Ciência de Garagem

Um blog sobre ciência em geral e matemática em particular

quinta-feira, outubro 18, 2018

Lei de Newcomb-Benford como ferramenta de auditoria


Nota introdutória
Este artigo introduz o leitor aos aspectos matemáticos elementares e a um exemplo de aplicação prática da lei de Newcomb-Benford. Esta lei é aderente a diversos fenômenos de caráter financeiro, contábil, físico, entre outros. Recomenda-se fortemente a leitura de outras fontes de pesquisa para um aprofundamento dos tópicos abordados.

Lei de Newcomb-Benford como ferramenta de auditoria
A administração de uma empresa em um cenário competitivo e globalizado exige recursos, metodologia e ferramental adequados que ofereçam suporte às tomadas de decisão da alta administração de modo a preservar, legitimar e manter íntegras as atividades nela desenvolvidas [1]. Com esse objetivo em mente as empresas constituem, através de políticas internas ou por determinação legal, um setor de auditoria interna que sustente a alta administração com informações e sugestões que auxiliem e dêem suporte às atividades pelas quais são responsáveis [2]. E dentro desse contexto, o auditor interno tem que transmitir uma posição de igualdade e justiça quando aborda assuntos muitas vezes sensíveis e até controversos, transmitindo confiança e responsabilidade na apuração e geração de informações fidedignas [3].
Nenhuma empresa, seja qual for a esfera ou porte, estará imune a fraudes ou falhas de segurança em seus processos, mesmo aquelas organizações que aderiram à Lei Sarbanes-Oxley (SOX). A SOX obriga a criação de mecanismos de controle que fortaleçam as regras de governança corporativa, melhorando a transparência dos mecanismos de gestão [4]. Nesse sentido, a lei de Newcomb-Benford transforma-se numa interessante ferramenta auxiliar na detecção de indícios de: faturamentos irregulares; alterações, desvios ou furtos nos estoques; pagamentos indevidos ou fictícios; inconsistências em demonstrações econômico-financeiras; lançamentos contábeis inconsistentes. 

Exemplos de aplicações da Lei de Newcomb-Benford na auditoria 
Credita-se a Carslaw [5] a primeira aplicação contábil da lei de Newcomb-Benford. Em seu artigo, ele afirma que quando as receitas líquidas corporativas encontram-se ligeiramente abaixo de um ‘limite psicológico’, os gerentes tenderiam a arredondá-las para cima, de modo que os primeiros números parecessem maiores, ainda que fossem apenas marginalmente maiores em termos percentuais. Seus resultados mostraram que havia mais 0s e menos 9s no segundo dígito que o esperado, o que sugere que houve arredondamentos nos dados coletados.
Já Nigrini e Mittermaier [6] utilizaram a base matemática da lei de Newcomb-Benford para testes numéricos a serem aplicados pelos auditores como procedimentos analíticos nos estágios de planejamento da auditoria, testando a autenticidade de listas numéricas pela comparação das freqüências reais e esperadas dos primeiros dígitos em uma companhia de petróleo. Seus resultados mostraram a validade da lei quando aplicados testes de análise digital no primeiro e segundo dígitos, na duplicação de números e nos arredondamentos, entre outros.
Por sua vez, Durtschi, Hillison e Pucini [7] afirmam que, apesar da lei de Newcomb-Benford ser uma ferramenta simples e efetiva na detecção de fraudes, o auditor deve estar atento aos conjuntos de dados aos quais essa lei é aplicável, como por exemplo: contas a pagar e a receber, desembolsos, vendas e despesas, balanços anuais entre outros conjuntos de números contábeis. Analisam também o poder dos testes estatísticos para determinar em que ponto da análise um desvio pode ser considerado grande o suficiente para ser uma indicação significativa de fraude e apontam o uso da distribuição qui-quadrática e da estatística Z para a determinação desses limites. Concluem que a lei de Newcomb-Benford, quando utilizada corretamente, é uma ferramenta útil na identificação de contas suspeitas para posterior análise.
Já Lu e Boritz [8] analisaram conjuntos de dados incompletos e argumentam que o problema entre esses conjuntos de dados e a lei de Newcomb-Benford tradicional é que as freqüências dos dígitos observados tornam-se inflacionados quando computados como uma probabilidade e propõem um algoritmo em que definem um fator de escalonamento a ser utilizado para preencher os dados faltantes da distribuição de freqüências dos primeiros dígitos. Com esse algoritmo, os autores tentaram detectar anomalias que pudessem ser indicativas de atividade fraudulenta em um conjunto incompleto de dados de reembolsos financeiros do plano de saúde de uma empresa, no período de 2003 a 2005. Segundo afirmam, o algoritmo seria mais preciso ao reportar uma seqüência menor de dígitos anômalos que a lei de Newcomb-Benford tradicional, tendo-se utilizado um nível de confiança de 95% como limiar da existência de anomalias.
No Brasil, os artigos técnicos relacionados ao tema estão basicamente centralizados na análise de contas públicas nas esferas municipal, estadual e federal. Dos Santos, Diniz e Corrar [9] evidenciam o modelo contabilométrico fundamentando-o na relação entre a lei de Newcomb-Benford e os testes de hipóteses (estatística Z e a distribuição qui-quadrática) envolvendo 20 municípios da Paraíba e utilizando-se um total de 104 mil notas de empenho. Concluem pela existência de fortes indícios de superfaturamento e fracionamento de despesas para burlar os limites estabelecidos pela Lei 8.666, das licitações.
Por seu lado, Lagioia e outros [10] verificaram a aplicabilidade da auditoria digital em empresas prestadoras de serviços em um município do nordeste brasileiro, a fim de identificar a sinalização de desvios em notas fiscais paralelas, calçadas e não escrituradas. Concluem que a lei de Newcomb-Benford é aplicável à fiscalização do imposto sobre serviços e salientam a urgência de se alterarem as formas e regras para se auditarem as empresas bem como a divulgação desses resultados aos demais municípios por não exigir novos investimentos em sua implantação.
Por fim, Costa, Dos Santos e Travassos [11] aplicam a lei de Newcomb-Benford na análise de mais de 134 mil notas de empenho emitidas por vinte unidades gestoras de dois estados da União. O estudo indica excesso de ocorrências no primeiro dígito para notas de empenho iniciadas por 7 e 8 e escassez de ocorrências para notas de empenho iniciadas por 6 e 9, sugerindo um comportamento de fuga à realização de processos licitatórios nos gastos públicos. Observam também que, quanto ao segundo dígito, os maiores desvios em excesso ocorrem para os dígitos 0 e 5, indicando arredondamentos nos valores dos empenhos, sugerindo que estes não estejam sendo formados pela aplicação direta de uma margem de lucro ao montante dos seus custos e despesas para produzir e vender.

