Lectura matemática de la situación, paso a paso
- Identificar lo que permanece dado. La figura completa ADEH es un rectángulo. Además, AC=10, GE=16 y las longitudes AH, BG, CF, DE, GF y BC son iguales.
- Reconocer la región central. Como BG=CF=GF=BC, la región BCFG tiene sus cuatro lados iguales y ángulos rectos; por tanto, es un cuadrado.
- Elegir una variable. Se puede representar la longitud común mediante x: x=AH=BG=CF=DE=GF=BC.
- Expresar el primer segmento desconocido. Como AC=AB+BC=10 y BC=x, entonces AB=10-x.
- Expresar el segundo segmento desconocido. Como GE=GF+FE=16 y GF=x, se obtiene FE=16-x. La región derecha es un rectángulo, así que CD=FE=16-x.
- Calcular la base total. La base exterior es AD=AB+BC+CD. Sustituyendo:
AD=(10-x)+x+(16-x)=26-x
- Determinar el dominio geométrico. Todas las longitudes deben ser positivas. Se requiere x>0, 10-x>0 y 16-x>0. La restricción más fuerte es x<10; por eso el modelo no degenerado admite 0<x<10.
Perímetro y área: dos comportamientos diferentes
Cálculo del perímetro
El contorno exterior tiene base AD=26-x y altura AH=x. Las divisiones interiores no se suman al perímetro.
P(x)=2(AD+AH)
P(x)=2[(26-x)+x]
P(x)=2(26)=52
El término -x de la base se compensa con el término +x de la altura. Por eso todos los casos geométricos válidos tienen perímetro 52 unidades.
Cálculo del área
El área de la figura completa es base por altura:
A(x)=AD·AH
A(x)=(26-x)x
A(x)=26x-x²
A diferencia del perímetro, el área depende de x. Por ejemplo, para x=5, la base es 21 y el área es 105; para x=8, la base es 18 y el área es 144. Estos casos permiten observar un cambio, pero la expresión algebraica permite justificarlo para todos los valores admitidos.
La función cuadrática y el modelo geométrico
- La expresión f(x)=26x-x², considerada únicamente como función algebraica, está definida para todo número real.
- La gráfica completa es una parábola que abre hacia abajo. Su vértice se encuentra en x=13 y tiene valor f(13)=169.
- El valor x=13 no pertenece al modelo: produciría AB=10-13=-3, una longitud imposible.
- En el dominio geométrico 0<x<10, el área es creciente. Una forma de comprobarlo es observar que A'(x)=26-2x>0 en todo ese intervalo.
- Como el intervalo no incluye x=10, el modelo no degenerado no alcanza un área máxima. El área se aproxima a 160 unidades cuadradas cuando x se aproxima a 10 por la izquierda. Por eso 160 es el supremo del área en este modelo, pero no un máximo alcanzado.
Esta distinción permite discutir que una fórmula puede tener un dominio algebraico amplio, mientras que la situación que modela impone restricciones adicionales.
Conceptos involucrados
- Perímetro como medida lineal del contorno exterior.
- Área como medida de superficie en unidades cuadradas.
- Modelación mediante una variable y expresiones equivalentes.
- Dominio algebraico y dominio de un modelo geométrico.
- Función cuadrática, vértice, crecimiento, máximo y supremo.
- Diferencia entre conjeturar con casos y demostrar algebraicamente.
Sugerencias para la mediación
- Pedir varios casos de perímetro antes de habilitar o discutir el área.
- Solicitar que el estudiante señale físicamente el contorno antes de calcular el perímetro.
- Comparar el área de la figura completa con la suma de las tres regiones.
- Preguntar qué longitud disminuye cuando la altura aumenta y cómo se compensan en el perímetro.
- No presentar la fórmula general antes de que se haya formulado una conjetura.
- Contrastar el vértice de la función con las restricciones de la figura para evitar confundir función y modelo.
Una posible secuencia de preguntas del docente
¿Qué datos permanecen fijos? ¿Qué longitudes son iguales? ¿Por qué la región central es un cuadrado? ¿Qué cambia al modificar AH? ¿Qué lados forman realmente el contorno? ¿Cómo podrías organizar varios casos? ¿Qué regularidad observas en el perímetro? ¿Sucede lo mismo con el área? ¿Cómo puedes representar todos los casos mediante una variable? ¿Qué valores de la variable tienen sentido en la figura? ¿Por qué el máximo de la función completa no pertenece al modelo?