Arte y matemáticas: números escondidos en el Partenón, la Mona Lisa y la manzana de Apple

Contaba no hace mucho cómo las matemáticas están presentes en la naturaleza, mucho más de lo que imaginamos. Formas, patrones, proporciones; infinidad de elementos surgidos de forma completamente natural que siguen un orden matemático y que son verdaderas demostraciones de belleza.

Identidad de Euler

Siempre que se habla de belleza matemática aparece la famosa «identidad de Euler». Esta conocida fórmula del matemático más importante del siglo XVIII, está considerada la más bella de la historia por relacionar cinco números muy utilizados en la historia de las matemáticas y que además pertenecen a distintas ramas de la misma.

También las matemáticas estén presentes en diferentes expresiones artísticas. Podemos encontrar referencias matemáticas en muchas obras pictóricas y arquitectónicas. En este caso han sido los propios artistas los que desde hace siglos han considerado símbolo de belleza utilizar determinadas proporciones u organizar los elementos que componen la obra siguiendo un orden matemático. Este es el caso de obras como «La Mona Lisa» de Leonardo Da Vinci o «Las Meninas» de Velázquez. Ambas obras esconden el «número áureo», también llamado «divina propoción». Pero incluso diseños más recientes como los utilizados por la empresa de informática Apple, utilizan también este «mágico» número, por ejemplo en las proporciones del logotipo de iCloud.

¿Por qué es tan especial el «número áureo»?

En 300 a.C., Euclides, el padre de la geometría, descubre una proporción divina que rige todas las cosas bellas: el número áureo, representado por la letra griega φ (fi), en honor al escultor griego Fidias, que utilizaba este valor estético en sus esculturas.

El número áureo es un número irracional.

1.61803398874989484820458683436563811772030917980576286 2135448622705260462818902449707207204189391137484754088 0753868917521266338622235369317931800607667263544333890 8659593958290563832266131992829026788067520…

¿Cómo se puede obtener el número de oro?

El número áureo es el valor numérico de la proporción que guardan entre sí dos segmentos de recta a y b que cumplen una determinada relación: la longitud total a+b es al segmento más largo a como a es al segmento más corto b.

Aunque probablemente, la forma más curiosa de hallar una aproximación del mágico número áureo es a partir de la sucesión de Fibonacci (de la que ya hablé en el artículo «Huracanes, conejos y piñas: matemáticas en la naturaleza y cómo calcular la sucesión de Fibonacci»). Se trataría de realizar una sencilla operación sobre pares de número consecutivos en la sucesión de Fibonacci: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, 17111, 28657, 46638, … Por ejemplo, utilizando el siguiente programa en lenguaje Java genera los números de la sucesión de Fibonacci:

Programa Java que cálcula la sucesión de Fibonacci y el número áureo

vamos calculando también en casa paso el cociente entre un valor y el anterior (3/2, 5/3, 8/5, 13/8, 21/13, …). Observaremos que el valor de la división se va aproximando cada vez más al número áureo: 1.61803398874989484820458…

Salida del programa Java que cálculo la sucesión de Fibonacci y la aproximación al número áureo.

A partir de la evolución de un rectángulo dorado, que posee una proporcionalidad entre sus lados igual a la razón aúrea, podemos construir una espiral áurea, como las que aparecen «escondidas» en muchas obras de arte.

El número áureo en la arquitectura

El número áureo está presente en el diseño de la construcción del Partenón de Atenas. Si tomamos algunas medidas, podremos comprobar que la base frontal es la altura multiplicada por el número áureo (1,61803398). Y si estudiamos otros elementos de la construcción, la divina proporción vuelve a aparecer.

El número áureo en la pintura

En una de las obras de de Leonardo Da Vinci podemos encontrar una espiral áurea, delimitando las proporciones de «La Mona Lisa».

También en la famosa obra de Velázquez, «Las Meninas», aparecen varias referencias matemáticas, como por ejemplo los tres triángulos isósceles que marcan la posición de «las meninas», y también la espiral dorada.

