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Álgebra

El álgebra es la rama de las matemáticas que estudia las estructuras algebraicas y la manipulación de enunciados dentro de esas estructuras. Es una generalización de la aritmética que introduce variables y operaciones algebraicas distintas de las operaciones aritméticas estándar, como la suma y la multiplicación .

El álgebra elemental es la forma principal de álgebra que se enseña en la escuela y examina enunciados matemáticos utilizando variables para valores no especificados. Busca determinar para qué valores las afirmaciones son verdaderas. Para ello, utiliza diferentes métodos de transformación de ecuaciones para aislar variables. El álgebra lineal es un campo estrechamente relacionado que investiga variables que aparecen en varias ecuaciones lineales , llamado sistema de ecuaciones lineales . Intenta descubrir los valores que resuelven todas las ecuaciones del sistema al mismo tiempo.

El álgebra abstracta estudia estructuras algebraicas, que constan de un conjunto de objetos matemáticos junto con una o varias operaciones binarias definidas en ese conjunto. Es una generalización del álgebra elemental y lineal ya que permite objetos matemáticos distintos de los números y operaciones no aritméticas. Distingue entre diferentes tipos de estructuras algebraicas, como grupos , anillos y campos , según el número de operaciones que utilizan y las leyes que siguen . El álgebra universal constituye un nivel adicional de generalización que no se limita a operaciones binarias e investiga patrones más abstractos que caracterizan diferentes clases de estructuras algebraicas.

Los métodos algebraicos se estudiaron por primera vez en la antigüedad para resolver problemas específicos en campos como la geometría . Los matemáticos posteriores examinaron técnicas generales para resolver ecuaciones independientemente de sus aplicaciones específicas. Describieron ecuaciones y sus soluciones utilizando palabras y abreviaturas hasta los siglos XVI y XVII, cuando se desarrolló un formalismo simbólico riguroso. A mediados del siglo XIX, el alcance del álgebra se amplió más allá de una teoría de ecuaciones para cubrir diversos tipos de operaciones y estructuras algebraicas. El álgebra es relevante para muchas ramas de las matemáticas, como la geometría, la topología , la teoría de números y el cálculo , y otros campos de investigación, como la lógica y las ciencias empíricas .

Definición y etimología

El álgebra es la rama de las matemáticas que estudia las estructuras algebraicas y las operaciones [a] que utilizan. [2] Una estructura algebraica es un conjunto no vacío de objetos matemáticos , como los números reales , junto con operaciones algebraicas definidas en ese conjunto, como la suma y la multiplicación . [3] Álgebra explora las leyes, las características generales y los tipos de estructuras algebraicas. Dentro de ciertas estructuras algebraicas, examina el uso de variables en ecuaciones y cómo manipular estas ecuaciones. [4] [b]

El álgebra suele entenderse como una generalización de la aritmética . [8] La aritmética estudia operaciones como suma, resta , multiplicación y división , en un dominio particular de números, como los números reales. [9] El álgebra elemental constituye el primer nivel de abstracción. Al igual que la aritmética, se limita a tipos específicos de números y operaciones. Generaliza estas operaciones al permitir cantidades indefinidas en forma de variables además de números. [10] Un nivel más alto de abstracción se encuentra en el álgebra abstracta , que no se limita a un dominio particular y examina estructuras algebraicas como grupos y anillos . Va más allá de las operaciones aritméticas típicas y cubre también otros tipos de operaciones binarias. [11] El álgebra universal es aún más abstracta en el sentido de que no se limita a operaciones binarias ni se interesa en estructuras algebraicas específicas, sino que investiga las características de las estructuras algebraicas en general. [12]

Página de título del libro compendioso sobre cálculo por terminación y balanceo
La palabra álgebra proviene del título del libro de al-Khwarizmi, Al-Jabr . [13]

El término "álgebra" se utiliza a veces en un sentido más estricto para referirse únicamente al álgebra elemental o únicamente al álgebra abstracta. [14] Cuando se usa como sustantivo contable , un álgebra es un tipo específico de estructura algebraica que involucra un espacio vectorial equipado con un cierto tipo de operación binaria . [15] Dependiendo del contexto, "álgebra" también puede referirse a otras estructuras algebraicas, como un álgebra de Lie o un álgebra asociativa . [16]

La palabra álgebra proviene del término árabe الجبر ( al-jabr ), que originalmente se refería al tratamiento quirúrgico de la fijación de huesos . En el siglo IX, el término recibió un significado matemático cuando el matemático persa Muhammad ibn Musa al-Khwarizmi lo empleó para describir un método de resolución de ecuaciones y lo utilizó en el título de un tratado de álgebra, al-Kitāb al-Mukhtaṣar fī Ḥisāb. al-Jabr wal-Muqābalah [ El libro compendioso sobre el cálculo por terminación y equilibrio ] que fue traducido al latín como Liber Algebrae et Almucabola . [c] La palabra entró en el idioma inglés en el siglo XVI procedente del italiano , el español y el latín medieval . [18] Inicialmente, su significado se restringía a la teoría de ecuaciones , es decir, al arte de manipular ecuaciones polinómicas con vistas a resolverlas. Esto cambió en el siglo XIX [d] cuando el alcance del álgebra se amplió para cubrir el estudio de diversos tipos de operaciones y estructuras algebraicas junto con sus axiomas subyacentes , las leyes que siguen. [21]

