El problema IMO-2011.2 con JSXGraph

La librería gratuita JSXGraph para JavaScript es una alternativa interesante para generar figuras geométricas animadas e interactivas.
Como práctica en JSXGraph decidí ilustrar el ‘remolino’ descrito en el segundo problema planteado en la Olimpiada Internacional de Matemáticas de 2011:

El enunciado del problema es el siguiente:
Sea S un conjunto finito de dos o más puntos del plano. En S no hay tres puntos colineales. Un remolino es un proceso que empieza con una recta h que pasa por un único punto P de S. Se rota h en el sentido de las manecillas del reloj con centro en P hasta que la recta encuentre por primera vez otro punto de S al cual llamaremos Q. Con Q como nuevo centro se sigue rotando la recta en el sentido de las manecillas del reloj hasta que la recta encuentre otro punto de S. Este proceso continúa indefinidamente.
Demostrar que se puede elegir un punto P de S y una recta h que pasa por P tales que el remolino que resulta usa cada punto de S como centro de rotación un número infinito de veces.

El problema es curioso porque no hace falta saber matemáticas para entender el enunciado ni la solución.

La fórmula de Brahmagupta por Al-Shanni

Si a,b,c,d son los lados de un cuadrilátero inscrito en una circunferencia y s es el semiperímetro, el área S del cuadrilátero es: S = \sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)}

A partir de las propiedades (P1) y (P2) de la entrada anterior, a las que llamaremos respectivamente “teorema de la cuerda rota” y “lema de Al-Shanni“, tenemos una bonita demostración geométrica, debida a Al-Shanni (siglo X), de la fórmula de Brahmagupta, que no usa la fórmula de Herón (como la de Euler), ni trigonometría (como la que hoy se encuentra en la wikipedia).

La demostración que sigue es una variante de la de Al-Shanni. En una nota1 final indico la diferencia con la original de Al-Shanni presentada por Al-Biruni2.
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Las propiedades de la cuerda rota

Llamamos cuerda rota a una quebrada ABC inscrita en una circunferencia.
Si M es el punto medio del arco ABC y E es el pie de la perpendicular trazada desde M sobre el segmento mayor AB de la quebrada, entonces:

(P1) E divide a la quebrada ABC en dos partes iguales: AE = EB+BC.
(P2) La diferencia entre las áreas de \triangle AMC y \triangle ABC es el área del rectángulo ME\cdot EB.
(P3) AM^2 = MB^2 + AB\cdot BC, tanto si las longitudes que intervienen en la fórmula son longitudes de arcos ( AB sería el arco AMB, etc) como si son longitudes de cuerdas.

Al-Biruni, en su libro “Cálculo de las cuerdas del círculo a partir de las propiedades de la linea quebrada”, cuyo milenario se cumple en uno de estos años, da 23 demostraciones de (P1) y 9 demostraciones de (P3).
En una de las pruebas de (P1), debida a Al-Shanni, se usa como lema (P2), demostrado independientemente, pero Al-Biruni también demuestra (P2) a partir de (P1), como se expone a continuación.
La demostración de (P1) que sigue se debe a Al-Sijzi y la de (P3) aparece en un libro de problemas traducido del griego por un Yuhanna Ibn Yusuf. Leer más

La tercera ley de Kepler

En la proposición 15 de los Principia Newton demuestra que la ley de gravedad, es decir el hecho de que la fuerza de atracción sea inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, implica la tercera ley de Kepler. (Que implica las dos primeras leyes quedó demostrado en las proposiciones 1 y 13.1).

