3 ( número π = 3). (Para este valor de π esta fórmula acima está correta). Contudo Liu dá a seguinte fórmula: a área deve ser multiplicada por 3,14 e dividida por 25. Extraia a raiz quadrada deste resultado e obtenha a circunferência. Ou seja, Liu considera π = 3,14. Observação importante: ver página 106, tabela 1.6.(????o que é isto) Problema 17 - Se a área da circunferência é 1518 𝟑 𝟒 bu quadrados, qual é a sua circunferência? Resposta: 135 bu . Método: como acima a circunferência C = √12𝐴 , onde A é a área dada. Logo C = √12 ∙ 6075 4 = √ 72900 4 = 135 bu. Para Liu, C = √ 3,14 ∙ 6075 4 25 que é aproximadamente igual a 138 1 10 bu. Regra de extrair a raiz cúbica. Problema 19 - Dado um volume de 1 860 867 chi cúbicos, qual o lado do cubo? Resposta: 123 chi. Método da raiz cúbica: Vamos encontrar a raiz cúbica do número acima, usando uma notação moderna, mas de acordo com a regra do Os nove capitulos da arte matemática . Tome x como a solução, logo V = x3 = 1860867. 1) Para estimar o primeiro dígito da raiz, transformamos a equação acima diminuindo a raiz para x1 = x /100 e obtenha 1 000 000 x1 3 = 1 860 867. (pois como 1 860 867 está em milhões, o lado será em centenas). 2) Para estimar x1, encontre, [x1] ( onde [ ] significa a parte inteira de x1 ), tal que [x1] 3 ≤ 1 < ([x1] + 1) 3 . Assim tome [x1] = 1. 3) Subtraia da raiz , y = x – [x1] = x – 1, obtendo 1 000 000y 3 + 3 000 000 y2 + 3 000 000 y = 860 867. Pelo método da chave: 3 1 860 867 100 - 1 000 000 860 867 4) Aumente a raiz, y 1 = 10 y , e obtenha 1 000 y1 3 + 30 000 y1 2 + 3 000 000y1 = 860 867. 5) Para estimar y1 encontre, [y1] (onde [ ] significa a parte inteira de y1), tal que 300000 [y1] ≤ 860867 < 300000 ([y1] + 1). Assim [y1] = 2. Pelo método da chave: 3 1 860 867 100+20 - 1 000 000 (30000 + 300 . 20 + 202). 20 = 728000 0 860 867 728 000 132 867 6) Subtraia a raiz, z = y1- [y1] = y1 – 2, obtendo 1 000 z 3 + 36 000z2 + 432 000 z = 132 867. 7) Aumente a raiz, z1 = 10 z, assim z1 3 + 360 z1 2 + 432 000 z = 132 867. 8) Estime [z1] = 3 e finalmente obtenha x = 100 [x1] + 10 [y1] + [z1] = 123. Pelo método da chave: 3 1 860 867 100+20+3 - 1 000 000 (30000+ 300 . 20 + 202) . 20 = 728000 0 860 867 43200 + 360 . 3 + 32) . 3 = - 728 000 29600 + 3240 + 27 = 132867 132 867 - 132 867 0 Liu explica geometricamente: Regra para encontrar o diâmetro de uma esfera. A regra é a seguinte: Dado o volume da esfera em chi cúbicos. Multiplique-o por 16 e divida por 9. Extraia a raiz cúbica do resultado e obtenha o diâmetro da esfera. Ou seja , considera o volume V como sendo V = (9/16) d3, onde d é o diâmetro da esfera. ( que está errada, mesmo considerando pi = 3). A fórmula exata para o volume de uma esfera é V = 1 6 𝜋 𝑑3. A fórmula exata para o volume da esfera foi somente conhecida nos séculos V ou VI com Zu Kengzhi. Problema 23 - Dado o volume da esfera de 4 500 chi cúbicos. Qual é o seu diâmetro? Reposta: 20 chi . Método: √4500 ∙ 16 9 = 20 3 1 CAPÍTULO 5 - CÁLCULO PARA CONSTRUÇÕES (SHANG KUNG). Os 28 problemas deste capítulo se referem principalmente a cálculos de volumes de terraplanagens, capacidade de celeiros de diferentes formas e o trabalho dado pelos trabalhadores. São classificados em três grupos: 1- Volumes de diferentes sólidos, sendo que alguns têm nomes ocidentais e outros chineses: as fórmulas dadas são corretas (tomando 𝜋 = 3 para as fórmulas de volumes de cilindros, cones e troncos de cones). Existem 14 diferentes tipos de sólidos discutidos. Os tipos são: cubóides (isto é, paralelepípedos retangulares), (problemas 8, 27), prismas de secção trapezoidal constante, (problemas 2-7), troncos de pirâmides (problema 10) e pirâmides (problema 12), prisma triangular reto (problema 14), yangma problema (15), bie’nao (problema 16), xianchu (problema 17), chumeng (problema 18) , chutong (problema 19), panchi (problema 21) e minggu (problema 22). Os outros três tipos são com algumas superfícies curvas, como cilindros (problemas 9, 18), cone (problemas 13-25), tronco de cone (problema 11) e quchu (problema 20) que é como um vaso de plantas. 