Matemáticas 8.º

Patrones y conjeturas

45 min · DBA 9

Lo que vas a aprender
  • Describir con palabras el patrón de una secuencia de figuras o de números.
  • Escribir una expresión algebraica para el término n de una secuencia y usarla para predecir términos lejanos.
  • Poner a prueba una conjetura con varios casos y refutarla con un contraejemplo cuando es falsa.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Imagina que armas figuras con palillos y quieres saber cuántos necesitas para la figura número cien, sin construir las noventa y nueve anteriores. O que notas que algo se repite en unos números y te preguntas si pasará siempre. Las dos preguntas tienen la misma raíz: encontrar la regla que hay detrás de lo que observas.

Buscar patrones es una de las formas más antiguas de hacer matemáticas. Pero los patrones también engañan: algo puede funcionar en muchos casos y fallar en el siguiente. En esta lección aprenderás a escribir un patrón con álgebra y a poner a prueba una idea antes de creer en ella.

Antes de empezar necesitas saber calcular el valor numérico de una expresión, como $3n + 1$ cuando $n = 5$, y resolver ecuaciones sencillas como $3n + 1 = 31$.

Explicación

Ver el patrón y decirlo con palabras

Mira la secuencia de figuras de palillos de abajo. La primera es un cuadrado; en cada figura nueva se pega otro cuadrado a la derecha. El primer paso es describir con palabras lo que cambia: «cada figura nueva agrega tres palillos, porque el cuadrado que se pega comparte un lado con el anterior».

El segundo paso es organizar los datos en una tabla: en una columna el número de la figura, $n$, y en la otra lo que cuentas. Si los valores van aumentando siempre lo mismo, esa cantidad fija se llama diferencia, y el patrón es de los más sencillos.

Del patrón a la expresión

Cuando la diferencia es constante, el término general se arma así: se parte del primer término y se suma la diferencia tantas veces como pasos hay desde la figura 1 hasta la figura $n$, que son $n - 1$ pasos:

$$\text{término } n = \text{primer término} + (n - 1)\cdot \text{diferencia}$$

Después conviene simplificar la expresión y, sobre todo, comprobarla con los casos que ya contaste. Si la expresión no da los valores de la tabla, está mal. Con la expresión puedes contestar dos clases de preguntas: cuánto vale un término lejano (se reemplaza $n$) y qué lugar ocupa un valor dado (se resuelve una ecuación).

No todos los patrones crecen de a lo mismo. En $1, 4, 9, 16, \ldots$ los saltos son $3$, $5$, $7$: cambian, y la regla es «el número de la figura al cuadrado», $n^2$. En $2, 6, 18, 54, \ldots$ cada término es el triple del anterior. Antes de escribir una expresión, mira bien qué se repite: si es una suma fija, una multiplicación fija o algo distinto.

Conjeturas

Cuando observas varios casos y propones una regla general, haces una conjetura. Por ejemplo: «la suma de tres números consecutivos siempre es múltiplo de 3». Una conjetura no es todavía una verdad: es una apuesta razonable que hay que poner a prueba.

Para ponerla a prueba, ensaya varios casos, y no solo los cómodos: números grandes, el cero, el uno, números negativos o fracciones, si la conjetura habla de ellos. Pueden pasar dos cosas.

  • Encuentras un caso en el que falla. Ese caso es un contraejemplo, y uno solo basta para saber que la conjetura es falsa. No importa cuántos casos la cumplan.
  • Todos los casos que ensayas la cumplen. Eso hace la conjetura más creíble, pero no la demuestra: el caso que falla podría ser el siguiente. Para estar seguro hace falta un argumento que valga para todos los números, y el álgebra sirve para eso. Si llamas $n$ a un número cualquiera y transformas la expresión hasta ver la propiedad, ese razonamiento vale para cualquier valor de $n$.

En los ejemplos vas a ver una conjetura que se cumple en tres casos seguidos y falla en el cuarto, y otra que el álgebra demuestra para todos los números.

12345678910123xyFigura 1Figura 2Figura 3

Las figuras 1, 2 y 3 de la secuencia de palillos: cada cuadrado nuevo comparte un lado con el anterior. Tienen 4, 7 y 10 palillos.

Ejemplo resuelto

La expresión de los palillos

Escribe una expresión para el número de palillos de la figura $n$ y úsala para saber cuántos tiene la figura 50.

Ver la solución paso a paso
  1. Contamos en las figuras: 4, 7 y 10 palillos. Los saltos son iguales:

    $$7 - 4 = 10 - 7$$

  2. La diferencia es 3. Partimos de los 4 palillos de la figura 1 y sumamos 3 por cada uno de los $n - 1$ pasos:

    $$4 + 3 \cdot \left(n - 1\right)$$

  3. Simplificamos:

    $$3n + 1$$

  4. Comprobación con las figuras que contamos. Figura 1:

    $$3 \cdot 1 + 1 = 4$$

  5. Figura 2:

    $$3 \cdot 2 + 1 = 7$$

  6. Figura 3:

    $$3 \cdot 3 + 1 = 10$$

  7. Ahora reemplazamos $n$ por 50:

    $$3 \cdot 50 + 1$$

  8. Resultado:

    $$151$$

Respuesta: La figura $n$ tiene $3n + 1$ palillos, y la figura 50 tiene 151.

Ejemplo resuelto

Al revés: qué figura usa cierto número de palillos

¿Qué figura de la secuencia usa 61 palillos?

