Matematica naivă în liceu, exemple (3)

MATEMATICA NAIVĂ

Exemplul 5: NUMERE COMPLEXE

Exemplul 6: COMBINATORICĂ

Plecând de la denumirea de matematică naivă, am putea uşor crede că aceasta se aplică doar elevilor mici, celor de gimnaziu, pe când “noi, în liceu, facem treabă serioasă”. Nimic mai greşit. Desigur că în liceu avem în faţa noastră elevi ce au fost deja selectaţi şi au făcut dovada că “pot duce mai multă matematică”. Dar, “mai multă matematică” nu înseamnă să-i îneci într-o matematică mult prea înaltă, prezentată după modelul universitar, doar pe baza faptului că vârfurile clasei chiar fac faţă (deseori doar aparent fac faţă, pentru că de multe ori există acolo un ajutor constant privat). Am explicat deja că matematica naivă nu ţine doar de primii paşi în matematică – adică la clasele mici –, ci ţine în general de primii paşi într-un domeniu nou al matematicii. Matematica se scutură încet, încet de naivitatea sa la următoarele abordări, la următoarele treceri prin subiectele respective. Astfel, temele de studiu ce apar pentru prima dată în liceu – adică majoritatea – trebuie prezentate fără discuţie la un nivel serios de naivitate, corespunzătoare unei prime abordări a subiectului nou. Primii paşi sunt extrem de importanţi: elevul trebuie să apuce în primul rând să înţeleagă de unde a apărut noua temă, iar aceasta nu apare din voinţa, din definiţia dată de un profesor atotputernic, care se crede Dumnezeu în lumea matematică a acelui elev.

De pildă, chiar şi ultimul elev dintr-o clasă de real trebuie să priceapă de unde apar numerele complexe! Acestea nu răsar din senin. Abordarea introdusă la reforma din 1980, de tipul “considerăm perechile ordonate (a;b), cu a,b∈ℝ cărora le definim următoarele operaţii….; acestea se numesc numere complexe; mulţimea numerelor complexe se notează cu ”, această abordare este percepută de majoritatea covârşitoare a elevilor ca inumană, extraterestră, total de neînţeles! Toţi elevii care vor să înveţe, odată ajunşi acasă după această lecţie, cer ajutorul cuiva să afle despre ce este vorba. Iar acesta (de obicei profesorul din particular) îi va povesti elevului imediat despre numărul i ca o convenţie pentru absurda rădăcină pătrată a lui –1, iar apoi imediat îi va arăta cum se aplică această nouă şmecherie la soluţiile nereale ale ecuaţiei de gradul II.  Este probabil exemplul cel mai reprezentativ în care o abordare cu un anume grad de naivitate va lumina instant faţa şi mintea  elevilor.

Pentru orice profesor cu o empatie funcţională faţă de mintea elevilor este clar că introducerea numerelor complexe axiomatic, definindu-le ca perechi ordonate de numere reale, cu operaţiile anexate, este total abstractă şi nepotrivită din punct de vedere pedagogic. Definirea înmulţirii a două astfel de perechi, (a; b)∙(c; d) = (ac–bd; ad+bc), este total absurdă pentru orice persoană aflată la primul contact cu ideea de număr complex: “de ce să definesc astfel înmulţirea?, nu are sens!, nu înţeleg nimic!”, aceasta va fi reacţia oricărei persoane normale la cap. Dar oare, cine a inventat această ciudăţenie şi cum ne-am pricopsit cu ea în şcoli?

Pentru a răspunde primei întrebări, recomand oricui să studieze istoria evoluţiei şi cristalizării teoriei despre numere complexe, mai ales cea legată strict de acestea, din secolele XVIII-XIX. De pildă, faptele sunt prezentate magistral în lucrarea despre care am mai vorbit şi cu alte ocazii: Paul J. Nahin, O poveste imaginară, istorea numărului radical din –1, Ed. Theta, Bucureşti, 2000. Următorul aliniat este preluat din această lucrare, cu citatul strict prezentat înclinat:

Introducerea numerelor complexe ca perechi ordonate cu operaţiile anexate a fost prezentată pentru prima dată de matematicianul irlandez William Rowan Hamilton în 1835, într-o lucrare despre cupluri algebrice (aşa le-a numit el iniţial), în faţa Academiei irlandeze. Cele două operaţii sunt parte a unei “definiţii şi, în consecinţă, nu au nevoie de alte explicaţii. În teoria lucrării respective ele pică deci din senin dar, este clar că Hamilton era motivat de modul cum funcţionează numerele complexe. Cu alte cuvinte, cuplurile pure şi abstracte (a, b) nu sunt altceva decât un alt mod de a scrie a + ib. Hamilton credea totuşi că această notaţie este preferabilă pentru că evită folosirea absurdului radical din –1. El are chiar un comentariu comic despre această alegere: Cei care vor citi cu atenţie remarcile la această teorie … vor vedea că aceste notaţii nu sunt arbitrar alese.” (citat de la pag. 71).

