EL COMPORTAMIENTO PERIÓDICO EN LA RELACIÓN DE UNA FUNCIÓN Y SUS DERIVADAS: SIGNIFICADOS A PARTIR DE LA VARIACIÓN

PERIODIC BEHAVIOR IN THE RELATIONSHIP BETWEEN A FUNCTION AND ITS DERIVATIVES: MEANINGS FROM VARIATION

Gabriela Buendía* y Alejandra Ordóñez**

* Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada, Cicata del IPN, México; gbuendia@ipn.mx

** Escuela Bancaria y Comercial, Campus Chiapas. México; anlejandra@hotmail.com

Recepción: Septiembre 30, 2008
Aceptación: Febrero 26, 2009

RESUMEN

En este artículo abordamos la relación entre una función y sus derivadas para funciones periódicas. El objetivo es proponer elementos que resignifiquen dicha relación, a partir de su análisis en un contexto de variación y desde una perspectiva de las prácticas sociales. Hemos estudiado algunos usos de lo periódico en la relación de una función y sus derivadas sucesivas, dentro de contextos de movimientos y de ingeniería en los que se refieren marcos de referencia más amplios que los considerados en el discurso escolar. Es a partir del ejercicio intencional de prácticas como graficar, modelar o predecir que los comportamientos periódicos en las variaciones de las funciones adquieren significación para el quehacer científico.

PALABRAS CLAVE: Variación, periodicidad, primitiva y derivada

ABSTRACT

This article deals with the relationship between a function and its derivatives for periodic functions. The aim is to provide elements that redefinition for the said relationship from its analysis in a context of variation and from a social practice perspective. We have studied some ways the periodic is used in the relationship between a function and its successive derivatives, in the contexts of movement and engineering where reference frameworks are noticeably wider than those considered in school discourse. It is by conducting intentional practices such as graphing, modeling or predicting that periodic behavior in function variations acquires meaning for scientific work.

RESUMO

Neste artigo abordamos a relação entre uma função e as suas derivadas no caso das funções periódicas. O objectivo é propor elementos de ressignificação para a referida relação, a partir da sua análise num contexto de variação e de uma perspectiva das práticas sociais. Temos estudado alguns dos usos do periódico na relação de uma função e das suas derivadas sucessivas no contexto de movimentos e da engenharia, onde existem marcos de referência mais amplos que os existentes no discurso escolar. É a partir do exercício intencional de práticas como representar graficamente, modelar e prever que os comportamentos periódicos nas variações das funções adquirem significado para o saber científico.

PALAVRAS CHAVE: Variação, periodicidade, primitiva e derivada

RÉSUMÉ

Cet article a pour thème la relation entre une fonction et ses dérivées en ce qui concerne les fonctions périodiques. A partir de l'analyse des variations de la fonction et de ses possibles utilisations dans le champ des pratiques sociales, l'objectif de ce travail est de proposer des éléments qui permettront de redéfinir cette relation. Plusieurs utilisations de la périodicité des relations entre une fonction et ses dérivées successives ont été étudiées dans des contextes de mouvements et dans le cadre de l'ingénierie et on démontre que les champs de référence sont plus importants que ceux généralement pris en compte par le discours scolaire. C'est à partir d'exercices pratiques avec pour buts l'élaboration de graphiques, de modèles, de projections que les comportements périodiques dans les variations de fonctions prennent de l'importance pour le travail scientifique.

MOTS CLÉS: Variation, périodicité, primitive et dérivée

La investigación socioepistemológica ha dado evidencia de que el desarrollo de estrategias propias de un pensamiento y lenguaje variacional genera bases de significación para diferentes conceptos de cálculo y precálculo, entre ellos la derivada¹. Estudiar qué es lo que varía –y cómo– en fenómenos cambiantes permite dotar a la derivada de significados que se alejan del manejo de fórmulas de derivación, hecho al cual se suele limitar su enseñanza. En ese marco, el análisis de las variables y de sus variaciones sustenta la propuesta de que el manejo simultáneo y coordinado de las derivadas sucesivas es una condición sin la cual la formación de la idea de derivada deviene frágil (Cantoral y Farfán, 1998; González, 1999).

