Aritmética com Maple

Aritmética com Maple:
Capítulo 2
Objetivos:
1.Revisar os sistemas decimais e convertendo números para outras bases.
2.Usar Maple para converter números binários e hexadecimais para outras bases.
3.Distinguir frações e números reais.
4.Fatorar números inteiros num produto de números primos.
A base de nosso sistema numérico
Se observarmos a história, nós veremos que os primeiros números usados pelos humanos eram os
números contáveis. Estes números podem ser escritos, na forma moderna, como:
{1,2,3,4,5,6...}
onde os três pontos finais significam " e assim por diante". Um tempo depois descobriram que o zero
poderia ser adicionado aos números contáveis, como:
{0,1,2,3,4,5,6,7...}
O zero é um elemento neutro.
E a diferença de 3-3 tem uma resposta numérica:
3-3 = 0
Os números inteiros podem ser divididos em partes. É só imaginar um barril contendo vinho, se eu
engarrafar estarei dividindo o vinho do barril em partes.
Admitirmos fracões como parte do nosso sistema numérico nos facilita bastante. Se você insistir na
subtração do problema
4-5 = ?
tem uma resposta, então você estará forçado a admitir número negativo no seu sistema matemático.
Similarmente, se você quer a divisão do problema
33 = 8 1/3,
4
nós temos que obter uma resposta. Então admitirmos frações em nosso sistema matemático é um "bom
negócio".
Mas fazer aritmética com frações, dividir, multiplicar, pode ser cansativo. Sorte nossa termos
calculadoras e o Maple para nos ajudar. Estas ferramentas podem converter entre números decimais e
números fracionários.
Outras Bases
Muitas culturas adaptaram o sistema decimal para a contagem. Várias nações em volta do mundo
inventaram símbolos para os números de 1 até 9. Mas há exceções nessa regra: os romanos por vezes
usavam grupos de 12, os babilônios tinham um sistema misto, trabalhavam, em parte, em grupo de 10 e
de 60, e os maias usavam grupamentos de 20. O grupamento de 12 ainda sobrevive na língua inglesa.
Nós temos um sistema decimal altamente desenvolvido. Mas outros grupamentos podem ser úteis para
certas aplicações.
Os computadores digitais da atualidade funcionam trocando milhares de dispositivos digitais chamados
transistores do estado ligado para o desligado. Alguns aparelhos que tem dois estados (on e off) são
chamados de máquinas binárias.
O sistema numérico com somente dois dígitos, 0 e 1, é uma escolha natural. Outras escolhas úteis são os
grupos de dois. O sistema octal é baseado nos dígitos de 0 até 7 (três grupos de dois), e o hexadecimal,
com os dígitos 0 até 15 (quatro grupos de dois), é muito comum nos computadores atuais. Todos esses
sistemas têm um elemento em comum:o método de escrever números chamados de sistema posicional é
a base de todos eles.
O Sistema Decimal
Considerando o número 1986. Como interpretaremos essa quantidade? Nossa notação posicional leva
em conta que o numeral 1 está na posição do 1.000, o numeral 9 na posição do 900, o numeral 8 na
posição do 80, e o 6 na sua mesma posição: ele é realmente 6, mas todos os outros devem ser
multiplicados por uma potência de dez. Nós poderíamos escrever desta maneira:
Agora, nós podemos interpretar um número binário.
Somente os dígitos 0 e 1 devem ser usados quando escrevemos . Primeiramente atentaremos para contar
em binário. Começando com 0, nós adicionamos 1 para obter 1. adicionando 1 novamente, nós teremos
10!
A tabela abaixo no mostra:
1
11
+1
100
1
101
+ 001
110
É assim que somamos em binário.
Agora, alguns exercícios para que possamos entender a conversão.
Problema: Converta o número binário 10101 para decimal.
Solução:
obs: 21 é a soma dos resultados acima. Este é o nosso resultado.
Problema: Converta o número octal 17362 para decimal.