2- Para encontrar o lado, altura ou circunferência de um sólido cujo volume é dado (26-28). 3- Para encontrar o número de trabalhadores se seu trabalho diário per capita e o total do trabalho são conhecidos. (problemas 4-7, 21-22). As fórmulas dadas são corretas, mas não se tem idéia de como elas foram deduzidas. Liu Hui observa que as primeiras provas que conhecemos sobre os volumes dos 14 sólidos são dadas no Os nove capitulos da arte matemática . Comenta ainda que muitas deduções das fórmulas aparecem de mais de uma maneira. Liu ainda comenta que muitas destas fórmulas e suas aplicações são estudadas nas escolas e em cálculos práticos atualmente na China. Muitos destes sólidos têm 2 dimensões dadas por números racionais e se referem à agricultura na China Antiga. Este trabalho nos mostra com bons exemplos aplicações da Matemática na vida real. A maioria dos problemas deste capítulo são aplicações de fórmulas, então fizemos a escolha de alguns problemas que julgamos interessantes. São usadas as seguintes unidades: zhang, chi e cun, 1 zhang = 10 chi = 100 cun e 1 chi = 10 cun. Problema 7- Dado um canal com largura superior de 1 zhang e 8 chi, largura inferior de 3 chi e 6 cun , profundidade de 1 zhang e 8 chi e comprimento de 51 824 chi. Qual é o seu volume? Ainda mais, a cota do trabalho de um homem no outono sendo de 300 chi cúbicos, quantos homens serão necessários? Resposta : 10 074 585 chi (cúbicos) 5 cun (cúbicos). 33 582 trabalhadores. Regra: A secção do canal é considerada constantemente trapezoidal. Suas dimensões são dadas no problema. O volume V = 1 2 (𝑎 + 𝑏) ℎ𝑗, onde a e b são as larguras, h profundidade da secção constante e j é o comprimento do canal. Veja a figura abaixo. Tome o número de chi (cúbicos) do volume como dividendo, o número de chi (cúbicos) para a cota do trabalho de um homem no outono como divisor. Divida, dando o número de homens requerido. Observação: Para o inverno era cotado 444 chi (cúbicos) para cada homem, na primavera 766 chi (cúbicos) e no verão, 871 chi (cúbicos). j b h a 3 Problema 15 - (sobre um sólido que não temos o nome: yangma. Atualmente um canto de um telhado de quatro águas é chamado de um yangma). Dado um yangma, com largura de 5 chi, comprimento de 7 chi e altura de 8 chi, encontrar o seu volume. Resposta: 93 1 3 chi (cúbicos). Regra: multiplique a largura por seu comprimento, e então pela altura e divida por 3. (isto porque 3 yangma constroem um cubo). Ele está relacionado com cubos e qiandu, veja a figura abaixo: Qiandu é um prisma triangular reto. Problema 16: Dado um bie’nao com largura inferior de 5 chi, sem comprimento, um comprimento superior de 4 chi, sem largura, e uma altura de 7 chi. Encontre o seu volume. Resposta: 23 1 3 chi (cúbicos). Regra: multiplique a largura pelo comprimento e então multiplique pela altura e divida por 6. Veja as figuras. A segunda mostra o osso da tartaruga. Liu diz o seguinte: na regra, bie é uma tartaruga e nao o osso da sua perna dianteira. É dito que metade de um yangma é como a perna dianteira de uma tartaruga, daí o seu nome. Cortando um yangma no meio dão dois bie’nao. O volume de um bie’nao é metade deste yangma. Dai a regra “divida por 6”. CAPÍTULO 6 – TAXAS JUSTAS (JUNG SHU) Neste capítulo foram apresentados problemas que tratam de transportes de cereais depositados num entreposto, como taxas. Estas taxas, ou impostos, são calculados de acordo com a distância ao entreposto e o custo do trabalho. Tem também problemas que dizem respeito à perseguição de caça. Este último tipo de problema foi introduzido pelos árabes na Europa, onde veio a adquirir bastante popularidade entre os seculos XII e XV. Os 28 problemas deste capítulo proporcionam um desenvolvimento posterior da teoria de proporção dos capitulos 2 e 3. São classificados em 4 grupos. 