Bajo esta perspectiva variacional proponemos discutir la relación entre una función y sus derivadas en el marco de las funciones periódicas, ya que dicha relación involucra fenómenos didácticos que atañen tanto a la primitiva y sus derivadas como a la propiedad periódica. Por un lado, lo poco significativa que es la relación entre una función y su derivada provoca que las propiedades de una parezcan ser heredables a la otra. Por ejemplo, si a una función se le suma una constante, ésta permanece en su derivada; en consecuencia, si una gráfica tiene un desplazamiento vertical sobre el eje y, la gráfica de su derivada también se desplaza verticalmente (Aguilar, 1999; Hernández, 2004; González, 1999).

Consideramos que esta falsa herencia también involucra a la propiedad periódica, pues al vivir en el discurso matemático escolar como una propiedad que califica a una función, y no a su comportamiento, resulta común que una implicación del tipo f es periódica o f es periódica sea trivialmente considerada cierta, ya que sólo es pensada en términos del referente obligado para lo periódico: las funciones trigonométricas (ver figura 1).

Por otra parte, hemos identificado que, al caracterizar como periódica o no a una función, es común el uso de argumentos que no explotan la gráfica resultante, sino cómo está variando alguno de sus componentes. La figura 2 muestra que un profesor de matemáticas de nivel superior, califica como periódica a la gráfica por la forma en que varía el tiempo (Buendía, 2005).

Esta investigación nace en la socioepistemología, una aproximación teórica sistémica que refiere la construcción social del conocimiento matemático a través de su naturaleza epistemológica, dimensión sociocultural, planos de lo cognitivo y modos de transmisión vía la enseñanza (Cantoral, 2004). Tal visión nos permitió aproximarnos al análisis de una función y sus derivadas en un escenario periódico desde sus usos en distintas áreas del conocimiento y dar cuenta de las herramientas y argumentos variacionales que se ponen en juego al tratar de dar significado a la relación f — f '.

2. LA PROBLEMÁTICA

En el discurso matemático escolar, la relación entre una función y sus derivadas para las funciones periódicas resulta poco significativa, debido a que se privilegia a los aspectos analíticos asociados. Buendía (2004, 2006) ha señalado que la periodicidad en el discurso matemático escolar, en especial para el caso de las funciones, no está siendo usada como una propiedad que califica a cierto comportamiento, sino se limita a calificar a una determinada función, la trigonométrica, en específico a la función seno. Por ello, el marco de referencia para analizar la veracidad o falsedad de implicaciones como f es periódica f es periódica sólo considera como posibilidad de función periódica a alguna trigonométrica (ver figura 1).

Incluso cuando esa doble implicación se perciba como no trivial, se privilegian los aspectos analíticos formales de la matemática. Por ejemplo, Spivak (1980) presenta a la periodicidad como una propiedad de las funciones en general, no como una propiedad exclusiva de las funciones trigonométricas, presentación que difiere de la mayoría de los libros de texto. Sin embargo, al profundizar en el uso de lo periódico propone sólo ejercicios para analizar qué sucede al derivar o integrar funciones periódicas. La meta es el uso correcto de la definición para demostrarlo:

a) Supóngase que f es diferenciable y periódica, con periodo a (es decir, f(x) = f(x + a) para todo x). Pruebe que f ' es también periódica.

b) Si fes periódica con periodo a e integrable en [0, a], muestre

que f para todo b.

c)   Hallar una función f tal quef no sea periódica, pero f ' sí.

d)   Suponga que f ' es periódica con periodo a. Pruebe que f es periódica si y sólo si f(a) = f(0).

En otro tipo de investigaciones, también reportadas por los autores, la coordinación entre las diferentes representaciones parece favorecer un significado para la función y sus derivadas. Sin embargo, al ser la representación el objetivo de la enseñanza, se evidencia la dificultad del alumno para conectar los elementos propios de cada forma de representación.

Entre sus conclusiones, los autores mencionados señalan que los estudiantes, al trabajar en diferentes contextos, no pueden conectar automáticamente los diferentes procesos vinculados a la derivada; por procesos, ellos se refieren a la derivada como razón, al límite, o a la función. Pareciera que la construcción de la idea de derivada no descansa sólo en la articulación de estructuras conceptuales.

A la problemática sobre el poco significado existente para la relación entre una primitiva y sus derivadas parece aunarse el estrecho marco de referencia para tratar lo periódico. Sobresalen fenómenos didácticos como el señalado en la figura 2, donde las gráficas que presenten algo repetitivo son matemáticamente caracterizadas como periódicas. Esto también sucede en contextos físicos, ya que estaríamos tratando con movimientos que conservan sólo algunas de sus características periódicas: su velocidad es periódica, mientras que la función que describe la distancia recorrida puede no serlo.

