Álgebra generada por una clase no vacía

Sea X un conjunto no vacío y sea \mathcal{M} una clase no vacía de partes de X. Probaremos el siguiente resultado.

Teorema
Definimos las clases
\mathcal{M}_1 = \{ \emptyset, X \} \cup \mathcal{M} \cup \{ A^c : A \in \mathcal{M} \},

\mathcal{M}_2 = \pi(\mathcal{M}_1)= \{B: B=\cap_{i=1}^{n} A_i : A_i \in \mathcal{M}_1 \},

\mathcal{M}_3 = \{C: C=\cup_{j=1}^{m} B_j : B_j \in \mathcal{M}_2 \}.

Entonces \mathcal{M}_3 es el álgebra generada por \mathcal{M}.

Demostración.

Por construcción es \mathcal{M} \subset \mathcal{M}_1 \subset \mathcal{M}_2 \subset \mathcal{M}_3. Sea \mathcal{A} un álgebra que incluye a \mathcal{M}, entonces incluirá al conjunto vacío, al propio X y a los complementarios de los elementos de \mathcal{M}. Así pues

\mathcal{M}_1 \subset \mathcal{A}.
Pero toda álgebra es un \pi-sistema por lo que incluirá a las intersecciones finitas de sus elementos y así concluiremos que

\mathcal{M}_2 \subset \mathcal{A}.

Finalmente, sabemos que toda álgebra es cerrada para las uniones finitas de sus elementos por lo que

\mathcal{M}_3 \subset \mathcal{A}.

Sólo nos resta probar que \mathcal{M}_3 es un álgebra. Sean C_1 y C_2 elementos de \mathcal{M}_3, entonces

C_1 = \cup_{i=1}^{n} B_i, \quad C_2 = \cup_{j=1}^{m} D_j,

donde B_i y D_j son elementos de \mathcal{M}_2. Tenemos

C_1 \cap C_2 = (\cup_{i=1}^{n} B_i) \cap (\cup_{j=1}^{m} D_j) = \cup \{ B_i \cap D_j, i=1, \ldots, n, j=1, \ldots, m \}.

Pero como B_i \cap D_j \in \mathcal{M}_2, para i=1, \dots, n, j=1, \ldots, m, se sigue que C_1 \cap C_2 es un elemento de \mathcal{M}_3. Por otro lado, sea B = \cap_{i=1}^{r}A_i un elemento de \mathcal{M}_2, entonces

B^c = ( \cap_{i=1}^{r} A_i)^c = \cup_{i=1}^{r}A_i^c.

Esto significa que B^c \in \mathcal{M}_3. Finalmente, si C = \cup_{j=1}^{n} B_j es un elemento de \mathcal{M}_3 tenemos

C^c = (\cup_{j=1}^{n} B_j)^c = \cap_{j=1}^{n} B_j^c

y como cada B_j^c pertenece a \mathcal{M}_3 y esta clase es cerrada para la intersección concluimos que C^c es también un elemento de \mathcal{M}_3. Esto prueba que dicha clase es un anillo y como X \in \mathcal{M}_3, será un álgebra.

Comentarios

En primer lugar, hemos usado el hecho de que el álgebra generada por una clase es la intersección de todas las álgebras que la contienen por lo que si \mathcal{M}_3 es un álgebra incluida en todas las que incluyen a \mathcal{M} es obvio que coincide con la intersección de estas.

Ecuaciones trigonométricas (2)

Continuamos resolviendo algunas ecuaciones trigonométricas.  En este caso nos atrevemos con la siguiente:

\tan 2x -4 \sin x \cos x + 1 = 4 \sin^{2} x.

Emplearemos las fórmulas del ángulo doble y el desarrollo buscará factorizar de alguna manera la expresión. Empezaremos con la tangente del ángulo doble:

\tan 2x = \frac{ \sin 2x}{\cos 2x} = \frac{ 2 \cos x \sin x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x }.

Sustituimos y sacamos factor común

\frac{ 2 \cos x \sin x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x }-4 \sin x \cos x + 1 = 4 \sin^{2} x,

(2 \cos x \sin x) (\frac{ 1}{\cos^{2} x - \sin^{2} x }-2)+ 1 = 4 \sin^{2} x.

Operamos el paréntesis y tenemos en cuenta que $1 = \cos^{2} x + \sin^{2} x$ (identidad pitagórica),

(2 \cos x \sin x) (\frac{ 1-2\cos^{2} x +2  \sin^{2} x }{\cos^{2} x - \sin^{2} x})+ 1 = 4 \sin^{2} x,

(2 \cos x \sin x)(\frac{ \cos^{2} x+ \sin^{2} x-2\cos^{2} x +2  \sin^{2} x }{\cos^{2} x - \sin^{2} x}) +1 = 4 \sin^{2} x,

(2 \cos x \sin x)(\frac{ + 3\sin^{2} x-\cos^{2} x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x})+1 = 4 \sin^{2} x.