1) proporções diretas e inversas . a) Envolvendo adição e subtração como no capítulo 3 (problemas 15 e 17). b) Problemas sobre relações entre distância, velocidade e tempo (Problemas 12 - 14 e 16). O método usado é simples, mas interessante. 2) Distribuição proporcional. a) Somente os 4 primeiros problemas deste capítulo se referem a taxas justas. (Problemas 1 - 4). b) Problemas de trabalho cooperativo (problemas 9, 20 - 26). c) Progressões aritméticas. Em alguns problemas são dados o primeiro e o último termos, (problema 17), em outros a soma dos primeiros ou dos últimos termos (problemas 18 e 19). Nestes casos os problemas são reduzidos a distribuição proporcional. 3) Proporções compostas (problemas 7, 9) (incluindo o vigésimo do capitulo 3, só existem 3 problemas deste tipo no Nine Chapters). 4) Proporções contínuas (problemas 10, 11, 27, 28) . Fizemos uma escolha de alguns problemas que julgamos interessantes. Nos problemas apresentamos a resposta e o método ou regra, como no Nine Chapter. Em alguns problemas apresentamos uma solução atual. Unidades de medidas que ocorrem neste capítulo: Medidas de comprimento: Somente ocorrem 3 unidades: zhang, chi e cun ,bu e li. 1 zhang = 10 chi e 1 chi = 10 cun, 1 li = 300 bu = 6 chi x 300 = 1800 chi. Podemos ver algumas equivalências destas medidas, no livro Une histoire des matématiques chinoises Kiyosi Yabuuti, 1 cun = 2,304 cm. 1 chi = 23,04 cm. 1 bu = 6 chi = 1,3824 m, 1 zhang = 2,304 m. 1 li = 300 bu = 414,72 m. Medidas de Capacidade: Somente três unidades: hu, dou e sheng. 10 sheng = 1 dou, 1 hu = 100 sheng. Medidas de peso: dan, jun, jin, liang e zhu. 1 dan = 4 jun; 1 jun = 30 jin; 1 jin = 16 liang, 1 liang = 24 zhu. Regra das taxas justas para regular as diferentes despesas para distância e serviços, etc no transporte. Problema 1 - A tarefa dada é transportar o painço do entreposto às 4 cidades, A, B, C e D. A cidade A se encontra a 8 dias do entreposto, e tem 10.000 casas; a cidade B se encontra a 10 dias do entreposto e compreende 9.500 casas; a cidade C se encontra a 13 dias do entreposto e comprende 12.350 casas; a cidade D se encontra a 20 dias do entreposto e compreende 12.200 casas. Se deve repartir entre as 4 cidades, 250.000 hu de painço em 10.000 carrinhos. É assumido que a divisão seja proporcional à distância do entreposto e ao número de casas. Quais são as quantidades de painço e o número de carrinhos? Resposta: Cidade A transporta 83.100 hu de painço, empregando 3.324 carrinhos, a cidade B, 63.175 hu de painço, 2.527 carrinhos, cidade C, 63.175 hu de painço, 2.527 carrinhos, cidade D, 40.550 hu de painço, 1.622 carrinhos. Regra das taxas justas (junshu): Divida o número de casas em cada cidade pelo número de dias de viagem de cada cidade ao entreposto, para ter a taxa de distribuição: A, 1.250, B, 950, C, 950 e D, 610. Soma-as como divisor. Multiplique o total de número de carrinhos por cada uma das razões como dividendo. Divida, dando o número de carrinhos usados para cada cidade. Se existem frações, arredonde-as (como abaixo) a inteiros. Multiplique o número de carrinhos por 25 hu para ter a quantidade de painço transportado por cada cidade. No caso, temos: o divisor é 1.250 + 950 + 950 + 610 = 3.760. O total de carrinhos é 10.000. Tome 10.000 𝑥 1.250 que será o dividendo. Então para a cidade A, o número de carrinhos é 10.000 𝑥 1.250 3.760 = 3.324 176 376 . Da cidade B, 10.000 𝑥 950 3.760 = 2.526 224 376 , Da cidade C, 10.000 𝑥 950 3.760 = 2.526 224 376 , Da cidade D, 10.000 𝑥 610 3.760 = 1.622 128 376 . A regra de Liu para arredondamento era a seguinte: (o número de carrinhos