La presencia de la espiral tiene una clara intención dentro del cuadro del pintor español:

Velázquez, en la composición áurea de su cuadro Las Meninas, lo ordena con la mencionada espiral, cuyo centro está situado sobre el pecho de la infanta Margarita, marcando con ello el centro visual de máximo interés y el significado simbólico del lugar reservado para los escogidos, como era tradición en Europa, que el monarca ocupara el lugar central y de privilegio en las ceremonias. No hay que olvidar que en el momento de la creación de la pintura, la infanta Margarita era la persona más indicada como sucesora al trono, ya que Felipe IV no tenía en ese momento ningún hijo varón.

La divina proporción en diseños modernos

Como comenta el blog Fotomat sobre fotografía y matemáticas, el logotipo de iCloud de Apple utiliza las proporciones áureas también. Pero no queda ahí la obsesión de los de Apple por la perfección. Indagando un poco más sobre tema, podéis descubrir que la famosa manzana utiliza proporciones extraídas de la sucesión de Fibonacci. Increíble.

«Los números son bellos» del programa tres14

Para comprender mejor toda la relación entre arte y matemáticas, recomiendo este reportaje del programa tres14, «Los números son bellos», en el que entrevistan a cuatro matemáticos. A todos ellos se les plantea la siguiente pregunta: «¿Qué tienen en común arte y matemáticas?». Francisco Martín Casalderrey y Capi Corrales hablan sobre mirar el arte con ojos matemáticos, Fernando Corbalán, sobre la divina proporción y Sebastià Xambó y Antonio J. Durán, sobre el arte en las matemáticas, su poesía y su belleza.

Reportaje «Los números son bellos» del programa tres14 de La2 de RTVE

Programa Java en rextester.com | Cálculo del número áureo
La2 de rtve.es | tres14 – Los números son bellos

Huracanes, conejos y piñas: matemáticas en la naturaleza y cómo calcular la sucesión de Fibonacci

Las matemáticas están presentes en la naturaleza, mucho más de lo que podemos imaginar. Formas, proporciones y crecimientos; infinidad de elementos naturales siguen un orden matemático, un patrón. Uno de los casos de estudio más curiosos es la aparición de la sucesión de Fibonacci en muchos elementos naturales.

Por ejemplo, el pasado 28 de octubre a las 6:45 PM EDST, el decimoctavo ciclón tropical de la temporada 2012 adquiría la forma de la espiral de Fibonacci. Era el huracán Sandy.

También es curioso comprobar que si observamos las hileras espirales de escamas en una piña, se pueden contar 8 espirales enrollándose hacia la izquierda y 13 espirales que lo hacen en sentido contrario. O también 13 hacia la izquierda y 21 hacia la derecha. También se pueden dar otras parejas de números, pero en cualquier caso se tratan de números consecutivos en la famosa sucesión de Fibonacci: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, …

La longitud de tus falanges también sigue la sucesión de Fibonacci:

¿Qué es la sucesión de Fibonacci?

En matemáticas, una sucesión es una lista ordenada de objetos, cada uno de ellos denominado término, elemento o miembro de la sucesión. Podríamos encontrar (e inventar) sucesiones, finitas e infinitas, pero de todas ellas, probablemente una de las que más curiosidad despierta es la sucesión de Fibonacci. De hecho, el interés por esta famosa serie de números no sólo tiene que ver con sus aplicaciones directas en el mundo de las ciencias de la computación y las matemáticas, sino por estar presente, como comentaba, en muchos elementos de la naturaleza.

La sucesión de Fibonacci corresponde a la sucesión infinita de números naturales en la que cada elemento es la suma de los dos anteriores:

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, 17111, 28657, 46638, …

En ocasiones y de forma errónea, se hace referencia a esta secuencia de números como «serie de Fibonacci», sin embargo, una serie matemática es un concepto que tiene que ver con la suma de los términos de una sucesión infinita.

Aunque la sucesión ya había sido descubierta por matemáticos indios, fue Leonardo de Pisa (1170-1250), matemático italiano del siglo XIII conocido como Fibonacci, quien describió la sucesión como solución a un problema de cría de conejos.

El problema decía:

Cierto hombre tenía una pareja de conejos juntos en un lugar cerrado y uno desea saber cuántos son creados a partir de este par en un año cuando es su naturaleza parir otro par en un simple mes, y en el segundo mes los nacidos parir también.

