LAS MATEMÁTICAS Y LA ARQUITECTURA

DE LA MATEMÁTICA A LA ARQUITECTURA  DE LA ARQUITECTURA A LA    MATEMÁTICA 

                                   las superficies cuadráticas y su aplicación en la arquitectura

El vínculo entre la matemática y la arquitectura tiene una historia larga, variada y rica. 

En esta breve intervención, se pretende mostrar la experiencia desarrollada en el 

ámbito académico, sin más pretensiones que la de lograr, por parte de los estudiantes 

de arquitectura, un mayor acercamiento con la matemática, no ya como materia 

objetiva e indiscutible sino, una visión más subjetiva, opinable y amigable. 

Se trata de concebir la arquitectura desde lo matemático y la matemática desde lo 

arquitectónico. 

En el curso que dicto en el 1er semestre de las Facultad de Arquitectura de la 

Universidad de la República en Montevideo (UDELAR), hace unos años que 

comenzamos a transitar junto a los alumnos -y con el total respaldo de autoridades y 

compañeros de Cátedra- un camino diferente al habitual: los “talleres de matemática”. 

Cabe destacar que la experiencia que se detalla más adelante, la realizo también 

como responsable del curso tradicional de Matemática 1 de la Facultad de Arquitectura 

de la Universidad ORT, con idénticos resultados. 

En los cursos tradicionales de matemática se realiza el estudio de las superficies 

cuádricas (paraboloides, hiperboloides, conos) partiendo de las ecuaciones y 

reconociendo las superficies al seccionar con los planos coordenados y planos 

paralelos a estos. 

En el taller de matemática, a este estudio previo, lo intensificamos con la visión 

inversa: partimos de lo formal, conociendo y reconociendo las posibilidades expresivas 

de las diferentes superficies, observando y modificando las curvas, viendo variantes y 

analizando los encuentros e intersecciones entre las diferentes superficies. 

Se le propone al estudiante que observe las diferentes superficies, y comience a 

concebir “algo”, que puede tener o no un destino preestablecido, pero que sea de su 

agrado. 

Se buscan referentes en edificios o elementos que estén basados en estas superficies, 

o simplemente se empieza a “jugar” con las formas: valiéndonos de materiales que 

permitan, en pocos minutos y con un costo ínfimo, concebir un “proyecto”. 

Usando computadoras y programas apropiados, telas, varillas, alambres, papel, se 

busca el acercamiento del estudiante a la forma y sus posibles variantes de la/s 

superficie/s que eligió. 

El programa arquitectónico es absolutamente libre –intervenciones urbanas, galpones, 

viviendas, gimnasios, parques de diversiones, edificios, estadios, mobiliario urbano o 

domiciliario- y como les hago saber, en caso de lograr un buen resultado formal, pero 

sin un destino previsto, simplemente diremos que es una “escultura”. 

 En cuanto a la matemática, esta aparece después de concebido el proyecto, incluso 

puede ser que se llegue a las ecuaciones de las superficies utilizadas luego de 

realizada la maqueta. 

Tomando las mediciones necesarias para calcularla, de los croquis o de la misma 

maqueta, se hallan las ecuaciones de las principales cónicas que se obtienen, 

logrando a partir de ellas la ecuación de la cuádrica. 

La entrega final, es una maqueta, realizada por los propios estudiantes, usando los 

materiales que consideren más apropiados: telas, madera, acrílico, acetato, cartón, 

etc. 

A una escala adecuada, dependiendo del objeto diseñado, se busca que las mismas 

quepan en un cubo de 50 cm. de lado. 

Esta irá acompañada de gráficos, fotografías del proceso y del resultado final y carpeta 

de croquis del proceso creativo. 

La experiencia se puede disparar en diferentes direcciones dependiendo del proyecto 

concebido así como de la avidez del estudiante. 

Uno de los más interesantes es el estudio de las tensiones que se producen, aunque 

en un nivel básico e intuitivo, descubren la necesidad de “sostener” una estructura que 

en el papel no generaba problemas, agregando tensores, columnas, verificando 

empotramientos, analizando compresiones y tracciones. 