3. ANTECEDENTES: VISUALIZANDO LO QUE VARÍA

A lo largo de la investigación para formular una socioepistemología de lo periódico (Buendía, 2004, 2005 y 2006; Buendía y Cordero, 2005), la función de tipo y = ax + b + senx fue presentada como un ejemplo de función que, sin ser periódica, suele ser caracterizada como tal. Esto permitió evidenciar la relación irreflexiva entre gráficas de tipo senoidal o que presentan algún tipo de repetición con gráficas periódicas.

Los argumentos como los que se exponen en la figura 3 refieren que, al tratar con comportamientos como el de dicha función (repetición uniforme en el dominio, patrón de crecimiento en el eje y) es factible percibir que tiene dos componentes: el comportamiento en el eje x y el comportamiento en el eje y .

Por otra parte, ante la pregunta fundamental de la investigación, "¿es periódica?", comenzó a hacerse notorio que, más que centrarse en el objeto periódico (la función) era necesario atender su comportamiento a través de la gráfica: un elemento que pertenecía más al tipo de herramientas que el hombre ocupa al hacer matemática que a un elemento de la estructura matemática en sí (Cordero, 2001). Surgieron respuestas que tendieron a un cierto razonamiento que aludía a la variación presente en la gráfica y del consecuente uso que se da a la propiedad periódica. Mostramos a continuación dos ejemplos (figuras 4 y 5).

Ejemplo 1:

En este ejemplo destaca que la respuesta del profesor no propone una rotación de ejes en un sentido estrictamente matemático, sino postula que sólo se mueva el eje x. Además de evidenciar lo poco significativo que le resulta un sistema de referencia (los ejes cartesianos) propio de una estructura matemática, parecería que está buscando la manera de justificar la periodicidad que él percibe: ajusta un eje de referencia.

La naturaleza de esta idea es un asunto que aborda a profundidad la teoría gestáltica. Uno de sus principios dice que el ser humano tiende a organizar el campo percibido según principios simplificadores; entonces, hay una tendencia a preferir la mejor estructura posible. Por mejor estructura se refiere a características como regularidad, simetría, unidad, armonía, máxima simplicidad, y consideramos que también a la periodicidad. De ahí la tendencia a que las estructuras casi–periódicas sean entendidas como periódicas (Shama, 1998).

La Gestalt implica el retorno a una percepción donde la experiencia inmediata no está viciada por el aprendizaje (Díaz, 2008). En el ejemplo anterior podemos identificar la necesidad de una justificación de acuerdo con la estructura matemática vigente: rotación de ejes, o al menos de uno de ellos, ya que en tal eje se hace patente la forma de repetición que toda función periódica debiera tener.

Por tanto, en esa búsqueda de la mejor estructura posible, apreciar lo que varía y cómo varía, parece ser un argumento que justifica el acomodo un tanto voluntarioso del eje x.

A un estudiante de posgrado se le mostró la gráfica de las funciones f(x) = senx y f(x) = x + senx, y se le pidió que las clasificara como periódicas o no periódicas y que verificara si cumplían o no con la propiedad periódica dada por la igualdad f(x) = f(x+ p). El alumno señaló en primera instancia que ambas funciones eran periódicas y de manera congruente identificó una p sobre la gráfica, de tal manera que la función fuera igual. Y por igual pareció referirse a la forma o trayectoria particular que seguía la gráfica en esos pedazos, sin importar el efecto de la ordenada a cada cambio de p . En este caso, pareciera que hubo una búsqueda de aquello que se repite y al encontrarlo sobre la trayectoria de la gráfica eso justificó –o quizá ratificó– la propiedad periódica de ambas funciones.

Posteriormente, se le pidió al estudiante que obtuviera la gráfica de la función derivada y que, de nuevo, analizara si cumplía o no con la propiedad periódica. Mediante el uso de herramientas de corte gráfico y analítico halló la gráfica de la derivada, p, y concluyó que ambas eran periódicas. De ahí estableció la veracidad de la proposición: f es periódica f ' es periódica.

Cuando el alumno obtiene la gráfica de la derivada de la función y = x + senx, la identificación que realiza en ella de los intervalos p y 2p va a dar lugar a nuevos intervalos periódicos de la derivada. Esto hace pensar que la forma regular como al menos un componente varía (en este caso las abscisas), es suficiente para caracterizar el comportamiento periódico de la función.