Deci chiar şi Hamilton recunoştea la acel moment că totul este doar un joc, o aparentă nouă teorie care dă impresia că elimină din proces înţelegerea intuitivă a fenomenului numerelor complexe. Cum s-a ajuns însă ca o lucrare pur ştiinţifică să aterizeze după 150 de ani în manualele şcolare pentru elevi de 15 ani (eu atâta aveam în 1982 când am învăţat lecţia în clasa a IX-a), aceasta este un alt subiect, despre care am încercat unele lămuriri în eseul în care am prezentat Reforma uitată din 1978-1981, la pag. 4-9, din Reforma uitată (partea I).

Dar, presupunând că şi-ar propune schimbarea stilului de predare din riguros axiomatic într-unul naiv intuitiv, corect pedagogic, cum ar putea un profesor să predea în acest fel? (plecând de la premiza că îşi doreşte o predare din care elevii săi să şi înţeleagă mai mult). Căutările mele mi-au arătat (cu vârf şi-ndesat) că la majoritatea lecţiilor de liceu se găsesc forme destul de bune în manualele româneşti oficiale din anii ’60-’70. După 2-3 ture de căutări şi încercări (ca să nu spun experimentări, că imediat sare careva că “experimentezi pe elevi”), orice profesor deschis la minte va începe şi el să-şi găsească o formă mai bună de predare a unui capitol. De vreme ce ministerul, împreună cu toate structurile sale de organizare a predării în şcoli, nu sunt în stare a ne oferii astfel de modele, este evident că profesorul trebuie să devină el însuşi un căutător.

În materialul de faţă am abordat spre exemplificare două teme ce îmi sunt deosebit de dragi, numerele complexe şi combinatorica. Alegerea celor două subiecte a fost una subiectivă; oricare temă de studiu din liceu ar trebui prezentată în mod similar. Gradul de naivitate mai crescut se referă în primul rând la introducerea noilor concepte; odată ce elevii s-au obişnuit cu acestea (după 2-3 ore), predarea nu mai diferă foarte mult de ceea ce cunosc majoritatea profesorilor. Trebuie însă înţeles că la fiecare pas teoretic important ce se face în necunoscut, trebuie folosită o abordare intuitiv-naivă. Părerea mea personală este că o cale ce foloseşte cât mai des predarea prin problematizare, în care elevul să descopere singur paşii lecţiei, sub îndrumarea profesorului, în urma întrebărilor ajutătoare ale profesorului, aceasta este pe durată cea mai sănătoasă cale de a parcurge materia. Forma de lucru ar trebui să fie în principiu următoarea: noi, profesorii, îi îndrumăm pe elevi pe o cale de (re)descoperire a  temei studiate. Cine a făcut cercetare reală ştie cât de naiv gândeşte cel care se aventurează într-un teritoriu virgin, pe care nu l-a mai parcurs nimeni înaintea sa. Singurele sale repere de care se poate ajuta sunt lucrurile pe care deja le cunoaşte din urmă, cât şi logica bunului simţ. Într-un astfel de stil trebuie să “descopere” şi elevii noua temă. Cine a făcut cercetare adevărată, nu compilare din materiale deja existente (aş numi aceasta pseudo-cercetare, sau cercetare secundară), acela înţelege despre ce vorbesc aici. Descoperirea temei de către elev nu este însă una haotică, ci este îndrumată cât mai eficient de către profesor. Această formă eu o numesc predare prin întrebări sau, ceva mai pretenţios, predare prin descoperire, care este o formă extremă în predarea prin problematizare. Într-o astfel de formă de predare, la sfârşitul lecţiei, sau şi mai bine ora următoare, se organizează, se ordonează noile cunoştinţe, acestea căpătând forma unei lecţii de memorat. Elevii însă nu mai trebuie să le memoreze pentru că majoritatea dintre ei deja le-au înţeles. În schimb încep să dobândească şi aptitudini mai mature matematic, în sensul că învaţă pe viu cum să ordoneze din punct de vedere riguros matematic nişte cunoştinţe deja dobândite intuitiv. Şi oricum, aşa cum am precizat deja: marii matematicieni, monştri sacri Wessel şi Argant, Gauss şi Hamilton pe acest drum au mers. Hamilton cu teoria sa a fost ultimul, nu primul, pe drumul înţelegerii numerelor complexe. Nu înţeleg de ce elevii trebuie să parcurgă drumul invers, ca să nu spun “pe dos”.