A origem da lei de Newcomb-Benford 
A lei de Newcomb-Benford estabelece empiricamente que em determinadas fontes de dados o primeiro dígito não apresenta uma distribuição uniforme de ocorrências dos algarismos de 1 a 9, mas antes uma distribuição logarítmica decrescente quanto maior for o algarismo. Este tipo de distribuição ocorre para uma ampla gama de conjuntos de dados: número do endereço residencial, população por cidade, taxas de mortalidade, bem como constantes físicas e matemáticas. Por outro lado, o conjunto amostral relativo à altura de adultos em uma cidade, por exemplo, não é aderente à lei.
Simon Newcomb, astrônomo e matemático canadense, foi o primeiro a identificar este princípio estatístico, ou pelo menos a reportá-lo formalmente em seu artigo de 1881, onde afirma: “Que os dez dígitos não ocorrem com igual freqüência está evidente a qualquer um que faça muito uso de tabelas logarítmicas e nota quão rapidamente as primeiras páginas desgastam-se em relação às últimas. O primeiro número significativo é comumente o 1 mais que qualquer outro, e a freqüência diminui até 9” [12]. Porém, coube a Frank Benford, engenheiro eletricista e físico norte-americano, redescobrir e generalizar este princípio em seu artigo de 1938, dando-lhe a formatação matemática conhecida atualmente.

Equacionamento da lei de Newcomb-Benford 
Supondo que exista uma distribuição de probabilidades P(x) que englobe o espaço amostral caracterizado pelos dígitos escalares de 1 a 9, então essa distribuição deve ser invariante sob uma mudança de escala k [13][14], ou seja:
$$ P\left ( kx \right )=f\left ( k \right )P\left ( x \right ) $$
(1)
Definindo ainda que a área sob a curva da distribuição de probabilidades seja normalizada e igual a um, vem:
$$ \int P\left ( x \right )dx=1 $$
Temos por igualdade que:
$$ \int P\left ( kx \right )dx=\int f\left ( k \right )P\left ( x \right )dx $$
Pelo método da substituição, vem:
$$ u=kx $$
$$ \frac{du}{dx}=k\rightarrow dx=\frac{du}{k} $$
E assim:
$$ \frac{1}{k}\int P\left ( u \right )du=f\left ( k \right )\int P\left ( x \right )dx $$
Donde se conclui que a função que define a mudança de escala é dada por:
$$ f\left ( k \right )=\frac{1}{k} $$
Diferenciando agora a equação (1) em relação a k, vem:
$$ \dot{P}\left ( kx \right )=P\left ( x \right )\dot{f}\left ( k \right ) $$
$$ \dot{P}\left ( kx \right )x+P\left ( kx \right )\dot{x}=P\left ( x \right )\dot{f}\left ( k \right ) $$
$$ \dot{P}\left ( kx \right )x=P\left ( x \right )\dot{f}\left ( k \right ) $$
E para f(k) = 1/k e k = 1, tem-se:
$$ \dot{P}\left (  x \right )x=P\left ( x \right )\left ( \frac{-1}{k^{2}} \right ) $$
$$ x\dot{P}\left ( x \right )=-P\left ( x \right ) $$
(2)
Finalmente, integrando a diferencial da equação (2), vem:
$$ x\dot{P}\left ( x \right )dx=-P\left ( x \right )dx $$
$$ \frac{\dot{P}\left ( x \right )}{P\left ( x \right )}dx=\frac{-1}{x}dx $$
$$ \int_{1}^{x}\frac{\dot{P}\left ( x \right )}{P\left ( x \right )}dx=\int_{1}^{x}\frac{-1}{x}dx $$
$$ ln\left [ P\left ( x \right ) \right ]=ln\left ( x^{-1} \right ) $$
$$ P\left ( x \right )=\frac{1}{x} $$
(3)

Observa-se facilmente pela equação (3) que a área sob a curva da densidade de probabilidades P(x) é logarítmica para:
$$ x\in \left \{ 1 ...9 \right \} $$
De fato, uma escala logarítmica não distribui uniformemente o espaço amostral em questão, como se pode observar na figura 1:
Figura 1 – Distribuição logarítmica dos algarismos de 1 a 9
Assim, pode-se afirmar que a probabilidade de que uma constante qualquer comece com o dígito d é proporcional ao comprimento desse dígito na escala logarítmica, ou seja:
$$ P\left ( d\leq x\leq d+1 \right )=\frac{\int_{d}^{d+1}P\left ( x \right )dx}{\int_{1}^{10}P\left ( x \right )dx} $$
$$ P\left ( d\leq x\leq d+1 \right )=\frac{ln\left ( d+1 \right )-ln\left ( d \right )}{ln\left ( 10 \right )-ln\left ( 1 \right )}=\frac{ln\left ( 1+\frac{1}{d} \right )}{ln\left ( 10 \right )} $$
Ou, genericamente:
$$ P\left ( d \right )=log_{10}\left ( 1+\frac{1}{d} \right ) $$
(4)
A equação (4) matematiza a lei de Newcomb-Benford e descreve a probabilidade de ocorrência de qualquer primeiro dígito para determinados conjuntos de dados numéricos, cujas proporções estão indicadas na tabela 1.
Tabela 1 – Probabilidade de ocorrência do primeiro dígito, segundo a lei de Newcomb-Benford
Testes de hipótese e a lei de Newcomb-Benford
Uma hipótese estatística é uma afirmação que confirma ou nega uma suposição formulada em relação aos parâmetros de uma ou mais populações (testes paramétricos) ou em relação à distribuição da população (testes de ajustamento). A metodologia de construção de um teste de hipótese parte da fixação do nível de significância ou confiança α (que é usado para decidir se a diferença amostral obtida é estatisticamente significante) e dos graus de liberdade n (ou seja, a quantidade de variáveis livres que serão utilizadas para o cálculo estatístico).
Para este estudo, dois testes de hipótese serão aplicados: estatística Z e a distribuição Qui-quadrática. A estatística Z é um teste estatístico utilizado para determinar se duas médias de população são diferentes quando as variâncias são conhecidas e o tamanho da amostra é grande, e cuja fórmula é dada por [9]:
$$ Z=\frac{\left | p_{o}-p_{e} \right |-\frac{1}{2n}}{\sqrt{\frac{p_{e}\left ( 1-p_{e} \right )}{n}}}x $$
(5)
Onde n é o número de observações, po é a probabilidade obtida para os eventos em análise e pe é a probabilidade esperada segundo a lei de Newcomb-Benford. O termo 1/2n só é aplicado se for menor que | po - pe|. E a distribuição Qui-quadrática será utilizada para encontrar um valor de dispersão entre duas variáveis, avaliando a existência ou não de algum tipo de associação ou dependência entre ambas. Sua fórmula é dada por [9]:
$$ \chi ^{2}=\sum_{d=1}^{9}\frac{\left ( P_{o}-P_{e} \right )}{P_{e}} $$
(6)
Onde n é o número de observações, Po são as proporções obtidas (definidas como po.n) e Pe são as proporções esperadas (definidas como pe.n). Os testes de hipótese enfim serão utilizados para corroborar estatisticamente os números obtidos com aqueles esperados pela lei de Newcomb-Benford, oferecendo uma metodologia conhecida que dê respaldo aos resultados encontrados.

