Maximática · Introducción a los polinomios

El poliedro que
empaqueta el espacio

Un prisma hexagonal, un puñado de naranjas, y una conjetura que tardó 383 años en demostrarse — para descubrir de dónde sale, realmente, un polinomio.

⟲ arrastrá para rotar
arista x 1.00 m
movela y mirá cómo cambian los términos del polinomio →
el problema

Un módulo prismático para un museo

Un museo de ciencias encarga módulos exhibidores transparentes con forma de prisma hexagonal regular: la base es un hexágono de lado x, y la altura del prisma también mide x metros. Cada módulo va a mostrar, en su interior, esferas acomodadas según cierto patrón de apilamiento — de eso hablamos más adelante.

Por ahora: hay que calcular cuánto cuesta fabricar cada módulo, en función de x. Para eso hace falta el volumen, la superficie y la longitud de las aristas del prisma — usá el control de la derecha para cambiar x y mirar el sólido.

V(x) = 3√32 x3    S(x) = (3√3+6) x2    aristas = 18x
término 1 · tratamiento

El curado trata todo el volumen

Una vez que las esferas quedan acomodadas adentro del módulo, todo el conjunto pasa por un proceso de curado (calor y presión, en cámara) para asegurar la estructura. Ese proceso se cobra por el volumen total tratado — haya o no esferas ahí adentro, la cámara tiene que tratar todo el interior — a $600 por m³. El costo escala con el volumen, con x³.

C1(x) = 600 · V(x) = 600 · 3√32 x3  =  900√3 · x3
V(x) actual
—
C₁(x) actual
—
término 2 · caras

El vidrio recubre todas las caras

Las 2 tapas hexagonales y las 6 caras rectangulares laterales se cubren con vidrio esmerilado, a $150 por m². El área total es la suma de esas dos partes:

S(x) = 3√3 x2 (tapas)  +  6x2 (lateral)  =  (3√3+6) x2

Ese costo escala con la superficie — con x², una potencia menos que el volumen.

C2(x) = 150 · S(x) = 150 · (3√3+6) x2  =  (450√3+900) · x2
S(x) actual
—
C₂(x) actual
—
término 3 · bordes

El LED marca cada arista

Una tira LED recorre las 18 aristas del prisma (6 en la tapa superior, 6 en la inferior, 6 verticales), a $50 el metro. La longitud total de arista es 18x — el costo escala linealmente, con x¹.

C3(x) = 50 · (18x)  =  900 · x
Long. aristas
—
C₃(x) actual
—
término 4 · constante

La electrónica no depende de x

Cada módulo lleva una placa de control y sensores: $400, sin importar el tamaño del módulo. En el polinomio, esto es el término independiente — el único que no multiplica a ninguna potencia de x (o, si preferís, multiplica a x⁰).

C4  =  400
armando el polinomio

Sumamos los cuatro términos

Cada componente del costo vive en una potencia distinta de x. Al sumarlos, obtenemos una expresión con varios términos de distinto grado — eso es, exactamente, un polinomio.

900√3·x3 + (450√3+900)·x2 + 900x + 400
grado
3 (mayor exponente)
coeficiente principal
900√3
término independiente
400
cantidad de términos
4

¿Un polinomio necesita coeficientes enteros? Acá aparecen 900√3 y hasta (450√3+900) — un coeficiente que ni siquiera es un solo número "simple", sino la suma del costo de las tapas más el de las caras laterales. El coeficiente de un término puede ser cualquier número real, se escriba como se escriba.

usando el polinomio

¿Cuánto cuesta cada módulo?

Movés x con el control y mirás cómo responde cada término. Fijate cuál "manda" cuando x crece.

xC₁ (x³)C₂ (x²)C₃ (x)C₄C(x)
1.00 m400
1 m400
1.5 m400
2 m400

La fila resaltada arriba se actualiza sola cuando movés el control x de la derecha — las otras tres quedan fijas, como referencia.

peso de cada término en C(x), para x = 2 m

El presupuesto máximo por módulo es $30.000. Con el control de la derecha, ¿cuál es aproximadamente la arista más grande que el museo puede pagar?

1611 — la conjetura

Un copo de nieve, una bodega de barco

Ya tenemos el costo de fabricar el módulo. Pero dijimos que adentro va a haber esferas acomodadas según "cierto patrón" — hora de precisarlo. La historia tiene dos hilos que terminan cruzándose.