Las tensoestructuras tienen un lugar destacado dentro de esta experiencia. 

Partiendo de referentes vistos en nuestra propia ciudad, o a través de fotografías de 

otras partes del mundo, se manejan variantes, se experimenta y busca una forma, un 

diseño que el estudiante, pese a su muy escaso tiempo vinculado a la disciplina 

arquitectónica –recordemos que esto lo hacemos en el 1er semestre de la carrera-, 

logre concretar, a mi juicio –y en general- con un nivel más que satisfactorio. 

Como parte del estudio, destacamos las peculiaridades de cada una de las cuádricas: 

las superficies regladas, tan simples constructivamente como un plano cualquiera pero 

con ventajas estructurales y estéticas. 

La simplicidad de construir un cuadrilátero gausso y, a partir de él, la superficie reglada 

que lo rellena (tanto con rectas una al lado de la otra o una tela con el suficiente grado certeza de que el comportamiento estructural está dado por la forma y no por la rigidez 

del elemento empleado. 

Concepto como centro de gravedad, simetrías y asimetrías, transparencias y 

opacidades, surgen siempre en el taller. 

 Insisto en que lo que se busca es un acercamiento del estudiante a las superficies 

cuádricas en general y a las tensoestructuras en particular, pero desde un plano 

básico e intuitivo, ya que, quienes lo reciben son flamantes estudiantes de la disciplina, 

y quien lo dicta, es un arquitecto con “simpatía” hacia la matemática y 

de elasticidad), permite rápidamente concebir un paraboloide hiperbólico. 

Si hacemos que el cuadrilátero tenga sus lados unidos pero con posibilidad de giro, 

podremos ir concibiendo las diferentes variantes. 

Partiendo de dos elipses semejantes en planos paralelos unidas por rectas (con 

determinadas condiciones) construir un hiperboloide de una hoja; o rotar algunas 

cónicas para obtener diferentes cuadráticas de revolución (conos, hiperboloides de una 

o dos hojas, elipsoides, paraboloides). 

Análisis de cargas y descargas, posibles deformaciones, alteraciones por efectos 

externos –sobrecargas, vientos-, pueden ser elementos que se manejen en el 

intercambio y las periódicas correcciones con los estudiantes. 

La posibilidad de que sea una simple tela la que permita realizar la maqueta, nos da la estructura 

pero muy lejos de ser un especialista en estas disciplinas. 

INTEGRANTES :

• ROCIO GONZALES AZAÑERO
• CARLOS DELGADO
• RICARDO ESQUERRES ROSAS
• ROBERTO ULLOA

CONJUNTOS

Conjunto

Para otros usos de este término, véase Conjunto (desambiguación).

Los diversos polígonos en la imagen constituyen un conjunto. Algunos de los elementos del conjunto, además de ser polígonos son regulares. La colección de estos últimos —los polígonos regulares en la imagen— es otro conjunto, en particular, un subconjunto del primero.

AI = {Rojo, Naranja, Amarillo, Verde, Azul, Añil, Violeta}

P = {2, 3, 5, 7, 11, 13, ...}

S = {Lunes, Martes, Miércoles, Jueves, Viernes} = {Martes, Viernes, Jueves, Lunes, Miércoles}

AI = {Rojo, Naranja, Amarillo, Verde, Azul, Añil, Violeta} = {Amarillo, Naranja, Rojo, Verde, Violeta, Añil, Azul}

Historia[editar · editar código]

Definición[editar · editar código]

[...] entiendo en general por variedad o conjunto toda multiplicidad que puede ser pensada como unidad, esto es, toda colección de elementos determinados que pueden ser unidos en una totalidad mediante una ley. —Georg Cantor3

A es el conjunto de los números naturales menores que 5.

B es el conjunto de los colores verde, blanco y rojo.

C es el conjunto de las letras a, e, i, o y u.

D es el conjunto de los palos de la baraja francesa.

3 ∈ A , ♠ ∈ D

amarillo ∉ B, z ∉ C

Notación 

Relación de pertenencia. El conjunto A es un conjunto de polígonos. En la imagen, algunas de las figuras pertenecen a dicho conjunto, pero otras no.

