View
216
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
ISSN 2176-1396
SEQUÊNCIAS, GEOMETRIA FRACTAL E EXPRESSÃO GRÁFICA
Keilla Cristina Arsie Camargo1 - CEASL
Simone da Silva Soria Medina2 - UFPR
Grupo de Trabalho - Educação Matemática
Agência Financiadora: CAPES
Resumo
Neste trabalho vamos explorar alguns conceitos relacionados ao ensino de sequências
numéricas para o Ensino Médio e apresentar alguns dos resultados obtidos em sala de aula a
partir de atividades que relacionam formas de representação gráfica em seu escopo. Este
trabalho faz parte das atividades programadas e desenvolvidas junto ao Projeto Matemática do
Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência da Universidade Federal do
Paraná - PIBID/UFPR/Matemática e aplicado junto ao Colégio Estadual Altair da Silva Leme,
parceiro do referido Projeto. Quando trabalhamos com a representação e a visualização de
conteúdos matemáticos, podemos auxiliar o desenvolvimento da habilidade de nossos alunos
de generalizar, de abstrair, de buscar regularidades (padrões) que existem em muitos
fenômenos naturais ou ainda criados pelo homem. Esta habilidade é muito importante na
compreensão de alguns conceitos matemáticos. Falamos aqui de uma possível introdução ao
conteúdo de sequências no Ensino Médio, que precede o estudo de progressões aritméticas.
Os livros didáticos enfocam o estudo das progressões (aritméticas ou geométricas), porém o
aluno necessita fazer observações anteriores a este conteúdo, por exemplo, de quantidades e
padrões geométricos, suas características e regularidades, e como podemos fazer relações com
os números. Exploramos também nas atividades propostas as propriedades de alguns fractais
geométricos, introduzindo assim junto ao ensino de sequências o estudo de uma das
Geometrias não Euclidianas preconizadas pelas Diretrizes Curriculares de Matemática do
Estado do Paraná: a Geometria Fractal. Concluímos que, se o aluno tiver a oportunidade de
observar diferentes padrões poderá chegar às generalizações matemáticas necessárias com um
maior entendimento e apropriação do conteúdo, ou seja, utilizando representações por meio
da linguagem algébrica coerentemente.
Palavras-chave: Sequências. Regularidades. Fractais. Expressão Gráfica.
1 Mestre em Educação em Ciências e em Matemática pela UFPR. Professora do Colégio Estadual Altair da Silva
Leme - Colombo - Paraná - Brasil e Supervisora do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência -
PIBID/UFPR/Matemática. E-mail: keillacamargo@gmail.com. 2 Doutora em Ciências Geodésicas pela UFPR. Professora do Departamento de Expressão Gráfica da
Universidade Federal do Paraná (UFPR). Coordenadora de Área do Programa Institucional de Bolsas de
Iniciação à Docência- PIBID/UFPR/Matemática. E-mail: moni@ufpr.br.
14652
Introdução
Segundo Du Satoy (2013), por toda a história, a espécie humana luta para entender as
leis fundamentais do mundo material. Nós nos aventuramos para descobrir as regras e os
padrões que determinam os objetos que nos rodeiam e sua complexa relação conosco e entre
si. Nosso mundo é feito de padrões e sequências. Eles estão à nossa volta, por exemplo, o dia
se torna noite, paisagens são frequentemente alteradas, animais estão em constante mutação.
Um dos motivos que contribuíram para o início da Matemática foi a busca pelo entendimento
do sentido destes padrões naturais. Os conceitos mais básicos da Matemática, espaço e
número estão arraigados em nosso cérebro. O homem se apropriou destes conceitos básicos e
começou a construir as bases da Matemática. Em algum ponto, o homem passou a identificar
padrões e fazer conexões para contar e ordenar o mundo e com isso um novo universo
matemático começou a surgir.
Nesta busca por padrões a Expressão Gráfica se faz presente, pois podem ser usados
diferentes tipos de imagens, gráficos, ícones, desenhos, códigos visuais entre outros para
representar muitas sequências. A Expressão Gráfica estuda estas formas de representação, na
busca de apresentar, visualizar, comunicar ideias e conceitos, diversificando a linguagem.
De acordo com as Diretrizes Curriculares de Matemática (2008), o estudo das
sequências e mais especificamente das progressões aritméticas e geométricas, faz parte do
conteúdo estruturante Funções do Ensino Médio. As abordagens destes conceitos:
[...] devem ser ampliadas e aprofundadas de modo que o aluno consiga identificar
regularidades, estabelecer generalizações e apropriar-se da linguagem matemática
para descrever e interpretar fenômenos ligados à Matemática e a outras áreas do
conhecimento. O estudo das Funções ganha relevância na leitura e interpretação da
linguagem gráfica que favorece a compreensão do significado das variações das
grandezas envolvidas (p. 59).