Ramas principales

Álgebra elemental

Diagrama de una expresión algebraica.
Notación de expresión algebraica:
  1 – potencia (exponente)
  2 – coeficiente
  3 – término
  4 – operador
  5 – término constante – constante – variables
 
 

El álgebra elemental, también llamada álgebra escolar, álgebra universitaria y álgebra clásica, [22] es la forma más antigua y básica de álgebra. Es una generalización de la aritmética que se basa en variables y examina cómo se pueden transformar los enunciados matemáticos. [23]

La aritmética es el estudio de operaciones numéricas e investiga cómo se combinan y transforman los números usando las operaciones aritméticas de suma , resta , multiplicación , división , exponenciación , extracción de raíces y logaritmo . Por ejemplo, la operación de suma combina dos números, llamados sumandos, en un tercer número, llamado suma, como en . [9]

El álgebra elemental se basa en las mismas operaciones y permite variables además de números regulares. Las variables son símbolos de cantidades desconocidas o no especificadas. Permiten establecer relaciones cuyos valores exactos no se conocen y expresar leyes generales que son verdaderas, independientemente de los números que se utilicen. Por ejemplo, la ecuación pertenece a la aritmética y expresa una igualdad sólo para estos números específicos. Al reemplazar los números con variables, es posible expresar una ley general que se aplica a cualquier combinación posible de números, como la propiedad conmutativa de la multiplicación , que se expresa en la ecuación . [23]

Las expresiones algebraicas se forman mediante el uso de operaciones aritméticas para combinar variables y números. Por convención, las letras minúsculas , y representan variables. En algunos casos, se agregan subíndices para distinguir variables, como en , y . Las letras minúsculas , y normalmente se utilizan para constantes y coeficientes . [e] La expresión es una expresión algebraica creada multiplicando el número 5 con la variable y sumando el número 3 al resultado. Otros ejemplos de expresiones algebraicas son y . [25]

Algunas expresiones algebraicas toman la forma de declaraciones que relacionan dos expresiones entre sí. Una ecuación es un enunciado formado comparando dos expresiones, diciendo que son iguales. Esto se puede expresar usando el signo igual ( ), como en . Las inecuaciones implican un tipo diferente de comparación, diciendo que los dos lados son diferentes. Esto se puede expresar usando símbolos como el signo menor que ( ), el signo mayor que ( ) y el signo de desigualdad ( ). A diferencia de otras expresiones, las afirmaciones pueden ser verdaderas o falsas y su valor de verdad suele depender de los valores de las variables. Por ejemplo, la afirmación es verdadera si es 2 o −2 y falsa en caso contrario. [26] Las ecuaciones con variables se pueden dividir en ecuaciones identidad y ecuaciones condicionales. Las ecuaciones de identidad son verdaderas para todos los valores que se pueden asignar a las variables, como la ecuación . Las ecuaciones condicionales sólo son verdaderas para algunos valores. Por ejemplo, la ecuación sólo es verdadera si es 5. [27]

El objetivo principal del álgebra elemental es determinar los valores para los cuales una afirmación es verdadera. Esto se puede lograr transformando y manipulando declaraciones de acuerdo con ciertas reglas. Un principio clave que guía este proceso es que cualquier operación que se aplique a un lado de una ecuación también debe realizarse en el otro lado. Por ejemplo, si uno resta 5 del lado izquierdo de una ecuación, también necesita restar 5 del lado derecho para equilibrar ambos lados. El objetivo de estos pasos suele ser aislar la variable que nos interesa de un lado, un proceso conocido como resolución de la ecuación de esa variable. Por ejemplo, la ecuación se puede resolver sumando 7 a ambos lados, lo que despeja en el lado izquierdo y da como resultado la ecuación . [28]

Hay muchas otras técnicas que se utilizan para resolver ecuaciones. La simplificación se emplea para reemplazar una expresión complicada por una equivalente más simple. Por ejemplo, la expresión se puede reemplazar con la expresión . [29] La factorización se utiliza para reescribir una expresión como producto de varios factores. Esta técnica es común en polinomios [f] para determinar para qué valores la expresión es cero . Por ejemplo, el polinomio se puede factorizar como . El polinomio en su conjunto es cero si y sólo si uno de sus factores es cero, es decir, si es −2 o 5. [31] Para declaraciones con varias variables, la sustitución es una técnica común para reemplazar una variable con una expresión equivalente. que no utiliza esta variable. Por ejemplo, si se sabe eso , se puede simplificar la expresión para llegar a . De manera similar, si uno conoce el valor de una variable, puede usarlo para determinar el valor de otras variables. [32]

Gráfica de la ecuación "y = 0,5x - 1"
Las ecuaciones algebraicas se pueden utilizar para describir figuras geométricas. Todos los valores de y que resuelven la ecuación se interpretan como puntos. Están dibujados como una línea roja con pendiente ascendente en el gráfico anterior.

