terça-feira, 26 de junho de 2012

Estimule sua Criatividade #1

Um tempo atrás me perguntaram se existe algum método para ser mais criativo. Isso é bem difícil: para testar se um método funciona ou não, você precisaria medir a criatividade antes e depois de usar o método, e ninguém sabe como mensurar criatividade.

Dito isso, eu conheço dois truques que parecem funcionar bem. Neste post eu vou falar do primeiro método, e pra isso eu vou contar um história que aconteceu comigo lá nos antigos tempos de colégio técnico.


A Federal


Em 1991 eu comecei o curso técnico em eletrônica na ETFSP, popularmente conhecida como a Federal (e que hoje em dia é IFSP). A primeira coisa que nos passaram foi a lista de material para comprar. Além dos básicos livros e cadernos, a lista também incluía itens mais específicos, como caneta nanquim, normógrafo e calculadora científica.

A calculadora foi um problema. Naquela época, calculadoras científicas eram caras (ou melhor, até hoje em dia elas são caras). Como eu não tinha condições de comprar uma, resolvi encarar o desafio de fazer o curso usando só uma calculadora de quatro operações.

O primeiro ano foi fácil: no início do curso, o único componente usado era o resistor, e contas com resistores você consegue fazer só com as quatro operações. No segundo ano apareceram os capacitores, e aí a coisa complicou: agora as contas envolviam exponenciais e funções trigonométricas, que a minha calculadora simples não fazia.

O que fazer então? Dado que eu não conhecia ninguém para me emprestar uma calculadora científica, nem tinha dinheiro para comprar uma, o jeito foi apelar para a herança do meu avô.


A herança do meu avô não era dinheiro. Melhor que isso, era conhecimento! Mais especificamente, era uma estante enorme que ia de parede a parede, com um monte de livros sobre todo tipo de assunto. Os livros eram antigos, da década de 60, e iam desde o Tesouro da Juventude até a Gramática do Jânio Quadros.

O livro que me salvou foi uma curiosa coleção de Matemática para Seminaristas. Eu não sei exatamente por que um padre precisa saber matemática, mas o fato é que o livro era bem completo, começava com produtos notáveis e avançava até o Cálculo. E no meio do caminho, tinha o truque que eu precisava para usar minha calculadora!

A Exponencial


Os problemas que caíam na prova eram mais ou menos assim: dado o circuito RC-série abaixo, calcule a tensão no capacitor após 2 segundos.



No colégio técnico você não precisava resolver a equação diferencial. Ao invés disso, eles davam a fórmula final; você só precisava decorar e aplicar:


O meu problema era a exponencial, que só tem em calculadoras científicas. Mas, usando o livro dos seminaristas, eu descobri a fórmula que resolveu meu problema: a expansão em série de Taylor:


Parece complicado, mas é simples calcular essa fórmula numa calculadora de quatro operações, desde que ela tenha os botões de memória (M+, M-, MC e MR). No exemplo dado, em que eu preciso calcular exp(-0.2), a sequência de botões é curta:

C MC 1 M+ . 2 M- × . 2 ÷ 2 = M+ × . 2 ÷ 3 = M- × . 2 ÷ 4 = M+ MR

Com 29 toques eu tenho o valor de 0.818, correto com três casas decimais (e o professor só pedia duas). Se você tiver os dedos ágeis, praticamente não leva tempo!

Esse método também é bom para calcular senos e cossenos, que aparecem no cálculo de ângulos de fasores e no cálculo do fator de potência. Mas tem um caso onde o método não funciona...

O Logaritmo


Às vezes, o que caía na prova era o problema inverso: dado aquele mesmo circuito RC-série, quanto tempo leva pro capacitor ficar com metade da tensão da fonte? Nesse caso, a conta depende de log(0.5), e não tem logaritmo na calculadora de quatro operações.

Pior, nesse caso o livro também não ajudava. A única fórmula que tinha no livro era a seguinte:


Se você tentar usar essa fórmula na calculadora, logo vai perceber que ela não é prática: são necessários muitos termos para conseguir a precisão de duas casas decimais desejada. Olhando as fórmulas, a velocidade de convergência é clara: os coeficientes da exponencial caem com a velocidade do fatorial, enquanto que os coeficientes do logaritmo caem com a velocidade da série harmônica, que é muito mais lenta.