Aplicação da lei de Newcomb-Benford em números de endereços
A título de constatação da lei de Newcomb-Benford e da validade dos resultados obtidos a partir dos testes de hipótese, será apresentada nos próximos sub-tópicos a densidade de probabilidades para números de endereços de três municípios do Estado de São Paulo. As amostras foram obtidas após levantamento e mineração de dados comerciais.

Densidade de probabilidades para números de endereços
Para esta análise será utilizado um nível de significância  de 5% (ou, dito de outra forma, um nível de confiança de 95%), que corresponde a um valor crítico para Z de 1,960 (vide tabela T-student abaixo, no Anexo B, com os valores destacados em amarelo). E para este nível de significância, com 8 graus de liberdade ([9 – 1] dígitos), o valor crítico para χ2 será de 15,507 (vide tabela Qui-quadrado no Anexo A com os valores destacados em amarelo).

Município de São José dos Campos
O gráfico da figura 2 apresenta as probabilidades obtidas após a extração do primeiro dígito do número de endereço dos 191.102 imóveis cadastrados nesse município.
Figura 2 – Densidade de probabilidades do primeiro dígito do número de endereço dos imóveis do município de São José dos Campos
E a tabela 2 apresenta as probabilidades e proporções obtidas e esperadas, bem como os respectivos testes de hipótese para o primeiro dígito do número dos endereços dos imóveis de São José dos Campos:
Tabela 2 – Probabilidades e proporções obtidas e esperadas e respectivos testes de hipótese para o primeiro dígito do número dos endereços dos imóveis do município de São José dos Campos
Observa-se para este exemplo uma grande convergência entre as probabilidades obtidas e aquelas esperadas pela lei de Newcomb-Benford, corroborando a informação do gráfico da figura 2. Note que na coluna da estatística Z não há nenhum valor acima do crítico de 1,960 e na coluna do Qui-Quadrado a somatória de 2,2583 está muito abaixo do valor crítico de 15,507.

Município de Presidente Prudente
O gráfico da figura 3 apresenta os resultados obtidos após a extração do primeiro dígito do número de endereço dos 82.212 imóveis cadastrados.
Figura 3 – Densidade de probabilidades do primeiro dígito do número de endereço dos imóveis do município de Presidente Prudente
E a tabela 3 apresenta as probabilidades e proporções obtidas e esperadas, bem como os respectivos testes de hipótese para o primeiro dígito do número dos endereços das ligações de água de Presidente Prudente:
Tabela 3 – Probabilidades e proporções obtidas e esperadas e respectivos testes de hipótese para o primeiro dígito do número dos endereços dos imóveis do município de Presidente Prudente
Observa-se para este exemplo uma convergência razoável entre as probabilidades obtidas e aquelas esperadas pela lei de Newcomb-Benford, concordante com a informação do gráfico da figura 3. Note que na coluna da estatística Z há apenas um valor (para o dígito 2) ligeiramente acima do crítico de 1,960 e na coluna do Qui-Quadrado a somatória de 15,2675 está muito próximo do valor crítico de 15,507, mas ainda abaixo.

Município de Mongaguá
O gráfico da figura 4 apresenta os resultados obtidos após a extração do primeiro dígito do número de endereço dos 37.626 imóveis cadastrados.
Figura 4 – Densidade de probabilidades do primeiro dígito do número de endereço dos imóveis do município de Mongaguá
E a tabela 4 apresenta as probabilidades e proporções obtidas e esperadas, bem como os respectivos testes de hipótese para o primeiro dígito do número dos endereços dos imóveis de Mongaguá:
Tabela 4 – Probabilidades e proporções obtidas e esperadas e respectivos testes de hipótese para o primeiro dígito do número dos endereços dos imóveis do município de Mongaguá
Observa-se para este exemplo uma não convergência entre as probabilidades obtidas e aquelas esperadas pela lei de Newcomb-Benford, concordante com a informação do gráfico da figura 4. Note que na coluna da estatística Z há apenas um valor (para o dígito 4) abaixo do crítico de 1,960 e na coluna do Qui-Quadrado a somatória de 209,1152 está muito acima do valor crítico de 15,507.

Considerações Finais
Da análise feita para os números residenciais dos três municípios em questão, observa-se que a metodologia utilizada por São José dos Campos para a numeração dos seus imóveis é eficaz, organizada e muito bem controlada. No caso de Presidente Prudente, constata-se que a incidência do primeiro dígito na numeração dos seus imóveis é, no geral, boa e convergente com as previsões. Finalmente, para o caso de Monguaguá, as discrepâncias entre as incidências do primeiro dígito dos números dos imóveis e a previsão da lei de Newcomb-Benford podem apontar para duas possíveis causas: uma é um cadastro de imóveis desatualizado ou não tão bem organizado como o existente nos outros dois municípios analisados; a outra causa pode ser uma grande quantidade de áreas invadidas ou irregulares dentro do município. Como nessas áreas a presença do Estado não se faz tão presente, a numeração dos imóveis segue, em geral, o gosto do proprietário. Uma vez que os números dos imóveis são definidos aleatoriamente, acabam por não obedecer ao comportamento logarítmico da lei de Newcomb-Benford, e essa aleatoriedade manifesta-se nos resultados estatísticos. Observa-se com este simples exemplo o potencial do uso dessa ferramenta estatística na detecção de indícios de algum tipo de irregularidade, cabendo ao auditor a análise, o rastreamento e o aprofundamento de suas pesquisas antes de chegar a um veredito.

Anexo A - Tabela Qui-quadrado
Clique na imagem para ampliá-la.


Anexo b - Tabela t-student
Clique na imagem para ampliá-la..