Las ecuaciones algebraicas se pueden interpretar geométricamente para describir figuras espaciales en forma de gráfico . Para ello, las diferentes variables de la ecuación se entienden como coordenadas y los valores que resuelven la ecuación se interpretan como puntos de una gráfica. Por ejemplo, si se establece en cero en la ecuación, entonces tiene que ser −1 para que la ecuación sea verdadera. Esto significa que el par - es parte de la gráfica de la ecuación. El par - , por el contrario, no resuelve la ecuación y, por lo tanto, no forma parte de la gráfica. La gráfica abarca la totalidad de - pares que resuelven la ecuación. [33]

Álgebra lineal

El álgebra lineal emplea los métodos del álgebra elemental para estudiar sistemas de ecuaciones lineales . [34] Una ecuación es lineal si se puede expresar en la forma donde , , ..., y son constantes. Esto significa que ninguna variable se multiplica entre sí y ninguna variable se eleva a una potencia mayor que uno. Por ejemplo, las ecuaciones y son lineales mientras que las ecuaciones y son no lineales . Varias ecuaciones forman un sistema de ecuaciones si todas dependen del mismo conjunto de variables. [35]

Los sistemas de ecuaciones lineales suelen expresarse mediante matrices [g] y vectores [h] para representar todo el sistema en una sola ecuación. Esto se puede hacer moviendo las variables al lado izquierdo de cada ecuación y moviendo los términos constantes al lado derecho. Luego, el sistema se expresa formulando una matriz que contiene todos los coeficientes de las ecuaciones y multiplicándola por el vector columna formado por las variables. [38] Por ejemplo, el sistema de ecuaciones se puede escribir como

Al igual que el álgebra elemental, el álgebra lineal está interesada en manipular y transformar ecuaciones para resolverlas. Va más allá del álgebra elemental al tratar varias ecuaciones a la vez y buscar los valores para los cuales todas las ecuaciones son verdaderas al mismo tiempo. Por ejemplo, si el sistema está formado por dos ecuaciones y luego usa los valores 1 y 3 para y no resuelve el sistema de ecuaciones porque solo resuelve la primera pero no la segunda ecuación. [39]

Dos preguntas centrales en álgebra lineal son si un sistema de ecuaciones tiene alguna solución y, de ser así, si tiene una solución única. Un sistema de ecuaciones no tiene soluciones si es inconsistente , es decir, que dos o más ecuaciones se contradicen entre sí. Por ejemplo, las ecuaciones y se contradicen entre sí ya que no existen valores de y que resuelvan ambas ecuaciones al mismo tiempo. Sólo los sistemas consistentes de ecuaciones tienen soluciones. [40]

Que un sistema consistente de ecuaciones tenga una solución única depende del número de variables y ecuaciones independientes . Varias ecuaciones son independientes entre sí si no proporcionan la misma información y no pueden derivarse unas de otras. Existe una solución única si el número de variables es el mismo que el número de ecuaciones independientes. Los sistemas indeterminados , por el contrario, tienen más variables que ecuaciones y tienen un número infinito de soluciones si son consistentes. [41]

Gráfica de dos ecuaciones lineales.
Las ecuaciones lineales con dos variables se pueden interpretar geométricamente como líneas. La solución de un sistema de ecuaciones lineales es donde se cruzan las rectas.

Muchas técnicas empleadas en álgebra elemental para resolver ecuaciones también se aplican en álgebra lineal. El método de sustitución comienza con una ecuación y aísla una variable en ella. Continúa con la siguiente ecuación y reemplaza la variable aislada con la expresión encontrada, reduciendo así el número de variables desconocidas en uno. Se aplica el mismo proceso nuevamente a esta y a las ecuaciones restantes hasta que se determinen los valores de todas las variables. [42] El método de eliminación crea una nueva ecuación sumando una ecuación a otra ecuación. De esta forma, es posible eliminar una variable que aparece en ambas ecuaciones. Para un sistema que contiene las ecuaciones y , es posible eliminar sumando la primera a la segunda ecuación, revelando así que es 13. En algunos casos, la ecuación debe multiplicarse por una constante antes de sumarla a otra ecuación. [43] Muchas técnicas avanzadas implementan algoritmos basados ​​en cálculos matriciales, como la regla de Cramer , la eliminación de Gauss-Jordan y la descomposición LU . [44]

Los sistemas de ecuaciones se pueden interpretar como figuras geométricas. Para sistemas con dos variables, cada ecuación representa una línea en el espacio bidimensional . El punto donde se cruzan las dos rectas es la solución del sistema completo porque es el único punto que resuelve tanto la primera como la segunda ecuación. Para sistemas inconsistentes, las dos líneas corren paralelas, lo que significa que no hay solución ya que nunca se cruzan. Si dos ecuaciones no son independientes, entonces describen la misma recta, lo que significa que cada solución de una ecuación es también una solución de la otra ecuación. Estas relaciones permiten buscar soluciones gráficamente trazando las ecuaciones y determinando dónde se cruzan. [45] Los mismos principios también se aplican a sistemas de ecuaciones con más variables, con la diferencia de que las ecuaciones no describen líneas sino figuras de dimensiones superiores. Por ejemplo, las ecuaciones con tres variables corresponden a planos en el espacio tridimensional , y los puntos donde todos los planos se cruzan resuelven el sistema de ecuaciones. [46]

Álgebra abstracta

El álgebra abstracta, también llamada álgebra moderna, [47] estudia diferentes tipos de estructuras algebraicas . Una estructura algebraica es un marco para comprender operaciones con objetos matemáticos , como la suma de números. Mientras que el álgebra elemental y el álgebra lineal funcionan dentro de los límites de estructuras algebraicas particulares, el álgebra abstracta adopta un enfoque más general que compara en qué se diferencian las estructuras algebraicas entre sí y qué tipos de estructuras algebraicas existen, como grupos , anillos y campos . [48] ​​La diferencia clave entre estos tipos de estructuras algebraicas radica en el número de operaciones que utilizan y las leyes que obedecen. [49]

Diagrama de operación binaria.
Muchas estructuras algebraicas se basan en operaciones binarias, que toman dos objetos como entrada y los combinan en un solo objeto como salida, como lo hacen la suma y la multiplicación.

