Licenciatura em Matemática Aplicada e Computação

Matemática Experimental

1º Semestre 2007/2008


Docente:
Mário M. Graça        

Email:  mgraca@math.ist.utl.pt
URL:  http://www.math.ist.utl.pt/~mgraca

Carga lectiva semanal:
2 horas teóricas + 3 horas de laboratório.
As aulas decorrem desde 24 de Setembro a 21 de Dezembro (13 semanas).

A matemática experimental consiste na utilização da tecnologia computacional hoje disponível para abordar as mais diversas áreas da matemática. A utilização do computador na aprendizagem da matemática e na investigação é hoje designada por matemática experimental. Nesta disciplina o computador é usado como uma ferramenta exploratória de conceitos matemáticos, abrindo perspectivas para a formulação de resultados e respectivas provas formais.

O presente curso é uma iniciação à matemática experimental, destinando-se a alunos que frequentam pela primeira vez a universidade (1º ano da Licenciatura em Matemática Aplicada e Computação do I.S.T.).
Usando como pretexto a introdução de uma linguagem computacional que seja o mais próxima possível da linguagem matemática (escolheu-se o sistema Mathematica® porquanto este permite aos alunos usufruir simultaneamente de processamento de texto, de cálculo numérico, simbólico e gráfico) inicia-se o aluno na compreensão de algoritmos básicos, nomeadamente no âmbito da teoria elementar dos números,  levando-o a formular hipóteses e a extrair resultados gerais a partir da experimentação.

As aulas de laboratório permitem ao aluno fazer as suas experiências, analisar exemplos ou detectar padrões, a partir de problemas que lhe são fornecidos semanalmente. São ainda propostos dois trabalhos computacionais (a realizar fora das aulas) tendo em vista a programação em Mathematica de algoritmos com grau de dificuldade semelhante aos discutidos nas aulas teóricas, bem como a análise e discussão de resultados experimentais. Pretende-se igualmente que o aluno desenvolva qualidades de organização de trabalho em grupo.

Compreensão dos algoritmos propostos e sua tradução em linguagem Mathematica®.
Experimentação dos algoritmos de modo a desenvolver intuição numérica e compreensão dos problemas que tais algoritmos pretendem resolver.
Descoberta de padrões e relações existentes com outros problemas.
Recurso intensivo a cálculo e experimentação gráfica para ilustração dos princípios matemáticos subjacentes.
Teste de conjecturas e eventual formulação de novas conjecturas.
Substituição de cálculos manuais fastidiosos por cálculo simbólico e/ou numérico.
Confirmação de resultados analíticos.
Recapitulação de conceitos aprendidos noutras disciplinas, numa perspectiva experimental.
Escrita de programas Mathematica® para resolução de problemas de aplicação da teoria.  

Programa

1. Introdução  (2 semanas)
Objectivos da cadeira. Definição de algoritmo, exemplos. Problema de Collatz.
2. Algoritmos da Teoria elementar dos números (6 semanas)
Divisibilidade. Algoritmo de Euclides. Números primos. Crivo de Eratóstenes. Sucessão de Fibonacci.
Fracções contínuas. Aritmética modular. Equações de Diofanto. Resolução de congruências lineares.
3. Álgebra Computacional (5 semanas)
Representação de números no computador, mudanças de base. Métodos de aproximação de raizes de equações não-lineares: bissecção, ponto fixo, Newton e secante.
Métodos de ponto fixo. Ponto fixo atractor, repulsor e neutro.
Noções de aceleração de convergência. Aplicação à resolução de equações e somas de séries.
Exemplos de sistemas dinâmicos discretos.

Lab 1: O que é o sistema Mathematica. Operações sobre números inteiros. Operações com números racionais e irracionais. Expressões trigonométricas. Operações com números complexos. Expressões simbólicas. Gráficos. Problemas.
Lab 2:
Funções, derivadas, função inversa e pontos fixos. Números complexos (formas rectangular e polar).
Lab 3:
Definição de funções em Mathematica (cont.) Algoritmos da teoria dos números (1).
Lab 4:
Algoritmos da teoria dos números (2).
Lab 5:
Fracções contínuas.
Lab 6:
Álgebra linear.
Lab 7:
Equações diofantinas.
Lab 8:
Representação de números numa base b>=2.
Lab 9:
 Equações não lineares.
Lab 10:
Erros de arredondamento.



Bibliografia


Principal:

Mário M. Graça e Pedro T. Lima, Matemática Experimental, IST PRESS, 2006.

P. Wellin, R. Gaylord and S. Kamin, An Introduction to Programming with  Mathematica®, Cambridge University Press, 3rd. Ed., 2005.

Suplementar:

Stephen Wolfram, The Mathematica Book, Cambridge University Press, 1996.

Nancy Blanchman, Mathematica: a Practical Approach, Prentice Hall, 1992.

J. Carmo, A. Sernadas, C. Sernadas, F. Dionísio, C. Caleiro, Introdução à
Programação em Mathematica, IST Press,  2ª ed., 2004.

 J. J. Tattersall, Elementary Number Theory in Nine Chapters, Cambridge University Press, 1999.

 P. Giblin, Primes and Programming - An Introduction to Number Theory with Computing, Cambridge University Press, 1993.

 R. A. Mollin, Fundamental Number Theory with Applications, CRC Press, 1998.



Regras de avaliação
            Sendo T1 e T2 as notas dos trabalhos computacionais, a respectiva nota final será

                                            TC=(T1+T2)/2.

                    1º teste - 20 de Novembro 2007  (t1)
                    2º teste - 11 de Dezembro 2007  (t2)

            Caso o aluno não tenha comparecido a pelo menos um dos testes, ou não tenha obtido a nota mínima, poderá ainda apresentar-se ao teste de recuperação onde poderá melhorar a classificação da parte, ou partes, da matéria correspondente ao(s) teste(s) em falta.
Alunos do ano lectivo anterior, já aprovados,  e inscritos na disciplina para efeitos de melhoria de nota, poderão apresentar-se a um exame geral sobre toda a matéria, que decorrerá em simultâneo com o teste de recuperação.

                    teste de recuperação - 5 de Janeiro de 2008.

            A nota final será calculada pela seguinte média ponderada:

                    NF = 0.3  TC +  0.7 T

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