Dica técnica de informática
Suponha que você possua um SGBD (Sistema Gerenciador de Banco de Dados) com uma tabela denominada MUNICIPIO com duas colunas: uma contendo o código dos municípios estudados, que chamaremos de CD_MUNICIPIO, e outra coluna contendo os números dos endereços dos imóveis, que chamaremos de NR_IMOVEL, do tipo INT(10). Um possível script SQL (padrão ANSI 92) a ser utilizado para a obtenção do primeiro dígito do número dos endereços dos imóveis está indicado a seguir:

select substr(cast((nr_imovel(format 'zzzzzzzzzz')) as char(10)),1,1) as digito, count(digito)
from municipio where cd_municipio = 100 and digito in ('1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9') group by 1, order by 1;

Note que, talvez, a parte mais trabalhosa seja justamente o levantamento dos municípios e respectivos números de imóveis e seu armazenamento em um SGBD, e não a aplicação da lei de Newcomb-Benford, que é bastante direta já que basta dividir a quantidade de ocorrências de cada dígito pela quantidade total de imóveis. A proporção obtida em cada caso deve ser igual, ou muito próxima, à proporção prescrita pela lei.

Referências Bibliográficas
[1] Stringher R. A., “A importância da auditoria interna para gestão”, Revista Gestão de Riscos, págs. 34-36, edição 67 – Junho/2011.
[2] Nunes B. e Hulse W. H., “Análise da atividade desempenhada pelo controle interno do Tribunal de Justiça de Santa Catarina: orientação e fiscalização de recolhimentos de valores devidos ao fundo de reaparelhamento da Justiça”, Tópicos destacados na gestão do Judiciário Catarinense – vol. 1, págs. 95-123, Junho/2012.
[3] “O Auditor”, Senac – Boletim Fiscal, ano 2 – No. 8, Julho/Agosto de 2003.
[4] De Oliveira J. C. R. et alii, “O papel do controle interno na prevenção de erros e fraudes: um estudo de caso em cooperativa de crédito de Minas Gerais”, 8º Congresso USP de Iniciação Científica em Contabilidade, Julho/2011.
[5] Carslaw C., “Anomalies in income numbers: Evidence of goal oriented behavior”, The Accounting Review, págs. 321-327, Abril/1988.
[6] Nigrini M. J. e Mittermaier L. J., “The use of Benford’s law as an aid in analytical procedures”, Auditing – A Journal of Practice & Theory, vol. 16, No. 2, págs. 52-67, 1997.
[7] Durtschi C., Hillison W., Pacini C., “The effective use of Benford’s law to assist in detecting fraud in accounting data”, Journal of Forensic Accounting, vol. 5, págs. 17-34, 2004.
[8] Lu F. e Boritz J. E., “Detecting fraud in health insurance data: learning to model incomplete Benford’s law distributions”, Lecture Notes in Computer Science, vol. 3720, págs. 633-640, 2005.
[9] Santos J. et alii, “O foco é a teoria amostral nos campos da auditoria contábil tradicional e da auditoria digital: testando a lei de Newcomb-Benford para o primeiro dígito nas contas públicas”, Brazilian Business Review, vol. 2 No. 1, págs. 71-89, Junho/2005.
[10] Lagioia U. C. T. et alli, “Aplicabilidade da lei de Newcomb-Benford nas fiscalizações do imposto sobre serviços – ISS”, Revista Contabilidade & Finanças, vol. 22, No. 56, págs. 203-224, Agosto/2011.
[11] Costa J. I. de F., Dos Santos J., Travassos S. K. de M., “Análise de conformidade nos gastos públicos dos entes federativos: estudo de caso de uma aplicação da lei de Newcomb-Benford para o primeiro e segundo dígito em dois estados brasileiros”, 11º Congresso USP de Controladoria e Contabilidade, Julho/2011.
[12] Newcomb S., “Note on the frequency of use of the different digits in natural numbers”, American Journal of Mathematics, vol. 4 – No. 1, págs. 39-40, 1881.
[13] Pinkham R. S., "On the Distribution of First Significant Digits", Annals of Mathematical Statistics, No. 32, págs. 1223-1230, 1961.
[14] Benford F., "The Law of Anomalous Numbers", Proceedings of the American Philosophical Society, Vol. 78, No. 4, pp. 551-572, 1938.

Biografias curtas

Frank Albert Benford Jr. (1883 – 1948) foi um engenheiro eletricista e físico estadunidense mais conhecido por redescobrir e generalizar a lei de Benford. Também é conhecido por ter concebido, em 1937, um instrumento para medição do índice de refração do vidro. Especialista em medições óticas, publicou 109 artigos nos campos da ótica e da matemática e obteve a concessão de 20 patentes em dispositivos óticos. Trabalhou na General Electric, primeiro no laboratório de engenharia de iluminação por 18 anos e depois no laboratório de pesquisas por mais 20 anos.




Simon Newcomb (1835 – 1909) foi um astrônomo e matemático canadense. Em 1878 iniciou o planejamento de uma nova e precisa medição da velocidade da luz, que era necessária para calcular os valores exatos de muitas constantes astronômicas. Em 1881 descobriu o princípio estatístico mais conhecido como lei de Benford. Escreveu sobre economia e livros de ciência popular e seu nome é citado no famoso conto de ficção científica de H. G. Wells: A Máquina do Tempo.







Nota Final
O texto aqui reproduzido faz parte do primeiro capítulo de minha monografia para a conclusão de um MBA em Gestão de Negócios, finalizada em 2014 na BSP - Business School São Paulo. Caso haja interesse na obtenção de uma cópia em PDF da monografia completa, clique aqui. Um exemplo bastante simples de aplicação desta lei, que inclusive pode ser aproveitada em sala de aula para turmas que estejam aprendendo logaritmos, pode ser encontrada neste breve artigo: Bancando o detetive com a lei de Newcomb-Benford.

sexta-feira, maio 25, 2018

As seções cônicas

A belíssima Catedral de Brasília. Os pilares de concreto são arcos de parábola, com duas funções: estrutural e estética.
O clássico problema grego da duplicação do cubo, ou problema de Delos, tem duas versões conhecidas. Uma delas, atribuída ao grego Eratóstenes de Cirene (matemático, poeta e astrônomo, 276 a.C. a 194 a.C.), conforme citação do comentador Téon de Esmirna, afirma o seguinte:

Eratóstenes, em seu trabalho intitulado Platonicus, relata que, quando o deus [Apolo] proclamou aos cidadãos de Delos através do oráculo que, para se livrarem de uma praga, eles deveriam construir um altar com o dobro daquele existente, seus artesãos quedaram em grande perplexidade em seus esforços para descobrir como um sólido poderia tornar-se o dobro de um sólido similar; eles foram, por esse motivo, perguntar a Platão sobre isso, ao que ele respondeu que o oráculo não disse que o deus quisesse um altar com o dobro do tamanho, mas que desejava, ao exigir o cumprimento da tarefa, envergonhar os gregos por negligenciarem a matemática e desprezarem a geometria.


