¿Se pueden crear Matemáticas desde la Didáctica de la Matemática? Tomás Ortega Didáctica de la matemática. Universidad de Valladolid. España [email protected] Resumen El presente trabajo se enmarca en dos de las investigaciones llevadas a cabo sobre el concepto de límite y sobre la demostración matemática. En la primera se plasmó una nueva conceptualización de límite funcional, más dinámica que la conceptualización métrica, tan rigurosa como esta última, que no está sujeta al formalismo impuesto por la sintaxis de la manipulación simbólica, y que favorece la interpretación del concepto. En la segunda se analizan los “esquemas de prueba” de los alumnos, los procesos y los enunciados matemáticos, teniendo en cuenta tanto el razonamiento como las funciones de la demostración. Se aplican las conclusiones de ambas investigaciones para establecer algunos resultados matemáticos. Resumo O presente trabalho tem como marco duas pesquisas levadas a cabo sobre o conceito de limite e sobre a demostração matemática. Na primeira criou uma nova conceitualização de limite funcional, mais dinâmica que a conceitualização métrica, tão rigorosa como esta última, que não esta presa ao formalismo imposto pela sintaxe da manipulação simbólica, e que favorece a interpretação do conceito. Na segunda se analisam os “esquemas de prova” dos alunos, os processos e os enunciados matemáticos, tendo em conta tanto o raciocinio nalização como as funções da demonstração. Se aplicam as conclusões de ambas pesquisas para estabelecer alguns resultados matemáticos. 1. El origen de las investigaciones Las dos investigaciones citadas tienen su origen en problemas educativos de aula, y tanto los Profesores-Investigadores, que son profesores de los grupos experimentales, como el Director de las investigaciones pensaban que la mayor parte de los alumnos no entienden ni el concepto de límite ni la mayor parte de las demostraciones que se hacen en las aulas. Ya en la década de 1980 T. Ortega construyó un programa de ordenador1 específico 1 Programa hecho en Turbo Basic para trabajar con ordenadores Amstrad 8086. Este programa fue presentado en las XIII Jornadas Hispano-Lusas de Matemáticas de Valladolid (España) en 1988. para el aprendizaje del concepto de límite, programa que trabajaba de forma numérica y gráfica la definición del concepto, y que daba paso al formalismo métrico en los términos de ε y δ, y al teorema de caracterización, porque el autor era consciente de las dificultades que tenían los alumnos al respecto. Años más tarde, S. Blázquez también cree en esta hipótesis sobre las dificultades de los alumnos y ambos piensan que el concepto de límite es uno de los conceptos matemáticos más complicados de todos los niveles educativos, supuesto que, en cierto modo, es contrastado por T. Ortega con licenciados en matemáticas, que en su mayor parte, tras un período no muy largo de inactividad2, tienen serias dificultades para reproducir la definición conceptual métrica con rigor. Así las cosas, nos pareció interesantísimo investigar esta problemática y con este fin se desarrolló un trabajo de tesis doctoral, que fue defendida brillantemente en el año 2000, Blázquez. (2000), que constituye el documento base de las aportaciones sobre esta investigación. Nuestra primera creencia sobre el no aprendizaje acerca de las demostraciones de “matemáticas básicas” también tuvo lugar en el aula, y data de la década de 1990. T. Ortega preguntó a 83 licenciados (Matemáticas (21), Físicas (27), Economistas (15), Ingeniería (11), y Químicos y Biólogos (11)) si la demostración que da P. Puig (1980) sobre el teorema de Tales (los alumnos la tenían escaneada en una hoja) era ciertamente una demostración o no. (El enunciado del teorema y la correspondiente demostración que se les mostró se reproducen en el ANEXO I). Curiosamente, el mayor número de respuestas negativas, 12, se produjo en los licenciados en Matemáticas y, aunque hubo 43 respuestas afirmativas, las explicaciones que dieron la mayor parte de los licenciados en ambos casos para justificar su elección eran totalmente disparatadas. M. Ibañes, tras su larga experiencia como docente, tenía una creencia similar y nos propusimos averiguar cómo se producían estos aprendizajes en los alumnos, dando lugar a un trabajo de tesis doctoral que culminó con éxito en el año 2001, Ibañes (2001), que constituye el documento base de las aportaciones sobre esta investigación. 2. Metodología Si bien la Investigación-Acción (I-A) tiene sus orígenes en los años cuarenta de la mano de Kurt Lewin en Norteamérica con fines sociales, a finales del pasado siglo se ha aplicado con éxito en varios países para investigar fenómenos educativos. A nivel teórico esta metodología ha sido ampliamente tratada en la literatura, entre otros autores, por Kemmis y McTaggart (1988), Hopkins (1999), Elliot (1990), y en España G. Peréz (1994). Esta autora indica que la Investigación-Acción (I-A) es una metodología muy apropiada cuando el objeto de estudio son los problemas prácticos tal 2 Se trata de varias encuestas a alumnos del Curso de Aptitud Pedagógica (CAP) que tienen que hacer los alumnos en España para poder opositar al Cuerpo de Profesores de Educación Secundaria. Estos alumnos se licencian en junio, septiembre o incluso en la convocatoria extraordinaria de enero y hacen el curso del CAP en febrero. Incluso en este período los alumnos suelen estar estudiando los temas de la oposición. 