Pasamos el $1$ al otro miembro y volvemos a utilizar la identidad pitagórica

(2 \cos x \sin x)(\frac{  3\sin^{2} x-\cos^{2} x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x}) = 4 \sin^{2} x -1,

(2 \cos x \sin x)(\frac{  3\sin^{2} x-\cos^{2} x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x}) = 4 \sin^{2} x -\cos^{2} x - \sin^{2} x,

(2 \cos x \sin x)(\frac{  3\sin^{2} x-\cos^{2} x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x}) = 3 \sin^{2} x -\cos^{2} x.

En este punto identificamos un factor común en ambos miembros: 3\sin^{2} x-\cos^{2} x. Por tanto, tenemos

(2 \cos x \sin x)(\frac{  3\sin^{2} x-\cos^{2} x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x}) - 3 \sin^{2} x -\cos^{2} x =0,

( 3\sin^{2} x-\cos^{2} x)(\frac{2 \cos x \sin x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x} -1) = 0.

Quedan entonces dos ecuaciones sencillas

3\sin^{2} x-\cos^{2} x = 0, (1)

\frac{2 \cos x \sin x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x} -1 = 0, (2)

que pasamos a resolver

(1) 3\sin^{2} x-\cos^{2} x = 0,

3 \sin^{2} x - (1 - \sin^{2} x) = 0,
4 \sin^{2} x =1,
\sin^{2} x= \frac{1}{4},
\sin x = \frac{1}{2}, - \frac{1}{2}.

(2) \frac{2 \cos x \sin x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x} -1 =0,

\frac{ \sin 2x}{\cos 2x} =1,
\tan 2x =1.

El resto se deja al cuidado del lector.

Una ecuación trigonométrica

Vamos a resolver una ecuación trigonométrica:

\sin x + \sin 2x + \sin 3x + \sin 4x = 0.

Pero primero vamos a demostrar la siguiente identidad trigonométrica:

\sin A + \sin B = 2 \sin \frac{A+B}{2} \cos \frac{A-B}{2}. (1)

Bastará utilizar las conocidas expresiones para el seno de la suma y de la diferencia de dos ángulos:

\sin (x+y) = \sin x \cos y + \cos x \sin y,
\sin (x-y) = \sin x \cos y - cos x \sin y.

Haciendo x +y = A y x-y = B, despejando x e y en función de A y B y sustituyendo, tendremos la expresión (1). Pasamos a resolver la ecuación pero antes agrupamos en la forma

(\sin x+ \sin 3x) +(\sin 2x + \sin 4x) = 0.

Procedemos con los cálculos a partir de (1) en cada paréntesis:

2 \sin \frac{x+3x}{2} \cos \frac{x-3x}{2} + 2 \sin \frac{2x+4x}{2}  \cos \frac{2x-4x}{2} = 0,
2 \sin 2x \cos (-x) + 2 \sin 3x + \cos (-x) = 0,
2 \cos (-x) (\sin 2x + \sin 3x) = 0,
-2 \cos x (2 \sin \frac{2x+3x}{2} \cos \frac{2x-3x}{2}) = 0,
-4 \cos x \sin \frac{5x}{2} \cos \frac{-x}{2} = 0,
4 \cos x \cos \frac{x}{2} \sin \frac{5x}{2} = 0.

Por tanto, tenemos tres ecuaciones:

\cos x =0, (2)
\cos  \frac{x}{2} =0, (3)
\sin \frac{5x}{2} = 0, (4)

cuyas resoluciones son muy sencillas.

Consultorio Matemático (15)

Consulta: Un móvil parte de un punto de una circunferencia de 15 m de radio, siguiendo la dirección de la tangente en dicho punto, se desplaza durante 2 h a una velocidad de 20 m/h. ¿ A qué distancia del centro de la circunferencia se encontrará al cabo de dicho tiempo?
Respuesta:
Suponemos un movimiento rectilíneo y uniforme. En tal caso, la distancia al centro es la hipotenusa del triángulo que tiene por lados el radio y la trayectoria del móvil. El siguiente dibujo ilustra esta idea:

consu15

La distancia d es igual a la velocidad por el tiempo

d = 20 m/h \cdot 2 h = 40 m.

Por tanto,

x^2 = d^2 + 15^2 = 40^2+15^2,

x = \sqrt{40^2+15^2} m.

