lunes, 21 de marzo de 2016

El vaso de René Sluse

René Sluse, en un grabado de la época | Fuente

Levi opera deducitur mensura vasculi, pondere non magni, quod interim helluo nulus ebibat.

Esta frase en latín está extraída de una carta enviada por el matemático belga René Sluse a su colega holandés Christiaan Huygens en 1658. Su traducción podría ser la siguiente: “un vaso de beber que tuviera un pequeño peso, pero que ni siquiera el mayor bebedor del mundo pudiera vaciar”. Aquel año, ambos matemáticos habían estudiado métodos para determinar la superficie y el volumen de sólidos de revolución infinitamente extensos. ¿Pero qué quería decir exactamente Sluse con esa enigmática frase?

René François de Sluse nació en Visé, cerca de Lieja, en 1622. Estudió derecho en Lovaina entre 1638 y 1642, y en Roma, donde se licenció en la Universidad La Sapienza al año siguiente. Luego permaneció en la ciudad italiana para estudiar diversas lenguas (griego, hebreo y árabe, entre otras), así como matemáticas y astronomía. En 1650 fue nombrado canónigo de la catedral de Lieja y en 1666 llegó a ser abad de Amay. Su pasión por las matemáticas le llevó a mantener un rico intercambio epistolar con varios de los mejores matemáticos europeos de la época, como Blaise Pascal, John Wallis y Michelangelo Ricci, además del propio Huygens. En 1674 fue elegido miembro de la Royal Society de Londres.

En la actualidad, el nombre de Sluse es recordado principalmente por una familia de curvas que introdujo en su correspondencia con Huygens y Pascal entre 1657 y 1658. Las “perlas de Sluse”, como las bautizó Pascal, son las curvas dadas por la ecuación ym=kxn(a-x)b, siendo a, b, m y n números enteros positivos. Curiosamente, estas curvas no tienen forma de perla en todo su dominio, solo en el eje de abcisas positivo (es decir, para x>0). 

Una perla de Sluse, con n=4, k=2, a=4, p=3 y m=2 | Fuente

También llevan su nombre las llamadas concoides de Sluse, otra familia de curvas que el matemático belga estudió en 1662. En coordenadas cartesianas, estas curvas satisfacen la ecuación (x-1)·(x2+y2)=ax2


Las concoides de Sluse, para distintos valores de a | Fuente

El caso es que el 14 de marzo de 1658, De Sluse escribió a Huygens acerca del problema de integrar la curva conocida como cisoide de Diocles. El nombre “cisoide” procede del griego y significa “con forma de hiedra”. Fue el matemático griego Diocles (c. 240 a. C.-c. 180 a. C.) quien estudió esta curva que hoy lleva su nombre alrededor del año 180 a.C., mientras intentaba resolver el problema de la duplicación del cubo. Este célebre problema de la antigua Grecia consistía en construir, a partir de un cubo dado, otro que tuviera el doble de volumen. Es decir, si el volumen del cubo original es a, el problema equivale a construir un segmento de longitud x, tal que x3=2a. De acuerdo con tradición euclidiana, solo se permitía resolver el problema mediante el uso de regla y compás. El método empleado por Diocles no fue riguroso del todo; a partir de una cicloide, el geómetra griego fue capaz de encontrar una solución al problema de la duplicación del cubo, empleando solo regla y compás. Sin embargo, resulta imposible completar el paso previo, que es construir una cisoide, con esas dos herramientas únicamente.

La línea roja de la imagen es la cisoide de Diocles | Fuente

Hoy sabemos que la cisoide tiene como ecuación cartesiana y2=x3/(2a-x). La curva tiene un vértice en el origen de coordenadas y una asíntota vertical en x=a/2. Del vértice parten las dos ramas de la curva, que se aproximan a la asíntota cada una por su lado. Como curiosidad, la curva descrita por el vértice de una parábola mientras ésta rueda sin deslizar sobre una segunda parábola del mismo tamaño, es una cisoide.

Animación de una parábola rodando sobre otra | Fuente

Pero volvamos de nuevo al siglo XVII, donde habíamos dejado a Sluse y Huygens hablando de la cisoide. En concreto, ambos discutieron el problema de calcular el área y el volumen del sólido de revolución que resulta de hacer girar una cisoide alrededor del eje vertical x=0, considerando únicamente la parte superior de la curva (y>0). El resultado sería una especie de vasija infinitamente extensa. ¿Podría ser que, a pesar de eso, su superficie o su volumen fueran finitos? El estudio de este tipo de objetos matemáticos despertó la curiosidad de los matemáticos durante la primera mitad del siglo XVII. Es el caso de la llamada trompeta de Torricelli que ya vimos aquí en su momento.

La trompeta de Torricelli en 3D | Fuente

Sluse consiguió demostrar que el área de ese sólido es finito y, por lo tanto, puede construirse con una cantidad finita de material. Pero, al mismo tiempo, el vaso de Sluse puede contener un volumen infinito, pues sus paredes son infinitamente altas. Un vaso que, lleno de líquido, no podría vaciar ni el mayor bebedor del mundo: he aquí el significado de las palabras del matemático belga.

El vaso de Sluse, sombreado en gris gracias a WolframAlpha | Fuente

Obviamente, el vaso de René Sluse es un objeto matemático que no podemos trasladar a la realidad. Este es parte del encanto de las matemáticas, que nos hacen soñar. Lo cierto es que yo me acuerdo mucho del vaso de Sluse. En concreto, cada vez que saboreo el último trago de una jarra de cerveza bien fría. ¡Quién tuviera uno!

NOTA: Esta entrada participa en la Edición 7.2 del Carnaval de Matemáticas que alberga este blog, La Aventura de la Ciencia.

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