2 y como ocurren en su propio contexto y, entre muchas otras cosas, asegura que, además de analizar la realidad, ayuda a mejorar los fenómenos educativos. Estos autores fundamentan su validez en triangulaciones y en saturaciones, pero el problema de la validación está implícito en toda investigación educativa sobre aspectos cognitivos del aprendizaje de los alumnos. Blázquez, Ibañes y Ortega (2005) afirman que las informaciones que aportan las entrevistas a parejas de alumnos y los debates en el aula complementan la indagación, formulan los principios que deben cumplir los debates en el aula e indican que ellos desconocen que los debates en el aula con alumnos se hayan utilizado en investigación educativa en trabajos con el planteamiento, desarrollo y finalidad de los realizados por ellos en la investigación desarrollada sobre la demostración matemática, y que poco tienen nada que ver con la Teoría de las Situaciones, con el marco APOE de Dubinski y colaboradores, y con los debates que describen Lezama y Farfán (2001). Nosotros sostenemos que tanto las entrevistas como los debates tienen que ser realizados por alguien que conozca las hipótesis de trabajo de la investigación, que sea un especialista en los contenidos matemáticos que se utilizan, que conozca las producciones de los alumnos sobre los que se ha hecho el análisis y las correspondientes reflexiones, y también a los propios alumnos. Considerando estos principios la persona ideal en ambos casos es el P-I. Conviene que las entrevistas se hagan a parejas de alumnos para que haya triangulaciones con el entrevistador, y los alumnos deben ser elegidos atendiendo a sus respuestas a cuestionarios previos y a la facilidad de palabra (para que expresen sus pensamientos de forma natural). En los debates el P-I hará de moderador y deben tener dos fases: en la primera los alumnos elegidos (entre los que dieron soluciones diferentes en sus tareas) defenderán sus producciones unos frente a otros y en la segunda intervendrán todos los alumnos de la clase. Tanto los debates, primero, como las entrevistas, después, se graban en su totalidad y así el Director de la investigación se convierte en el tercer vértice de la triangulación ,y junto con el P-I analizarán todas las intervenciones. 3. Fundamentos de las investigaciones En ambos casos se hizo un análisis histórico y curricular, tras el cual se procedió a la búsqueda de los trabajos de investigación más relevantes que tenían que ver con el concepto de límite y con la demostración. En el primer caso se consideraron las siguientes fuentes: - Investigaciones sobre concepciones de límite funcional. - Investigaciones sobre errores y dificultades del concepto de límite. - Investigaciones sobre el concepto de límite en los manuales. 3 - Investigaciones sobre la enseñanza del concepto de límite. Apoyados en estas investigaciones elegimos un marco teórico para ayudarnos en el análisis de las tareas de los alumnos. En concreto, básicamente consideramos la teoría de la Imagen Conceptual de Tall y Vinner (1981) y Vinner (1991) con la que se trata de explicar cómo se forma la imagen conceptual de los alumnos a través de la definición del concepto, y los Actos de Comprensión de Sierpinska (1985) como modos de conocimiento en oposición a los obstáculos. Aplicamos la teoría de la Imagen Conceptual en el análisis de las producciones de los alumnos en las tareas propuestas en la experimentación, viendo el grado de aplicación de la definición conceptual correspondiente, Blázquez y Ortega (2001). Análogamente, hemos considerado a los Actos de Comprensión para analizar las tareas de los alumnos buscando en sus respuestas identificaciones, discriminaciones, generalizaciones y síntesis, Blázquez y Ortega (2001). En el caso de la demostración también se hizo una clasificación de las fuentes en cuatro bloques: - Trabajos generales sobre el aprendizaje de la demostración. - Trabajos sobre las funciones de la demostración. - Trabajos sobre niveles de demostración. - Trabajos sobre la demostración en el aula. Las investigaciones de Harel y Sowder (1998) y de “de Villiers” (1993) fueron las más relevantes para nosotros. En cierto modo Harel y Sowder sirvió como punto de partida y ambas aportaron el marco teórico que utilizamos en esta investigación. Harel y Sowder consideran la demostración matemática en sentido amplio y en sus investigaciones utilizan el concepto de Esquema de Prueba. Para estos autores este concepto es totalmente subjetivo, y consideran que el Esquema de Prueba de un alumno es todo aquello que constituye convencimiento y persuasión para dicho alumno. Con este criterio establecen la siguiente clasificación de los mismos: de convicción externa, inductivos, transformacionales y axiomáticos. Por su parte, de Villiers considera que la Demostración cumple cinco funciones (verificación, explicación, sistematización, descubrimiento y comunicación) que han sido consideradas en la investigación desarrollada. En las descripciones que hago sobre las aportaciones de estas investigaciones, no aporto datos empíricos (todos ellos reproducibles y contrastados) porque el objetivo del presente capítulo es mostrar cómo desde Didáctica de la Matemática se pueden crear matemáticas, como se crean y como están relacionadas con la práctica educativa y con la investigación. 4 4. Aportaciones sobre el concepto de límite Se realizó un trabajo de campo durante tres años trabajando los registros verbales, numéricos, gráficos y simbólico-algebraicos, y se desarrolló una conceptualización de límite funcional basada en la idea de aproximación óptima (tendencia), evitando el subjetivismo y prescindiendo del formalismo de la terminología ε−δ. Es ésta: Definición: Sea f una función y a un número real, el número L es el límite de la función f en el punto a, y se escribe lím f ( x ) = L (se lee “el límite de f(x) cuando x tiende a a es x→a L), si cuando x tiende a a, siendo x distinto de a, sus imágenes, f(x), tienden a L. Otra escritura equivalente a la anterior es ésta: lím f ( x ) = L si para cualquier x→a aproximación de L, distinta del propio L, existe un entorno reducido de a tal que las imágenes de todos los puntos del entorno reducido mejoran dicha aproximación (Todas esas imágenes están más cercanas a L que dicha aproximación3). De las conclusiones relacionadas con esta conceptualización, que son muchas, por citar algunas destacan las siguientes: - El tratamiento de límite funcional como aproximación óptima, por una parte, aporta unas herramientas de trabajo más ventajosas que las concepciones ingenuas basadas en simples aproximaciones y, por otra, es comprendida