Solução:
O Maple possui um procedimento para converter número de uma base para outra. É muito simples:
Usando o Maple para converter 17362 na base 8 decimal, primeiramente faremos uma lista dos dígitos
em octal na ordem inversa: [2,6,3,7,1], e usamos o comando para converter.
> convert([2,6,3,7,1],base,8,10);
A lista de saída é também invertida. 7922 é a nossa resposta.
Temos este comando também para a conversão:
> convert(17362,decimal,octal);
Note que neste comando anterior não precisamos inverter a ordem, e a resposta também não é
invertida!
Os números hexadecimais usam os dígitos 0 até 15 escrevendo como 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E e F.
Se você quiser converter um número hexadecimal para decimal você deve envolvê-lo com acento
agudo, como mostra o exemplo abaixo.
> convert(`abcd`,decimal,hex);
De decimal para hex:
> convert(1435,hex);
> convert(`1d`,decimal,hex);
Potências de dez no Maple
Expressando o número , este é igual a 3574. No Maple podemos usar o "e" para expressar uma
potência de dez. Por exemplo: 2e2 + 3e1 + 4 é o número 234 na notação de potência de dez.
> 5e4+4e2+3e0;
Exercícios:
1. Digite o número 5e5+9e4+3e0. O que é esse número?
_________________________________________
2. Converta os números decimais abaixo para hexadecimais.
a. 565656________________
b. 65536_________________
c. 4294967295____________
d. 256*257_______________
3.Converta os números hexadecimais abaixo para decimais.
a. 3FF__________________
b. FEFEFE______________
c. ABCDEF_____________
4.Converta os decimais abaixo para números binários.
Você pode usar a forma :
convert(16,binary);
a. 32 __________________
b.62___________________
c.123__________________
5. Os computadores pessoais de hoje em dia usam palavras de 32 bits. Isto é equivalente a dizer que
você pode construir um
número binário de 32 zeros até 32 um's. O que é equivalente em decimal a 32
um's? Você precisa do comando convert, ou existe um caminho mais fácil para se obter essa resposta?
__________________________________________
Frações
Uma fração é definaida como uma proporção de dois inteiros. Os números então formados são também
chamados de números racionais. A fração é da forma p/q, onde p e q são inteiros e q não é igual a zero.
A afirmação "a dividido por b" pode ser escrito dessas formas abaixo, que são equivalentes. Onde a
primeira forma é a preferida.
Adicionando frações
O primeiro passo na adição de frações é converter os denominadores de cada fração num denominador
comum.
Por exemplo:
1.fazemos o conhecido m.m.c.
2. encontrado o denominador comum , dividimos este pelo antigo e depois multiplicamos pelo
numerador o seu resultado.
3. somamos o numerador e o denominador é fixado.
Agora você sabe fazer com papel e caneta. Mas vejamos como o Maple resolve este problema
> 3/5+9/10+1/15;
Números Reais
Você pode imaginar que um sistema numérico, que inclui os inteiros, positivos e negativos, e todas as
frações possíveis poderiam ser suficientes para qualquer trabalho matemático. Depois disso, com um
sistema semelhante, permite você medir comprimentos com uma precisão razoável. Imagine que você
tenha que medir um comprimento e este se encontra entre 5/8" e 3/4". Você poderia tirar uma média
entre essa duas frações e obter (5/8+6/8)/2=11/16". Desse resultado poderíamos tirar um novo par de
frações que juntas se somam e, dividindo por dois, obtemos uma nova média, e assim por diante obter
um resultado mais próximo da precisão. Você pode continuar esse processo utilizando a nova fração e
uma das frações já utilizadas, e encontrar outras no meio do caminho.
Após todas essas observações feitas sobre frações, é fácil entendermos que há muitos números que não
podem ser representados com absoluta precisão como frações. Um desses números, e o primeiro a ser
descoberto, é . Este número, enquanto não expresso pelo raio de dois números inteiros, é facilmente
imaginável porque ele representa o comprimento da hipotenusa .