3.1. Discusión

El estudio de lo periódico en un contexto de variación identificó un manejo sui generis de aquello que varía y cómo varía. De manera especial, esto fue notorio en el continuo manejo de la función y = ax + b + senx, que tiene la característica de que, mientras ella no es periódica, su derivada sí. Por ello, no resultó sorpresivo que fuera el tipo de función que más comúnmente se catalogara como periódica.

4. ASPECTOS TEÓRICOS Y METODOLÓGICOS

4.1. La relación entre una función y sus derivadas

En la línea de investigación sobre el pensamiento y lenguaje variacional se ha indicado que es factible construir una relación significativa entre una función y sus derivadas cuando se favorece un tránsito entre las variaciones sucesivas, es decir, cuando se puede establecer un uso simultáneo entre la función y sus derivadas. Ello permite que se pueda reconocer en todas ellas la forma de estudiar los cambios sucesivos y así romper con la idea de iteración (González, 1999; Dolores et al 2002).

González (1999) dice que el concepto de derivada se construye sólo si se transita entre las variaciones sucesivas; no se elabora únicamente con la primera derivada como pendiente, ni tampoco como velocidad o como razón de cambio, sino en dirección de las variaciones y lo que las caracteriza. Otra idea de cambio puede analizarse en una gráfica que no tenga expresión matemática y se pregunte por los signos de la función, así como de la primera, segunda y tercera derivadas. Si se piensa en un nivel más general pueden formularse problemas de forma verbal, de tal modo que el pensamiento de los estudiantes imagine comportamientos.

Con el mismo objetivo de dar significados a la relación entre una función y sus derivadas, la investigación también ha recurrido al uso de gráficas que representan una forma de argumentación propicia para la construcción del conocimiento matemático. En una situación de transformación, Cordero (2001) indica que la función y = f(x) en la relación entre la derivada y primitiva puede ser concebida como una instrucción que organiza comportamientos entre ellas, ya que la función no se percibe como un proceso previo a la gráfica. Aquí, la gráfica de f permite organizar los comportamientos de la gráfica de f ' y viceversa. Para ello se tiene que pasar significativamente por los registros gráfico, algebraico e incluso el tabular.

Dicho proceso no se fundamenta en conseguir la representación de una función en forma gráfica, sino en hacer de la gráfica una forma de argumentación en sí misma. Suárez (2008) propone al uso de las gráficas para resignificar especialmente las situaciones que tengan que ver con la variación y el cambio, pues la graficación, en el seno de la modelación, ofrece un medio que soporta el desarrollo del razonamiento y la argumentación. Esta idea se integra a la propuesta socioepistemológica respecto a la necesidad de adquirir, previo al estudio del cálculo, un lenguaje gráfico que posibilite la transferencia de campos conceptuales virtualmente ajenos a causa de las enseñanzas tradicionales, estableciendo un isomorfismo entre el lenguaje algebraico y el gráfico (Cantoral y Farfán, 1998).

La búsqueda socioepistemológica para dar sentido a la derivada deja de lado a aproximaciones didácticas que buscan adquirir el concepto de derivada a través de su definición como límite de un cociente, o que la presenten en términos de sus aplicaciones, pues no consideran a la actividad que rodeó, acompañó y dio significado a la derivada en su contexto de origen. Por tanto, no se busca trabajar con la derivada y sus estructuraciones conceptuales, sino modelar, medir, aproximar o calcular en situaciones de variación para generar la necesidad de una herramienta que explique y resuelva dichas situaciones (Montiel, 2005).

Al seno del paradigma en el que se reconoce el carácter social de la matemática, la socioepistemología centra su atención en el papel de las prácticas sociales para construir el conocimiento matemático y las reconoce como normativas de la actividad humana: aquello que hace que los individuos o grupos hagan lo que hacen (Covián, 2005). Una de sus tareas consiste en la formulación de epistemologías de prácticas, las cuales permiten conformar bases de significados para el conocimiento y para su introducción significativa y articulada al sistema didáctico (Buendía y Cordero, 2005).

Una socioepistemología que se ha propuesto para lo periódico (Buendía, 2004, 2005 y 2006) señala a la predicción como una práctica asociada al reconocimiento significativo de tal propiedad. Se reconoce a lo periódico como una construcción social en la que los aspectos analíticos de la periodicidad se nutren de otros de carácter cultural, histórico e institucional.