por los alumnos mejor que la definición métrica, Blázquez, S. y Ortega, T. (2001). - Si se quiere utilizar la concepción formalista ε−δ, es conveniente que ésta se introduzca después de que los alumnos comprendan la conceptualización como aproximación óptima, pero ésta última aporta el rigor necesario para establecer las propiedades asociadas al concepto sin ningún tipo de ambigüedad, Blázquez y Ortega (2001). - Es más interesante la comprensión del concepto que los cálculos algorítmicos y en esa comprensión es importantísimo el uso de los cuatro registros y de las traducciones de uno a otro, Blázquez y Ortega (2001). - De todos los registros que se utilizan en la docencia (verbal, numérico, gráfico y simbólico), el gráfico es el que prefieren los alumnos y, además, como señalan Blázquez y Ortega (2001), la visión global del proceso de identificación del límite es más comprensible en el registro gráfico y numérico que en la algebraico. Este resultado, en cierto modo, contradice las aseveraciones de varios autores de renombre internacional, quizás porque en estos casos se haya descuidado la instrucción basada en el registro gráfico y los alumnos se han quedado con interpretaciones gráficas más próximas al dibujo que al concepto y, tratando de 3 Una explicación detallada puede verse en Blázquez y Ortega (2002), donde previamente se describen las interpretaciones básicas de aproximación y tendencia. Como ejemplo citemos que 1, 1’9, 1’99, … es una sucesión que se aproxima a 1050, pero no tiende a 1050. 5 paliar este error didáctico, Robinet (1983) propone una didáctica del concepto de límite basada en un estudio gráfico de funciones elementales. 4.1. Aplicaciones En la evolución de la investigación el equipo investigador crea unas interpretaciones gráficas del concepto de límite que, hasta ahora, no se habían utilizado. Son las que aparecen en las figuras adjuntas 1, 2 y 3. Proceso Aproximación L L B C A D L y=f(x) ( a Figura 1. Dinamismo a ) Figura 2. Proceso a Figura 3. Entrada-salida Ninguna de las tres figuras presentadas tiene representada función alguna, lo que ya es un signo de distinción de las figuras que suelen presentar los textos de análisis matemático. La primera expresa el dinamismo que está ligado a la idea de aproximación como tendencia; la segunda, hace referencia al concepto como proceso (identificado con un garabato), en el que intervienen la función, el punto, el límite y los entornos; la tercera tiene más que ver con la representación gráfica del concepto, e indica la entrada y la salida de la gráfica de la función en el rectángulo ADCB. Este rectángulo se construye con la intersección de la banda del intervalo de aproximación al límite y de la banda del intervalo de aproximación al punto. En este caso, L es el límite si fijada una aproximación arbitraria de L, que se proyecta por la banda horizontal en AB y DC, existe una aproximación de a, que se fija en el eje de abscisas con el intervalo, y se proyecta por la banda vertical en AD y BC, tal que la gráfica de la función forzosamente tiene que entrar en el rectángulo ADCB por AB y salir de él exclusivamente por DC, independientemente de cómo sea la función en su interior. Aparte de considerar otras representaciones gráficas, con esta última se evita que la relación entre intervalos esté ligada a una función particular, que es lo que ocurriría si se representa una curva concreta. En el gráfico de la figura 3 las flechas expresan los segmentos por donde deben entrar y salir las curvas, pero no una curva en particular. Precisamente lo que se quiere evitar es la asociación directa de los puntos del dominio con los del conjunto imagen mediante una función particular, aunque esté dada por una gráfica arbitraria (es fácil indicar cómo es el comportamiento cuando se trate de límites laterales). 6 Con el fin único de ilustrar como se puede aplicar esta conceptualización, a continuación se presentan tres teoremas y sus correspondientes demostraciones. Han sido realizadas por Blázquez y Ortega, como otras más que, sin duda, podrían ser hechas por cualquier persona que hubiese aprendido realmente esta conceptualización, y son una muestra de lo “fácil” que llega a ser su aplicación. Prueba del teorema de unicidad. Suponiendo que l1 y l2 sean dos límites distintos de f en x=a, entonces l1<l2 o bien l2<l1 y poniendo m=(l1+l2)/2, en el primer caso, l1<m<l2 y, en el segundo, l2<m<l1. Suponiendo que se cumple el primer caso, como m es una aproximación de l1, existirá un entorno reducido de a, tal que todas sus imágenes mejoran la aproximación fijada por m y, por tanto, todas sus imágenes serán menores que m. Análogamente, como m también es una aproximación de l2, existirá otro entorno reducido de a, tal que todas sus imágenes mejoran la aproximación dada por m y, por tanto, todas sus imágenes serán mayores que m. En consecuencia, todas las imágenes del entorno intersección son a la vez menores y mayores que m, lo que es imposible y, por tanto, es falso que l1<l2. Análogamente se establece la imposibilidad de que l2<l1 y, en consecuencia, l1=l2. l2 m l1 B’ B-A’ C’ D’-C De una manera más simple y considerando la situación de la figura 4, las imágenes tienen que ser mayores que m, por se m una aproximación a l2 y menores que m por ser m una aproximación a l1,… Considerando el punto medio, m, como aproximación a los dos límites, los rectángulos de las bandas horizontales AB y A´B´ son disjuntos, cualesquiera que sean sus bases, y, por tanto, no es posible que la a gráfica de la función entre en el rectángulo por AB y Figura 4. Unicidad por A´B´, y salga por CD y por C’D’ simultáneamente... En la gráfica se ha considerado que l1<l2, pero análogamente se podría haber considerado l2<l1. A D Teorema del signo. Si el límite, L, de la función f en x=a es positivo, existe un entorno reducido de a en el que la función es positiva. Demostración. Suponiendo que el límite, L, de la función f en x=a es positivo, como 0 es una aproximación a L, existirá un entorno reducido de a tal que todas sus imágenes