Imediatamente após esta pequena descoberta, especulações começaram sobre a possibilidade de
representação do número
como uma fração. Dentre os grandes matemáticos, muitos suspeitaram que poderia ser um número
irracional. Este caso foi provado no final do século passado. Nessa mesma época, os matemáticos
descobriram que há mais números irracionais na linha numérica que os racionais, ainda que hajam
infinitos números de cada tipo.
Maple utiliza a função evalf para converter números reais, sendo estes frações ou irracionais, em seu
decimal equivalente. Há uma opção na função evalf que nos permite especificar o número de dígitos que
nós queremos na resposta. Inicialmente o Maple utiliza dez dígitos de precisão.
> Digits;
A linha de output mostra a você que o Maple está trabalhando com a precisão de dígito-dez. Todo
resultado decimal será impresso com esse número. Se você quiser mudar a precisão com que o Maple
trabalha, digite, por exemplo:
> Digits:=20;
> Digits;
> Digits:=10;
Exercícios:
a. Calcule a raíz cúbica de 3 para a casa do decimal 30.
> Digits:=30;
> sqrt(3*(1/3));
b. Encontre a aproximação decimal para .
__________________________________________________
Fatorando
Você sabe que qualquer dois números sendo multiplicados obteremos um terceiro número. Este número
é chamado de produto
Agora considere o problema inverso: pegando um número e encontrando dois números que juntos
multiplicam-se obtemos aquele resultado. Para pequenos números você pode resolver este problema
mentalmente. Tendo o número 15, os dois números são 3 e 5. Estes números são chamados de fatores de
15. Outros números, como o 30, pode ser fatorado por dois caminhos: 10 x 3, ou 6 x 5. Após examinar
estas duas soluções , algum desses números podem ser expressos como fatores:
10 = 2 x 5 e 6 = 2 x 3. E nenhum desses números podem ser fatorados em números menores. No Maple a
função ifactor é usada para encontrar os fatores de qualquer inteiro.
Exemplo: use o Maple para fatorar o inteiro 123456789.
> ifactor(123456789);
Note que o fator 3 é repetido duas vezes.
Exercícios
Use a função ifator para mostrar que isso é fatorável
> ifactor(2^(2^(5)))+1;
Você pode usar a expressão e substituir n .
> subs(n=42,n^2-n+41);
> isprime(%);
E também testar se esse número é primo:
> restart;
> isprime(subs(n=16,n^2-n+41));
> (16^(2))-16+41;
> isprime(%);
A expressão produz outra sequência de primos. Qual o menor valor de n que produza um não-primo?
______________________________________________________________
Exercício:
a. Complete a tabela
b. Conversão para binário.
converta 61 para binário________________
converta 33 para binário________________
converta 48 para binário________________
c. Um problema muito antigo envolvendo contagem. Uma versão mais moderna é mostrada a seguir
(rima foi traduzida):
Quanto eu fui para St. Ives
Encontrei um homem com sete esposas.
Cada noiva tinha sete sacolas,
Cada sacola tinha sete gatos,
Cada gato tinha sete gatinhos
Gatinhos, gatos, sacolas, esposas,
Quantos deles tinham em St. Ives?
(1) Complete a tabela, assumindo que o homem e suas esposas estavam indo para St. Ives?
(2) Converta a soma, expresse-a de um número com base sete para decimal. São os totais os mesmos?
___________________________________________________________
Laboratório de Maple
As quatro operações básicas
O Maple é uma calculadora. Você pode somar, subtrair, multiplicar e dividir.
a. Os egípsios antigos restringiram eles mesmos a fracionar utilizando numeradores unitários, com a
única exceção da fração .
Por exemplo, eles escreviam como .
Como você escreveria a fração que eles escreviam como ?
__________________________________________________________
b. Use o Maple para ajudá-lo a converter estas frações egípcias para frações equivalentes
__________________________________________________________
c. Como podemos escrever a fração da forma egípcia?