A nivel formal, una estructura algebraica es un conjunto [i] de objetos matemáticos, llamado conjunto subyacente, junto con una o varias operaciones. [j] El álgebra abstracta generalmente se restringe a operaciones binarias [k] que toman dos objetos cualesquiera del conjunto subyacente como entradas y los asignan a otro objeto de este conjunto como salida. [53] Por ejemplo, la estructura algebraica tiene los números naturales ( ) como conjunto subyacente y la suma ( ) como operación binaria. [51] El conjunto subyacente puede contener objetos matemáticos distintos de números y las operaciones no se limitan a operaciones aritméticas regulares. [54] Por ejemplo, el conjunto subyacente del grupo de simetría de un objeto geométrico se compone de transformaciones geométricas , como rotaciones , bajo las cuales el objeto permanece sin cambios . Su operación binaria es la composición de funciones , que toma dos transformaciones como entrada y tiene como salida la transformación resultante de aplicar la primera transformación seguida de la segunda. [55]

El álgebra abstracta clasifica las estructuras algebraicas en función de las leyes o axiomas que obedecen sus operaciones y el número de operaciones que utiliza. Uno de los tipos más básicos es un grupo, que tiene una operación y requiere que esta operación sea asociativa y tenga un elemento identidad y elementos inversos . Una operación es asociativa si no importa el orden de varias aplicaciones, es decir, si [l] es el mismo que para todos los elementos. Una operación tiene un elemento identidad o un elemento neutral si existe un elemento e que no cambia el valor de ningún otro elemento, es decir, si . Una operación tiene elementos inversos si para algún elemento existe un elemento recíproco que deshace . Si un elemento opera en su inverso, entonces el resultado es el elemento neutro e , expresado formalmente como . Toda estructura algebraica que cumple estos requisitos es un grupo. [57] Por ejemplo, es un grupo formado por el conjunto de números enteros junto con la operación de suma. El elemento neutro es 0 y el elemento inverso de cualquier número es . [58] Los números naturales con suma, por el contrario, no forman un grupo, ya que contienen sólo números enteros positivos y, por tanto, carecen de elementos inversos. [59] La teoría de grupos es la subdisciplina del álgebra abstracta que estudia grupos. [60]

Un anillo es una estructura algebraica con dos operaciones ( y ) que funcionan de manera similar a la suma y la multiplicación. Todos los requisitos de los grupos también se aplican a la primera operación: es asociativa y tiene un elemento identidad y elementos inversos. Además, es conmutativo, lo que significa que es válido para todos los elementos. El axioma de distributividad gobierna cómo interactúan las dos operaciones entre sí. Dice que y . [61] El anillo de números enteros es el anillo denotado por . [62] [m] Un anillo se convierte en un campo si ambas operaciones siguen los axiomas de asociatividad, conmutatividad y distributividad y si ambas operaciones tienen un elemento identidad y elementos inversos. [64] [n] El anillo de números enteros no forma un campo porque carece de inversos multiplicativos. Por ejemplo, el inverso multiplicativo de es , que no forma parte de los números enteros. Los números racionales , los números reales y los números complejos forman cada uno un campo con las operaciones de suma y multiplicación. [66]

Diagrama de relaciones entre algunas estructuras algebraicas.
Diagrama de relaciones entre algunas estructuras algebraicas. Por ejemplo, su sección superior derecha muestra que un magma se convierte en un semigrupo si su operación es asociativa.

Además de grupos, anillos y campos, existen muchas otras estructuras algebraicas que estudia el álgebra abstracta. Incluyen magmas , semigrupos , monoides , grupos abelianos , anillos conmutativos , módulos , redes , espacios vectoriales y álgebras sobre un campo . Se diferencian entre sí en cuanto a los tipos de objetos que describen y los requisitos que cumplen sus operaciones. Muchas están relacionadas entre sí en el sentido de que una estructura básica puede convertirse en una estructura más avanzada agregando requisitos adicionales. [49] Por ejemplo, un magma se convierte en un semigrupo si su operación es asociativa. [67]

álgebra universal

El álgebra universal es el estudio de las estructuras algebraicas en general. Es una generalización del álgebra abstracta que no se limita a operaciones binarias y también permite operaciones con más entradas, como las operaciones ternarias . El álgebra universal no está interesada en los elementos específicos que componen los conjuntos subyacentes. En cambio, investiga qué características estructurales tienen en común las diferentes estructuras algebraicas. [68] Una de esas características estructurales se refiere a las identidades que son verdaderas en diferentes estructuras algebraicas. En este contexto, una identidad es una ecuación universal o una ecuación que es verdadera para todos los elementos del conjunto subyacente. Por ejemplo, la conmutatividad es una ecuación universal que establece que es idéntica para todos los elementos. [69] Se dice que dos estructuras algebraicas que comparten todas sus identidades pertenecen a la misma variedad . [70] Por ejemplo, el anillo de números enteros y el anillo de polinomios forman parte de la misma variedad porque tienen las mismas identidades, como la conmutatividad y la asociatividad. El campo de los números racionales, por el contrario, no pertenece a esta variedad ya que tiene identidades adicionales, como la existencia de inversos multiplicativos. [71] [p]