Diz ainda o documento que, ao estudar as sequências, é preciso generalizar as ideias
para a determinação de expressões gerais e reconhecer particularidades que remetam,
especialmente, aos conceitos de progressões aritméticas e geométricas.
Pretendemos, com este trabalho, fazer este caminho: buscar padrões a partir de certas
sequências, especialmente àquelas referentes a alguns fractais geométricos e de suas
representações para auxiliar neste processo de fazer abstrações e generalizações, habilidades
tão importantes no fazer matemático, buscando na Expressão Gráfica um meio para facilitar a
compreensão dos conceitos, ou seja, “tendo como ferramenta elementos gráficos que motivem
14653
o seu aprendizado e a visualização dos seus conceitos, explorando as informações que são
transmitidas por meio das imagens” (CAMARGO, 2012, p. 90).
Sobre a metodologia, trabalhamos com duas turmas de 1º ano do Ensino Médio do
Colégio Estadual Professor Altair da Silva Leme, localizado na cidade de Colombo – PR,
sendo este uma das instituições parceiras do Projeto Matemática do Programa Institucional
de Bolsas de Iniciação à Docência da Universidade Federal do Paraná -
PIBID/UFPR/Matemática. Apresentamos alguns tipos de sequências geométricas, motivando
a busca de padrões e generalizações feitas pelos alunos, preparando então para introduzir
conceitos da geometria fractal e a realização de atividades sobre fractais geométricos.
Sequências matemáticas
Sequência é definida como um encadeamento de fatos ou eventos que se sucedem no
espaço ou no tempo. Podemos perceber em nosso cotidiano que certos fatos ou eventos
seguem uma determinada ordem, ou seja, obedecendo a uma determinada sequência. Por
exemplo, os meses do ano, obedecem sempre a mesma ordem, Janeiro é o mês 1, Feveveiro é
o mês 2, Março é o mês 3 e assim por diante, até chegar em Dezembro que é o mês 12.
Verificamos então que uma sequência é uma sucessão de termos, podendo estes
termos serem palavras, objetos, ícones, números, etc. Em Matemática, os termos de uma
sequência normalmente são números e a este conjunto de números chamamos de sequência
numérica, podendo ser finita ou infinita. Em sala de aula apresentamos aos alunos as
sequências relacionadas aos números quadrangulares e triangulares, trazendo primeiramente,
alguns fatos históricos. Foi falado sobre Pitágoras, matemático ilustre, reconhecido
principalmente por causa do seu teorema sobre triângulos, porém outras descobertas são
creditadas a ele, como a dos números quadrados perfeitos.
Bellos (2011) cita que uma prática comum na antiguidade era contar pedrinhas (que
em latim significa calculus). Para criar um quadrado é preciso que as pedras fiquem dispostas
igualmente em linhas e colunas (Figura 1). Por exemplo, para compor um quadrado com três
linhas e três colunas, usamos nove pedrinhas. Pitágoras percebeu que existiam excelentes
padrões em seus quadrados. O quadrado de dois (4) era a soma de 1 e 3; o quadrado de 3 (9),
era a soma de 1, 3 e 5; o quadrado de 4 (16), a soma de 1, 3, 5 e 7, ou seja, o quadrado de um
número, era a soma dos primeiros n números ímpares. Podemos também chamar esta
sequência de números (1, 4, 9, 16...), de números quadrangulares.
14654
Figura 1: Números Quadrangulares
Fonte: Bellos (2011, p. 89)
Enzensberger (2005) apresenta alguns tipos de sequências, entre elas a dos números
triangulares (Figura 2). Cada elemento desta sequência forma triângulos e apresenta também
um padrão interessante: a partir do segundo termo, cada triângulo é formado somando o
número a que se refere a posição da fila com o termo anterior: o segundo tem 2 números a
mais, 1+2=3; o terceiro tem exatamente mais 3, 3+3 = 6; o quarto tem mais uma fileira de 4
números: 6+4 = 10. E temos a sequência (1, 3, 6, 10, 15, 21, 28, 36, 45...).
Figura 2: Números Triangulares
Fonte: Enzensberger (2005)
Enzensberger (2005) ainda mostra o que acontece quando somamos dois números
triangulares seguidos: 1+3 = 4; 3+6 = 9; 6+10 = 16; 10 + 15 = 25. O que temos é a sequência
dos números quadrados perfeitos, ou a sequência de números quadrangulares (4, 9, 16, 25...).