Retrato de Eratóstenes
A praga a que se refere o texto foi sem dúvida um evento marcante na história de Atenas, uma vez que a quarta parte da população pereceu. O fato ocorreu por volta de 430 a.C. e, se há alguma verdade nele, então sabe-se com certa precisão quando o problema da duplicação do cubo surgiu. Os atenienses dobraram as dimensões do altar, mas essa não era a resposta certa, porque o volume do altar aumentou de oito vezes. A segunda versão, dada pelo matemático grego Eutócio de Ascalão (480 d.C a 540 d.C.) em seus comentários na obra Da esfera e do cilindro, de Aristóteles, alega que o problema surgiu em uma carta escrita por Eratóstenes ao rei Ptolomeu; apesar dessa carta ser uma farsa, o escritor cita alguns escritos genuínos de Eratóstenes:


Eratóstenes ao Rei Ptolomeu, saudações.
A história diz que um dos antigos poetas trágicos representou Minos tendo um túmulo construído para Glauco e que, quando Minos descobriu que o túmulo media cem pés de cada lado, disse: "Muito pequeno é o túmulo que você demarcou como o local de repouso real. Torne-o duas vezes maior. Sem prejudicar a forma, apenas duplique cada lado do túmulo". Este foi claramente um erro. Pois se os lados forem duplicados, a superfície será quadruplicada e o volume, octuplicado.

Esta história, mais que fatos históricos, relata um episódio da mitologia grega. Entretanto, descobertas arqueológicas em Cnossos, na ilha de Creta, mostram que ao menos em parte estas histórias mitológicas são baseadas em eventos reais. A mitologia relata que Glauco, filho do rei Minos de Creta e de sua esposa Parsífae, morreu quando criança ao cair em um grande jarro cheio de mel.


O templo de Apolo, na cidade de Corinto (região do Peloponeso), na Grécia. Observe que a parte principal do templo possui um volume cúbico. O templo de Delos seria semelhante.
Seja qual for a origem dessa história, atribui-se ao matemático e geômetra grego Hipócrates de Quios (470 a.C. a 410 a.C.) ter encontrado uma maneira de abordar o problema da duplicação do cubo simplificando-o para o problema das duas médias proporcionais. Os matemáticos pitagóricos sabiam como converter a área um retângulo de lados a e b em um quadrado de mesma área cujo lado fosse a média proporcional entre a e b através da seguinte proporção, em álgebra moderna:
$$ \frac{a}{x}=\frac{x}{b} $$
Onde x é a média proporcional entre a e b que fornecerá o lado do quadrado com a mesma área do retângulo. Resolvendo a proporção acima, temos:
$$ x^{2}=a\times b $$
$$ x=\sqrt{a\times b} $$
Quer dizer, o lado do quadrado será proporcional à raiz quadrada do produto dos lados do retângulo. No caso específico em que a e b fossem quadrados perfeitos, por exemplo, a = 49 (que é 72) e b = 16 (que é 42), o valor de x seria também um número inteiro:
$$ x=\sqrt{49\times 16}=\sqrt{784}\Rightarrow x=28 $$
Para o caso da duplicação do cubo, os pitagóricos sabiam que entre quaisquer dois números cúbicos, tais como 8 e 216 (que são respectivamente iguais a 23 e 63) existem duas médias proporcionais tais que:
$$ \frac{8}{24}=\frac{24}{72}=\frac{72}{216} $$
O fator de proporcionalidade entre as razões neste caso é 3; observe:
$$ \frac{8}{8\times 3}=\frac{24}{24\times 3}=\frac{72}{72\times 3}\Rightarrow \frac{8}{24}=\frac{24}{72}=\frac{72}{216} $$
Assim, dado um cubo de aresta a e seu dobro 2a, encontrar duas arestas x e y (suas médias proporcionais) que permitam construir outro cubo cujo volume seja o dobro do volume do cubo original, tais que respeitem a seguinte proporção:
$$ \frac{a}{x}=\frac{x}{y}=\frac{y}{2a} $$
Comparando as duas primeiras razões, temos:
$$ \frac{a}{x}=\frac{x}{y} $$
Multiplicando em cruz, vem:
$$ x\cdot x=ay $$

$$ x^{2}=ay $$
[1]
Comparando agora a segunda com a terceira razão, vem:
$$ \frac{x}{y}=\frac{y}{2a} $$
Multiplicando em cruz:
$$ y\cdot y=2ax $$

$$ y^{2}=2ax $$
[2]
Finalmente, comparando a primeira com a terceira razão, temos:
$$ \frac{a}{x}=\frac{y}{2a} $$
Multiplicando em cruz, vem:

$$ xy=2a^{2} $$
[3]
Trabalhando com as equações [1] e [2]:
$$ \left\{\begin{matrix}x^{2}=ay\\ y^{2}=2ax\end{matrix}\right. $$
Isolando o y na equação [1] vem:
$$ y=\frac{x^{2}}{a} $$
Substituindo o resultado em [2]:
$$ \left ( \frac{x^{2}}{a} \right )^{2}=2ax $$
$$ \frac{x^{4}}{a^{2}}=2ax $$

$$ x^{3}=2a^{3} $$
[4]
A equação [4] indica que o volume de um cubo de aresta x corresponde ao dobro do volume de outro cubo de aresta a. Obtivemos o valor da aresta x utilizando as equações [1] e [2], mas esse mesmo valor teria sido obtido se tivéssemos utilizado as equações [2] e [3] ou as equações [1] e [3], o que é lógico, uma vez que as três razões são proporcionais entre si. Encontrar a aresta de um cubo com o dobro do tamanho de um cubo com aresta conhecida utilizando a álgebra moderna é algo quase trivial, mas a 'álgebra' grega era toda geométrica e o problema não era tão simples quanto possa parecer. As médias proporcionais propostas por Hipócrates de Quios provaram-se corretas, mas foi outro grego quem teve a primazia em apresentar uma solução geométrica: o matemático, líder político e filósofo Árquitas de Tarento (428 a.C. a 347 a.C.). Sua solução foi preservada graças a Eutócio de Ascalão, que colecionou por volta de onze soluções para o mesmo problema como parte de seus comentários no segundo livro de Arquimedes, Da esfera e do cilindro.