Los homomorfismos son herramientas del álgebra universal para examinar características estructurales comparando dos estructuras algebraicas. [74] Un homomorfismo es una función del conjunto subyacente de una estructura algebraica al conjunto subyacente de otra estructura algebraica que conserva ciertas características estructurales. Si las dos estructuras algebraicas usan operaciones binarias y tienen la forma y entonces la función es un homomorfismo si cumple el siguiente requisito: . La existencia de un homomorfismo revela que la operación en la segunda estructura algebraica juega el mismo papel que la operación en la primera estructura algebraica. [75] Los isomorfismos son un tipo especial de homomorfismo que indica un alto grado de similitud entre dos estructuras algebraicas. Un isomorfismo es un homomorfismo biyectivo , lo que significa que establece una relación uno a uno entre los elementos de dos estructuras algebraicas. Esto implica que cada elemento de la primera estructura algebraica se asigna a un elemento único en la segunda estructura sin ningún elemento no asignado en la segunda estructura. [76]

Diagrama de Venn de un conjunto y su subconjunto.
Las subálgebras restringen sus operaciones a un subconjunto del conjunto subyacente de la estructura algebraica original.

Otra herramienta de comparación es la relación entre una estructura algebraica y su subálgebra . [77] La ​​estructura algebraica y su subálgebra utilizan las mismas operaciones, [q] que siguen los mismos axiomas. La única diferencia es que el conjunto subyacente de la subálgebra es un subconjunto del conjunto subyacente de la estructura algebraica. [r] Se requiere que todas las operaciones en la subálgebra estén cerradas en su conjunto subyacente, lo que significa que solo producen elementos que pertenecen a este conjunto. [77] Por ejemplo, el conjunto de números enteros pares junto con la suma es una subálgebra del conjunto completo de números enteros junto con la suma. Este es el caso porque la suma de dos números pares vuelve a ser un número par. Pero el conjunto de los enteros impares junto con la suma no es una subálgebra porque no es cerrada: la suma de dos números impares produce un número par, que no forma parte del subconjunto elegido. [78]

Historia

Papiro Rhind
El Papiro Rhind del antiguo Egipto , fechado alrededor de 1650 a. C., es uno de los primeros documentos que analizan problemas algebraicos.

El origen del álgebra radica en los intentos de resolver problemas matemáticos que implican cálculos aritméticos y cantidades desconocidas. Estos acontecimientos ocurrieron en el período antiguo en Babilonia , Egipto , Grecia , China y la India . Uno de los primeros documentos sobre problemas algebraicos es el Papiro Rhind del antiguo Egipto, que fue escrito alrededor del año 1650 a.C. [s] Analiza soluciones a ecuaciones lineales , tal como se expresa en problemas como "Una cantidad; se le suma la cuarta. Se convierte en quince. ¿Cuál es la cantidad?" Tablillas de arcilla babilónicas de aproximadamente la misma época explican métodos para resolver ecuaciones polinómicas lineales y cuadráticas , como el método para completar el cuadrado . [81]

Muchas de estas ideas llegaron a los antiguos griegos. A partir del siglo VI a. C., su principal interés era la geometría más que el álgebra, pero empleaban métodos algebraicos para resolver problemas geométricos. Por ejemplo, estudiaron figuras geométricas tomando sus longitudes y áreas como cantidades desconocidas por determinar, como se ejemplifica en la formulación de Pitágoras del método de la diferencia de dos cuadrados y más tarde en los Elementos de Euclides . [82] En el siglo III d.C., Diofanto proporcionó un tratamiento detallado de cómo resolver ecuaciones algebraicas en una serie de libros llamados Arithmetica . Fue el primero en experimentar con notación simbólica para expresar polinomios. [83] En la antigua China, Los nueve capítulos sobre el arte matemático , un libro compuesto durante el período que abarca desde el siglo X a. C. hasta el siglo II d. C., [84] exploró varias técnicas para resolver ecuaciones algebraicas, incluido el uso de matriz- como construcciones. [85]

Es controvertido hasta qué punto estos primeros desarrollos deben considerarse parte del álgebra propiamente dicha y no precursores. Ofrecieron soluciones a problemas algebraicos pero no los concibieron de manera abstracta y general, sino que se centraron en casos y aplicaciones específicas. [86] Esto cambió con el matemático persa al-Khwarizmi , [t] quien publicó su Libro compendioso sobre el cálculo por terminación y equilibrio en 825 EC. Presenta el primer tratamiento detallado de los métodos generales que se pueden utilizar para manipular ecuaciones lineales y cuadráticas "reduciendo" y "equilibrando" ambos lados. [88] Otras contribuciones influyentes al álgebra provinieron del matemático árabe Thābit ibn Qurra también en el siglo IX y del matemático persa Omar Khayyam en los siglos XI y XII. [89]

En la India, Brahmagupta investigó cómo resolver ecuaciones cuadráticas y sistemas de ecuaciones con varias variables en el siglo VII d.C. Entre sus innovaciones estuvo el uso del cero y los números negativos en ecuaciones algebraicas. [90] Los matemáticos indios Mahāvīra en el siglo IX y Bhāskara II en el siglo XII refinaron aún más los métodos y conceptos de Brahmagupta. [91] En 1247, el matemático chino Qin Jiushao escribió el Tratado matemático en nueve secciones , que incluye un algoritmo para la evaluación numérica de polinomios , incluidos los polinomios de grados superiores. [92]

François Viète y René Descartes inventaron una notación simbólica para expresar ecuaciones de manera abstracta y concisa.