Ver la solución paso a paso
  1. Igualamos la expresión al número de palillos:

    $$3n + 1 = 61$$

  2. Restamos 1 a ambos lados:

    $$3n = 60$$

  3. Dividimos entre 3:

    $$n = 20$$

  4. Comprobamos: la figura 20 tiene exactamente 61 palillos.

    $$3 \cdot 20 + 1 = 61$$

Respuesta: $n = 20$

Ejemplo resuelto

Una conjetura que falla en el cuarto caso

Andrés probó la expresión $n^2 + n + 1$ con $n = 1, 2, 3$, obtuvo números primos y conjeturó que siempre da un primo. ¿Tiene razón?

Ver la solución paso a paso
  1. Con $n = 1$ obtiene 3, que es primo:

    $$1^{2} + 1 + 1 = 3$$

  2. Con $n = 2$ obtiene 7, que es primo:

    $$2^{2} + 2 + 1 = 7$$

  3. Con $n = 3$ obtiene 13, que también es primo:

    $$3^{2} + 3 + 1 = 13$$

  4. Tres casos a favor no prueban nada. Ensayamos $n = 4$:

    $$4^{2} + 4 + 1 = 21$$

  5. Y 21 no es primo, porque se puede escribir como un producto:

    $$21 = 3 \cdot 7$$

Respuesta: No. El caso $n = 4$ es un contraejemplo: da $21 = 3 \cdot 7$, que no es primo. Basta ese caso para refutar la conjetura.

Ejemplo resuelto

Una conjetura que el álgebra demuestra

Muestra que la suma de tres números enteros consecutivos siempre es múltiplo de 3.

Ver la solución paso a paso
  1. Primero ensayamos casos. Con 4, 5 y 6:

    $$4 + 5 + 6 = 3 \cdot 5$$

  2. Con 10, 11 y 12:

    $$10 + 11 + 12 = 3 \cdot 11$$

  3. Los casos convencen, pero no demuestran. Llamamos $n$ al primero de los tres números; los otros dos son $n + 1$ y $n + 2$. Su suma es:

    $$n + \left(n + 1\right) + \left(n + 2\right)$$

  4. Reducimos términos semejantes:

    $$3n + 3$$

  5. Y sacamos el 3 como factor común:

    $$3 \cdot \left(n + 1\right)$$

  6. La suma es 3 veces un entero, $n + 1$, sea cual sea $n$. Además se ve que es el triple del número del medio.

Respuesta: $3 \cdot \left(n + 1\right)$

Práctica

La secuencia 5, 9, 13, 17, … aumenta siempre lo mismo. ¿Cuál es la expresión de su término n?

¿Cuál es el término 10 de la secuencia 5, 9, 13, 17, …?

En la secuencia de cuadrados de palillos de la lección, ¿cuántos palillos tiene la figura 30?

Con palillos se arma una fila de triángulos pegados: 1 triángulo usa 3 palillos, 2 triángulos usan 5 y 3 triángulos usan 7. ¿Cuántos triángulos tiene la fila que usa 41 palillos?

La figura n de una secuencia tiene $5n - 2$ cuadritos. ¿Qué figura tiene 48 cuadritos?

¿Cuál es el término 12 de la secuencia 1, 4, 9, 16, …?

En la secuencia 2, 6, 18, 54, …, cada término es el triple del anterior. ¿Cuál es el sexto término?

Pedro vio que 2¹ = 2·1 y que 2² = 2·2, y conjeturó que $2^{n} = 2n$ para todo número n. ¿Es verdadera su conjetura?

¿Verdadero o falso? Para todo número entero n se cumple $\left(2n - 1\right) + \left(2n + 1\right) = 4n$; es decir, la suma de dos impares seguidos es múltiplo de 4.

Marta conjetura que el cuadrado de un número siempre es mayor que el número. Marca los valores que son contraejemplos de su conjetura.

Marca todas las que apliquen.

¿Cuál descripción con palabras corresponde a la secuencia 3, 6, 12, 24, …?

Reto

Completa el patrón.

Elige lo que va en cada hueco y comprueba tu expresión con los primeros términos.

Reto

Abre el candado de los patrones.

Cada pista da una cifra de la clave.

Cierre

En resumen

  • Un patrón se describe primero con palabras, luego con una tabla y al final con una expresión algebraica.

  • Si una secuencia aumenta siempre lo mismo, su término n es: primer término + (n − 1) · diferencia.

  • Una expresión se comprueba con los casos conocidos y sirve para hallar términos lejanos o, con una ecuación, el lugar de un valor.

  • Una conjetura es una regla general sin demostrar; un solo contraejemplo basta para refutarla.

  • Muchos casos a favor no demuestran una conjetura; un argumento algebraico con n cualquiera sí.

Vocabulario

Patrón

Regla que se repite en una secuencia y permite saber cómo sigue.

Término general

Expresión algebraica que da el término que ocupa el lugar n de una secuencia.

Conjetura

Afirmación general que parece cierta por los casos observados, pero que todavía no se ha demostrado.

Contraejemplo

Un caso concreto en el que una conjetura falla. Uno solo basta para mostrar que es falsa.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Inventar una secuencia de figuras con palillos, escribir su tabla y su término general, y comprobarlo con tres figuras. Además, poner a prueba la conjetura «n² − n + 11 siempre es primo» con varios valores de n hasta decidir si es verdadera o encontrar un contraejemplo.