mejoran dicha aproximación y, por tanto, serán positivas4. Teorema de integrabilidad. Una función f, acotada en [a, b], es integrable Darboux si 4 Aunque se trata de aproximaciones muy groseras, es evidente que se puede considerar que cualquier número es una aproximación de cualquier otro 7 para cualquier aproximación positiva de 0 existe una partición, P, de [a, b] tal que la diferencia entre las sumas superiores y las sumas inferiores de Darboux relativas a esa partición mejoran dicha aproximación. Siguiendo la notación de E. Fischer (1983), es claro que se verifica la siguiente relación: b S( f ,P ) ≤ _b ∫ f ( x )dx ≤ ∫ f ( x )dx ≤ S ( f , P ) −a a y como la diferencia entre las sumas superiores y las sumas inferiores de Darboux mejora dicha aproximación, entonces, la diferencia entre la integral superior y la integral inferior de Darboux debe ser cero _b ∫ a b ∫ f ( x )dx = 0 f ( x )dx − −a y, por tanto, la función es integrable Darboux. 5. Aportaciones sobre la demostración matemática El punto de partida fue el concepto de Esquema de Prueba (lo que constituye convencimiento y persuasión para los alumnos) que establecen Harel y Sowder (1998) y la clasificación que estos mismos autores hacen de los esquemas de prueba desde el punto de vista da la cognición de los alumnos. En el curso de nuestra investigación nos damos cuenta de que esta clasificación es insuficiente y, como explicita en Ibañes y Ortega (2001), se completa considerando esquemas inductivos de un caso, de varios casos y sistemáticos, por una parte, y los siguientes, por otra, que nos han facilitado el análisis de la evolución de los alumnos: - Esquema aceptado (EsA) de una prueba es el que el alumno admite como demostración. - El esquema aceptado se considera adherido (EsAd) si el alumno rechaza explícitamente las pruebas anteriormente expuestas. - Esquema declarado (EsD) es el que el alumno considera haber seguido. Este esquema no tiene por qué coincidir ni con el esquema utilizado ni con el aceptado. - Esquema inicial (EsI) al primero de los esquemas aceptados - Esquema final (EsF) al último de los adheridos, para cada alumno. Ya con este marco enriquecido en la propia investigación se obtienen una serie de conclusiones, de las que por destacar algunas, enuncio las siguientes: - Los alumnos se encuentran en un estado de transición entre los esquemas de prueba inductivos de un caso y los intuitivo-axiomáticos, pasando por los inductivos de 8 varios casos, por los inductivos sistemáticos y por los transformacionales y utilizan uno u otro dependiendo de las condiciones de los enunciados, Ibañes y Ortega (2001). - Los esquemas inductivos de un caso se manifiestan muy enraizados en los alumnos de este nivel. Son mayoría los estudiantes que utilizan o aceptan esta clase de esquemas, muchos evolucionan hacia los esquemas intuitivo axiomáticos sin renunciar a los inductivos, y algunos vuelven a retomarlos de una u otra forma, Ibañes y Ortega (2001). - Buena parte de los alumnos tiene dificultades en reconocer demostraciones, en distinguirlas de otros procesos y no son conscientes de lo que supone haber demostrado un enunciado, Ibañes y Ortega (2002b). - El reconocimiento de la demostración está en relación con la evolución del esquema de prueba de los estudiantes y, en gran parte, viene determinado por el fuerte enraizamiento de los esquemas inductivos, Ibañes y Ortega (2002b). - Las dificultades que tienen los alumnos a la hora de interpretar los enunciados de los teoremas son tan importantes que les impide saber lo que se tendría que hacer para establecer el enunciado, Ibañes y Ortega (2002a). - Son particularmente difíciles para ellos los enunciados que contienen la expresión “condición necesaria” y les siguen en dificultad los que contienen los vocablos “condición suficiente”, pero cuando estas expresiones se sustituyen por otras más coloquiales los enunciados se tornan más comprensibles, Ibañes y Ortega (2002a). En el proceso de la investigación, Ibañes (2001), también se corrobora que hay que demostrar aquello que puede ser ambiguo, que no es obvio, que resulta controvertido, que la casuística no aporta soluciones generales. Posición defendida por varios autores, entre ellos Hanna (1989a). 5.1. Aplicaciones En la investigación llevada a cabo sobre la A’ demostración los propios alumnos del grupo experimental generaron esquemas de prueba transformacionales, desconocidos por A C B nosotros, como por ejemplo el que consiste Figura 5. E.P. transformacional en levantar un punto de la recta para establecer que la suma de los ángulos interiores de un triángulo suman dos rectos. En figura 5, BAC es un ángulo llano y, al levantar A según la flecha, este ángulo se transforma en los tres ángulos interiores que suman BAC, ya que lo que va perdiendo éste es justo lo que van ganando CBA’ y BCA’ (Para ver que esto es verdad sólo hay que trazar por B una paralela a CA’ y comparar los tres ángulos de vértice B con los tres 9 ángulos interiores del triángulo BCA’). 6. Otras creaciones Matemáticas Los problemas tratados en nuestra investigación, que tienen su origen en la práctica profesional, ponen de manifiesto que las demostraciones matemáticas, como tales, no son tan importantes para los alumnos como, sin duda, lo son para el matemático y que el formalismo es poco valorado por ellos. Por otra parte, aunque los procedimientos formalistas pueden encorsetar (encasillar y en cierto modo dificultar) en exceso la creación matemática y sean menos motivadores que los procesos creativos, hay situaciones en las que no se puede prescindir de los mismos y, en todo caso, se tendrán que combinar ambos para crear discursos explicativos. Con la base que aportan estas reflexiones voy a presentar cuatro creaciones matemáticas que tienen que ver con planteamientos derivados de la práctica educativa y con aspectos socioepistemológicos. Es difícil pensar que sin las características, usos sociales y culturales actuales se hubiese pensado en el modelo físico de la catenaria o en solucionar el problema de