En un lenguaje más actual:

  • Al comienzo del primer mes nace una pareja de conejos y a final de mes se cruzan.
  • Al final del segundo mes, la pareja A da a luz a la pareja B y se vuelve a cruzar la pareja A.
  • Al final de tercer mes, la pareja A da a luz a la pareja C y se cruzan las parejas A y B.
  • Al final del cuarto mes, las parejas A y B dan a luz a las parejas D y E y se cruzan las parejas A, B y C.
  • Al final del quinto mes, las parejas A, B y C dan a luz a las parejas F, G y H y se cruzan las parejas A, B, C, D y E.
  • Y así sucesivamente…

Es decir, las parejas se irían reproduciendo con el siguiente esquema:

  • Fin del mes 0: 0 parejas
  • Comienzo del primer mes: 1 pareja AA
  • Después de 1 mes: 1 pareja AA
  • Después de 2 meses: 2 parejas AA BB
  • Después de 3 meses: 3 parejas AA CC BB
  • Después de 4 meses: 5 parejas AA DD CC BB EE
  • Después de 5 meses: 8 parejas AA FF DD CC HH BB GG EE
  • Después de 6 meses: 13 parejas AA II FF DD LL CC KK HH BB JJ GG EE MM

En cada paso se indica en negrita la pareja de conejos que nace, a la derecha de la pareja adulta (después de un mes) que se han cruzado. Siguiendo la sucesión, es sencillo calcular el número de conejos después de «n» meses.

Podemos observar en la sucesión como el número de parejas de conejos en cada paso es la suma del número de parejas en los dos meses anteriores. Por ejemplo, después de 6 meses tenemos 13 parejas, que es la suma de 5 y 8 (el número de parejas en los meses 4 y 5).

Cálculo del elemento «n» en la sucesión de Fibonacci: F(n)

Para conocer el valor del elemento en cualquier posición de la sucesión, hay varios algoritmos o métodos, que además podemos implementar prácticamente con cualquier lenguaje de programación actual. Si utilizamos la propia definición de la sucesión de Fibonacci, podríamos programar la siguiente función:

La función sería válida para valores de «n» mayores o iguales que 2. Para n=0 la función vale 0, y para n=1 la función vale 1. Observamos que la función se define utilizando la propia definición de la función. Es una definición recursiva de la función y con los lenguajes de programación más extendidos (Java, C++, etc.), desde hace mucho tiempo podemos expresar este tipo de funciones.

Versión recursiva de la función Fibonacci

Para implementar la función Fibonacci con una definición recursiva, simplemente tomamos la función y la expresamos con instrucciones del lenguaje de programación que hemos elegido, en este caso Java. Podemos ver la definición recursiva en la línea 48.

El inconveniente de este tipo de definición recursiva es el número de sumas que se efectúan: concretamente f(n-1)-1 sumas. Es decir, en varios pasos del proceso se repiten cálculos (aunque con estrategias de programación dinámica se pondría solución a este problema).

Versión iterativa de la función Fibonacci

Otro enfoque para abordar el problema es implementar una versión iterativa del problema, con la que solamente es necesario realizar «n» sumas y no «f(n-1)-1» sumas, como en el caso recursivo.  Es decir, en la versión iterativa se va obteniendo en orden y paso a paso cada uno de los elementos de la sucesión en función de los 2 anteriores. Lógicamente, para poder empezar, es necesario definir los valores de los dos primeros elementos de la sucesión: 0 y 1. A continuación se suma 0+1=1 y se obtiene la sucesión 0,1,1. Se vuelven a sumar los dos últimos elementos 1+1=2 y se obtiene la sucesión 0,1,1,2. Se procede de la misma forma con el 1 y el 2, 1+2=3 y se añade a la sucesión: 0,1,1,2,3. Estos pasos son exactamente los que están programados en el código Java que se muestra a continuación. Se puede observar el cálculo de la suma de los dos elementos anteriores en la línea 38.

Fibonacci y diseño

También la sucesión de Fibonacci llega al diseño de interiores. Podéis echarle un vistazo a este curioso armario con una distribución de cajones siguiendo la famosa sucesión. Lo compartía el blog de matemáticas Gaussianos.

Y un último intento de explicar la sucesión de Fibonacci:

Wikipedia | Sucesión de Fibonacci
Wolfram|Alpha | Primeros números de la sucesión
Programa Java (rextester) | Versión iterativa | Versión recursiva
Fotografía | Fibonacci Cabinet de Utopia Architecture & Design (vía Gaussianos)