El matemático italiano Fibonacci trajo las ideas y técnicas de al-Khwarizmi a Europa en libros como su Liber Abaci . [93] En 1545, el erudito italiano Gerolamo Cardano publicó su libro Ars Magna , que cubría muchos temas de álgebra, discutía números imaginarios y fue el primero en presentar métodos generales para resolver ecuaciones cúbicas y cuárticas . [94] En los siglos XVI y XVII, los matemáticos franceses François Viète y René Descartes introdujeron letras y símbolos para denotar variables y operaciones, lo que permitió expresar ecuaciones de una manera abstracta y concisa. Sus predecesores se habían basado en descripciones verbales de problemas y soluciones. [95] Algunos historiadores ven este desarrollo como un punto de inflexión clave en la historia del álgebra y consideran lo que vino antes como la prehistoria del álgebra porque carecía de la naturaleza abstracta basada en la manipulación simbólica. [96]

Foto de Garrett Birkhoff
Garrett Birkhoff desarrolló muchos de los conceptos fundamentales del álgebra universal.

Muchos intentos en los siglos XVII y XVIII de encontrar soluciones generales [u] a polinomios de grado cinco y superiores fracasaron. [98] A finales del siglo XVIII, el matemático alemán Carl Friedrich Gauss demostró el teorema fundamental del álgebra , que describe la existencia de ceros de polinomios de cualquier grado sin proporcionar una solución general. [19] A principios del siglo XIX, el matemático italiano Paolo Ruffini y el matemático noruego Niels Henrik Abel pudieron demostrar que no existe una solución general para polinomios de grado cinco y superiores. [98] En respuesta a sus hallazgos y poco después, el matemático francés Évariste Galois desarrolló lo que más tarde se conocería como teoría de Galois , que ofrecía un análisis más profundo de las soluciones de polinomios y al mismo tiempo sentaba las bases de la teoría de grupos . [20] Los matemáticos pronto se dieron cuenta de la relevancia de la teoría de grupos para otros campos y la aplicaron a disciplinas como la geometría y la teoría de números. [99]

A partir de mediados del siglo XIX, el interés por el álgebra pasó del estudio de los polinomios asociados con el álgebra elemental hacia una investigación más general de las estructuras algebraicas, lo que marcó el surgimiento del álgebra abstracta . Este enfoque exploró la base axiomática de operaciones algebraicas arbitrarias. [100] La invención de nuevos sistemas algebraicos basados ​​en diferentes operaciones y elementos acompañó este desarrollo, como el álgebra de Boole , el álgebra vectorial y el álgebra matricial . [101] Los primeros desarrollos influyentes en el álgebra abstracta fueron realizados por los matemáticos alemanes David Hilbert , Ernst Steinitz y Emmy Noether, así como por el matemático austriaco Emil Artin . Investigaron diferentes formas de estructuras algebraicas y las clasificaron según sus axiomas subyacentes en tipos, como grupos, anillos y campos. [102] La idea de un enfoque aún más general asociado con el álgebra universal fue concebida por el matemático inglés Alfred North Whitehead en su libro de 1898 Tratado sobre el álgebra universal . A partir de la década de 1930, el matemático estadounidense Garrett Birkhoff amplió estas ideas y desarrolló muchos de los conceptos fundamentales de este campo. [103] Desarrollos estrechamente relacionados fueron la formulación de la teoría de modelos , la teoría de categorías , el álgebra topológica , el álgebra homológica , las álgebras de Lie , las álgebras libres y los grupos de homología . [104]

Aplicaciones

La influencia del álgebra es de amplio alcance e incluye muchas ramas de las matemáticas, así como las ciencias empíricas. La notación y los principios algebraicos desempeñan un papel clave en la física y disciplinas relacionadas para expresar leyes científicas y resolver ecuaciones. [105] También se utilizan en campos como la ingeniería , la economía , la informática y la geografía para expresar relaciones, resolver problemas y modelar sistemas. [106]

Otras ramas de las matemáticas

La algebraización de las matemáticas es el proceso de aplicar métodos y principios algebraicos a otras ramas de las matemáticas . Ocurre empleando símbolos en forma de variables para expresar conocimientos matemáticos en un nivel más general, lo que permite a los matemáticos desarrollar modelos formales que describen cómo los objetos interactúan y se relacionan entre sí. [107] Esto es posible porque los patrones abstractos estudiados por el álgebra tienen muchas aplicaciones concretas en campos como la geometría , la topología , la teoría de números y el cálculo . [108]

Imagen renderizada de una esfera
La ecuación algebraica describe una esfera en el origen con un radio de 1.

