SEQUÊNCIAS, GEOMETRIA FRACTAL E EXPRESSÃO GRÁFICA

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1 SEQUÊNCIAS, GEOMETRIA FRACTAL E EXPRESSÃO GRÁFICA Resumo Keilla Cristina Arsie Camargo 1 - CEASL Simone da Silva Soria Medina 2 - UFPR Grupo de Trabalho - Educação Matemática Agência Financiadora: CAPES 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. 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. moni@ufpr.br. ISSN

2 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

3 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.

4 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; = 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.

5 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 Pascal 3 (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.

6 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); = 4 (2²); = 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, = 5, = 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 Geometria Fractal Fonte: Enzensberger (2005) 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):

7 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

8 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: Interação (nível) n Número de triângulos Perímetro de cada triângulo Perímetro total Área

9 14659 Ilustração 2: Resposta da Atividade com Triângulo de Sierpinski 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: Interação (nível) n Número de segmentos Comprimento de cada segmento Comprimento total da Curva Ilustração 4: Resposta da Atividade com Curva de Koch

10 14660 Ilustração 5: Atividade de Sequências com Curva de Peano Desenhe a próxima iteração desta sequência: Ilustração 6: Resposta da Atividade de Sequências com Curva de Peano Ilustração 7: Atividade adaptada da 10ª OBMEP Desenhe a próxima iteração desta sequência: Ilustração 8: Resposta da Atividade adaptada da 10ª OBMEP

11 14661 Ilustração 9: Atividade de Sequências com Pentaminó 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, BELLOS, A. Alex no país dos números. São Paulo, Companhia das Letras: 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, DU SATOY, M. (2013). Os Mistérios dos números: uma viagem pelos grandes enigmas da Matemática. Tradução George Schlesinger. Rio de Janeiro: Zahar.

12 14662 ENZENSBERGER, H. M. O diabo dos números. São Paulo: Companhia das Letras, PARANÁ. Diretrizes Curriculares da Educação Básica de Matemática. Curitiba: SEED, 2008.