El primero es un problema práctico: a fines del siglo XVI, Sir Walter Raleigh le pidió a su asesor Thomas Harriot una forma rápida de calcular cuántas balas de cañón cabían en una pila apilada en la cubierta de sus barcos. Estudiando el problema, Harriot notó que el acomodamiento hexagonal —una capa apoyada sobre los huecos de la anterior, como un verdulero apila naranjas— era el más denso posible. Se lo comentó por carta a Kepler.

El segundo hilo es una curiosidad estética: en 1611, cruzando un puente en Praga, Kepler vio un copo de nieve sobre su abrigo y se preguntó por qué la nieve siempre forma una estrella de seis puntas — "no puede ser casualidad", escribió. Para explicarlo, recurrió a la idea de Harriot: si la materia estuviera hecha de diminutas partículas esféricas empaquetadas de la forma más compacta posible, el resultado sería naturalmente hexagonal. Ahí, de paso —como quien no quiere la cosa— conjeturó que ese acomodamiento de esferas es el más denso posible que existe.

Densidad máxima
π ⁄ (3√2) ≈ 74,05%
Demostrada por
Thomas Hales, 1998
Verificada formalmente
Flyspeck, 2014

La conjetura no nació buscando la respuesta al empaquetamiento en sí — nació como un intento de explicar la forma de un copo de nieve. Igual, a Hales le llevó casi cuatro siglos demostrarla, con una prueba asistida por computadora que redujo el problema a miles de configuraciones. No la vamos a demostrar acá — pero sí nos va a servir enseguida, para calcular cuánta resina hace falta pedir.

volviendo al módulo

¿Cuánta resina hay que pedir?

Una vez curadas y fijas, las esferas quedan apoyadas unas contra otras, con huecos entre ellas. Para que no se muevan nunca más, se vierte ahí adentro una resina líquida transparente que, al solidificar, las inmoviliza por completo. Antes de hacer el pedido al proveedor hay que calcular cuántos litros de resina hacen falta por módulo.

Como las esferas logran la densidad óptima de Kepler δ = π/(3√2) ≈ 0,7405, el espacio a llenar con resina es exactamente la fracción que no ocupan las esferas — (1−δ) del volumen total:

(1−δ) ≈ 1 − 0,7405 = 0,2595
Vresina(x) = (1−δ)·V(x) = 0,2595 · 3√32 x3  ≈  0,6743 · x3 m³
Resina a pedir
—
En litros
—

Sigue siendo un polinomio de un solo término — un monomio — pero ahora resuelve algo concreto: cuánto comprar. Y es independiente del costo de curado C₁(x): ese se paga por tratar todo el volumen; esto es, además, un insumo aparte que hay que encargar.

desafío

¿Y si el módulo fuera un octaedro?

Mismo problema, otro sólido. El octaedro regular tiene 8 caras triangulares y 12 aristas, y sus fórmulas son:

V(a) = √23 a3 ≈ 0,4714 a3
S(a) = 2√3 · a2 ≈ 3,4641 a2

12 aristas de longitud a

Repetí la construcción del polinomio de costo con estas fórmulas, con los mismos precios unitarios (\$600, \$150, \$50 y \$400). Vas a notar que, acá, los coeficientes salen más simples que en el prisma — la estructura del polinomio (grado 3, cuatro términos) es la misma en los dos casos; lo que cambia es apenas la aritmética de cada sólido.

▸ notas para el/la docente
  • El objetivo es que el polinomio aparezca como consecuencia de sumar cantidades que escalan con distintas potencias de una misma variable (longitud→x, área→x², volumen→x³), no como definición abstracta de entrada.
  • El prisma hexagonal se usa como protagonista porque, además de dar coeficientes manejables, conecta visualmente con las capas hexagonales del empaquetamiento que aparece más adelante con Kepler — y porque su superficie total se arma, ella misma, como una mini suma de dos términos (tapas + lateral), anticipando la idea de polinomio antes de nombrarla.
  • El octaedro se deja para el cierre como ejercicio de transferencia: mismo método, otro sólido, coeficientes distintos (en este caso, más simples). La idea a remarcar es que la estructura no depende del sólido elegido.
  • La referencia histórica (Kepler 1611, Hales 1998, Flyspeck 2014) es correcta y funciona como marco motivador — no hace falta profundizar en la demostración de Hales para que el problema funcione.
  • Extensión posible: graficar C(x) y discutir por qué, para x grande, el término cúbico domina a los demás.