Proposición 14
“Si varios cuerpos giran en torno a un centro común y la fuerza centrípeta es inversamente como el cuadrado de la distancia de los lugares al centro, digo que los lados rectos de las órbitas son como los cuadrados de las áreas barridas en tiempos iguales por los radios trazados al centro”.
Esta es la proposición 14 de los Principia, que demostramos a continuación de forma distinta a como lo hace Newton.
Si F_P es la fuerza en P, y \tau es el área barrida por unidad de tiempo, por la observación de la entrada anterior F_P \propto \dfrac{\tau^2}{ PV \cdot SY^2}.
Si F_P \propto \dfrac{1}{SP^2}, las trayectorias serán secciones cónicas, pero vimos que en una cónica PV \cdot SY^2 = 2\ SL \cdot SP^2, entonces F_P \propto \dfrac{\tau^2}{ SL \cdot SP^2}, y como está dada la proporción F_P \propto \dfrac{1}{SP^2}, será necesariamente SL \propto \tau^2, ó \tau \propto \sqrt{SL}, es decir las áreas barridas por unidad de tiempo en las diferentes cónicas son proporcionales a las raíces de los lados rectos de esas cónicas.

Corolario 14.1
Si la órbita es una elipse, el punto móvil vuelve a la misma posición tras un periodo T. Entonces el área E de la elipse será E = \tau \cdot T, porque \tau es el área barrida por unidad de tiempo, y en el periodo T se barre toda la superficie de la elipse. Por tanto E \propto T \cdot \sqrt{SL}. Como esa área es proporcional al producto M \cdot m de los ejes mayor y menor de la elipse, será M \cdot m \propto T \cdot \sqrt{SL}.

Proposición 15
“Supuesto esto (la ley de gravedad), digo que los tiempos periódicos en las elipses son como los ejes mayores elevados a la potencia 3/2″.
Porque, por Apolonio I.15, m^2 = M \cdot LL', donde LL' es el lado recto, y por tanto m = M^{1/2} \sqrt{LL'}, y sustituyendo en la proporción del corolario 14.1 tenemos M^{3/2} \sqrt{2\ SL} \propto T \sqrt{SL}, es decir M^{3/2} \propto T como queríamos demostrar.

Tasa de barrido y fuerzas centrales

La proposición 6 de los Principia de Newton es válida para fuerzas ejercidas en puntos de la misma o de diferentes trayectorias, pero las proporciones obtenidas en los corolarios de esa proposición solo comparan fuerzas en puntos de una misma trayectoria, o de trayectorias diferentes siempre que el área barrida (por el radio entre el centro de fuerzas y el punto móvil) sea la misma en tiempos iguales en las diferentes trayectorias. (Porque en la demostración de esos corolarios se supone que las áreas barridas son proporcionales a los tiempos).

Como una fuerza central obliga a barrer áreas iguales en tiempos iguales en cada trayectoria, pero no a que esas áreas barridas sean iguales en distintas trayectorias, para comparar fuerzas en diferentes trayectorias introducimos un factor \tau , la tasa de barrido, que es el área barrida por unidad de tiempo, \tau = \dfrac{\text{area}}{\Delta t} \ \Longrightarrow \ \Delta t = \dfrac{\text{area}}{\tau}.

Los corolarios de la proposición 6 se obtuvieron sustituyendo \Delta t por el área en el factor \dfrac{1}{\Delta t^2}. Si sustituimos teniendo en cuenta el factor \tau, el numerador de las fórmulas obtenidas en los corolarios 6.1-3 queda multiplicado por \tau^2 y el corolario 6.3 se convierte en F_P \propto \dfrac{\tau^2}{PV \cdot SY^2}, donde SY es la distancia del centro de fuerzas a la tangente y PV es la cuerda de la circunferencia osculatriz a la trayectoria en P que pasa por el centro de fuerzas S.

De la misma forma generalizamos el corolario 1 de la proposición 1 que dice que la velocidad v_P es inversamente proporcional a la distancia SY si las áreas barridas son iguales en tiempos iguales.
Como el área barrida es claramente proporcional a la velocidad, tendremos la nueva proporción v_P \propto \dfrac{\tau}{SY}, que es válida para puntos en diferentes trayectorias producidas por una fuerza central.

Entonces el corolario 6.4: F_P \propto \dfrac{v_P^2}{PV} es válido sin modificaciones para comparar fuerzas en puntos de diferentes trayectorias producidas por una fuerza central.