Busto atribuído a Árquitas; atualmente supõe-se que seja de Pitágoras.
A solução de Árquitas é baseada em uma arrojada geometria tridimensional, porém baseada em conceitos geométricos razoavelmente simples e bem conhecidos naquela época, e que constam da obra Elementos de Euclides como parte de suas proposições. O primeiro conceito diz que quando duas cordas são desenhadas passando por um ponto dentro de um círculo, então o produto dos dois segmentos de uma corda iguala-se ao produto dos dois segmentos da outra corda. Observe:


Na figura anterior, o produto dos segmentos AM e MB da corda AB iguala-se ao produto dos segmentos CM e MD da corda CD, ou seja:
$$ AM\times MB=CM\times MD $$
Ou ainda:
$$ \frac{AM}{CM}=\frac{MD}{MB} $$
Este princípio está embutido na proposição 35 do Livro III, assim declarada:


Se dentro de um círculo qualquer duas linhas retas se cortarem, será o retângulo, compreendido pelos segmentos de uma, igual ao retângulo compreendido pelos segmentos da outra.

O segundo conceito geométrico está associado ao Teorema de Pitágoras e ao seu inverso, respectivamente tratados nas proposições 47 e 48 do Livro I, assim declaradas:

Proposição 47
Em todo o triângulo retângulo o quadrado feito sobre o lado oposto ao ângulo reto, é igual aos quadrados formados sobre os outros lados, que fazem o mesmo ângulo reto.

Proposição 48
Se o quadrado feito sobre um lado de um triângulo for igual aos quadrados dos outros dois lados, o ângulo compreendido por estes dois lados será reto.

Observe:


Seja EPA um triângulo retângulo, EA sua hipotenusa e PM sua altura. Então:
$$ EM\times EA=EP^{2} $$
$$ EM\times MA=PM^{2} $$
Ao contrário, se EPA é um triângulo qualquer e PM uma altura, tal que:
$$ EM\times EA=EP^{2} $$
Ou:
$$ EM\times MA=PM^{2} $$
Então, o triângulo EPA é retângulo. Finalmente, o terceiro conceito está relacionado à construção geométrica da solução de Hipócrates de Quios para duas médias proporcionais. Observe:


Sejam A, E, P, M e Q cinco pontos, tais que:
  • O segmento AE seja igual ao dobro do segmento AQ;
  • Os segmentos PE e QM sejam ortogonais a AP e, de modo análogo, que o segmento PM seja ortogonal a AE.
Sendo PM a altura do triângulo retângulo AEP, do primeiro conceito, vem:

$$ AM\times AE=AP^{2} $$
[5]
 Assim como QM a altura do triângulo retângulo APM, temos que:

$$ AQ\times AP=AM^{2} $$
[6]
Da equação [6]:
$$ AP=\frac{AM^{2}}{AQ} $$
Substituindo este resultado em [5]:
$$ AM\times AE=\left ( \frac{AM^{2}}{AQ} \right )^{2} $$
Desenvolvendo:
$$ AM\times AE=\frac{AM^{4}}{AQ^{2}} $$
$$ AE=\frac{AM^{3}}{AQ^{2}} $$
Como previamente estabelecido que AE seja o dobro de AQ, temos:
$$ 2AQ=\frac{AM^{3}}{AQ^{2}} $$
$$ AM^{3}=2AQ^{2} $$
Isto é, P e M são a solução de Hipócrates para o problema, ou dito de outro modo, AM e AQ são as duas médias proporcionais entre AP e AE. De modo análogo, a solução de Árquitas parte de dois segmentos de reta AC e BD dos quais se quer encontrar suas duas médias proporcionais, conforme indicado abaixo:

Seja também uma reta tangente à circunferência passando por C e um segmento de reta passando por AD e tocando a reta tangente em E:

A visualização tridimensional da figura acima facilitará o entendimento da construção idealizada por Árquitas, colocada abaixo em um ângulo um tanto excêntrico:


A partir deste ponto, Árquitas estabelece a construção de três sólidos de revolução, começando por uma circunferência com diâmetro AC perpendicular ao plano da circunferência definida pelos pontos ABCD e alinhada à AC; a partir dela e girando ao redor do ponto A, constrói-se um toróide com diâmetro interno nulo, conforme indicado a seguir:


O segundo sólido de revolução é um cilindro de diâmetro AC perpendicular ao plano da circunferência ABCD. Este cilindro atravessa o toróide, como se pode observar a seguir:


Finalmente, girando-se o triângulo retângulo ACE ao redor de seu lado menor AC, produz-se o cone abaixo:


O ponto P, indicado pela seta amarela, é o único local em que os três sólidos de revolução interseccionam-se. Visto por cima, temos:


Ao gerarmos o cone, uma linha saindo do ponto D descreverá um semicírculo acompanhando este sólido de revolução até atingir o ponto B. Este semicírculo encontra um ponto que chamaremos de Q quando alinhado ao segmento AP, e a projeção deste ponto atinge perpendicularmente o plano do círculo ABCD em N. De modo análogo, a projeção de P atinge perpendicularmente o plano do círculo ABCD em M. O segmento AC’, como se observa facilmente, corresponde ao mesmo segmento AC, pois trata-se do raio da circunferência ABCD. Os triângulos retângulos APC’, AMP e AQN são semelhantes entre si, donde é válida a seguinte proporcionalidade:
$$ \frac{AC'}{AP}=\frac{AP}{AM}=\frac{AM}{AQ} $$
Mas como AC’ = AC, decorre:
$$ \frac{AC}{AP}=\frac{AP}{AM}=\frac{AM}{AQ} $$
Como AC, AP, AM e AQ estão em proporção contínua, chega-se à duplicação do cubo como demonstrado acima, ou seja:
$$ AM^{3}=2AQ^{2} $$
Não se sabe o que levou Árquitas a produzir este incrível exercício de imaginação espacial para construir os triângulos com as proporções apropriadas, chegando ao resultado definido por Hipócrates.


Apesar de sua genialidade, Árquitas foi mais famoso em sua época e ainda é mais famoso na atualidade por ter enviado um navio para resgatar Platão do tirano de Siracusa, Dionísio III, em 361 a.C. Nas duas biografias antigas que sobreviveram sobre esse matemático incrível (uma pelo historiador e biógrafo de filósofos gregos Diógenes Laércio, por volta do século III d.C. e outra constante da Suda, enciclopédia bizantina sobre o mundo mediterrâneo, escrita no século X d.C.) a primeira coisa que se diz dele, depois de seu nome e do seu pai, é o resgate a Platão.

Diógenes Laércio
Curiosamente, Plutarco de Queronéia, em I d.C. relata que Platão teria criticado a solução de Árquitas por fazer uso de "construções que usam instrumentos e que são mecânicas". Platão argumentou que o valor da geometria e, de resto, da matemática, residia em sua capacidade de transformar a alma do reino manifesto para o inteligível.