__________________________________________________________
Divisores de um número inteiro
a. Pode 16.000.001 ter divisores? Caso existam, quais são eles?
__________________________________________________________
b. Quais são os divisores de 1.600.000.001 ?
__________________________________________________________
c. Quais são os divisores de 16.000.000.039 ?
__________________________________________________________
Divisibilidade
Numerologistas tem investigado "números perfeitos" durante séculos. Um número perfeito é igual a
soma de todos os seus fatores. O primeiro número perfeito é o 6, pois a soma de todos os possíveis
fatores de 6 (isto é, 1,2,3) é seis. O próximo número perfeito é 28, pois . Todos os fatores possíveis são
utilizados para formar a soma.
a. O próximo número perfeito é 496. Usando o comando ifactor, escreva todos os seus fatores e soma
destes.
__________________________________________________________
b. O número 8128 é um número perfeito? Escreva todos os seus fatores e a sua respectiva soma.
__________________________________________________________
c. O número 33550336 é um número perfeito?
__________________________________________________________
Dica: Para adicionar todos os fatores, utilize o comando sum. Todas as combinações de , são possíveis,
junto com , . Dessa maneira, utilize o comando
> sum(2^n+2^n*8191,n=0..11)+2^12;
Números Perfeitos Rapidamente Tornam-se Grandes
Utilize a dica vista anteriormente para mostrar que p = 8.589.869.056 é um número perfeito. Qual é o
maior fator de p?
__________________________________________________________
Convertendo Para Bases Diferentes
Cientistas de Computação frequentemente usam números binários ou hexadecimais. Para converter um
número como 45 de decimal para hexadecimal, use o comando
> convert(45,hex);
__________________________________________________________
a. Use o comando anterior para converter os seguintes números para hexadecimal
( i ) 64
__________________________________________________________
( ii ) 16
__________________________________________________________
( iii ) 16.377.216 (16.000K)
__________________________________________________________
( iv) 43.690
__________________________________________________________
b. Que palavras em inglês esses números formam quando convertidos para hexadecimal?
( i ) 65.261
__________________________________________________________
( ii ) 64.206
__________________________________________________________
( iii ) 2.766
__________________________________________________________
( iv ) 3.243
__________________________________________________________
( v ) 51.966
__________________________________________________________
( vi ) 12.648.430
__________________________________________________________
Conversões Para a Base 7
O problema da contagem de todos os gatinhos, gatos, sacos, esposas indo para St. Ives poderia ter sido
feito de forma mais fácil se utilizássemos o sistema numérico de base 7. O número 7, escrito na base 7,
é . Utilizamos
> convert(7,base,7);
para encontrar os dígitos na conversão. Note que os dígitos podem ser lidos da direita para a esquerda
no output do Maple.
Torne-se familiar com o processo de conversão.
a. Converta 49 (7 x 7) para a base 7.
__________________________________________________________
b. Converta 343 (7 x 7 x 7) para a base 7.
__________________________________________________________
c. Para converter da base 7 para a base 10, você deve primeiro escrever o número da base 7 - 111110 como uma lista, começando da direita: [0,1,1,1,1], e usá-lo esta forma do comando convert:
> convert([0,1,1,1,1],base,7,10);
__________________________________________________________
d. Converta 234.787 para a base 7.
__________________________________________________________
e. Converta 22.875 para a base 7.
__________________________________________________________
Somando Números
a. Encontrar a soma dos primeiros 1.000 inteiros. O comando do Maple é
> sum(i,i=1..1000);
__________________________________________________________
b. Encontre a soma das primeiros 1000 quadrados.
(Dica: o comando do Maple é sum(i^2,i=1..1000). )
__________________________________________________________
c. Encontre a soma dos primeiros 1000 cubos.
__________________________________________________________
Resolvendo um Problema por Enumeração
Um número é um quadrado perfeito e um cubo perfeito. Este número está entre 40.000 e 50.000. Que
número é este, e qual é a sua raiz cúbica?