não pode ser fracionário, assim eles devem ser arredondados, e é razoável combinar a fração menor com a maior). Tome a parte fracionária de B, que é a maior, 224 376 e a de A, 176 376 . Some–as dando 1 24 376 . Some 1 a B e mantenha o resto 24 376 . Assim A fica com 3.324 e B com 2.527 carrinhos. Agora tome a menor fração, que é a de D, 128 376 e some com 24 376 . E finalmente some com a maior parte fracionária, que é a de C, 224 376 , obtendo exatamente 1, que é adicionado a C. Assim C fica com 2.527. Ou seja, A com 3.324, B com 2.527, C com 2.527 e D com 1.622. Para encontrar a quantidade de painço: para a cidade A, 3.324 𝑥 25 = 83.100 hu, para a B, 2.527 𝑥 25 = 63.175 , para C, 2.527 𝑥 25 = 63.175 e para a D, 1.622 𝑥 25 = 40.550 hu. Observação de Liu Hui: Junshu significa a distribuição justa do serviço de transporte. Para distribuir de acordo com o número de casas e o número de dias para chegar ao entreposto é chamado de jun. O serviço, transportar o painço é chamado de shu. Problema 7 - Um trabalhador é contratado para carregar 𝟐 hu de sal numa distância de 𝟏𝟎𝟎 li. Por esse serviço ele ganha 𝟒𝟎 moedas. Supondo que ele carregou 𝟏 hu, 𝟕 dou 𝟑 𝟏 𝟑 sheng de sal por 𝟖𝟎 li, quanto ele deve receber? Resposta: 27 11 15 moedas. Método: Multiplique o número de sheng em 2 hu de sal, por 100 li, como divisor. Multiplique 40 moedas pelo número de sheng da tarefa presente e por 80 li, como dividendo. Divida dando o número de moedas. Solução atual: sabemos que 1 hu 7 dou 3 1 3 sheng = 520 3 sheng. Para resolver, usamos a regra de três composta, chamando de 𝑥 o número de moedas a encontrar, 520 3 sheng --------- 80 li ------------ 𝑥 moedas 200 sheng ------------ 100 li ------------- 40 moedas. 𝑥 = 40 ∙80 ∙ 520 3 200 ∙100 = 27 11 15 . É a mesma solução dada pelo Método, contudo numa outra linguagem. Problema 10 - (de regra de três combinada). Um jin de seda crua faz 12 liang de seda fervida, e um jin de seda fervida faz 1 jin 12 zhu de seda seca. Quanto de seda crua precisamos para fazer 1 jin de seda seca? Resposta: 1 jin 4 liang 16 16 33 zhu. Método: Multiplique 12 liang de seda fervida por 1 jin 12 zhu de seda seca, como divisor. Multiplique o número de liang em 1 jin de seda crua pelo número de zhu em 1 jin de seda fervida, então multiplique por 1 jin de seda seca, como dividendo. Divida, dando o número pedido de jin de seda crua. Solução atual: Seda crua Seda fervida Seda seca 1 jin = 16 liang = 16 ∙ 24 zhu 12 liang = 12 ∙ 24 zhu 1 jin = 16 liang = 16 ∙ 24 zhu 1 jin 12 zhu = 33 2 liang = 33 2 . 24 zhu 𝑦 𝑥 1 jin = 16 liang = 16 ∙ 24 zhu Logo 𝑥 = 16 .24 .16 .24 33 2 .24 e 𝑦 = 16 .24 . 𝑥 12 .24 . 𝑦 = 16 . 16 . 16 .24 33 2 . 12 zhu = 2048 .24 99 = 16384 33 zhu. 𝑦 = 496 16 33 zhu = 20 𝑙𝑖𝑎𝑛𝑔 16 16 33 zhu = = 1 𝑗𝑖𝑛 4 𝑙𝑖𝑎𝑛𝑔 16 16 33 zhu Problema 14 - (de perseguição a caça). Uma lebre corre 𝟏𝟎𝟎 bu à frente de um cão. O cão persegue a lebre durante 𝟐𝟓𝟎 bu, mas a lebre ainda está a 𝟑𝟎 bu adiante dele. Quanto tem ainda o cão de correr para apanhar a lebre? Resposta: 107 1 7 bu. Método: Tome 100 bu da lebre que está na frente e subtraia 30 bu que o cão está atrás. O resto é o divisor. Multiplique 30 bu que o cão está atrás pelo número de bu que o cão está perseguindo a lebre. Divida e tenha o número de bu pedido. Ou seja tome 250 ∙30 100−30 = 7500 70 = 107 1 7 bu. Solução atual : 100 − 30 = 70 é a razão da lebre andar na frente e 250 é a razão de perseguição do cão . Reduza a 7 e 25. De acordo com a regra de três, 25 7 = 𝑥 30 . Logo 𝑥 = 25 7 ∙ 30 = 107 1 7 bu. Problema 16 - (foi considerado o problema mais difícil do capítulo). Existem dois senhores, um possui uma hospedaria e o outro é seu convidado. Certo dia o convidado vai embora a cavalo numa velocidade de 300 li por dia. Depois de 𝟏 𝟑 de dia, o hospedeiro descobre que o convidado esqueceu sua mala na hospedaria e sai