A la geometría le interesan las figuras geométricas, que pueden describirse con enunciados algebraicos. Por ejemplo, la ecuación describe una línea en un espacio bidimensional mientras que la ecuación corresponde a una esfera en un espacio tridimensional. De especial interés para la geometría algebraica son las variedades algebraicas , [v] que son soluciones a sistemas de ecuaciones polinomiales que pueden usarse para describir figuras geométricas más complejas. [110] El razonamiento algebraico también puede resolver problemas geométricos. Por ejemplo, se puede determinar si la línea descrita por se cruza con el círculo descrito por resolviendo el sistema de ecuaciones formado por estas dos ecuaciones y dónde. [111] La topología estudia las propiedades de figuras geométricas o espacios topológicos que se conservan bajo operaciones de deformación continua . La topología algebraica se basa en teorías algebraicas como la teoría de grupos para clasificar espacios topológicos. Por ejemplo, los grupos de homotopía clasifican espacios topológicos en función de la existencia de bucles o agujeros en ellos. [112] La teoría de números se ocupa de las propiedades y las relaciones entre números enteros. La teoría algebraica de números aplica métodos y principios algebraicos a este campo de investigación. Los teóricos de los números emplean expresiones algebraicas para describir leyes generales, como el último teorema de Fermat , y analizan cómo los números forman estructuras algebraicas, como el anillo de los números enteros . [113] Los conocimientos del álgebra también son relevantes para el cálculo, que utiliza expresiones matemáticas para examinar las tasas de cambio y acumulación . Se basa en el álgebra para comprender cómo se pueden transformar estas expresiones y qué papel juegan las variables en ellas. [114]

Imagen del cubo de Rubik.
Las caras de un cubo de Rubik se pueden girar para cambiar la disposición de las zonas de colores. Las permutaciones resultantes forman un grupo llamado grupo del Cubo de Rubik . [115]

El álgebra abstracta tiene diversos usos en las matemáticas aplicadas , que van desde la electrónica y la robótica hasta la criptografía . [116] Aplicaciones más específicas son el uso de la teoría de grupos para resolver acertijos como el Sudoku y los cubos de Rubik [117] y la dependencia de herramientas algebraicas para analizar el origami . [118]

Lógica

La lógica es el estudio del razonamiento correcto. [119] La lógica algebraica emplea métodos algebraicos para describir y analizar las estructuras y patrones que subyacen al razonamiento lógico . [120] Una parte está interesada en comprender las estructuras matemáticas mismas sin tener en cuenta las consecuencias concretas que tienen en la actividad de hacer inferencias . Otra parte investiga cómo los problemas de la lógica pueden expresarse en el lenguaje del álgebra y cómo los conocimientos obtenidos mediante el análisis algebraico afectan a la lógica. [121]

El álgebra booleana es un recurso influyente en la lógica algebraica para describir la lógica proposicional . [122] Las proposiciones son afirmaciones que pueden ser verdaderas o falsas. [123] La lógica proposicional utiliza conectivos lógicos para combinar dos proposiciones y formar una proposición compleja. Por ejemplo, el conectivo "si  ... entonces" puede usarse para combinar las proposiciones "llueve" y "las calles están mojadas" para formar la proposición compleja "si llueve entonces las calles están mojadas". La lógica proposicional está interesada en cómo el valor de verdad de una proposición compleja depende de los valores de verdad de sus constituyentes. [124] Con el álgebra booleana, este problema se puede abordar interpretando los valores de verdad como números: 0 corresponde a falso y 1 corresponde a verdadero. Los conectivos lógicos se entienden como operaciones binarias que toman dos números como entrada y devuelven la salida que corresponde al valor de verdad de la proposición compleja. [125] La lógica algebraica también está interesada en cómo se pueden describir sistemas de lógica más complejos a través de estructuras algebraicas y a qué variedades y cuasivaridades pertenecen estas estructuras algebraicas. [126]

Educación

Diagrama de una balanza.
Las balanzas se utilizan en la educación de álgebra para ayudar a los estudiantes a comprender cómo se pueden transformar las ecuaciones para determinar valores desconocidos. [127]

La educación en álgebra se centra principalmente en álgebra elemental, que es una de las razones por las que el álgebra elemental también se llama álgebra escolar. Por lo general, no se introduce hasta la educación secundaria, ya que requiere el dominio de los fundamentos de la aritmética y al mismo tiempo plantea nuevos desafíos cognitivos asociados con el razonamiento abstracto y la generalización. [128] Su objetivo es familiarizar a los estudiantes con el lado formal de las matemáticas ayudándoles a comprender el simbolismo matemático, por ejemplo, cómo se pueden utilizar variables para representar cantidades desconocidas. Una dificultad adicional para los estudiantes radica en el hecho de que, a diferencia de los cálculos aritméticos, las expresiones algebraicas suelen ser difíciles de resolver directamente. En cambio, los estudiantes necesitan aprender a transformarlos de acuerdo con ciertas leyes, a menudo con el objetivo de determinar una cantidad desconocida. [129]