Tema despre introducerea numerelor complexe nu o mai abordez in extenso în eseul de faţă; am prezentat-o pe larg în articolul Apariţia numerelor complexe din Caietul de matematică Pentagonia Nr. 2 din aprilie 1998 la pag. 14, într-o propunere personală, dar şi în articolul Reforma uitată la pag. 19-20, într-una din formele existente într-un manual dinaintea reformei de la sfârşitul anilor ’70.

Să analizăm în continuare introducerea principalelor elemente de combinatorică într-o formă mai inteligibilă pentru elevul care se întâlneşte prima dată cu acest subiect. Nu mă voi referi în cele ce urmează la întregul capitol, ci doar la tripleta permutări, combinări şi aranjamente. Să analizăm pentru început ordinea în care se pot parcurge acestea. În manualele din ţara noastră ordinea este P-A-C. Oare ce alte posibilităţi există (nu glumesc defel) şi care din acestea ar fi mai potrivită elevilor? În cele ce urmează mă voi referi la două dintre celelalte cinci variante, anume la P-C-A şi la C-A-P.

După părerea mea (preluată în urmă cu ani buni de la un coleg drag), ordinea P-C-A este cea mai logică din punct de vedere a fenomenelor studiate. Anume, permutările studiază un fenomen, cel mai simplu şi accesibil; combinările vin apoi studiază alt tip de fenomen, unul clar mai complicat; în final vin aranjamentele care studiază o situaţie ce combină cele două fenomene deja cunoscute. Ani de-a rândul am predat cele trei lecţii în această ordine şi pot să spun că predarea decurge foarte bine astfel.

De curând am participat în Germania, la Kassel, la un curs pentru profesori Waldorf de liceu, la o serie de discuţii despre predarea Combinatoricii, seminar în care profesorul Steffen Brasch a prezentat predarea într-o ordine ce ar putea fi sintetizată ca C-A-P. Mai exact, el se ocupa de cunoaşterea practică, pe exemple, a combinărilor, deducând de aici triunghiul lui Pascal, apoi, din exemple mai ciudate reiaşeau aranjamentele, iar permutările apăreau şi ele undeva ca exemple foarte simple. De-abia în final vorbea dânsul de o sintetizare teoretică, unde veneau şi clasicele formule (parcursul istoric acesta a fost). Nu am înţeles toate detaliile – timpul a fost foarte scurt – dar am luat notiţe pe care cândva le voi studia în amănunt. Se înţelege deci că nu am glumit deloc atunci când am întrebat câte posibilităţi există de a ordona  cele trei lecţii.

Dar cum ar trebui prezentate aceste trei lecţii conform principiilor matematicii naïve? Pentru că, este clar, vorbim despre primul contact al elevilor cu tema respectivă. Eu am plecat de fiecare dată de la probleme tip şi nu de la teorie. În cazul introducerii noţiunii de permutare, problema tip ce mi-a fost sugerată de tatăl meu este următoarea:

Problema trenului ROGVAIV: Un tren are şapte vagoane, vopsite fiecare într-una din culorile curcubeului (le notăm: R = roşu, O = orange, Ve = verde, etc.). În câte feluri poate fi aranjată garnitura acestui tren?

Formulele de calcul ar trebui să apară în viaţa elevilor drept teoreme – deduse intuitiv sau demonstrate riguros –  şi în nici un caz ca definiţii. În cazul permutărilor, în predarea prin problematizare, plecăm de la problema vagoanelor şi începem să cercetăm situaţia: dacă ar fi doar două vagoane, câte variante de ordonare a garniturii există? Două, RG şi GR. Dacă am avea trei vagoane, câte variante avem? Şi elevii încep să le caute. Şase, vine răspunsul. Dar dacă am avea patru vagoane?  Îi mai lăsăm să caute, depinde de nivelul elevilor din clasă, dar poate aici este momentul să intervenim şi să reluăm lucrurile ordonat, adică să-i învăţăm cum să-şi aranjeze ordonat toate variantele, pentru că altfel mulţi elevi le dau haotic, iar de la patru vagoane încep să piardă anumite variante. Când aştern ordonarea pe tablă, iau pentru început şi cazul particular cu un vagon. Urcăm pe acest drum până când cineva din clasă observă ce se întâmplă (desigur că aranjarea într-o schemă sugestivă a tuturor variantelor la trei, respectiv la patru vagoane, este hotărâtoare pentru înţelegerea fenomenului). În momentul în care apare ideea de rezolvare, elevii inteligenţi matematic o vor aplica imediat şi vor ajunge rapid la răspuns; ei au înţeles modelul logic după care funcţionează “jucăria” şi gata. Alţii însă, vor vrea să facă mai departe ordonările şi în cazurile cu mai multe vagoane. Putem să-i lăsăm să le scrie pe toate la 5 vagoane (poate acasă), dar vor trebui să înţeleagă că numărul creşte prea tare, ajungând în imposibilitatea de cuprindere în scris a tuturor variantelor. Aici poate îi ajutăm pe aceştia cu o formă de grupare a unor variante (acolade, încadrare într-un dreptunghi etc.) astfel încât să poată şi ei face saltul logic de la realizat practic cu creionul la văzut schemei doar în minte.