El área de la elipse

En la figura, por Euclides II.14, ED^2 = AD \cdot DB y por Apolonio I.21, E'D^2 = k' \cdot AD \cdot DB, con k' constante.
Por tanto E'D = k \cdot ED y la elipse resulta de una contracción de la circunferencia sobre el diámetro AB.

Como las dilataciones desde una recta multiplican las áreas por el factor de dilatación k, el área de la elipse será el área del círculo por ese factor, es decir, en la figura el área de la elipse es \pi \cdot CF \cdot CF'= \pi \cdot CA \cdot CF'.

Por lo mismo, en una elipse las áreas de los paralelogramos formados por las tangentes en los extremos de dos diámetros conjugados son iguales para todos los pares de diámetros conjugados, porque todos esos paralelogramos resultan de la contracción de un cuadrado circunscrito a la circunferencia.

Ese teorema, incluyendo el caso de la hipérbola, es la proposición VII.31 de las Cónicas de Apolonio. Pero como todavía no hemos definido los extremos de los diámetros conjugados en la hipérbola, dejamos la demostración de ese caso para más adelante.

La ley de gravedad produce cónicas

Consideremos en el espacio un punto fijo S y otro punto móvil P, situado inicialmente en P0.
Si en P0 aplicamos un impulso a P, en una dirección P0T diferente de la de P0S, por la ley de la inercia P se móverá en la dirección del impulso en línea recta a una velocidad uniforme v0, si no se ejerce ninguna fuerza sobre él.
Pero si a partir del impulso inicial se ejerce sobre P una fuerza continua en la dirección de S cuya magnitud varíe de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre el punto P y S, entonces el punto P, sujeto a la inercia y a esa ley central de fuerzas, describirá una trayectoria curva que será siempre una sección cónica de la que S es un foco.

Demostramos aquí ese teorema, que Newton presenta como corolario tras la proposición 13 del primer libro de los Principia, y que, gracias a Halley, originó su escritura.
El teorema es el recíproco del presentado en la entrada anterior.

Están dadas la posición P0 inicial del punto, la dirección y magnitud v0 de la velocidad , y la posición del centro de fuerzas S y la fuerza FP que se ejerce en cada punto, que, por hipótesis, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia SP.

Por el corolario 6.4, como están dadas la magnitud de la velocidad en P0 y de la fuerza, está dada la cuerda P0V de la osculatriz en P0 que pasa por el centro de fuerzas.

Pero podemos construir una cónica que pase por P0 y tenga como tangente la tangente a la trayectoria en P0, tenga a S como foco, y tenga la cuerda P0V de la osculatriz, de cualquier tamaño, en la dirección P0S. (La perpendicular a la normal desde el punto medio M de P0V nos da G. Entonces SG es el eje de la cónica y SG/SP0 la excentricidad).

Si un punto P describe esa cónica partiendo de P0 con velocidad inicial v0, y modula su velocidad de forma que el radio SP barra áreas iguales en tiempos iguales (es decir de forma que la velocidad sea inversamente proporcional a la distancia del foco a la tangente), entonces, por las proposiciones 11,12,13 de los Principia el punto se mueve sometido a una fuerza, en la dirección del foco, inversamente proporcional a SP2, y que será igual en P0 (y por tanto en el resto de los puntos) a la fuerza asumida como hipótesis, porque produce en ese punto la misma curvatura con la misma velocidad.

Y como la trayectoria está determinada unívocamente por la fuerza que se aplica en cada punto junto con la posición y velocidad iniciales del punto móvil, la trayectoria a partir de esas condiciones iniciales será siempre la cónica que hemos construido a partir del foco, la tangente en un punto y la cuerda de curvatura focal en ese punto.

Si la fuerza central está dirigida hacia S, la trayectoria será una elipse, o un trozo de parábola o de hipérbola segun el valor de la excentricidad SG/SP0, y si la fuerza está dirigida en dirección contraria la trayectoria será parte de una hipérbola y SG será mayor que SP0.
La circunferencia es un caso particular de elipse, en la que que los focos y el centro coinciden.