para encontrá-lo. O hospedeiro encontra o convidado e retorna para a sua hospedaria em 𝟑 𝟒 de dia. Qual foi a velocidade do hospedeiro? Resposta: 780 li. Método: Mantenha 𝟑 𝟒 dia e subtraia 𝟏 𝟑 dia. Divida ao meio e tome isto como divisor. Some este resultado a 𝟏 𝟑 dia. Multiplique esta soma por 300 li como dividendo. Divida e obtenha a distância que o hospedeiro percorre num dia. Solução atual: Subtraindo 𝟑 𝟒 dia de 𝟏 𝟑 dia temos o tempo do hospedeiro para ir e voltar ao lugar onde encontrará o convidado. Dividindo por 2, temos o tempo de um percurso. Ou seja 3 4 − 𝟏 𝟑 = 𝟓 𝟏𝟐 e 𝟓 𝟏𝟐 ∶ 2 = 5 24 . Assim para o convidado temos 300 li-------------- 1 dia 𝑥 li------------- 𝟓 𝟏𝟐 dia ou seja x = 62,5 li. Assim o convidado está a 100 li + 62,5 li, = 162,5 li quando se encontra com o hospedeiro. Logo a velocidade do hospedeiro 𝑣 = 162,5 5 24 = 780 li ao dia. Problema 18 – de progressão aritmética. (aqui é conhecido o número de termos e a soma de alguns primeiros termos). Cinco pessoas A, B, C, D e E, querem compartilhar cinco moedas proporcionalmente. Suponhamosque A e B ganham mais, e que a soma das suas moedas seja igual à soma dos outros três. Quanto vai ganhar cada um? Resposta: A ganha 1 2 6 de moedas, B, 1 1 6 de moedas, C, 1 moeda, D, 5 6 de moedas e E, 4 6 de moedas. Método: Mantenha as razões para compartilhar como 1, 2, 3, 4 e 5. A soma das duas maiores é 9, enquanto que das três menores é 6. 6 é menor que 9 de 3. Some 3 a cada uma das razões para a partilha, obtendo 4, 5, 6, 7 e 8. Tome a soma como divisor, ou seja, 30. Multiplique as moedas a serem compartilhadas por cada uma das razões obtendo 20, 25, 30, 35 e 40. Considere-os como dividendos. Divida dando as moedas pedidas para cada pessoa (ou seja, 8 6 , 7 6 , 1, 5 6 e 4 6 ). Solução atual: Sejam 𝑎, 𝑏, 𝑐, 𝑑, 𝑒 a quantidade de moedas de cada um. Então, 𝑎 + 𝑏 = 𝑐 + 𝑑 + 𝑒. E 𝑎 + 𝑏 + 𝑐 + 𝑑 + 𝑒 = 5 . Então 𝑎 + 𝑏 = 5 2 . Seja 𝑟 a razão da Progressão aritmética e fixe 𝑐 = 1. Assim 𝑏 = 1 + 𝑟 e 𝑎 = 1 + 2𝑟. De a + b = 5 2 = 2 + 3𝑟, obtemos 𝑟 = 1 6 . E temos a resposta. Método atual: O compartilhamento proporcional indica que temos uma PA de cinco termos. Atribuindo ao termo médio o valor 1 (𝐶 = 1), podemos dizer: 𝐴 = 1 + 2𝑟, 𝐵 = 1 + 𝑟, 𝐷 = 1 – 𝑟 e 𝐸 = 1 – 2𝑟 Se 𝐴 + 𝐵 = 5 2 e 𝐶 + 𝐷 + 𝐸 = 5 2 => 𝐷 + 𝐸 = 3 2 𝐶 + 2𝑟 + 𝐶 + 𝑟 = 5 2 => 2 + 3𝑟 = 5 2 => 𝑟 = 1 6 , o que verifica a resposta acima. Problema 20 - (de trabalho cooperado). Um pato selvagem voa do mar do sul ao mar do norte em 7 dias, enquanto que um ganso selvagem leva 9 dias para ir do mar do norte ao mar do sul. Supondo que os dois pássaros começam no mesmo momento, quando eles vão se encontrar? Resposta: 3 15 16 dias. Método: Some o número de dias como divisor, seu produto como dividendo. Divida e obtenha o número de dias pedido. Solução: O pato voa 1 7 da jornada por dia, e o ganso, 1 9 da jornada. Ou homogeneizando os denominadores, o pato voa 9 63 e o ganso 7 63 . Em outras palavras, se a distância entre os mares do sul e norte tem 63 partes, o pato voa 9 partes num dia e o ganso, 7 partes num dia. Divida a distância entre o mar do sul ao mar do norte pela soma das jornadas diárias dos dois pássaros dando o número de dias antes que eles se encontrem. Ou seja, 63 16 = 3 15 16 = dias. Solução atual: Se o pato voa 1 7 da jornada em um dia e o ganso, 1 9 da jornada em um dia, associando-se seus movimentos, teremos que a velocidade do pato é 9 63 dia e a do ganso, 7 63 dia. Considere a posição de cada um 𝑝 para o pato e 𝑔 para o ganso. Quando 𝑝 = 𝑔 eles estarão no mesmo local. Assim, podemos escrever suas funções horárias: 𝑝 = 0 + 9 63 𝑡 e 𝑔 = 1 – 7 63 𝑡 𝑝 = 𝑔 => 9 63 𝑡 = 1 – 7 63 𝑡 => 16 63 𝑡 = 1 => 𝑡 = 63 16 dia que é o instante em que pato e ganso se encontram no mesmo local. Então 𝑡 = 3 15 16 dias Problema 28 - (proporções contínuas). Uma pessoa está