Ecuaciones cúbicas (2)

Consideremos una ecuación cúbica reducida

x^3+px+q = 0,

donde p y q son diferentes de cero. En la entrada anterior hemos visto cómo podemos resolverla mediante una serie de cambios de variable y usando números complejos. Vamos a resumir todo ese trabajo en una expresión manejable. Consideramos los valores complejos

\alpha = \sqrt[3]{-\frac{q}{2}+\sqrt{\frac{q^2}{4}+\frac{p^3}{27}}},

\beta = \sqrt[3]{-\frac{q}{2}-\sqrt{\frac{q^2}{4}+\frac{p^3}{27}}}

Las soluciones se obtienen entonces mediante x = \alpha+\beta. Veamos una aplicación con el ejemplo de la entrada anterior (donde hemos cambiado la variable y por x para ajustarnos a la terminología empleada ahora):

x^3- \frac{1}{3}x -\frac{25}{27} =0.

Entonces p= -1/3 y q = -25/27, quedando

\alpha = \sqrt[3]{-\frac{-25/27}{2}+\sqrt{\frac{(-25/27)^2}{4}+\frac{(-1/3)^3}{27}}} = \sqrt[3]{\frac{25}{54}+\frac{\sqrt{621}}{54}},

\beta = \sqrt[3]{-\frac{-25/27}{2}-\sqrt{\frac{(-25/27)^2}{4}+\frac{(-1/3)^3}{27}}} =\sqrt[3]{\frac{25}{54}-\frac{\sqrt{621}}{54}}.

Añadiendo las raíces cúbicas de la unidad obtenemos los resultados buscados

x_1 = \sqrt[3]{\frac{25}{54}+\frac{\sqrt{621}}{54}}+\sqrt[3]{\frac{25}{54}-\frac{\sqrt{621}}{54}},

x_2 =(-\frac{1}{2}+i \frac{\sqrt{3}}{2}) [\sqrt[3]{\frac{25}{54}+\frac{\sqrt{621}}{54}}]+(-\frac{1}{2}-i \frac{\sqrt{3}}{2})[\sqrt[3]{\frac{25}{54}-\frac{\sqrt{621}}{54}}],

x_2 =(-\frac{1}{2}-i \frac{\sqrt{3}}{2}) [\sqrt[3]{\frac{25}{54}+\frac{\sqrt{621}}{54}}]+(-\frac{1}{2}+i \frac{\sqrt{3}}{2})[\sqrt[3]{\frac{25}{54}-\frac{\sqrt{621}}{54}}],

Estos son los valores exactos pero podemos dar valores aproximados sin más que operar y redondear.

Ecuaciones cúbicas (1)

En una entrada anterior del Consultorio Matemático se nos presentaba una ecuación polinómica de tercer grado con coeficientes reales. Ha llegado el momento de explicar el método más usado para su resolución por radicales.
Consideramos ecuaciones de la forma

Ax^3 +Bx^2+Cx+D = 0,

donde A, B, C y D son números reales y A \neq 0. Diremos que la ecuación está normalizada si A=1 y que está en forma reducida si está normalizada y B=0. Esto es, tiene la forma

x^3+cx+d = 0.

Toda ecuación cúbica normalizada puede llevarse a la forma reducida mediante el cambio de variable

x = y-\frac{B}{3}.

Por ejemplo, la ecuación cúbica normalizada x^3-2x^2+x-1=0 se transforma mediante el cambio x = y+\frac{2}{3} en

(y+2/3)^3-2(y+2/3)^2+(y+2/3)-1=0

que desarrollada convenientemente nos lleva a la forma reducida

y^3-\frac{1}{3}y - \frac{25}{27} = 0.

Una vez se halla en forma reducida pasamos a aplicar el cambio y = z-\frac{c}{3z}. En nuestro caso, y = z- \frac{-1/3}{3z} = z+\frac{1}{9z}, quedando

(z+\frac{1}{9z})^3-\frac{1}{3}(z+\frac{1}{9z}) - \frac{25}{27} =0,

que simplificada nos lleva a

z^3+\frac{1}{9^3 z^3}-\frac{25}{27}=0.

Esta ecuación puede hacerse bicuadrada fácilmente al multiplicar ambos miembros por z^3. Es decir,

z^6-\frac{25}{27}z^3+\frac{1}{9^3}=0.

Para resolver la ecuación bicuadrada hacemos z^3 = t y tenemos

t^2-\frac{25}{27} t+\frac{1}{9^3}=0,

cuyas soluciones son
t = \frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}, t= \frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}.
Ahora tenemos que “deshacer” los cambios. En primer lugar,

z =\sqrt[3]{t} = \epsilon \sqrt[3]{t},

siendo \epsilon la notación para las tres raíces cúbicas de la unidad en el cuerpo de los complejos. Era inevitable usar números complejos pero he intentado minimizar su “impacto”. Me limitaré a explicar cómo son las tres raíces de la unidad. En primer lugar, escribimos

1 = 1+0i = e^{0i}= 1 ( \cos 0 + i \sin 0).

Sus raíces son

1^{1/3} = \{ 1^{1/3} (\cos \frac{(0+2 k \pi)}{3}+ i \sin \frac{(0+2 k \pi)}{3}), k = 0,1,2 \}.