B = {verde, blanco, rojo}

C = {a, e, i, o, u}

A = {Números naturales menores que 5}

D = {Palos de la baraja francesa}

A = {m : m es un número natural, y 1 ≤ m ≤ 5}

D = {p : p es un palo de la baraja francesa}

F = {n² : n es un entero y 1 ≤ n ≤ 10},

Igualdad de conjuntos

Conjunto de personas. El conjunto de «personas» mostrado en la imagen, A, tiene 8 miembros. Este conjunto puede representarse mediante llaves o mediante un diagrama de Venn. El orden de las personas en A es irrelevante.

Propiedad de la extensionalidad Dos conjuntos A y B que tengan los mismos elementos son el mismo conjunto, A = B.

B = {verde, blanco, rojo} = {colores de la bandera de México}

C = {a, e, i, o, u} = {vocales del español}

D = {Palos de la baraja francesa} = {♠, ♣, ♥, ♦}

B = {verde, blanco, rojo} = {rojo, verde, blanco}

C = {a, e, i, o, u} = {e, i, u, a, o}

{1, 2} = {1, 2, 1}

Subconjuntos

Artículo principal: Subconjunto.

Subconjunto. B es un subconjunto de A (en particular un subconjunto propio).

Un conjunto A es un subconjunto del conjunto B si cada elemento de A es a su vez un elemento de B.

El «conjunto de todos los hombres» es un subconjunto propio del «conjunto de todas las personas».

{1, 3} ⊊ {1, 2, 3, 4}

{1, 2, 3, 4} ⊆ {1, 2, 3, 4}

Conjuntos disjuntos

Artículo principal: Conjuntos disjuntos.

A y B son conjuntos disjuntos.

Los conjuntos A y B son disjuntos si: la intersección entre A y B es el conjunto vacío.

Cardinalidad[editar · editar código]

Artículo principal: Número cardinal.

El número de elementos de un conjunto finito es su cardinal.

Operaciones con conjuntos[editar · editar código]

Operaciones con conjuntos

Unión

Intersección

Diferencia

Complemento

Diferencia simétrica

Artículo principal: Álgebra de conjuntos.

• Unión: (símbolo ∪) La unión de dos conjuntos A y B, que se representa como A ∪ B, es el conjunto de todos los elementos que pertenecen al menos a uno de los conjuntos A y B.

• Intersección: (símbolo ∩) La intersección de dos conjuntos A y B es el conjunto A ∩ B de los elementos comunes a A y B.

• Diferencia: (símbolo \) La diferencia del conjunto A con B es el conjunto A \ B que resulta de eliminar de A cualquier elemento que esté en B.

• Complemento: El complemento de un conjunto A es el conjunto A^∁ que contiene todos los elementos que no pertenecen a A, respecto a un conjunto U que lo contiene.

• Diferencia simétrica: (símbolo Δ) La diferencia simétrica de dos conjuntos A y B es el conjunto A Δ B con todos los elementos que pertenecen, o bien a A, o bien a B, pero no a ambos a la vez.

• Producto cartesiano: (símbolo ×) El producto cartesiano de dos conjuntos A y B es el conjunto A × B de todos los pares ordenados (a, b) formados con un primer elemento a perteneciente a A, y un segundo elemento b perteneciente a B.

Ejemplos

• {1, a, 0} ∪ {2, b} = {2, b, 1, a, 0}

• {5, z, ♠} ∩ {♠, a} = {♠}

• {5, z, ♠} \ {♠, a} = {5, z}

• {♠, 5} Δ {8, #, ♠} = {5, #, 8}

• {1, a, 0} × {2, b} = {(1, 2), (1, b), (a, 2), (a, b), (0, 2), (0, b)}

TEORÍA DE CONJUNTOS :

La teoría de conjuntos es una rama de las matemáticas que estudia las propiedades de los conjuntos: colecciones abstractas de objetos, consideradas como objetos en sí mismas. Los conjuntos y sus operaciones más elementales son una herramienta básica en la formulación de cualquier teoría matemática.¹

Sin embargo, la teoría de los conjuntos es lo suficientemente rica como para construir el resto de objetos y estructuras de interés en matemáticas: números, funciones, figuras geométricas, ...; y junto con la lógica permite estudiar los fundamentos de esta. En la actualidad se acepta que el conjunto de axiomas de la teoría de Zermelo-Fraenkel es suficiente para desarrollar toda la matemática.