transportando ouro através de 5 passagens. Na primeira passagem ele paga uma taxa de uma parte em 2. Na segunda passagem, uma parte em 3, na terceira, uma parte em 4, na quarta uma parte em 5 e na quinta, uma parte em 6. Supondo que o total das taxas nas cinco passagens é apenas 1 jin, quanto ouro ele está carregando na saída? Resposta: 1 jin 3 liang 4 4 5 zhu. Método: mantenha 1 jin, multiplique pelas razões sucessivamente como dividendo. Subtraia o primeiro pelo ultimo; o resto é o divisor. Divida, dando o numero de jin. Solução atual: seja 𝑥 o valor em ouro que ele tem na saida. Na primeira passagem ele paga 𝑥 2 , de taxa, e resta 𝑥 2 . Na segunda ele paga 𝑥 2 ∙ 1 3 = 𝑥 6 e resta 2𝑥 6 = 𝑥 3 . Na terceira ele paga 𝑥 3 ∙ 1 4 = 𝑥 12 e resta 3𝑥 12 . Na quarta ele paga 3𝑥 12 ∙ 1 5 = 𝑥 20 e resta 𝑥 5 . Na quinta ele paga 𝑥 5 ∙ 1 6 = 𝑥 30 e resta 𝑥 6 . O total dos impostos foi de 5 6 𝑥 = 1 jin. Assim 𝑥 = 6 5 jin = 1 jin 3 liang 4 4 5 zhu . 1 CAPÍTULO 7 - EXCESSO E FALTA (CHUN SHU). Este capítulo contém 20 problemas que, com exceção de um deles, o problema 16, conduzem a soluções de uma equação linear ou de um sistema de duas equações lineares. As equações lineares são resolvidas pela Regra da Dupla Falsa Posição e os sistemas de duas equações lineares pela Regra do Excesso e Déficit. Mostraremos a relação entre estas duas regras. A Regra da Dupla Falsa Posição foi trazida à Europa pelos árabes na Idade Média. Fibonacci, no seu livro Liber Abaci, reserva um capítulo, o 13, para esta regra. Este método não exige nenhuma álgebra, foi ensinado nos livros–textos de aritmética até recentemente, no século XIX. Regra da Dupla Falsa Posição. Dada uma equação linear 𝑎𝑥 + 𝑏 = 𝑐 , a regra consiste em fazer duas suposições diferentes (e provavelmente falsas) para 𝑥, obtendo (provavelmente) erros diferentes. Assim, assumindo 𝑥 = 𝑎1, obtém- se um erro 𝑐1 , deste modo, 𝑎𝑎1 + 𝑏 = 𝑐 + 𝑐1 . Assumindo 𝑥 = 𝑎2 , obtém-se um erro 𝑐2. Deste modo 𝑎𝑎2 + 𝑏 = 𝑐 + 𝑐2. Agora multiplique cruzado 𝑎2𝑐1 e 𝑎1𝑐2 . Tome a diferença (𝑎2𝑐1 − 𝑎1𝑐2), e divida pela diferença dos erros, 𝑐1 − 𝑐2. Isto dá o valor de x. (este método funciona mesmo, veja no livro do Fernando Gouvea, Matemática através dos tempos, pg. 127). Notação da multiplicação em cruz: 𝑐1 𝑐2 𝑎1 𝑎2 𝑥 = 𝑎2𝑐1 − 𝑎1𝑐2 𝑐1 − 𝑐2 𝑎 = 𝑐1−𝑐2 𝑎1−𝑎2 𝑒 𝑐 − 𝑏 = 𝑎2𝑐1−𝑎1𝑐2 𝑎1−𝑎2 e 𝑥 = 𝑐−𝑏 𝑎 = 𝑎2𝑐1−𝑎1𝑐2 𝑐1−𝑐2 (1) Regra do (um) excesso e (um) déficit. 2 Considere a regra do (um) Excesso e Déficit no caso onde 𝑥 pessoas compram um item custando 𝑦 moedas. Se cada uma pagar a1, temos um excesso de 𝑐1; se cada uma pagar 𝑎2 temos um déficit de −𝑐2. No caso 𝑐1 e 𝑐2 são positivos. Supondo que 𝑎1 > 𝑎2 , então temos o sistema 𝑎1𝑥 − 𝑦 = 𝑐1 𝑦 – 𝑎2𝑥 = 𝑐2 Homogeneizando o sistema, ou seja, multiplicando a primeira equação por 𝑐2 e a segunda por 𝑐1, e subtraindo, obtemos 𝑥 (𝑎1𝑐2 + 𝑎2𝑐1) = 𝑦 (𝑐2 + 𝑐1), ou seja 𝑦 𝑥 = 𝑎1𝑐2+𝑎2𝑐1 𝑐1+𝑐2 (2). Esta fórmula é a mesma que (1) acima. Na primeira encontramos o valor de 𝑥 e na segunda, que vem de um problema de duas variáveis, 𝑥 e 𝑦 , a razão 𝑦 𝑥 , que é exatamente a parte que cada pessoa paga do objeto. De (2) e das equações acima obtemos que 𝑥 = 𝑐1 + 𝑐2 𝑎1− 𝑎2 𝑦 = 𝑎1𝑐2+𝑎2𝑐1 𝑎1− 𝑎2 O Capítulo 7 pode ser dividido em duas partes. Nos primeiros oito problemas são discutidos todos os possíveis casos e suas soluções sobre o problema do excesso e déficit. Os Problemas de 1 a 4 possuem um excesso (ying (𝑐1)) e um déficit (buzu (−𝑐2)). Os Problemas 5 e 6, dois excessos ou dois déficits (𝑐1 ∙ 𝑐2 > 0 ). O problema 7 tem um excesso e um ajuste exato (𝑐1 > 0 e 𝑐2 = 0 ou 𝑐1 = 0 e 𝑐2 > 0). O problema 8 tem um déficit e um ajuste exato (𝑐2 < 0 e 𝑐1 = 0 ou 𝑐2 = 0 e 𝑐1 < 0). Os doze problemas restantes, exceto o 16 são resolvidos pela Regra da Dupla Falsa Posição e abrangem quatro temas: Problemas com distâncias, velocidades e tempo para corpos em movimento (Problemas 10, 11, 12 e 19) (no capítulo 6 as velocidades eram constantes, neste capítulo envolvem velocidades variadas), Problemas comerciais (Problemas 13, 17 e 20), Problemas variados (Problemas 9, 14, 15 e 18). O problema 16 não é resolvido pela regra 3 da falsa posição, mas pela regra QILU (Regra de Três simples) do capítulo 2, doOs nove capítulos da arte matemática. Neste capítulo são usadas as seguintes unidades de medida: CAPACIDADE: dou e sheng. 