La práctica de predecir se fundamenta en la idea de describir el estado posterior de un fenómeno, dada una cierta información sobre el estado actual, y su ejercicio intencional al seno de una situación, lo cual provoca una distinción entre la repetición que presenta el fenómeno y cómo se presenta. Al tratar con gráficas de funciones, el ejercicio intencional predictivo obliga a considerar una unidad de análisis que permita realizar una comparación entre un estado visible de la gráfica y el resto. En la identificación y uso de dicha unidad se explicitan el comportamiento en el eje x y en el eje y; al mismo tiempo hay que considerarlos coordinados para poder hacer la predicción remota que se requiera (Vázquez, 2008).

De este modo, se favorece una reconstrucción de significados acerca de lo que es una gráfica o movimiento repetitivos, a través de una distinción en el tipo de repetición que presentan. La resignificación es inducida por la actividad de predecir, ya que cualquier método de predicción se basará en el comportamiento que presente la gráfica. El predecir hará posible distinguir significativamente entre el qué se repite y el cómo se repite, lo cual es necesario para reconocer la naturaleza misma de la propiedad y no del objeto al cual se aplica.

Este énfasis en las prácticas favorece un tránsito articulado y significativo a lo largo del currículo escolar. Mientras que la construcción del objeto matemático (sucesión, función) pudiera anclarse a determinados niveles escolares, la práctica de predicción que da sentido a lo periódico pasa entre los objetos y niveles, desarrollándose situacionalmente.

4.3. Aspectos metodológicos

A partir de los aspectos metodológicos trabajados en las investigaciones del área (Buendía, 2004; Buendía y Cordero, 2005; Cordero, 2006), se propone el siguiente esquema metodológico (figura 6). Por la naturaleza de dichas investigaciones, se parte de reconocer a los fenómenos didácticos relacionados con la propiedad periódica, y en particular para este estudio, su uso en la relación de una función y sus derivadas. La aproximación socioepistemológica ofrece una revisión, una búsqueda de carácter epistemológico que permite referir porqué ocurre lo que ocurre, involucrando diferentes fuentes y tipos de revisiones, desde aquellas que tienen que ver con el desarrollo histórico de la propiedad periódica³, hasta como la que se desea mostrar en este artículo: la búsqueda del uso de dicha propiedad en contextos particulares como la ingeniería.

Con ello, se busca integrar una epistemología de prácticas sobre lo periódico que exponga el papel de las prácticas en la generación de dicho conocimiento. Esta se nutre de otros estudios socioepistemológicos, como aquellos sobre la relación entre una función y sus derivadas que dan evidencia de que los argumentos y contextos variacionales son significativos para construir dicha relación. Las investigaciones en torno a la modelación–graficación también han aportado elementos con relación a las gráficas como sustentos de argumentación, al igual que la relevancia del comportamiento de una gráfica como una herramienta propia del ser humano que hace matemáticas. Entender el uso de la propiedad periódica en la relación de una función y sus derivadas contribuye a enriquecer la epistemología de prácticas propuesta.

Las prácticas mencionadas tendrán que ser reinterpretadas para desarrollarse intencionalmente en el diseño de una situación, tanto para proporcionar evidencia de la viabilidad de la socioepistemología como para llegar a ser un mecanismo de incidencia en el aula. Esto requiere la generación de socioepistemologías cada vez más robustas, con elementos provenientes de distintos tipos de revisiones, que enfaticen el carácter social de la matemática. La situación diseñada será la que dé cuenta del papel de las prácticas para resignificar el saber matemático inmiscuido en el fenómeno didáctico del cual se partió.

Finalmente, el diseño de situaciones será el mecanismo para lograr incidir en la reorganización de la matemática escolar. El papel del profesor y de otras variables involucradas –como el uso de la tecnología– serán determinantes para que las situaciones lleguen al aula. De ahí la importancia de proponer y articular continuamente las socioepistemologías que la investigación en el área genera, ya que son el fundamento de nuestra propuesta didáctica hacia una reorganización de la obra matemática escolar.

4.3.1. Acerca del uso de lo periódico en la relación f — f '

Las explicaciones y propuestas didácticas socioepistemológicas no parten, entonces, del propio dominio matemático, sino de tomar en cuenta aquellas circunstancias que favorecen la construcción del saber. Un modelo que proponga a las prácticas como generadoras de conocimiento matemático ofrece marcos de referencia más amplios que los meramente analíticos marcos tradicionales, donde la matemática se explica desde la matemática misma. En cambio, ahora se reconoce que es en otros dominios científicos y otras prácticas en donde la matemática, especialmente la que vive en el nivel educativo superior, adquiere sentido y significación (Cantoral y Farfán, 2003).