După rezolvarea problemei sintetizăm totul într-o teorie. Aici definim operaţia de factorial (eu îi pun pe elevi să facă şi tabla factorialului, cu rezultate calculate de către toţi elevii  până la 10!, pentru a simţi cât de explozivă este aceasta). Ordinea intuitivă ar cere chiar realizarea tablei factorialului mai întâi, apoi generalizarea într-o definiţie. Apropos, factorialul se poate defini în două variante: n! = 1 ∙ 2 ∙ 3 ∙ … ∙ n sau invers n! = n ∙ (n-1) ∙ (n-2) ∙ … ∙ 3 ∙ 2 ∙ 1; fiecare este uneori mai avantajoasă; depinde de situaţie. Apoi dăm definiţia permutărilor şi, cu titlul de teoremă, formula Pn = n! pentru calculul acestora. În continuare vin alte probleme aplicative ale premutărilor, pe care elevii sunt învăţaţi să le rezolve direct, prin formula deja dedusă, având însă în cap modelul celor şapte vagoane. De pildă, în câte feluri pot fi aranjaţi opte alergători pe cele opt culoare la proba de 100m plat? Sau: avem un set de trei ghivece diferit colorate; în câte feluri le putem aranja pe pervaz? etc. O astfel de temă este foarte simplă, pentru că în principiu trebuie doar luate rezultatele din tabla factorialului. Ora viitoare vom face şi exerciţii de calcul steril cu noua operaţie de factorial şi lecţia intră pe făgaşul cunoscut.

O observaţie specială vine aici în legătură cu aspectul psihologic al numerelor mari, cu care ne confruntăm din belşug la aceste probleme. Toată lumea a ajuns imună la aceste numere mari cu care ne bombardează societatea prezentului. Pentru a le înţelege cât sunt de mari, trebuie să le aducem într-un reper personal al vieţii de zi cu zi. De pildă, după prima oră, cu problema trenului ROGVAIV, le putem da elevilor ca temă următoarea suplimentare a acestei probleme:

Mecanicul trenului ROGVAIV: Un mecanic tânăr, aflat la început de carieră, primeşte în îngrijire trenul ROGVAIV şi îşi propune să aranjeze la fiecare cursă a trenului cele şapte vagoane în altă ordine. Trenul respectiv face în fiecare zi o cursă “dus” şi o cursă “întors”, iar mecanicul nostru, după cursa dus mută doar locomotiva şi schimbă plăcuţele de numerotare a vagoanelor, aşa încât poate bifa în fiecare zi câte două ordonări diferite. În câţi ani va reuşi să epuizeze toate ordonările posibile (fără a avea nici o singură zi liberă)? Dar dacă ar fi vorba de un tren cu opt vagoane? Faceţi problema şi observaţi ce efect are rezultatul asupra dvs. În acest moment matematica devine cu adevărat impresionantă.

Este evident că lecţia despre combinări este mult, mult mai grea decât cea despre permutări, şi nu mi-am propus pentru acest eseu o prezentare completă a acesteia (vezi Anexa din final). Aranjamentele, pe poziţia a treia, apar apoi foarte uşor, provocarea pentru elevi fiind doar în a observa că trebuie îmbinate cele două principii, de la permutări şi de la combinări.

Pentru eseul de faţă am urmărit doar exemplificarea pe cazul permutărilor a felului cum se poate introduce o noţiune nouă prin problematizare şi nu prin prelegere riguroasă. De la o astfel de oră elevii pleacă cu inima plină de bucurie şi cu mintea plină de gândire. Şi când spun asta, vorbesc de toţi elevii care au fost dispuşi să participe la jocul găsirii soluţiei. Ştiu că durează mai mult, dar efectul asupra elevilor este net superior.

Anexă  Problematica introducerii combinărilor presupune, pe lângă găsirea problemei tip cea mai potrivită, şi lămurirea următorilor paşi: abordarea problemei intuitiv, deci fără definiţie; corelarea cu formulele binomiale deduse elementar algebric, apariţia triunghiului lui Pascal; lecţia numită generic Binomul lui Newton; deducerea formulei de calcul a combinărilor; îmbinarea celor două tendinţe, calculul algebric, sec, riguros ştiinţific, pe de-o parte, şi problemele aplicative de o diversitate uluitoare, pe de altă parte, conştientizând că acest capitol este ultimul din viaţa elevilor în care apar probleme frumoase cu caracter de matematică distractivă.

Titus Grigorovici

19 sept. 2016

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedInEmail this to someone

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Solve : *
27 − 26 =