Hoje em dia, eu provavelmente usaria o método de Newton-Raphson para calcular o logaritmo. Mas eu não entendia de cálculo numérico, então nem sabia que esse método existia. Por isso, eu tive que apelar. Ao invés de decorar uma fórmula, eu decorei quatro números:


É fácil decorar quatro números de 7 dígitos né? Certamente todo mundo sabe pelo menos quatro números de telefones de cabeça, e a dificuldade é a mesma. Com esses quatro números, eu conseguia calcular tudo que queria! Precisa de log(0.5)?


Precisa de log(4.2)? Beleza:



E se for log(2.6)? Ops, aí não dá, 26 tem um fator primo 13 que não está na minha lista. Mas eu posso aproximar:


O resultado não é exato, mas tem precisão de duas casas. Quem precisa de calculadora científica, afinal?

Isso foi sorte, ou sempre é possível aproximar? Na época eu tinha uma intuição que sempre dava, mas hoje em dia eu consigo demonstrar que isso é verdade! A demonstração está na caixa azul, pule se você não sabe teoria dos números:

A demonstração usa diretamente o teorema da equidistribuição de Weyl: o conjunto das partes fracionárias dos múltiplos inteiros de um número irracional qualquer é denso em [0,1). Ou seja, para qualquer irracional α e real q, onde 0 ≤ q < 1, e para qualquer ε positivo dado, sempre existe um inteiro n tal que a fórmula abaixo é verdadeira:


Com um pouquinho de álgebra é fácil estender o domínio de [0,1) para todos os reais. Imagine que escolhemos um real x qualquer, tal que x=p+q, onde p é a parte inteira e q é a parte fracionária. Então podemos partir da equação anterior:


Note que o piso de  é um inteiro, e p é um inteiro. Vamos chamar de m a diferença dos dois:


Ou seja, eu posso escolher qualquer irracional α e qualquer real x, que sempre vai existir um par de inteiros m e n que satisfazem a inequação. Já que eu posso escolher qualquer número, então escolho α e x como abaixo:


Note que α é irracional, portanto podemos usar nossa inequação:


Ou seja, sempre podemos aproximar o log de um real y qualquer como a soma de múltiplos inteiros de log(2) e log(3), nem precisava ter decorado o log(5) e log(7)!

Infelizmente, essa demonstração é um exemplo de prova não-construtiva: ela garante a existência dos inteiros m e n, mas não fala como achá-los! No fim, você precisa descobrí-los pela intuição, exatamente como eu fazia :)

A Criatividade


Eu poderia terminar o post com uma moral do tipo "se a vida te deu limões, então arranje uns bastões de cobre e faça uma bateria", mas tem uma lição mais importante! A Marissa Mayer cantou a bola em uma entrevista de 2006: a criatividade adora restrições, especialmente se acompanhada de um desprezo saudável pelo impossível.

Tente se lembrar de alguma coisa que você viu e achou muito criativo. Que tal a artista que fazia retratos usando fita cassete? O cara que faz arte usando frutas? O doido que reescreveu The Raven, do Poe, de modo que o número de letras do poema batesse com os dígitos de pi?

Todos eles são exemplos onde o autor se auto-impôs uma restrição (de forma, de conteúdo, de matéria-prima). Se você quer expandir sua criatividade, impor limites costuma ser mais efetivo que retirá-los. Eu mesmo sempre tive problemas quando me pediam uma redação "com tema livre", era muito mais fácil quando o tema tinha alguma restrição.

E isso não vale apenas para arte, vale para computação também. Tente fazer aquele seu programa usar menos memória, menos CPU, tente programar a mesma coisa em menos tempo: tudo isso vai te forçar a usar soluções mais criativas.

Eu ainda tenho outro truque para estimular a criatividade, mas esse fica para o post seguinte :)

(Agradecimentos ao povo do Math Stack Exchange pela ajuda na demonstração)