Los grupos humanos que intervienen en los distintos campos de conocimiento crean sus propias organizaciones; en ellas cristalizan sus propios pensamientos, resignificaciones y argumentaciones para que, como dice Cordero (2006), puedan formular sus intenciones, direcciones y consensos. Ese es el uso de lo periódico en la relación f — f ' que queremos entender y reconocer: el conocimiento como una actividad que desarrollan personas específicas en circunstancias específicas (Lave & Wenger, 1991).

La metodología específica que nos ha permitido referir ese uso se basa en la exploración del tipo de argumentaciones y herramientas variacionales que en contextos no matemáticos se ponen en juego. Los hallazgos permitirán fortalecer los elementos que ya hemos citado sobre la socioepistemología de lo periódico y poder generar una epistemología de prácticas cada vez más robusta y articulada, como discutimos en el diagrama de la figura 6.

Estamos frente a una discusión que no trata sobre qué enseñar, sino cómo enseñarlo. La derivada no podría ser vista como una definición de cociente incremental y luego pretender que sea entendida a través de sus aplicaciones –como velocidad o pendiente de rectas tangentes–, sino tendría que ser construida en un contexto de variación, en el que sea la matematización de la variación la que nos lleve al concepto mismo. En este contexto, la primitiva y sus derivadas podrían informar acerca del comportamiento de las otras, sin que dicha relación sea sólo una iteración con su consecuente seguimiento de reglas para poderlas obtener.

Reconocemos una confrontación entre la obra matemática y la matemática escolar. Hay una distinción entre el funcionamiento de una actividad matemática, la que realizan los matemáticos en su carácter de constructores de conocimiento matemático en su comunidad, y la actividad humana, la que efectúa una persona al hacer uso del conocimiento matemático para responder preguntas de su vida diaria o profesional. Si bien en la primera viven los objetos matemáticos en forma explícita y como su objetivo, en la segunda un lenguaje de herramientas es el que permite dar sentido a los objetos, y dependen totalmente del contexto en el que se presenten (Suárez, 2008; Cordero, 2006).

5. EL USO DE LA RELACIÓN f — f ' EN UN ESCENARIO PERIÓDICO

La investigación socioepistemológica refiere el carácter culturalmente situado del conocimiento matemático, ya que lo estudia a través de sus usos en diferentes contextos. Con ello propone una base de significación para el tópico o tópicos matemáticos en cuestión, a fin de integrar una epistemología de prácticas y explicar el papel de las prácticas en la generación del conocimiento matemático.

Ordóñez (2007) hizo una búsqueda de los usos de una función y sus derivadas sucesivas en escenarios periódicos, con el propósito de determinar el papel que jugaban las herramientas y argumentos de corte variacional en su estudio. Los siguientes ejemplos mencionan primero los datos resumidos sobre la referencia en cuestión, y luego el tipo de argumentos o herramientas variacionales que consideramos entran en juego.

Ejemplo 1:

En este escenario de diseño de levas (figura 7), un elemento mecánico que sirve para empujar a otro, el análisis del cambio resulta un punto fundamental a tratar, pues el autor dice que cuando las levas giran a bajas velocidades los cambios de fuerza que generan en la aceleración pueden despreciarse. Sin embargo, a altas velocidades se convertirán en fuerzas que actuarán en el seguidor; por ello, se requiere que el movimiento de la leva no se altere en forma brusca. Esto lleva a considerar que el movimiento tenga derivadas suaves (cambios en los valores de las pendientes de las tangentes). También los significados que propone para la segunda y tercera derivadas están en términos de dar cuenta sobre las variaciones que califican.

Miranda remite continuamente a las gráficas del desplazamiento, velocidad y aceleración, así como a sus expresiones analíticas correspondientes, a fin de sustentar la importancia de la derivada (figura 8). Esto favorece un tránsito entre los contextos gráfico, físico y analítico, donde las gráficas son una herramienta para explicar cómo serán las características del movimiento de la leva diseñada. Con ello descarta el movimiento parabólico para levas de alta velocidad, ya que si bien en apariencia es suave, sus derivadas no lo son.

