jueves, 2 de marzo de 2017

Números piramidales(1) Definiciones y fórmulas.


Repaso de los números poligonales

Los números piramidales son una extensión natural de los poligonales, por lo que puede ser adecuado comenzar con un repaso de estos. Lo más importante que hay que recordar ahora es su formación recurrente. Por ejemplo, los triangulares se forman añadiendo un lado nuevo a los ya formados en el anterior triangular, como queda claro en la imagen:



Es decir, que

t1 = 1 = 1
t2   = 1+2 = 3
t3  = 1+2+3 = 6
t4  = 1+2+3+4 = 10

En general, Tn+1 =Tn+n, lo que convierte a los triangulares en sumas de números consecutivos. Por eso Tn=1+2+3+…+n=n(n+1)/2.

Hemos preparado una hoja de cálculo con Calcupol, una calculadora especializada en números figurados, que puedes descargar desde

http://www.hojamat.es/sindecimales/aritmetica/herramientas/herrarit.htm#figurados

En ella, con la tecla POL puedes encontrar el k-ésimo número triangular. Por ejemplo, con la secuencia de teclas  3   POL   12   = encontrarás el triangular número 12, que resulta ser 78, como se ve en la imagen:



El presentar la calculadora en este momento se justifica porque la vamos a usar en toda una serie de entradas. Otra utilidad que tiene es la de identificar si un número es de un tipo dado o no. Observa la celda Tipos. Si fijas el tipo en Triangular (usa la lista desplegable) podrás averiguar si el número que escribas en pantalla es o no triangular, con la tecla ES, o bien encontrar el próximo o el anterior con PROX y ANT. Ya las iremos viendo. Fija el tipo en triangular, escribe 75 y pulsa la tecla ES. Te responderá que no es de ese tipo y en pantalla aparecerá un cero. Si hubieras escrito 78, te devolvería 12, que es su número de orden, o lado.

De igual forma se definen los números cuadrados, pero ahora, a cada elemento le añadimos dos lados, formando lo que se llama un gnomon, de fórmula 2n+1:



En la figura se observa la generación de cada número cuadrado:

C1 = 1 = 1
C2 = 1+3 = 4
C3 = 1+3+5 = 9
C4 = 1+3+5+7 = 16

Los primeros números cuadrados son: 1, 4, 9, 16, 25,… como bien sabemos, y, según se acaba de ver, son suma de impares consecutivos. Fija la calculadora en el tipo Cuadrado. Escribe un 1 en pantalla y ve pulsando reiteradamente la tecla PROX. Obtendrás esa secuancia 1, 4, 9, 16, 25,… En la imagen se había llegado al 36:



El resto de poligonales se define de la misma forma que los cuadrados y los triangulares, como números que forman pentágonos, hexágonos, o de más lados. Basta ir añadiendo n-2 lados nuevos, 3 para los pentagonales, 4 para los hexagonales, y así con los demás.


Escribe en la calculadora que el tipo es Poligonal y el orden 5 y podrás analizar los pentagonales. Con la tecla PROX (o la ANT) puedes recorrerlos. Comprueba que los primeros pentagonales son 1, 5, 12, 22, 35, 51, 70, 92,… En la imagen se ha llegado, con la tecla PROX, al siguiente a 92, que es el 117




Con este repaso ya estamos en condiciones de comenzar el estudio de los números piramidales.


Números piramidales

Al igual que los poligonales se generan añadiendo a cada uno de ellos lados nuevos, los piramidales se forman mediante números poligonales nuevos que van haciendo el papel de bases de una pirámide.

Tomemos, por ejemplo, los números triangulares, 1, 3, 6, 10,… Imaginemos que comenzamos por 1 (siempre se comienza con él), que hará el papel de vértice, y después le adosamos como base el siguiente triangular, 3, y después el siguiente, 6, y así hasta que obtengamos el orden deseado. Lo puedes ver en la imagen:


Para ver otras imágenes similares para los casos de cuadrados, pentagonales o hexagonales entra en Mathword:

http://mathworld.wolfram.com/PyramidalNumber.html

A los números poligonales de orden 3 (triangulares) les llamaremos tetraédricos, a los de orden 4, piramidales cuadrados, y al resto, pentagonales, hexagonales, y así hasta el orden que deseemos. Usamos la palabra orden para no crear confusión con la calculadora que ofrecemos. Llamaremos lado al número de poligonales que se acumulan.

Con nuestra calculadora calcupol podemos seguir cualquiera de estas sucesiones. Por ejemplo, para ver los piramidales hexagonales, fijamos el tipo en Piramidal y el orden en 6. Escribimos un 1 en pantalla y vamos pulsando la tecla PROX. Aparecerán los piramidales 1, 7, 22, 50,…En la imagen hemos llegado hasta 372:


Puedes comprobar los resultados obtenidos en la dirección http://oeis.org/A002412

Si tienes un piramidal en pantalla, como puede ser el hexagonal 715, de lado 10, con la secuencia de teclas  –  ANT  =  puedes restarle el anterior, de lado 9, y te dará 190, que es precisamente el poligonal de tipo 6 y lado 10. Para comprobarlo usa la secuencia de teclas  6   POL  10, y te resultará 190.

Ya estamos en condiciones de sintetizar la generación de los números piramidales:

El número piramidal de orden k y lado n equivale a la suma del piramidal de idéntico orden y un lado menos y el poligonal de mismo orden y lado.

Si nombramos los piramidales como PIR y los poligonales como POL, se podría expresar así:

PIR(N,K)=PIR(N-1,K)+POL(N,K)

Por ejemplo (lo puedes ir calculando con Calcupol): El octavo piramidal hexagonal es 372, y el poligonal hexagonal de lado nueve es 153. Si los sumamos obtenemos el noveno piramidal hexagonal, ya que 372+153=525, que es el piramidal esperado.

Fórmula

Existe una expresión general para calcular PIR(N,K). De todas las versiones publicadas nos quedamos con la siguiente:


Es un polinomio de tercer grado, al igual que los poligonales se expresan con uno de segundo

(ver http://www.hojamat.es/sindecimales/aritmetica/teoria/teorarit.pdf)

Tienes una demostración en http://oeis.org/wiki/Pyramidal_numbers

Lo comprobamos con 372, pirámide hexagonal de lado 8:

PIR(8,6)=(3*64+512*4-8*1)/6=2232/6=372

Con un poco de Álgebra, se puede extraer de esta fórmula el factor n(n+1)/2, que es, precisamente, el número triangular del mismo lado que el piramidal que estamos calculando. La fórmula quedaría entonces así:


Lo comprobamos: El vigésimo piramidal octogonal, según Calcupol, es 8190. El triangular del mismo lado 20, 210. Aplicamos la fórmula:

8190=210*(20*6-3)/3=210*117/3=24570/3=8190

Nos hemos detenido mucho en el repaso de los números poligonales y en el uso de la calculadora Calcupol, por lo que se deja para la siguiente entrada de la serie el estudio de los números piramidales de orden 3, o tetragonales.