1 dou = 10 sheng. Pode-se considerar uma aproximação para 1 sheng = 200 ml COMPRIMENTO, li chi e cun. 1 li = 1800 chi 1 chi = 10 cun MASSA, jin, liang e zhu 1 jin = 16 liang 1 liang = 24 zhu. Fizemos a escolha de alguns problemas que julgamos interessantes e não repetitivos. Problema 1 - Várias pessoas compram em conjunto um objeto. Se cada pessoa contribuir com 8 moedas, sobram (excesso) 3; se cada pessoa pagar 7, faltam (déficit) 4. Quantas eram as pessoas e qual era o preço do objeto? Resposta: 7 pessoas, preço do objeto 53. Método: Regra do (1) excesso e (1) déficit. Disponha as razões de contribuição em uma linha. Acima desta linha disponha o déficit e excesso correspondentes. Multiplique em cruz e combine-os como dividendo. Combine o excesso e déficit como divisor. Divida dividendo pelo divisor. Se forem frações, reduza-as (combinar significa subtrair). Para relacionar o excesso e o déficit para o objeto comprado junto: conserve as razões de contribuição. Subtraia o menor do maior, tome o resto para reduzir o divisor e o dividendo. O dividendo reduzido é o preço de cada item. O divisor reduzido é o número de pessoas. 4 Ou seja, sejam 𝑥 o número de pessoas comprando um objeto custando 𝑦 moedas. Temos as equações que são geradas pelas informações do problema: 8𝑥 – 𝑦 = 3 (sendo 3 o excesso de moedas), 𝑦 – 7𝑥 = 4 (sendo 4 o déficit de moedas). O método garante que 𝑦 𝑥 = 53 7 e daí, como 8 – 7 = 1 , temos 𝑦 = 53 1 = 1 e 𝑥 = 7 1 = 7. Problema 4 - Várias pessoas da comunidade compram gado. Se cada grupo de 7 famílias da comunidade contribuir com 190, o déficit é de 330. Se cada grupo de 9 famílias da comunidade contribuir com 270, o excesso é de 30. Qual o número de famílias da comunidade e o preço de cada gado? Resposta: 126 famílias, preço do gado 3750. Método: Sejam 𝑥 o número de famílias da comunidade e 𝑦 o preço do gado, logo 𝑦 𝑥 = 75000 7 360 , então 𝑥 = 360 20 7 e 𝑦 = 75000 7 20 7 . Solução atual: Podemos modelar o problema com as equações: { 190𝑥 7 = 𝑦 − 330 270𝑥 9 = 𝑦 + 30 que dão as soluções acima. Problema 6 - Várias pessoas compram ovelhas. Se cada uma contribui com 5, o déficit é 45. Se cada uma contribui com 7, o déficit é 3. Qual é o número de pessoas, e qual é o preço de cada ovelha? Resposta: 21 pessoas, preço da ovelha 150. Método: Regra para dois déficits: Sejam 𝑥 a quantidade de pessoas e 𝑦 o preço de cada ovelha, então 𝑦 𝑥 = −15+315 −3+45 = 300 42 . Logo 𝑦 = 300 2 𝑒 𝑥 = 42 2 . Solução atual: Podemos modelar o problema com as equações: { 𝑦 − 5𝑥 = 45 𝑦 − 7𝑥 = 3 que dão as soluções acima. Problema 7 - Algumas pessoas compraram porcos. Se todas as pessoas contribuírem com 100, o excesso é 100, se 5 contribuírem com 90 é exatamente o suficiente. Qual o número de pessoas e o preço de cada porco? Resposta: 10 pessoas, preço do porco, 900. Método: Regra para um excesso e um ajuste exato. Tome o excesso ou déficit como dividendo. Mantenha as razões de contribuição: subtraia a menor da maior, o resto é o divisor. Divida o dividendo pelo divisor, obtendo o número de pessoas. Para encontrar o preço do item multiplique o número de pessoas pela razão de contribuição (do ajuste exato). Este é o preço do item. A regra significa que o número de pessoas é 𝑐1 𝑎1− 𝑎2 , e o preço de cada item é 𝑎2 ∙ 𝑐1 𝑎1− 𝑎2 , se 𝑐1 é o excesso ou o número de pessoas é 𝑐2 𝑎1− 𝑎2 , e o preço de cada item é 𝑎1 ∙ 𝑐2 𝑎1− 