Algunas herramientas para presentar a los estudiantes el lado abstracto del álgebra se basan en modelos concretos y visualizaciones de ecuaciones, incluidas analogías geométricas, objetos manipulables como palos o tazas y "máquinas funcionales" que representan ecuaciones como diagramas de flujo . Un método utiliza balanzas como enfoque pictórico para ayudar a los estudiantes a comprender problemas básicos de álgebra. La masa de algunos objetos en la escala es desconocida y representa variables. Resolver una ecuación corresponde a sumar y quitar objetos de ambos lados de tal manera que los lados se mantengan en equilibrio hasta que el único objeto que quede en un lado sea el objeto de masa desconocida. [130] Los problemas planteados son otra herramienta para mostrar cómo se aplica el álgebra a situaciones de la vida real. Por ejemplo, a los estudiantes se les puede presentar una situación en la que el hermano de Naomi tiene el doble de manzanas que Naomi. Dado que ambos juntos tienen doce manzanas, se pide a los estudiantes que encuentren una ecuación algebraica que describa esta situación ( ) y que determinen cuántas manzanas tiene Noemí ( ). [131]

Ver también

Referencias

Notas

  1. ^ Cuando se entiende en el sentido más amplio, una operación algebraica es una función de una potencia cartesiana de un conjunto a ese conjunto , expresada formalmente como . La suma de números reales es un ejemplo de operación algebraica: toma dos números como entrada y produce un número como salida. Tiene la forma . [1]
  2. ^ El álgebra está cubierta por la división 512 de la Clasificación Decimal de Dewey [5] y la subclase QA 150-272.5 de la Clasificación de la Biblioteca del Congreso . [6] Abarca varias áreas de la Clasificación de Materias de Matemáticas . [7]
  3. Se discute el significado exacto del término al-jabr en la obra de al-Khwarizmi. En algunos pasajes, expresa que una cantidad disminuida por resta vuelve a su valor original, similar a cómo un huesero restaura huesos rotos alineándolos correctamente. [17]
  4. ^ Estos cambios fueron provocados en parte por descubrimientos que resolvieron muchos de los problemas más antiguos del álgebra. Por ejemplo, la prueba del teorema fundamental del álgebra demostró la existencia de soluciones complejas de polinomios [19] y la introducción de la teoría de Galois caracterizó los polinomios que tienen soluciones generales . [20]
  5. ^ Las constantes representan magnitudes fijas que, a diferencia de las variables, no pueden cambiar. [24]
  6. ^ Un polinomio es una expresión que consta de uno o más términos que se suman o restan entre sí. Cada término es una constante, una variable o un producto de una constante y variables. Cada variable se puede elevar a una potencia entera positiva. Ejemplos son y . [30]
  7. ^ Una matriz es una tabla de números, [36] como
  8. ^ Un vector es una matriz de números o una matriz con una sola columna, [37] como
  9. ^ Un conjunto es una colección desordenada de elementos distintos, como números, vectores u otros conjuntos. La teoría de conjuntos describe las leyes y propiedades de los conjuntos. [50]
  10. ^ Según algunas definiciones, las estructuras algebraicas incluyen un elemento distinguido como componente adicional, como el elemento identidad en el caso de la multiplicación. [51]
  11. ^ Algunas de las estructuras algebraicas estudiadas por el álgebra abstracta incluyen operaciones unarias además de operaciones binarias. Por ejemplo, los espacios vectoriales normados tienen una norma , que es una operación unaria que se utiliza a menudo para asociar un vector con su longitud. [52]
  12. ^ Los símbolos como y se utilizan en este artículo para representar cualquier operación que puede parecerse o no a operaciones aritméticas. [56]
  13. ^ Algunas definiciones requieren además que la segunda operación sea asociativa. [63]
  14. ^ Para la segunda operación, suele haber un elemento, correspondiente a 0, que no requiere un elemento inverso. [65]
  15. ^ Las condiciones toman la forma de una cláusula Horn . [72]
  16. ^ Además de las identidades, el álgebra universal también está interesada en las características estructurales asociadas con las cuasiidentidades . Una cuasiidentidad es una identidad que sólo necesita estar presente bajo ciertas condiciones. [o] Es una generalización de la identidad en el sentido de que toda identidad es una cuasiidentidad pero no toda cuasiidentidad es una identidad. Las estructuras algebraicas que comparten todas sus cuasiidentidades tienen ciertas características estructurales en común, lo que se expresa al afirmar que pertenecen a una misma cuasivariedad . [73]
  17. ^ Según algunas definiciones, también es posible que una subálgebra tenga menos operaciones. [78]
  18. ^ Esto significa que todos los elementos del primer conjunto también son elementos del segundo conjunto, pero el segundo conjunto puede contener elementos que no se encuentran en el primer conjunto. [79]
  19. La fecha exacta es controvertida y algunos historiadores sugieren una fecha posterior, alrededor del 1550 a. C. [80]
  20. ^ Algunos historiadores lo consideran el "padre del álgebra", mientras que otros reservan este título para Diofanto. [87]
  21. ^ Una solución general o una solución en radicales es una ecuación algebraica de forma cerrada que aísla la variable en un lado. Por ejemplo, la solución general de ecuaciones cuadráticas de la forma se describe mediante la fórmula cuadrática. La ausencia de soluciones generales no significa que no haya soluciones numéricas. [97]
  22. ^ Las variedades algebraicas estudiadas en geometría difieren de las variedades más generales estudiadas en álgebra universal. [109]

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Fuentes

Enlaces externos