Además, la propia teoría de conjuntos es objeto de estudio per se, no sólo co

mo herramienta auxiliar, en particular las propiedades y relaciones de los conjuntos infinitos. En esta disciplina es habitual que se presenten casos de propiedades indemostrables ocontradictorias, como la hipótesis del continuo o la existencia de un cardinal inaccesible. Por esta razón, sus razonamientos y técnicas se apoyan en gran medida en la lógica matemática.

El desarrollo histórico de la teoría de conjuntos se atribuye a Georg Cantor, que comenzó a investigar cuestiones conjuntistas «puras» del infinito en la segunda mitad del siglo XIX, precedido por algunas ideas de Bernhard Bolzano e influenciado por Richard Dedekind. El descubrimiento de las paradojas de la teoría cantoriana, de conjuntos, formalizada por Gottlob Frege, propició los trabajos de Bertrand Russell, Ernst Zermelo, Abraham Fraenkel y otros a principios del siglo XX.

NOCION INTUITIVA DE CONJUNTO

Un conjunto es la reunión en un todo de objetos bien definidos y diferenciables entre si, que se llaman elementos del mismo.

Si a es un elemento del conjunto A se denota con la relación de pertenencia a Î A. 

En caso contrario, si a no es un elemento de A se denota aÏ A. 

Ejemplos de conjuntos: 

• Æ : el conjunto vacío, que carece de elementos.
• N: el conjunto de los números naturales.
• Z: el conjunto de los números enteros.
• Q : el conjunto de los números racionales.
• R: el conjunto de los números reales.
• C: el conjunto de los números complejos.

  

Se puede definir un conjunto:

• por extensión, enumerando todos y cada uno de sus elementos.
• por comprensión, diciendo cuál es la propiedad que los caracteriza.

  

Un conjunto se suele denotar encerrando entre llaves a sus elementos, si se define por extensión, 

o su propiedad característica, si se define por comprensión. Por ejemplo:

• A := {1,2,3, ... ,n}
• B := {pΠZ | p es par}

  

Se dice que A está contenido en B (también que A es un subconjunto de B o que A es una parte de B), 

y se denota A Í B, si todo elemento de A lo es también de B, es decir, a Î A Þ a Î B.

Dos conjuntos A y B se dicen iguales, y se denota A = B, si simultáneamente A Í B y B Í A; 

esto equivale a decir que tienen los mismos elementos (o también la misma propiedad característica).

Para cualquier conjunto A se verifica que ÆÍ A y A Í A; 

B Í A es un subconjunto propio de A si A ¹ Æ y B ¹ A.

El conjunto formado por todos los subconjuntos de uno dado A se llama partes de A, y se denota Ã (A). 

Entonces, la relación B Í A es equivalente a decir B Î Ã (A). Ejemplos: 

Si A = {a,b} entonces Ã (A) = {Æ ,{a},{b},A}.

Si a Î A entonces {a} Îà(A).

Cuando en determinado contexto se consideran siempre conjuntos que son partes de uno dado U, 

se suele considerar a dicho U como conjunto universal o de referencia.

OPERACIONES ENTRE CONJUNTOS

Dados dos conjuntos A y B, se llama diferencia al conjunto A - B := {a Î A | a Ï B}. 

Asimismo, se llama diferencia simétrica entre A y B al conjunto A D B := (A - B) È (B - A).

Si A Î Ã (U), a la diferencia U - A se le llama complementario de A respecto de U, 

y se denota abreviadamente por A' (U se supone fijado de antemano).