enlace de las curvas de las autopistas para que éstas sean seguras a altas velocidades. Estos planteamientos han implicado un rediseño de matemático más fuerte que los que se hacen en los procesos didácticos asociados a la enseñanza de los conceptos matemáticos, Cantoral (*), Cantoral (2004), Farfán y Ferrari (2002), ya que se han tenido que crear atendiendo a las necesidades sociales y culturales de la docencia y a la necesidad social del diseño. Las dos primeras surgen de mi insatisfacción cómo profesor de Didáctica de la Matemática, cuando desarrollo el tema de escalas, al formular la siguiente pregunta: ¿La proporcionalidad de distancias implica la misma proporcionalidad en longitudes de curva? Así surge el concepto de Semejanza analítica y el teorema de conservación de longitudes. Este concepto a lugar al de Semejanza pitagórica y al teorema de conservación de áreas. La segunda está relacionada con descubrimientos matemáticos de relación y se describe un método de construcción de la hipérbola. La tercera tiene que ver con la motivación para el estudio de las tangencias de la circunferencia, con la significación de los conceptos y con su aplicación real, y se describe un procedimiento para construir las “curvas de transición” de las calzadas de circulación rápida. En los tres casos se consideraron esquemas de prueba inductivos y analíticos, y en los tres destacan los procedimientos constructivos. 6.1. Semejanza analítica Definición. Dos curvas, C1 y C2, son semejantes cuando sus ecuaciones paramétricas se pueden expresar de la forma: 10 x = f (t ), t ∈ [a, b] C1 ≡ y = g (t ), t ∈ [a, b] x = k · f (t ), t ∈ [a, b] C2 ≡ y = k · g (t ), t ∈ [a, b] y ambas estén referidas en sistemas de referencia tales que uno de ellos se obtienen del otro mediante una traslación y un giro. A la constante k se la llama razón de semejanza o constante de proporcionalidad. Teorema de conservación de longitudes. Sí A1, A2, ..., An son n arcos de curvas semejantes a una curva plana dada A, que se han obtenido de ésta con las razones de semejanza C1, C2, ..., Cn, tales que C1+C2+ ...+ Cn=1, entonces la longitud del arco de la curva A es la suma de las longitudes de los arcos de las n curvas A1, A2, ..., An. El proceso de creación tiene su origen al considerar la circunferencia, después me fijo en la elipse y más tarde en la catenaria. En el caso de la circunferencia la verificación del teorema es obvia, ya que se dispone de fórmulas que permiten calcular las longitudes respectivas de cualquier arco, pero esto no siempre es así. Sin ir más lejos, en el caso de la elipse la verificación no es tan sencilla, ya que el cálculo de las longitudes de los arcos respectivos pasa por resolver integrales elípticas. Las ecuaciones paramétricas de la elipse de semiejes a y b son: x=asen(α), y= bcos(α), α ∈ [0, 2π ] , figura 6. y b θ La longitud del arco de elipse entre 0 y θ radianes se calcula por la relación a θ L = ∫ a 2 cos 2 (α ) + b 2 sen 2 (α ) dα , 0 x Figura 6. que resulta ser una integral elíptica de segunda especie y la obtención de la longitud no puede hacerse de forma cerrada. Sin embargo, no es necesario calcular la longitud del arco para establecer el resultado enunciado para elipses de forma relativamente sencilla. En efecto, suponiendo que C1 y C2 son dos factores de proporcionalidad tales que C1+C2=1 y que los semiejes de la elipse de partida son a y b, entonces los semiejes de las dos nuevas elipses son aC1 y bC1, y aC2 y bC2, y las ecuaciones de las tres elipses son: x=asen(α), y=bcos(α); x=C1asen(α), y=C1bcos(α); x=C2asen(α), y=C2bcos(α). Se trata, por tanto, de tres curvas semejantes, y denotando por L, L1 y L2 a las respectivas a las longitudes de los arcos, se tiene: 11 θ L1 + L2 = ∫ (C1a) 2 cos 2 (α ) + (C1b) 2 sen 2 (α ) dα 0 θ + ∫ (C 2 a ) 2 cos 2 (α ) + (C 2 b) 2 sen 2 (θα ) dα = 0 θ = (C1 + C 2 ) ∫ a 2 cos 2 (α ) + b 2 sen 2 (α ) dα = (C1 + C 2 ) L = L. 0 Este resultado es extensible para n arcos de elipse semejantes al arco de partida y construidos con factores de escala C1, C2, ..., Cn tales que C1+ C2+ ...+ Cn=1. En el caso de la catenaria, esta curva, como se aprecia en las figuras 7 y 8, aporta un modelo físico muy ilustrativo, ya que sólo hay que colocar un nuevo pilar entre los dados. Que la longitud de la curva de la figura 7 es la suma de las longitudes de las curvas de la figura 8 es trivial, y lo más complicado es establecer que tales curvas conservan la semejanza analítica, pero también se establece sin mayores problemas. (0,0) (0,0) Figura 7. Módulo de catenaria Figura 8. Módulo de catenaria Sin embargo, de momento, nada indica que este resultado sea válido para cualquier curva, pero el convencimiento de que esto es así me decide a construir una demostración matemática general que establezca esta realidad. Como indica de Villiers, el convencimiento está en el matemático antes de hacer la demostración y es precisamente éste sentimiento el que le mueve a crear la prueba, y ésta debe hacerse cuando, como en este caso, no se sabe el comportamiento de otras curvas. Suponiendo que la curva plana C está definida por la función y=f(x) en [a, b], es claro que esa curva se puede parametrizar así: x=t, y=f(t), y, por tanto, la longitud L del arco de esta curva se calcula por la siguiente relación: b L = ∫ 1 + ( f ' (t )) 2 dt a Como a partir de este arco se han construido otros n arcos con factores de semejanza C1, C2, ..., Cn, tales que C1+C2+ ...+ Cn=1, entonces las curvas respectivas tienen las siguientes parametrizaciones: x=C1t e y=C1f(t) para el arco A1; x=C2t e y=C2f(t) para el arco A2; ...; x=Cn t e y= Cn f(t) ( t ∈ [a,b]) para el arco An. Denotando por L1, L2, ..., Ln a las longitudes de estos arcos, la suma de sus longitudes es: 12 b b L1 + L2 + ... + Ln = ∫ C1 + C1 ( f ' (t )) dt + ∫ C 2 + C 2 ( f ' (t )) 2 dt + ... 