La seguridad de usar este tipo de movimientos para las levas de altas velocidades se debe a que las funciones que modelan los movimientos armónico o cicloidal tienen comportamientos periódicos que, al ser derivados, se conservan. Es decir, si la función de desplazamiento no es periódica, como en el caso de una leva que presenta un movimiento de ir y venir ascendente, su comportamiento sobre las abscisas sí tiene una repetición propia de lo periódico. Al derivar este crecimiento la variación se mantiene y, en consecuencia, la velocidad y la aceleración son periódicas.

Así, no es suficiente considerar únicamente que el movimiento sea suave; hay que reparar en cómo será la variación del movimiento para que no haya fuerzas que dañen al sistema. El tránsito entre los contextos parece estar fundamentado en la problematización del cambio presente: ¿cómo tiene que cambiar para que el sistema funcione? Los conceptos matemáticos de derivadas sucesivas y los físicos de velocidad y aceleración tienen una base de significación que se basa en la matematización de la variación.

Ejemplo 2:

Dichos autores presentan una distinción entre movimiento periódico y un movimiento armónico, que se representa en forma de seno, lo cual implica que no se está basando en formas senoidales para identificar un movimiento periódico. Se observa que los movimientos periódicos no se limitan a los modelados por funciones trigonométricas, sino a aquellos cuyas características se repiten después de un intervalo de tiempo; dichas características son el desplazamiento y sus variaciones. Vemos que no basta el comportamiento del desplazamiento para determinar que un movimiento es periódico, sino también hay que considerar el de sus variaciones.

Ejemplo 3:

Newton ya había formulado los principios de la mecánica. Su teoría del movimiento estableció las relaciones generales entre fuerzas, aceleraciones, distancias y masas. La naturaleza de su marco epistémico, menciona Muñoz (2006), está centrada en las relaciones funcionales entre variables y sus variaciones, así como en la construcción de sistemas de transformación que permiten pasar de los estados iniciales a los estados finales. Es inherente la noción de predicción en tanto práctica social, así como la necesidad de calcular la diferencia entre los estados finales e iniciales; subyace la noción de acumulación como práctica social detonada por la práctica de predecir. Así, la pregunta que vive en este marco es respecto a cómo calcular la evolución ulterior del sistema de movimiento si son conocidos los valores de los parámetros en un momento dado y en un lugar dado (las llamadas condiciones iniciales).

El desarrollo de nuevas formas de principios mecánicos aplicables a diferentes fenómenos de la naturaleza también hizo aportes al estudio de los movimientos celestes. Cuando los cuerpos en el espacio se atraen, las fuerzas entre ellos –sus aceleraciones, por consiguiente– pueden ser calculadas a partir de sus posiciones relativas. Al sumar las aceleraciones consecutivas o integración se obtienen las velocidades y, a partir de ellas, por medio de una segunda integración, se consiguen los cambios en la posición. Pero las posiciones resultantes de tal procedimiento son a su vez elementos necesarios en el cálculo de las aceleraciones originales, por lo cual estamos frente a la solución de un sistema de ecuaciones diferenciales. Para dos cuerpos la solución fue hallada por Newton, pero para tres o más cuerpos no se podía hallar (Pannekoek, 1989).

En 1889, el rey de Suecia, Óscar II, instituyó una competencia matemática cuyo objetivo era determinar la estabilidad del Sistema Solar, como una variación del problema de los tres cuerpos. El reto consistía en determinar, en cualquier instante, las posiciones y velocidades de tres cuerpos, de cualquier masa, sometidos a su atracción mutua y partiendo de unas posiciones y velocidades dadas. Las ecuaciones involucradas no podían ser resueltas en términos de las funciones conocidas, y dado que el problema ofrecía incluso una infinidad de soluciones, Poincaré centró su atención en las relaciones que había entre estas soluciones (Collette, 1986). De este modo, desarrolló un nuevo enfoque para la búsqueda de soluciones de las ecuaciones diferenciales que gobiernan los movimientos periódicos, donde las posiciones y velocidades están simultáneamente involucradas.

En ese marco adquiere relevancia cómo el matemático caracteriza lo periódico. Según Aluja (2005), la periodicidad del movimiento para el matemático queda determinada si el cuerpo pasa por el mismo punto, a la misma velocidad y en la misma dirección, en un determinado tiempo. El uso que se hace de lo periódico puede verse en la llamada sección de Poincaré: en lugar de seguir con un telescopio toda la trayectoria de un cuerpo alrededor de la Tierra, se enfoca un plano que vaya de norte a sur, desde un horizonte a otro, y que esté alineado con el centro de nuestro planeta. Se toma nota del lugar donde pasa por primera vez, su rapidez y su dirección, y se permanece a la espera sólo enfocando el plano. La periodicidad exige que vuelva a pasar por el mismo punto, a la misma velocidad y en la misma dirección. Lo periódico y sus variaciones son, por tanto, una herramienta de predicción.