Es fácil ver que si A y B son subconjuntos cualesquiera de U se verifica:

• Æ ' = U .
• U ' = Æ .
• (A')' = A .
• A Í B Û B' Í A' .
• Si A = { x Î U | p(x) es una proposición verdadera} entonces A' = { x Î U | p(x) es una proposición falsa}.

  

Se llama unión de dos conjuntos A y B al conjunto formado por objetos que son elementos de A o de B, 

es decir: A È B := { x | x Î A Ú x Î B}.

Se llama intersección de dos conjuntos A y B al conjunto formado por objetos que son elementos de A y de B, 

es decir: A Ç B := {x | x Î A Ù x Î B}.

Si A y B son subconjuntos de un cierto conjunto universal U, entonces es fácil ver que A - B = A Ç B'. 

En este caso, la llamadas operaciones booleanas (unión e intersección) verifican las siguientes propiedades :

PROPIEDADES	UNION	INTERSECCION
1.- Idempotencia	A È A = A	A Ç A = A
2.- Conmutativa	A È B = B È A	A Ç B = B Ç A
3.- Asociativa	A È ( B È C ) = ( A È B ) È C	A Ç ( B Ç C ) = ( A Ç B ) Ç C
4.- Absorción	A È ( A Ç B ) = A	A Ç ( A È B ) = A
5.- Distributiva	A È ( B Ç C ) = ( A È B ) Ç ( A È C )	A Ç ( B È C ) = ( A Ç B ) È ( A Ç C )
6.- Complementariedad	A È A' = U	A Ç A' = Æ

Estas propiedades hacen que partes de U con las operaciones unión e intersección tenga una estructura de álgebra de Boole. 

Además de éstas, se verifican también las siguientes propiedades:

• A È Æ = A , A Ç Æ = Æ ( elemento nulo ).
• A È U = U , A Ç U = A ( elemento universal ).
• ( A È B )' = A' Ç B' , ( A Ç B )' = A' È B' ( leyes de Morgan ).

  

Dados dos conjuntos A y B, se define el producto cartesiano de ambos como el conjunto de pares ordenados: 

A ´ B := { (a,b) : a Î A Ù b Î B}

Dos pares (a,b) y (c,d) de A ´ B son iguales si a = c y b = d; análogamente, dados cuatro conjuntos A,B,C,D se verifica 

A ´ B = C ´ D Û ( A = C Ù B = D )

Se llama grafo relativo a A ´ B a todo subconjunto G Í A ´ B. 

Dado un grafo G relativo a A ´ B, se llama proyección de G sobre A al conjunto 

Proy_AG := { a Î A : (a,b) Î G, $ b Î B}

Análogamente se define la proyección Proy_BG de G sobre B.

Por último, los conceptos anteriores pueden generalizarse a familias de conjuntos. 

Si para cada elemento i de un conjunto (de índices ) I se tiene un conjunto A_i , entonces se define el conjunto { A_i : i Î I } 

y se denomina familia de conjuntos indicada por I. También se suele denotar por { A_i } _i Î I . 

De forma análoga se define una familia de elementos ( a_i ) _i Î I .

Dada una familia de conjuntos { A_i } _i Î I se definen: 

• È _i ÎI A_i := { a : a Î A_i , $ i Î I }
• Ç _i Î I A_i := { a : a Î A_i , " i Î I }
• Õ _i Î I A_i := { (a_i) : a_i Î A_i , " i Î I }

  

Las propiedades de la unión e intersección siguen siendo válidas para familias de conjuntos, y en particular las leyes de Morgan : 

( È _i Î I A_i )' = Ç _i Î I A'_i     ,    (Ç_i Î I A_i )' = È_i Î I A'_i

DIAGRAMAS DE VENN

Los conjuntos de suelen representar gráficamente mediante "diagramas de Venn", con una línea que encierra a sus elementos. 

Así, todas las operaciones entre conjuntos se pueden representar gráficamente con el fin de obtener una idea más intuitiva.

A Í B

 

A È B

 

A Ç B

 

A - B

 

A D B

RELACION ENTRE LA TEORIA DE CONJUNTOS Y LA LOGICA PROPOSICIONAL

Existe una relación muy estrecha entre la Teoría de Conjuntos y la Lógica Proposicional. 