2 2 2 a b 2 2 a b + ∫ C n + C n ( f ' (t )) 2 dt = (C1 + C 2 + ... + C n ) ∫ 1 + ( f ' (t )) 2 dt = L 2 2 a a En la terminología de van Asch (1993), lo anterior es una demostración pre-formal, porque aunque se trata de un caso particular de parametrización en él está implícito el mismo razonamiento que habría que utilizarse en el caso más general, con la parametrización x=f(t), y=g(t). Por tanto, se puede enunciar el teorema precedente. 6.2. Curvas semejantes pitagóricas Considerando ahora que la curva C1 está definida por la función explícita y=f(x) en [0, a], es claro que se puede parametrizar así: x = t , t ∈ [0, a ] C1 ≡ y = f (t ), t ∈ [0, a ] y que las curvas las curvas C2, C3 definidas por las siguientes expresiones son analíticamente semejantes a la anterior: b x = a t , t ∈ [0, a ] C2 ≡ b y = f (t ), t ∈ [0, a ] a c x = a t , t ∈ [0, a ] C3 ≡ c y = f (t ), t ∈ [0, a ] a En este caso, las gráficas cartesianas de las tres curvas semejantes se construyen sobre los intervalos [0, a], [0, b] y [0, c], figura 9, y cuando estas amplitudes verifican el teorema de Pitágoras, a2=b2+c2, las tres curvas anteriores se denominan curvas semejantes pitagóricas. x=t y=f(t) 0 x=bt/a y=bf(t)/a a x=ct/a y=cf(t)/a b 0 0 c Figura 9. Terna de curvas semejantes pitagóricas Es claro que esta definición puede extenderse a curvas más generales (x=f(t), y=g(t)), pero hay que exigir ciertas condiciones a la función g para que cumpla las condiciones 13 gráficas de regularidad necesarias. Teorema de conservación de áreas. Si Aa, Ab y Ac son las respectivas áreas bajo la curva sobre los intervalos [0, a], [0, b] y [0, c]de una terna de curvas semejantes pitagóricas C1, C2, C3, entonces se verifica que Aa=Ab+Ac. Recíprocamente, si sobre el intervalo [0, a] las curvas semejantes, C1, C2, C3, se parametrizan respectivamente como x=t, y=f(t); x = bt bf (t ) , y= ; a a x= ct cf (t ) , y= , a a y se cumple que Aa=Ab+Ac entonces se verica que a2=b2+c2. Demostración. Es claro que el área Aa de la curva C1 sobre [0, a] está definida por la relación: a Aa = ∫ f (t ) dt 0 y que la suma de las áreas definidas por las curvas C1 y C2 sobre [0,b] y [0, c], Ab+Ac está dada por la siguiente igualdad: b c 0 0 b ax c ax Ab + Ac = ∫ f ( )dx + ∫ f ( )dx a b a c y, por consiguiente, considerando los cambios de variable t=ax/b, en el primer caso, y t=ax/c, en el segundo, a a 0 0 b b c c Ab + Ac = ∫ f (t ) dt + ∫ f (t ) dt a a a a y utilizando que a2=b2+c2, finalmente, se obtiene: b2 c2 a a Ab + Ac = ( + ) ∫ f (t )dt = ∫ f (t )dt = Aa a2 a2 0 0 Recíprocamente, si se cumple que Aa=Ab+Ac, entonces consecuencia, a2=b2+c2. 6.3. Descubrimiento de resultados 14 b2 a2 + c2 a2 = 1 y, en Como ya se ha indicado antes, una de las aportaciones de la investigación es que los alumnos no son conscientes de lo que supone haber demostrado un teorema y menos aún conexionar unos resultados con otros conceptos para hacer otros descubrimientos. Este proceso resulta inaccesible para muchos alumnos, y tampoco es habitual en otros usuarios de la matemática. Sin duda, se trata de un proceso complejo en el que deben intervenir múltiples factores interrelacionados, pero que es muy difícil que interactúen entre sí para dar fruto. El siguiente pasaje es una muestra de este proceso. El teorema de Pitágoras permite construir la hipérbola con regla y Hn compás sin utilizar el foco. Conocida la longitud de uno de los H3 catetos, a, las longitudes de la rn r3 hipotenusa, x, y del otro cateto, y, H2 deben verificar la ecuación x2-y2=a2. Cn C3 Se trata de la ecuación de una r Pn 2 H1 C P2 hipérbola equilátera centrada en el 2 P3 P1 r1 origen, con vértices (-a, 0) y (a, 0), C Q2 Qn Q3 H Q1 O focos (-a√ 2, 0) y (a√ 2, 0), y O1 O2 O3 On r C1 excentricidad e=2. El hecho de que a, x e y sean los lados de un triángulo Figura 10. Trazado de la hipérbola sin utilizar rectángulo proporciona el siguiente el foco, basado en el teorema de Pitágoras. método gráfico para dibujar esta cónica sin necesidad de utilizar la posición del foco. Haciendo centro en el punto O de un eje r (figura 10), se traza una circunferencia C de radio a=OH. A continuación se trazan las circunferencias Ci, con centros sobre el eje r en puntos arbitrarios Oi, pasando por O. Estas circunferencias cortan a C en los puntos Pi, y a r en Qi. Los segmentos OPi (que miden OH) y los correspondientes PiQi determinan los catetos de los triángulos rectángulos de hipotenusas respectivas OQi. Por tanto, OH2=OQi2-PiQi2, y sólo hay que trazar rectas ri perpendiculares al eje por Qi y llevar sobre ellas las longitudes de los catetos PiQi, ya que para cada punto P de la hipérbola la diferencia entre el cuadrado de la abscisa y el cuadrado de la ordenada debe ser igual al cuadrado de la constante a. 6.4. Las curvas de los viales rápidos Hoy en día, tanto las carreteras como las autovías y autopistas se diseñan para que sean seguras a una determinada velocidad, la velocidad de la calzada, y las curvas de las mismas tienen que ser diseñadas de manera que al tomarlas a esa velocidad (o velocidad menor) la conducción sea segura. En líneas generales, se puede considerar que una curva siempre enlaza dos rectas, ya que en el caso de “curva y contracurva” ambas 15 tienen que tener un punto de tangencia, que se puede considerar recto. Cuando se trata de vías urbanas, donde las velocidades son prudentes, estos enlaces se hacen con arcos de circunferencias tangentes entre sí y a los tramos rectos, como se muestra en las figuras 11 y 12, sin exigir ninguna otra condición. Sin embargo, cuando se trata de vías en las que se consiguen velocidades relativamente altas estas “soluciones” son muy malas, ya que además de considerar tangencias hay que tener en cuenta las curvatura de las curvas Figura 11. Cruce ortogonal con un que enlazan. Así, por ejemplo, en los puntos arco de circunferencia. T1 y T2 de la figura 11 el arco de circunferencia es tangente a los tramos rectos, pero en un instante (t=0) se pasa de curvatura 0 a curvatura 1/OT1, lo que se traduce en una inestabilidad de los vehículos, que se hace mayor cuando se enlazan curva y contracurva, como ocurre en la calzada representada en la figura 12, donde las trayectorias del puente se han diseñado con dos arcos Figura 12. Planta del puente