Sequência de Fibonacci
Dando continuidade ao estudo das sequências, falamos sobre Leonardo Fibonacci,
matemático italiano que descreveu a sequência matemática que leva seu nome: sequência de
Fibonacci (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, ...). Tal sequência é infinita e constitui uma sucessão
de números inteiros e aparece em diversos fenômenos ou elementos da natureza ou ainda em
obras criadas pelo homem, como por exemplo, na concha do caramujo, nas sementes do
girassol (Figura 3), no rabo contraído do camaleão ou no Pantheon.
14655
Figura 3: Girassol e a Espiral de Fibonacci
Fonte: Zahn (2011)
Toda sequência pode ser escrita por meio de uma lei de formação que caracteriza
matematicamente a determinação de cada elemento desta sequência. A lei de formação da
sequência de Fibonacci é relativamente simples, onde cada elemento, a partir do terceiro, é
obtido a partir da soma dos dois anteriores. Podemos relacionar a Sequência de Fibonacci,
segundo Zahn (2011), com o Triângulo de Pascal3 (Figura 4).
Figura 4: Triângulo de Pascal e a Sequência de Fibonacci
Fonte: Zahn (2011, p. 11)
Enzensberger (2005) mostra que existe um padrão entre a sequência de Fibonacci e os
números quadrangulares: por exemplo, considere o quarto número de Fibonacci e determine
seu quadrado: 3 e 3² = 9. Agora, o mesmo com o próximo número: 5 e 5² = 25. Somando os
dois teremos 34. Outro número de Fibonacci. E este número está na nona posição (4+5). O
autor usa também o Triangulo de Pascal (Figura 5) para mostrar outras sequências.
3 Trata-se de uma disposição geométrica de números binomiais.
14656
Figura 5: Sequências no Triângulo de Pascal
Fonte: Enzensberger (2005, p. 134)
Depois de apresentada a imagem das sequências numéricas do Triângulo de Pascal,
começamos a instigar os alunos a relatarem quais sequências conseguimos obter: verificamos
que ao lado dos números 1, aparecem a sequência dos números naturais. Ao lado destas, os
números triangulares. Somando cada número das linhas, teremos a sequência das potências de
2: 1 (2°); 1+1 = 2 (2¹); 1+2+1 = 4 (2²); 1+3+3+1 = 8 (2³) e assim por diante: 16, 32, 64.
Somando cada número das diagonais, teremos a sequência de Fibonacci: 1, 1, 1+1 = 2, 2+1 =
3, 1+3+1 = 5, 3+4+1 = 8...
Se pintarmos os números ímpares no Triângulo de Pascal, temos o triângulo de
Sierpinski (Figura 6), o qual motivou a introdução da Geometria Fractal aos alunos.
Figura 6: Triângulo de Pascal e o Triângulo de Sierpinski
Fonte: Enzensberger (2005)
Geometria Fractal
Segundo Barbosa (2005), nas últimas décadas começou-se a investigar uma nova
Geometria. Ao estudo destas novas entidades geométricas foi dado o nome de Fractais, pelo
seu iniciador, Benoit Mandelbrot. Segundo Camargo (2012):
14657
A preocupação inicial foi de mostrar que a Matemática Pura abrangia uma vasta riqueza de possibilidades quando aplicadas às estruturas presentes na Natureza, pois
muitos fenômenos e formas que aparecem na Natureza não podem ser explicados
pela Matemática Tradicional, precisando de uma Matemática capaz de descrever
estes fenômenos e caracterizá-los (p. 74).
Barbosa (2005) acredita que o ensino da Geometria Fractal é necessário pelas
seguintes razões: é possível fazer conexões com várias áreas do conhecimento; é capaz de
modelar novas formas e assim possibilita o desenvolvimento de muitos projetos e atividades
relacionadas com outras disciplinas, ajudando na compreensão de fenômenos que ocorrem em
diferentes ambientes; muitos objetos fractais podem ser estudados em ambientes
computacionais, promovendo sua difusão e acesso e ainda promove a curiosidade e a
sensação de surpresa diante da “desordem ordenada”, entendendo que mesmo no caos é
possível encontrar regularidades.
Escolhemos alguns fractais geométricos, como o Triângulo de Sierpinski e a Curva de
koch, para explorar, em sala de aula, o conceito de sequências, promovendo a pesquisa de
padrões e regularidades e formulando generalizações.
Explicamos cada um deles, apresentamos imagens, vimos como são construídos e
então passamos a fazer as investigações sobre as sequências relacionadas a estes fractais, seu
termo geral, área, perímetro e dimensão fractal, porém, antes de iniciarmos a investigação
sobre estes fractais, propomos aos alunos algumas atividades sobre sequências de algumas
figuras que serão apresentadas nos resultados.
O Triângulo de Sierpinski (Figura 7) leva este nome em homenagem a Waclaw
Sierpinski, matemático polonês que o definiu. É obtido por meio de um processo iterativo de
divisão de um triângulo equilátero em quatro triângulos semelhantes. Verificamos que a
figura obtida é auto-semelhante, ou seja, que as partes da figura são cópias reduzidas de toda a
figura.