Es decir,

\epsilon = \{1, -\frac{1}{2}+i \frac{\sqrt{3}}{2}, -\frac{1}{2}-i \frac{\sqrt{3}}{2} \}.

Convenimos en que

\epsilon_1 = 1, \epsilon_2 =-\frac{1}{2}+i \frac{\sqrt{3}}{2}, \epsilon_3 =-\frac{1}{2}-i \frac{\sqrt{3}}{2}.

En consecuencia, tendremos

z =  \epsilon \sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}, z= \epsilon \sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}} .

y = z+\frac{1}{9z} =  \epsilon \sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}+ \frac{1}{9 \epsilon \sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}} , y= z+\frac{1}{9z} = \epsilon \sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}} + \frac{1}{9 \epsilon \sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}}.

Simplificamos las fracciones multiplicando por sus conjugados. En particular,

\frac{1}{9 \epsilon \sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}} = \frac{\sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}}{9 \epsilon \sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}(\sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}})} =\frac{\sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}}{ \epsilon} .

Sustituyendo de nuevo vemos que

y = \epsilon \sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}+\frac{\sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}}{ \epsilon}

y = \epsilon \sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}+\frac{\sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}}{ \epsilon} .

Ahora deberíamos poner los tres valores de \epsilon para obtener seis soluciones. Sin embargo, teniendo en cuenta que \epsilon_2 \epsilon_3 =1 vemos que \epsilon_2 = \frac{1}{\epsilon_3}, de donde

y_1 =  \sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}+\sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}

y_2 =  \sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}+\sqrt[3]{\frac{25}{54}+\frac{\sqrt{621}}{54}} .

y_3 = \epsilon_2\sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}+\frac{\sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}}{ \epsilon_3}

y_4 = \epsilon_2 \sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}+\frac{\sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}}{ \epsilon_3} .

y_5 = \epsilon_3 \sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}+\frac{\sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}}{\epsilon_2}

y_6 = \epsilon_3 \sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}+\frac{\sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}}{ \epsilon_2} .

Se aprecia pues que y_1=y_2, y_3=y_4 e y_5=y_6, quedando tres soluciones. La primera de ellas es la única real y vale

y =\sqrt[3]{\frac{25}{54} +\frac{\sqrt{621}}{54}}+\sqrt[3]{\frac{25}{54} -\frac{\sqrt{621}}{54}}.

Las otras dos son complejas y su cálculo es un poco más laborioso. Una vez obtenidas, debemos hacer el cambio final x = y+\frac{2}{3}.
Como el lector puede apreciar, este sistema de obtención de soluciones se presenta largo y complicado. Podemos simplificarlo un poco utilizando una fórmula. Pero esto lo veremos en la próxima entrada.

Consultorio Matemático (14)

Consulta: ¿Para qué valores de m la ecuación
(m-1)((X^2)-2mX+m-2)=0
tiene dos raíces diferentes con signos negativos?
Respuesta: Voy a suponer que tu consulta se refiere a la ecuación

(m-1) x^2 - 2m x + (m-2) = 0.

donde m es un número real y que buscas sólo soluciones reales. Debes fijarte en el valor del discriminante

\Delta =4m^2 - 4 (m-1)(m-2)

Si este valor es mayor que cero entonces tiene dos raíces reales diferentes. Pero el problema nos pide que ambas sean negativas. Para la primera condición tenemos que

4m^2 - 4 (m-1)(m-2)= 4m^2-4m^2+12m-8 =12m-8 >0

m > \frac{8}{12} = \frac{2}{3}.

Por tanto si m es un número real mayor que 2/3, entonces la ecuación tiene dos soluciones reales diferentes. Si queremos que sean negativas, entonces

2m -\sqrt{\Delta} <0

2m +\sqrt{\Delta} <0

Pero si m es mayor que 2/3 será positivo y al sumar con la raíz positiva del discriminante no dará lugar a número negativo. Por ello solo tenemos en cuenta la primera desigualdad y operamos con ella:

4m^2 < \Delta = 12m-8,

4m^2-12m+8 <0, m^2-3m+2 <0

Esta última inecuación tiene por solución el intervalo abierto (1,2). Como vemos en la siguiente gráfica (cortesía de wolframalpha.com).

MSP258521agbhdaigb0bh5500005cd1375eb8ehdb5b

Teniendo en cuenta las dos desigualdades obtenidas para m, vemos que si
\frac{2}{3} < m <1, se cumplen las condiciones pedidas. Por ejemplo, para m= 0,9 es (0,9-1) x^2 - 2 \cdot 0,9 x + (0,9-2) = 0, que da lugar a la ecuación

-0,1 x^2 -1,8 x -1,1=0

cuyas soluciones son diferentes y negativas.