Condesa de Eylo. de circunferencia tangentes entre sí y tangentes a las calles en las que emboca el puente5, que son paralelas. Otra posible solución consistiría en utilizar esplines cúbicos, exigiendo que en los puntos de enlace las dos curvas que conectan tengan la misma tangente y la misma convexidad. Sin embargo, estas curvas tampoco solucionan el problema, y en los puntos de enlace persiste el problema del cambio brusco de curvatura, ya que aunque estas condiciones fijan la curvatura del esplín, lo que ocurre es que ésta es proporcional a la abscisa y no a la longitud de arco recorrido, que es la característica de la clotoide. Si se considera que se deben enlazar dos tramos rectos no paralelos con una curva de transición, se puede pensar que tal curva debe ser simétrica respecto de la bisectriz 5 Esta figura está escaneada del proyecto arquitectónico del Excelentísimo Ayuntamiento de Valladolid (España). Se trata de un puente con una curva en el medio para embocar en dos calles paralelas no coincidentes. 16 formada por los dos tramos rectos, y se podría considerar que tal curva es la resultante de enlazar dos curvas simétricas: la curva de entrada y la curva de salida. Pensando exclusivamente en la curva de entrada, parece lógico pensar que para solucionar este problema debiera ser tal que su curvatura aumente uniformemente según la longitud del arco recorrido. Esta curva es la clotoide (radioide, o espiral de Cornu), cuya representación gráfica es la de la figura 13. Se trata de la curva de una función trascendente, que en paramétricas tiene estas ecuaciones: Figura 13. Espiral de Cornu, radioide o clotoide. t x = a ∫ cos u 2 du = aC (t ) , con t=s/a, 0 t y = a ∫ senu 2 du = aS (t ) , con t=s/a. 0 siendo a el parámetro de la curva y s el arco. La norma ministerial. La norma 3.1-1C sobre trazado de carreteras, de la Orden Ministerial de 13/09/2001 del Ministerio de Fomento Comunicación y Transporte, al referirse a las curvas de carretera obliga a adoptar en todos los casos como curva de transición la clotoide y da una lista de parámetros que se tienen que tener en cuenta en su trazado (radio de curvatura en un punto cualquiera, longitud de la curva entre su punto de inflexión -R=infinito- y el punto de radio, parámetro de la clotoide, característico de la misma, radio de la curva circular contigua, longitud total de la curva de transición, retranqueo, ...) En el mejor de los casos, en ingeniería, esta curva se dibuja punteando y enlazando los puntos dibujados con una planilla, como se desprende del manual de Krenz y Osterloh (1975), que tras una breve explicación funcional es un cúmulo de tablas numéricas. Lógicamente, se trata de un dibujo aproximado y la mayor o menor fiabilidad depende de la habilidad del dibujante. Una vez que la curva se ha dibujado, el encargado de obra mide sobre los planos, recupera el tamaño normal aplicando el factor de escala y vuelve a medir sobre el terreno para hacer el replanteo constructivo. 17 La figura 14 reproduce la representación de la curva clotoide tal y como aparece dibujada en la Norma 13 del Ministerio, y conviene tener presente que es una orden reciente, ya que data de septiembre de 2001. Está tan mal dibujada que a simple vista parece que es una curva no derivable, y si se toman medidas de dibujos como éste y se llevan a la obra, no es de extrañar que haya curvas tan mal construidas que, incluso con conducciones prudentes, sea muy difícil tomarlas sin peligro. Cuando el paso instantáneo entre dos valores de curvatura difiere más de lo que debieran, o cuando la curva se Figura 14. Dibujo de la Norma 13 y cierra demasiado deprisa, se produce parámetros de la clotoide. un cambio de dirección demasiado “brusco” 6, lo que se traduce en una inestabilidad de los vehículos y el consiguiente peligro de derrapamiento, salida de la carretera o vuelco. Aquí se describe un procedimiento que permite dibujar una aproximación a la clotoide con tantos arcos de circunferencia como se consideren necesarios, con un método que permita reproducir la misma traza, formada por arcos de circunferencia, de forma exacta, a cualquier usuario que conozca el método. Esta posibilidad se recoge en el teorema de aproximación y, aunque se haga una demostración del teorema, el propio método, que es un esquema de prueba inductivo, justifica el teorema. Se enuncia una matematización del problema descrito considerando que los tramos rectos son semirrectas. Teorema de aproximación. Para enlazar dos semirrectas (tramos rectos de carretera) se puede sustituir la clotoide por n arcos de circunferencias tangentes entre sí, y tales que las diferencias entre las curvaturas de arcos consecutivos, y las curvaturas mismas, estén más próximas a cero que cualquier número positivo prefijado. Proceso constructivo. La figura 15 representa la curva de aproximación de las dos ramas de clotoide, que anlazan de forma simétrica dos tramos rectos de sendas calzadas que tienen direcciones perpendiculares. La curva en cuestión está formada por 10 arcos 6 Cambios bruscos en un intervalo, no en un instante, ya que los cambios bruscos en un instante implicarían que la función no fuera derivable en los puntos de enlace, justo como aparece en el dibujo de la norma 13. 18 de circunferencia (T0T1, T1T2, T2T3, T3T4, T4T5 y sus respectivos simétricos respecto del eje O0T, T0T’1, T’1T’2, T’2T’3, T’3T’4, T’4T’5). La figura se ha hecho con CABRI y su trazado es el siguiente: 0. Si se quieren utilizar 10 arcos se divide al ángulo que formarían los tramos rectos entre 10 (para n se dividiría entre n). En el caso que reproduce la figura 15 90º/10=9º. Se fija el factor de transformación de los radios de las siguientes circunferencias. En este caso se ha fijado k=1,5 y, en consecuencia, R1=R0k, R2=R1k=R0k2, …, R5=R4k=R0k5. Esta última relación permite fijar el último radio y calcular el factor de transformación. Figura 15. Aproximación de la clotoide por 10 arcos de circunferencia. 19 1. Se considera el círculo base de centro O0 y radio R=4 unidades (se puede considerar cualquier otro y/o utilizar la escala edecuada al tamaño de la lámina). 