Figura 7: Triângulo de Sierpinski
Fonte: Barbosa (2005)
Segundo Barbosa (2005), pouco se sabe sobre Helge Von Koch, matemático polonês,
porém sabe-se que entre 1904 e 1906 publicou um trabalho sobre uma curva que leva o seu
nome: a Curva de Koch (Figura 8). Para construir uma Curva de Koch considera-se
14658
inicialmente um segmento de reta. Em seguida, divide-o em três partes iguais e sobre o terço
central constrói-se um triângulo equilátero sem considerar a sua base. E assim
sucessivamente.
Figura 8: Curva de Koch
Fonte: Barbosa (2005)
Algumas atividades e resultados apresentados pelos alunos
Apresentamos a seguir algumas das atividades que foram propostas e alguns
resultados obtidos pelos alunos. A primeira atividade (Ilustração 1 e Ilustração 2) foi
relacionada ao Triângulo de Sierpinski e a segunda (Ilustração 3 e Ilustração 4) à Curva de
Koch. Outra atividade apresentada foi relacionada a Curva de Peano (Ilustração 5 e
Ilustração 6). Na sequência aplicamos uma atividade desenvolvida (Ilustração 7 e
Ilustração 8), que foi adaptada da prova da 1ª fase da 10ª Olimpíada Brasileira de Matemática
das escolas Públicas - OBMEP. Seguindo o mesmo propósito apresentamos uma atividade
com a primeira e a segunda iterações de um pentaminó (Ilustração 9).
Ilustração 1: Atividade de Sequências com Triângulo de Sierpinski
Escreva a sequência (até o oitavo termo) que está relacionada ao número de segmentos do Triângulo de Sierpinski e complete a tabela a seguir:
Fonte: As autoras
Interação (nível) 0 1 2 3 n
Número de triângulos
Perímetro de cada triângulo
Perímetro total
Área
14659
Ilustração 2: Resposta da Atividade com Triângulo de Sierpinski
Fonte: As autoras
Ilustração 3: Atividade de Sequências com Curva de Koch
Escreva a sequência de número de segmentos da Curva de Koch e complete a tabela a seguir:
Fonte: As autoras
Ilustração 4: Resposta da Atividade com Curva de Koch
Fonte: As autoras
Interação (nível) 0 1 2 3 n
Número de segmentos
Comprimento de cada segmento
Comprimento total da Curva
14660
Ilustração 5: Atividade de Sequências com Curva de Peano
Desenhe a próxima iteração desta sequência:
Fonte: As autoras
Ilustração 6: Resposta da Atividade de Sequências com Curva de Peano
Fonte: As autoras
Ilustração 7: Atividade adaptada da 10ª OBMEP
Desenhe a próxima iteração desta sequência:
Fonte: As autoras
Ilustração 8: Resposta da Atividade adaptada da 10ª OBMEP
Fonte: As autoras
14661
Ilustração 9: Atividade de Sequências com Pentaminó
Fonte: As autoras
Considerações Finais
A realização destas atividades permitiu que os alunos conseguissem fazer
generalizações a partir das imagens dos fractais propostos, já fazendo a introdução sobre a
progressão geométrica cujo padrão consiste em multiplicar um número constante ao termo
anterior para a obtenção do próximo termo da sequência. Além disso os alunos fizeram as
generalizações que eram sugeridas a partir destas imagens, tornando este processo mais
acessível para eles. Este processo foi gradual, já que iniciamos este trabalho apresentando os
números triangulares e quadrangulares, seguindo pela Sequência de Fibonacci, onde os alunos
já foram motivados com as sequências geométricas e a busca por seus padrões, para então
falar de fractais. A representação gráfica dos fractais foi um recurso utilizado na busca de que
as informações contidas nas imagens utilizadas pudessem facilitar a compreensão dos
conceitos, permitindo que o próprio aluno gerasse a sua representação interna do
conhecimento a partir das representações visuais, fazendo a apropriação destes.
REFERÊNCIAS
BARBOSA, R. M. Descobrindo a Geometria Fractal para sala de aula. Belo Horizonte:
Autêntica, 2005.
BELLOS, A. Alex no país dos números. São Paulo, Companhia das Letras: 2011.
CAMARGO, K. C. A. A Expressão Gráfica e o Ensino das Geometrias não Euclidianas.
144 f. Dissertação (Mestrado em Educação em Ciências e Matemática) – Setor de Ciências
Exatas, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2012.
DU SATOY, M. (2013). Os Mistérios dos números: uma viagem pelos grandes enigmas
da Matemática. Tradução George Schlesinger. Rio de Janeiro: Zahar.
Recommended