__________________________________________________________
A Conjetura 3N + 1
Uma regra simples para produzirmos uma lista de inteiros é
1. Escolha um inteiro positivo. Chame-o de N.
2. Se N = 1, pare.
3. Se N for par, troque-o por e vá para o passo 2.
4. Se N for ímpar, troque-o por 3N + 1 e vá para o passo 2.
A regra produz uma string de números baseados no primeiro número, N. Alguns números muito
grandes, como 65.536 produzem uma sequência relativamente pequena, enquanto outros, muito
menores, como 41, produzem uma longa lista de dígitos.
A conjetura é que a sequência irá parar quando chegarmos ao valor 1, não importando qual foi nossa
escolha inicial ( N ).
O Maple tem uma linguagem de programação que nos permite codificar este algoritmo:
> lc:=proc(n::integer)
>
local r,i;
>
r:=n;
>
i:=1,print(r);
>
if r=1 then
>
RETURN();
>
fi;
>
while not r=1 do
>
if r mod 2 = 0 then
>
r:= r/2;
>
print(r);
>
i:=i+1;
>
else
>
r:=3*r+1;
>
print(r);
>
i:=i + 1;
>
fi;
>
od;
>
print(`Numero de Iteracoes: `,i);
> end:
Você pode reconhecer muitos comandos neste programa. A primeira linha define um procedimento e nos
permite dar um número de entrada, n. As próximas 3 linhas inicializam variáveis que o programa
necessita. Nas linhas 5,6,7 temos a nossa condição de saída. A linha 8 configura uma tarefa repetida,
permitindo da linha 9 até a 17 processarmos a tarefa até encontrarmos o valor 1. A linha 19 nos mostra
quantos números foram gerados para a sequência.
Depois de você ter escrito o programa, digite o comando
> lc(4);
Desde que o número inicial seja uma potência de 2, a sequência pára rapidamente. Qual é a sequência
gerada por lc(3)?
__________________________________________________________
Conjetura 1. Você pode supor quanto maior for o número inicial, maior será a sequência. Para testar a
conjetura, registre o número de iterações produzidas por
( i ) lc(25)
__________________________________________________________
( ii ) lc(27)
__________________________________________________________
( iii ) lc(29)
__________________________________________________________
A conjetura 1 é verdadeira ou falsa?
__________________________________________________________
Tente dar um número negativo para iniciar o processo:
> lc(-1);
Você terá que pressionar o botão stop, porque a saída entra em loop.
O tamanho do ciclo é o número de números num padrão repetitivo. Qual é o tamanho do ciclo lc(-1)?
__________________________________________________________
Qual é o tamanho dos ciclos para
( i ) lc(-2)
__________________________________________________________
( ii ) lc(-3)
__________________________________________________________
( iii ) lc(-5)
__________________________________________________________
( iv ) lc(-17)
__________________________________________________________
A conjetura 3N + 1: Não importa qual seja o número inicial, a sequência gerada pelo algoritmo irá
eventualmente encontrar 1 e parar.
Algumas sequências tem tamanho maior que 200. Esta sequência é gerada por um número entre 3.500 e
4.000. Qual é este número e qual o tamanho de sua sequência?
Dica: Você pode usar um programa do Maple para automatizar sua busca.
> for jk = 3500 to 4000 do lc(jk) od;
Tenha a certeza de ter removido os parâmetros de impressão do while loop no procedimento lc para o que
o Maple imprima apenas o número de interações, e não todos os valores.
__________________________________________________________
Os dois números que você encontrou acima estão cercados de números que produzem pequenas
sequências. Números grandes não necessariamente produzem sequências longas. Por exemplo, qual é o
tamanho da sequência para o número 123.456.789?
__________________________________________________________
Encontre uma sequência longa utilizando lc(n). Que número encontrado produziu a sequência mais
longa e qual foi esta sequência?
__________________________________________________________