2. Se hace una rotación de la recta O0T0 con centro en O0 y 9º de amplitud. Así se obtienen el punto T1 y, por tanto, el arco T0T1. Sobre la recta O0T1 tiene que estar el centro de la segunda rotación, O1, a una distancia R1 de T1, punto que en la figura se ha determinado con la circunferencia de centro T1 y radio R1. 3. Con centro O1 y radio R1 se traza la circunferencia del segundo arco y su amplitud se determina mediante la rotación de la recta O1T1 alrededor de O1 una amplitud de 9º. Así se obtiene el punto T2 y la recta O1T2, sobre la que tiene que estar el centro de la siguiente rotación. 4. Se repite el proceso otras tres veces y al final se obtiene al arco T4T5 que es tangente al primer tramo recto en T5. 5. Se procede a ajustar el dibujo a los tramos de rectas, que se cortarán por las respectivas perpendiculares trazadas desde O5. Una vez que se ha construido la curva de entrada, la curva de salida se dibuja considerando que ésta es simétrica de la curva de entrada en la simetría axial de eje la bisectriz O0T0. La curvatura del primer tramo de la figura 15, el más abierto es 1/20,25= 0,04938272 y la del más cerrado es 1/4=0,25 lo que evidencia la progresión geométrica decreciente de las curvaturas y lo que es más importante, el proceso permite controlar los incrementos de las curvaturas de los arcos. Demostración del teorema. El radio R0 determina la primera curvatura. Por otra parte, la diferencia entre dos curvaturas consecutivas de radios R0kp-1 y R0kp es (k-1)/R0kp (k>1) y el paso del tramo recto al tramo al primer tramo de circunferencia, que se tiene que construir con radio R0kn es 1/R0kn. Tanto la sucesión de las curvaturas como la sucesión formada por las diferencias de dos curvaturas consecutivas tienden a cero y, por tanto, fijada cualquier aproximación positiva de cero, existe un k>1 tal que la diferencia entre las curvaturas de los dos primeros tramos desde el eje de simetría, (k1)/R0, es mejor aproximación de cero que la aproximación fijada (lo que también implica que lo sean (k-1)/R0kp, p=1, 2, ...). Por otra parte, es claro que, por sr (Si) k>1 existe un n tal que 1/R0kn también mejora dicha aproximación. La seguridad de la carretera en las curvas viene determinada por el equilibrio entre la fuerza centrífuga (Fc=mv2/r) y la fuerza de rozamiento (Fr=ρmg). Siempre que la fuerza centrífuga sea menor que la fuerza que puede ejercer el rozamiento (lo que implica que v 2 / r ≤ ρ g ) los vehículos permanecen estables. Pero está claro que la situación más desfavorable se produce en los tramos de menor radio de curvatura y, por esta razón, se 20 tiene que calcular R0 en función de la “velocidad de seguridad de la carretera”. Por otra parte, es importante comprender que la tangencia entre arcos de circunferencia no es suficiente garantía de seguridad, ya que para que no haya brusquedades en intervalos pequeños, hay que construirlos de manera que la diferencia de curvaturas sea Figura 14. Clotoides en los nudos de autopistas pequeña. Ahora bien, tanto de la construcción de la curva aproximada como de la convergencia de la sucesión de los radios se infiere que el tramo de curva en el que se tiene que reducir la velocidad es el central, pero la curva de entrada que aproxima a la clotoide proporciona una zona de seguridad de frenado en el que se puede ir reduciendo la velocidad hasta llegar al tramo circular central, en el que se tiene que entrar con la menor velocidad de la curva, ya que en este tramo no se debiera frenar. Análogamente, la curva de salida proporciona una zona de seguridad de aceleración en cuanto que se haya rebasado el primer arco circular. Curiosamente, el Código de circulación de España, quizás por razones de seguridad, o porque reconoce que las curvas están mal trazadas, indica que no se puede frenar en las curvas, que hay que entrar en ellas con el coche frenado. Sin embargo, el mayor radio de curvatura en la entrada y en la salida proporciona una mayor seguridad a la calzada. 7. La aceptación de los teoremas. Conclusiones Como afirma Hanna (1989a), en la aceptación del teorema enunciado es más importante su significado global que una demostración rigurosa y, en este sentido, la significación del teorema de aproximación la da el procedimiento constructivo y no las líneas que preceden a este párrafo, que son las que establecen el teorema. Sin embargo, la clave del mismo también está en el método constructivo descrito, ya que es allí donde se construye la sucesión de radios que aporta la solución. Coincidiendo totalmente con la apreciación de Hanna, sin embargo, lo que da verdadero significado a los teoremas es la interpretación que se hace de los mismos al conexionarlos con la realidad, y la significación de ellos es mayor en tanto que las conexiones son más fuertes. Ahora bien, las conexiones hay que establecerlas en sentido amplio y, además del significado matemático, hay que considerar tanto los procedimientos constructivos como los modelos reales. Así, en el teorema de conservación de longitudes el modelo físico de la catenaria aporta una significación práctica inmejorable, y en el teorema de aproximación, donde el proceso constructivo es 21 muchísimo más interesante que la demostración del teorema, la conexión con la seguridad de las carreteras, que en la actualidad es una preocupación social de primera magnitud en todos los países, proporciona una significación reforzada por el uso, ya que todos los estudiantes de este nivel son conductores o van a serlo en breve. Referencias bibliográficas Ash, A. G. van (1993): To prove, why and how? International Journal Mathematics Education Science and Tecnology, 2, 301-313. Asiala, M., Brown, A., Devries, D.J. Dubinski, E., Mathews, D. & Thomas, K. (1996): A Framework for Research and Curriculum Development in Undergraduate Mathematics Education. Mathematics Education. (American Mathematical Society). Vol. 6, pp. 1-32. Blázquez., S. 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