La socioepistemología de lo periódico, cuyos elementos se presentaron en uno de los apartados anteriores, propuso a la predicción como práctica asociada al reconocimiento significativo de lo periódico, tanto para las funciones como para otros objetos matemáticos (por ejemplo, sucesiones y fracciones). La identificación y empleo de una unidad de análisis –llamada periodo en el caso de las funciones– es una herramienta que, al desarrollarse en el seno de una práctica de predicción, favorece una distinción significativa entre el qué se repite y el cómo se repite. Esto sienta las bases para construir la propiedad periódica, cuyo sustento de significación no se compone únicamente de estructuras conceptuales, sino de herramientas y prácticas.

A medida que la revisión de carácter socioepistemológico se amplía al considerar otras fuentes, nuevos elementos robustecen el planteamiento original. En primer lugar, sobresale el papel de la visualización al trabajar con gráficas de funciones con cierto comportamiento periódico. Dicha herramienta ayuda a entender qué es lo que está siendo considerado para juzgar a la función como periódica o no, de tal manera que la intuición respecto a lo periódico no sea descartada abruptamente (Arcavi, 2003) y conviva con el manejo de los sistemas de referencia propios del sistema educativo.

Lo periódico es un ejemplo de conocimiento que transita desde lo intuitivo hacia el sistema educativo, trayendo consigo caracterizaciones un tanto cotidianas (lo periódico es algo que se repite), donde podemos reconocer una visión gestáltica sobre la imagen de la gráfica que permite independizarse de los ejes de referencia convenidos para aceptar una nueva mirada hacia lo que se repite. Este reconocimiento tiene conflicto con la formalidad exigida en una estructura matemática, de tal manera que herramientas propias de tal estructura, como la definición formal o la rotación de ejes, aparecen usadas un tanto a voluntad.

Sin embargo, el estudio de esta propiedad en un contexto de variación, en el que vive la práctica de predicción, permite darle significados que reconozcan al hombre haciendo matemáticas y no sólo a su producción matemática final; en ese reconocimiento resulta necesario entender el uso de lo periódico en diversas situaciones, como aquellas que involucran a las derivadas sucesivas.

Asimismo, se puede reconocer cómo la periodicidad de las derivadas, que no implica periodicidad en la función, puede ser relevante al predecir comportamientos. No basta conocer la posición de un cuerpo que parece moverse periódicamente; para poder predecir es necesario saber la velocidad, lo cual es una caracterización del cómo está pasando por el mismo punto una y otra vez. Esto es un elemento que resignifica lo periódico en una contexto de variación.

Finalmente, cabe destacar que el uso de las gráficas en nuestras investigaciones no parece remitirse sólo a la representación de las funciones. Las gráficas en sí mismas parecen ser el desarrollo de un conocimiento que permite trabajar la variación de un movimiento de manera simultánea –y no posterior– a los desarrollos analíticos correspondientes. Las gráficas resultan, además, un argumento central al discutir la forma de repetición que tiene una función, lo cual irá caracterizando lo periódico. El que las gráficas sean herramientas que permiten modelar el cambio intrínseco de las funciones de posición, velocidad y aceleración (Suárez, 2008), hace que la graficación sea un elemento a considerar en la epistemología de lo periódico que estamos proponiendo. El objetivo será favorecer actividades donde se problematicen las situaciones de variación y cambio, planteando preguntas en una gráfica acerca de cómo cambia.

La importancia de esta socioepistemología radica en que da cuenta de la construcción social del conocimiento matemático sobre lo periódico y en que será la base para diseñar situaciones en donde las prácticas serán desarrolladas de manera intencional. Así, la investigación está dando cuenta de que el mecanismo para incidir en el aula es a través de situaciones que reconozcan el carácter social de la matemática.

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NOTAS

¹ Ver, por ejemplo, los trabajos desarrollados por Cantoral (2004) y Dolores, Alarcón y Albarrán (2002).

² El sentido de resignificación en este escrito es de reconstrucción de significados en el ejercicio intencional de prácticas como la predicción.

³ Para más detalle de esta revisión, puede verse Buendía (2006) y Vázquez (2008).