lunes, 25 de enero de 2016

COMO ENCONTRAR EL NÚMERO PI EN EL TRIANGULO DE PASCAL 

El triángulo de Pascal nunca dejará de sorprendernos. El hecho de que contenga dentro de él tantos elementos destacables, hace que este objeto matemático sea de un gran interés para todos los que de una forma u otra se sienten atraídos por las matemáticas.
Dentro del triángulo de Pascal, que para quien no lo conozca es éste:
Triángulo de Pascal
(los términos de izquierda y derecha son siempre 1, y los demás se consiguen sumando los dos que aparecen encima en la fila justo anterior) podemos encontrar los números naturales, los números combinatorios, los números triangulares, las potencias de 2, los términos de la sucesión de Fibonacci, en fin. Pero lo que nos compete en esta publicación es encontrar Pi.
Antes de nada vamos a establecer la notación que vamos a seguir con los elementos del triángulo. Comenzando a numerar las filas desde cero (la primera, la formada solamente por un 1) y los elementos de cada fila también por cero, llamaremos a cada elemento C_j^i, siendo i=0, \ldots la fila donde está el elemento y j=0, \ldots ,i la posición que ocupa el elemento en dicha fila i. Por ejemplo, si vemos de nuevo el triángulo:
\begin{matrix} 1 \\ 1 \quad 1 \\ 1 \quad 2 \quad 1 \\ 1 \quad 3 \quad 3 \quad 1 \\ 1 \quad 4 \quad 6 \quad 4 \quad 1 \\ 1 \quad 5 \quad 10 \quad 10 \quad 5 \quad 1 \\ 1 \quad 6 \quad 15 \quad 20 \quad 15 \quad 6 \quad 1 \\ 1 \quad 7 \quad 21 \quad 35 \quad 35 \quad 21 \quad 7 \quad 1 \\ 1 \quad 8 \quad 28 \quad 56 \quad 70 \quad 56 \quad 28 \quad 8 \quad 1 \\ 1 \quad 9 \quad 36 \quad 84 \quad 126 \quad 126 \quad 84 \quad 36 \quad 9 \quad 1 \\ 1 \quad 10 \quad 45 \quad 120 \quad 210 \quad 252 \quad 210 \quad 120 \quad 45 \quad 10 \quad 1 \\ 1 \quad 11 \quad 55 \quad 165 \quad 330 \quad 462 \quad 462 \quad 330 \quad 165 \quad 55 \quad 11 \quad 1 \\ 1 \quad 12 \quad 66 \quad 220 \quad 495 \quad 792 \quad 924 \quad 792 \quad 495 \quad 220 \quad 66 \quad 12 \quad 1 \end{matrix}

el término C_1^4 sería igual a 4; el término C_4^7 sería 35; y el término C_6^9 sería 84.
Bien, metámonos en el asunto. El número combinatorio C_m^n={n \choose m} se define de la siguiente forma:
\displaystyle{C_m^n={n \choose m}=\cfrac{n!}{m! \cdot (n-m)!}}
Con esta definición, sabemos que los elementos C_j^i del triángulo de Pascal coinciden con los números combinatorios i \choose j:
Si tomamos ahora j=3 tenemos que:
C_3^i=\displaystyle{{i \choose 3}=\cfrac{i!}{3! \cdot (i-3)!}}
Simplificando los dos factoriales que dependen de i y desglosando 3! llegamos a la siguiente expresión:
C_3^i=\displaystyle{{i \choose 3}=\cfrac{(i-2) \cdot (i-1) \cdot i}{1 \cdot 2 \cdot 3}}
Hasta aquí bien, ¿verdad?, pues demos un paso más. Vamos a tomar esta serie infinita relacionada con Pi que publicó Nilakantha Somayaji en el siglo XV:
 \pi = 3 + \cfrac{4}{2 \cdot 3 \cdot 4} - \cfrac{4}{4 \cdot 5 \cdot 6} + \cfrac{4}{6 \cdot 7 \cdot 8} - \cfrac{4}{8 \cdot 9 \cdot 10} + \ldots
Sacamos factor común el 4 de todas las fracciones, y después las multiplicamos y dividimos todas por 6. 
El “dividido” lo dejamos fuera de las fracciones, como denominador del 4 que habíamos sacado (quedando entonces 2 \over 3), y el “multiplicado” lo expresamos en todas ellas como 6=1 \cdot 2 \cdot 3, quedando la siguiente expresión:
\pi = 3 + \cfrac{2}{3} \left (\cfrac{1 \cdot 2 \cdot 3}{2 \cdot 3 \cdot 4} - \cfrac{1 \cdot 2 \cdot 3}{4 \cdot 5 \cdot 6} + \cfrac{1 \cdot 2 \cdot 3}{6 \cdot 7 \cdot 8} - \cfrac{1 \cdot 2 \cdot 3}{8 \cdot 9 \cdot 10} + \ldots \right )
Y ahora viene la clave: las fracciones que nos han quedado son precisamente los inversos de C_3^i, para i par y mayor o igual que 4:
C_3^4=\cfrac{2 \cdot 3 \cdot 4}{1 \cdot 2 \cdot 3}; \quad C_3^6=\cfrac{4 \cdot 5 \cdot 6}{1 \cdot 2 \cdot 3}; \quad C_3^8=\cfrac{6 \cdot 7 \cdot 8}{1 \cdot 2 \cdot 3}; \ldots
Y así llegamos a expresar el número Pi como una serie infinita que involucra de una forma maravillosa a ciertos elementos del triángulo de Pascal:
\pi = 3 + \cfrac{2}{3} \left (\cfrac{1}{C_3^4} - \cfrac{1}{C_3^6} + \cfrac{1}{C_3^8} - \cfrac{1}{C_3^{10}} + \ldots \right )


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