𝑎2 , onde 𝑐2 é o déficit. Ou seja, sejam 𝑥 a quantidade de pessoas e 𝑦 o preço do porco. Então: 𝑥 = 100 100−90 = 10, e 𝑦 = 10 ∙ 90 = 900. Solução atual: das informações do problema temos: { 100𝑥 − 𝑦 = 100 90𝑥 − 𝑦 = 0 , Resolvendo por Cramer, obtemos 𝑥 = 10 e 𝑦 = 900. Os próximos problemas são resolvidos com a regra da Dupla Falsa Posição: Problema 9 - Uma cuba com capacidade de 10 dou contém uma certa quantidade de painço descascado (sem casca). São adicionados grãos de painço (com casca) até encher a cuba. Quando o painço é descascado descobre-se que a cuba contém ao todo 7 dou de painço descascado. Qual a quantidade de painço existente inicialmente na cuba? Resposta: 2 dou e 5 sheng. Método (dupla falsa posição): O método é supor originalmente que existam 2 dou (20 sheng) de painço descascado, o déficit é 2 sheng. Se a suposição for 3 dou, (30 sheng) o excesso é 2 sheng. Então, pela regra (1), a solução é −60−40 −2−2 = 100 4 = 25 sheng que dá 2 dou e 5 sheng. Solução atual: seja 𝑥 a quantidade de painço que estava incialmente na cuba. Sabendo-se que a razão do painço descascado obtido do painço é 3 5 (capítulo 2, pg 141 do livro de KANGSHEN, S. - 6 CROSSLEY, J. - LUN, A, W, C, - (1999) The Nine Chapters on the Mathematical Art), temos a equação: 3 5 (10 − 𝑥) + 𝑥 = 7, cuja solução é 𝑥 = 5 2 dou ou seja, 2 dou e 5 sheng. Problema 10 - Há um muro de 9 chi de altura. É plantada uma trepadeira em cima do muro, e o seu caule cresce para baixo 7 cun por dia. É plantada uma outra trepadeira abaixo do muro e o seu caule cresce para cima 1 chi por dia. Em quantos dias elas se encontram e quanto é que cada uma das plantas cresce? Resposta: 5 5 17 dias, a planta de cima cresce 3 chi 7 1 17 cun; a de baixo cresce 5 chi 2 16 17 cun. Método da dupla falsa posição. Se assumirmos 5 dias, o crescimento conjunto será de 5 vezes 17 cun, ou seja 85 cun, o que acarreta um déficit de 5 cun. Se forem 6 dias, o crescimento conjunto será de 6 vezes 17 = 102 cun, o que gerará um excesso de 1 chi 2 cun que é igual a 12 cun. Usando o método da dupla falsa posição obtemos: 5 −5 6 12 −30 − 12 . 5 −5 − 12 = 90 17 90 17 = 5 5 17 dias. Multiplicando esse tempo pela taxa de crescimento de cada planta, chegaremos à resposta: 7 cun . 90 17 = 630 17 cun ou 3 chi 7 1 17 cun para a planta de cima e 10 cun . 90 17 = 900 17 cun ou 5 chi 2 16 17 cun. Solução atual: sejam 𝑐 a posição da planta que cresce para baixo, 𝑏 a posição da planta que cresce para cima e 𝑡 o tempo de crescimento (para cima ou para baixo).Temos : 𝑐 = 90 – 7𝑡 e 𝑏 = 10𝑡 . Quando se encontram, 𝑐 = 𝑏 , ou 90 – 7𝑡 = 10𝑡, e 𝑡 = 90 17 dias que é igual a (5 5 17 ). A planta de cima cresce para baixo (nesse intervalo), 90 – 7 ∙ 90 17 chi, ou seja, 3 chi 7 1 17 cun e a planta de baixo cresce para cima , 10 ∙ 90 17 , ou seja, 5 chi 2 16 17 cun. 7 Problema 12 - Há uma parede com 5 chi de espessura, dois ratos escavam em direções opostas, um túnel. No primeiro dia o rato grande escava 1 chi e o pequeno, também, escava 1 chi. A partir do segundo dia o rato grande duplica, diariamente, o que escava e o pequeno reduz, diariamente, a metade do que escava. Em quantos dias os dois ratos se encontram? Quais as distâncias escavadas pelos dois? Resposta: 2 2 17 dias. A distância escavada pelo rato grande é de 3 chi 4 12 17 cun e do rato pequeno 1 chi 5 5 17 cun . Usando o método da dupla falsa posição, −0,5 3,75 2 3 Obtemos o número de dias igual a 2 ∙3,75+3 ∙0,5 3,75+0,5 = 9 4,25 , que é igual a 2 2 17 dias. No terceiro dia a velocidade do rato maior é 4 chi por dia e do rato menor, 1 4 chi por dia. Logo o rato grande cava, no terceiro dia, 4 ∙ 2 17 que é igual a 8 17 chi e o rato pequeno, 1 4 . 2 17 que é igual a 1 34 chi. Somando os resultados dos comprimentos, eles cavaram respectivamente:
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