Para mostrar dicha relación, denotemos por letras mayúsculas A,B ... los conjuntos y 

por las correspondientes minúsculas a,b ... sus propiedades características 

(es decir, la proposición lógica que caracteriza a los elementos de cada conjunto); 

entonces se tiene la siguiente correspondencia: 

  

conjuntos	A Í B	A = B	A È B	A Ç B	A'	A - B	A D B
proposiciones	a Þ b	a Û b	a Ú b	a Ù b	a'	a Ù b'	a Ú b

Además, el conjunto vacío se corresponde con una contradicción y el conjunto universal con una tautología. 

Mediante esta correspondencia, todos los resultados sobre conjuntos se pueden reescribir en términos de lógica 

proposicional y viceversa; a modo de ejemplo: 

  

A È ( A Ç B ) = A	a Ú ( b Ù c ) Û a
A È ( B Ç C ) = ( A È B ) Ç ( A È C )	a Ú ( b Ù c ) Û ( a Ú b ) Ù ( a Ú c )
( A È B )' = A' Ç B'	( a Ú b )' Û a' Ù b'

PROPOSICIONES CON CUANTIFICADORES

Los símbolos " (cuantificador universal) y $ (cuantificador existencial) se utilizan en Matemáticas para 

enunciar proposiciones logicas relativas a objetos matemáticos.

Sea A un conjunto y p(x) una proposición o propiedad que hace referencia a un elemento x.

(1) Cuantificador universal : La expresión

        " x Î A Þ p(x)

se lee "para todo x que pertenece a A se verifica p(x)", representa la proposición

        { x Î A : p(x) } = A

(2) Cuantificador existencial : La expresión

        $ x Î A | p(x)

se lee "existe x que pertenece a A tal que p(x)", representa la proposición

        { x Î A : p(x) } ¹ Æ 

La negación de cualquiera de las dos proposiciones anteriores se realiza negando la proposición p(x) 

y cambiando el cuantificador universal por el cuantificador existencial, o viceversa.

Así, la negación de la proposición "" x Î A Þ p(x)" es "$ x Î A | p(x)' ", mientras que 

la negación de "$ x Î A | p(x)" es "" x Î A Þ p(x)' " 

  

Conjuntos finitos : Combinatoria

La Combinatoria es la parte de las Matemáticas que se dedica al estudio de los conjuntos finitos.

Puesto que la propiedad principal de estos conjuntos es que se puede representar su número de elementos 

mediante un número natural (llamado cardinal de dicho conjunto), la tarea básica de la Combinatoria es 

precisamente el cálculo del cardinal de dichos conjuntos.

Para dicho cálculo se necesita definir los llamados números combinatorios: 

        (1) Números factoriales: se define n! mediante la ley de recurrencia

                        n! = n · (n-1)!

                y la condición inicial 0! := 1. De forma iterativa, se tiene

                        n! = n · (n-1) · (n-2) · ... · 3 · 2 · 1

        n! es el número de permutaciones de n elementos, es decir, es el número total de formas de ordenar n elementos 

        de todas las formas distintas posibles. 

        (2) Coeficientes binomiales: se definen por la fórmula

                        

        El número "n sobre k" es el número de combinaciones de n elementos tomados de k en k, es decir, 

        el número de subconjuntos distintos de k elementos que tiene un conjunto con n elementos.

        Los coeficientes binomiales tienen dos propiedades básicas:

                (a)

                        

                (b)

                         

        Como aplicación de los números combinatorios y del Binomio de Newton, podemos contar el número total de 

        subconjuntos que tiene un conjunto A con n elementos, es decir, el cardinal de partes de A; para ello, notemos 

        que el número de tales subconjuntos se obtiene sumando el número de subconjuntos de 0 elementos más los de 

        1 elemento, más los de 2 elementos, y así hasta los de n elementos, es decir: 

                         

        Pero esta cantidad corresponde a desarrollar mediante el binomio de Newton la expresión

                (1+1)ⁿ  = 2ⁿ

        Así pues se obtiene que # Ã (A) = 2ⁿ si # A = n.