Busto de Plutarco de Queronéia
O cubo do qual a geometria trata não é um cubo físico nem mesmo o desenho de um cubo, mas sim um cubo inteligível que se ajusta à definição de cubo, mas que não é um objeto tangível. Ao empregar instrumentos físicos, que "exigiam muito artesanato comum" e, na verdade, construindo máquinas para determinar as duas médias proporcionais, Árquitas não se concentrava no mundo inteligível, mas no mundo físico, destruindo, portanto, o valor da geometria. A discussão de Platão com Árquitas é uma história curiosa, mas é difícil conciliá-la com a solução real de Árquitas, que, como demonstrado, não aplica nenhum instrumento ou máquina. Pode ser que a história de Plutarco sobre uma discussão entre Platão e Árquitas sobre o uso de dispositivos mecânicos em geometria seja uma invenção da tradição posterior e talvez tenha servido de base para o mito da ciência mecânica, que explicou a separação entre a mecânica e a filosofia como resultado de uma discussão entre os dois filósofos. Na República, Platão é crítico da geometria sólida de seu tempo, mas sua crítica não menciona o uso de instrumentos; em vez disso, enfoca o fracasso da geometria sólida em uma disciplina coerente, ao lado da geometria e da astronomia. A história da disputa, que é relatada pela primeira vez por Plutarco, também é difícil de conciliar com a fonte mais antiga para a história do problema de Delos: Eratóstenes de Cirene. Nascido por volta de 276 a.C., contemporâneo de Arquimedes e Apolônio, foi prodigioso em quase todos os ramos do conhecimento de seu tempo, distinguindo-se como matemático, geógrafo, astrônomo, historiador, poeta, filósofo e atleta! Para solucionar o problema da duplicação do cubo, Eratóstenes inventou um instrumento para determinar as médias proporcionais: o mesolábio ("gerador de médias"), e ele conta a história do problema de Delos precisamente para enfatizar que as soluções anteriores, incluindo a de Árquitas, eram demonstrações geométricas que não poderiam ser empregadas para fins práticos. Ele denomina a solução de Árquitas como dysmêchana, ou seja, "dificilmente mecânica".

Um mesolábio construído para fins didáticos
O mesolábio de Eratóstenes consiste em uma estrutura retangular formada pelos pontos ABCD, conforme a seguir:


Ao longo do comprimento desta estrutura deslizam três triângulos retângulos formados, respectivamente, pelos pontos AEF, IGH e JKL, sendo que este último tem seu cateto maior dividido em duas partes iguais pelo seu ponto médio M. Para se duplicar um cubo de aresta a, a altura AD da estrutura retangular deve ser igual a 2a. Mantendo-se o triângulo AEF fixo, movemos os outros dois ao longo do comprimento da estrutura retangular, de modo que o lado EF do primeiro triângulo interseccione a hipotenusa IG do segundo triângulo no ponto N; analogamente, o lado HG do segundo triângulo deve interseccionar a hipotenusa JK do terceiro triângulo no ponto O, de tal forma que um segmento de reta ligando os pontos A e M deve passar igualmente pelos pontos N e O, até tocar a base DC da estrutura retangular no ponto P, conforme abaixo.


Da figura, observa-se que os triângulos APD, NPE, OPG e MPK são semelhantes entre si. Logo, vale a proporcionalidade:
$$ \frac{MK}{OG}=\frac{OG}{NE}=\frac{NE}{AD} $$
Observa-se que os segmentos MK, OG, NE e AD estão em proporção contínua, segundo postulado por Hipócrates. Se os segmentos OG e NE são as médias proporcionais procuradas e AD = 2a, então MK = a, e assim:
$$ \frac{a}{OG}=\frac{OG}{NE}=\frac{NE}{2a} $$
Obtendo-se as equações a seguir:
$$ \left\{\begin{matrix}a\times NE=OG^{2}\\ 2a\times OG=NE^{2}\end{matrix}\right. $$
Isolando NE na primeira equação e substituindo o resultado na segunda, vem:
$$ 2a\times OG=\left ( \frac{OG^{2}}{a} \right )^{2} $$
$$ 2a\times OG=\frac{OG^{4}}{a^{2}} $$
$$ 2a\times a^{2}=\frac{OG^{4}}{OG} $$
$$ 2a^{3}=OG^{3} $$
Ou seja, o volume de um cubo de aresta OG é o dobro do volume de um cubo de aresta a (onde a = MK). E mais uma vez chegamos ao resultado da duplicação do cubo.


É aí que entra em cena outro matemático e geômetra grego: Menecmo de Atenas (~380 a.C. a ~320 a.C.). Pertencente à Academia de Platão e tendo sido aluno de Eudoxo de Cnido, atribui-se a ele a introdução ao estudo das seções cônicas para a solução do problema da duplicação do cubo, como citado por Eutócio (que faz referência a uma carta escrita por Eratóstenes ao rei Ptolomeu II do Egito, onde afirmaria que a autoria das tríades de cônicas é de Menecmo) ou na citação de Proclo de Lícia no século V d.C., em seus comentários no primeiro livro dos Elementos de Euclides, em que atribui a Menecmo a invenção das cônicas a partir de seus estudos com cones. Na Grécia dos séculos IV e III a.C., um cone era obtido rotacionando-se um triângulo retângulo ao redor de seu cateto maior. Era designado cone oxigonal (ou acutângulo) quando o ângulo no vértice do cone era agudo; cone ortogonal (ou retângulo) se fosse um ângulo reto; e finalmente cone ambligonal (ou obtusângulo) se o ângulo no vértice desse cone fosse obtuso, conforme indicado abaixo:

À esquerda: cone oxigonal, com ângulo do vértice α menor que 90º. Ao centro: cone ortogonal, com ângulo do vértice β igual a 90º. À direita: cone ambligonal, com ângulo do vértice γ maior que 90º.
No estudo das seções cônicas, Menecmo concentrou-se na geração de um cone acutângulo a partir de um triângulo retângulo com ângulo de rotação (formador do vértice do cone) de 45º. Observe:


No movimento de rotação indicado na figura acima, a hipotenusa é a geratriz do cone. Para a resolução do problema de Delos, Menecmo estudou as curvas que poderiam ser obtidas a partir de seccionamentos do cone por planos em ângulos variados em relação ao eixo de rotação ou à hipotenusa. Assim, um plano perpendicular a esse eixo de rotação produz um seccionamento circular no cone, conforme a seguir:

Quando esse plano é paralelo à hipotenusa, o seccionamento do cone produz uma parábola, conforme abaixo:

Fazendo agora com que esse plano fique paralelo ao eixo de rotação, o seccionamento do cone produz uma hipérbole, como indicado:

Finalmente, quando o plano está em um ângulo tal que não o torne nem paralelo à hipotenusa nem paralelo ao eixo de rotação, o seccionamento do cone produz uma elipse:

Dos seccionamentos, obtém-se:
  • Um círculo, em vermelho;
  • Uma elipse, em amarelo;
  • Uma parábola, em verde;
  • Uma hipérbole, em azul.
A elipse, a parábola e a hipérbole formam a tríade de cônicas, cuja descoberta é atribuída a Menecmo. Suas descobertas resultaram de uma busca por curvas que possuíssem propriedades compatíveis ao cálculo das médias proporcionais indicadas na redução de Hipócrates. Como revisado nos comentários de Eutócio, as soluções de Menecmo permitiam obter a aresta do cubo duplicado a partir da intersecção de duas cônicas. A chamada primeira solução de Menecmo envolvia duas parábolas e a segunda solução envolvia uma parábola com uma hipérbole. Relembrando as equações [1], [2] e [3] apresentadas no início deste capítulo como soluções algébricas modernas da duplicação do cubo, temos:

$$ x^{2}=ay $$
[1]

$$ y^{2}=2ax $$
[2]

$$ xy=2a^{2} $$
[3]
Gerando um gráfico para a primeira solução de Menecmo, obtemos uma parábola azul para a equação [1] e uma parábola verde para a equação [2], conforme se observa abaixo:



O ponto de intersecção entre as duas parábolas, indicado pela seta amarela, representa a solução do problema da duplicação do cubo: o valor desse ponto no eixo x corresponde ao tamanho da aresta do cubo duplicado. Considerando-se que o cubo original tenha uma aresta de tamanho igual a 1, o cubo duplicado terá uma aresta igual a:
$$ Aresta_{duplicada}^{3}=2\times Aresta_{original}^{3} $$
$$ Aresta_{duplicada}^{3}=2\times 1^{3}=2 $$
$$ Aresta_{duplicada}=\sqrt 2\cong 1,26 $$
Que é o valor observado no eixo x do gráfico. Gerando agora um novo gráfico utilizando a parábola da equação [1] em conjunto com a hipérbole da equação [3], obtemos a segunda solução de Menecmo, como se observa a seguir:


Mais uma vez, o ponto de intersecção entre a parábola azul e a hipérbole verde, indicado pela seta vermelha, representa a solução do problema da duplicação do cubo: o valor desse ponto no eixo x corresponde à aresta do cubo duplicado que, como é de se esperar, tem o mesmo valor da primeira solução, aproximadamente igual a 1,26. Vale lembrar que um gráfico obtido com a parábola da equação [2] em conjunto com a hipérbole da equação [3] fornecerá o mesmo resultado para a segunda solução de Menecmo, já que se trata de equações que respeitam a média proporcional proposta por Hipócrates. Observe que a geometria fazia para os gregos o que a álgebra faz por nós atualmente, mas a um custo e esforço de imaginação consideravelmente maiores. Aliás, tendo sido Menecmo tutor de Alexandre Magno, existe uma anedota – atribuída a Platão – em que o monarca, apressado talvez em sair para o campo e conquistar o mundo, pede a seu mestre para lhe mostrar um jeito mais fácil de aprender geometria. Alega-se que Menecmo tenha respondido: “Ó meu rei, para viajar através do país existem estradas privadas e estradas reais, mas para aprender geometria existe uma única estrada para todos”. Porém, foi com outro matemático grego que as seções cônicas atingiram o seu auge no mundo antigo: Apolônio de Perga (262 a.C. a 190 a.C.); na antiguidade já era conhecido como 'O Grande Geômetra' e lecionou em Alexandria. De sua grande produtividade científica, somente uma obra se preservou substancialmente, as Cônicas. Nesta obra-prima da geometria antiga, Apolônio apresenta um estudo aprofundado das seções cônicas em oito livros, dos quais sete sobreviveram somente através de traduções árabes realizadas entre os séculos IX e XI d.C.

Tradução para o árabe de Cônicas, por Thabit ibn Qurra, fólios 6b e 7a.
As Cônicas, de Apolônio de Perga ‘o grande geômetra’, fólios 162b e 164a, traduzido para o árabe por Thabit ibn Qurra no século IX d.C. Atualmente encontra-se na Biblioteca Bodleian, prateleira MS. Marsh 667, na Universidade de Oxford. Thabit ibn Qurra foi um matemático, médico, astrônomo e tradutor de obras gregas que viveu em Bagdá durante o califado Abássida.
As Cônicas formam uma obra extensa e rigorosa, escritas num estilo matemático euclidiano, contendo postulados, teoremas e provas, e descrições verbais dos objetos, além da ausência de qualquer notação algébrica, sem coordenadas e, de resto, sem figuras. É uma geometria de objetos estáticos, sem movimento e considerada de leitura difícil. Entretanto essa obra retrata, em grande parte, o que se conhecia sobre geometria no mundo antigo, suplantando manuscritos anteriores, a exemplo daqueles produzidos por Menecmo e Euclides. Apolônio fez uma definição das seções cônicas numa abordagem diferente daquela adotada por seus antecessores, definindo elipses, parábolas e hipérboles como curvas em um plano através de um conjunto de segmentos de linha ordenados e paralelos em relação a um eixo, um conceito muito próximo da idéia de coordenadas geométricas.

Outra tradução para o árabe das Cônicas de Apolônio. Observe o uso de segmentos de linhas paralelos e ordenados em relação a um eixo, utilizados para a construção das curvas.
As Cônicas possuem uma variedade de belos teoremas pouco conhecidos atualmente, e os principais resultados matemáticos desta obra concentram-se em similaridades e médias geométricas. Estes teoremas foram utilizados intensamente ao longo do século XVII d.C. De fato, todos os matemáticos desse século estudaram Apolônio, a ponto de alguns desses teoremas terem sido utilizado por Isaac Newton em sua obra Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, de 1687, para a discussão das órbitas planetárias. Para Apolônio, um cone é uma figura geométrica formada pela conformação de todas as linhas no espaço que atravessam um círculo fixo em um plano e se concentram em um ponto fixo externo ao plano do círculo. Em outras palavras, uma linha passando por um ponto P (fixo, porém articulado) percorrendo um círculo em um plano, externo a P, perfaz um cone. O círculo é chamado de base, ou circunferência geratriz do cone. O ponto P é chamado de vértice do cone. Como o cone é definido por linhas retas (e não por segmentos), ele forma duas folhas, opostas entre si; além disso, o cone se estende indefinidamente nas duas direções. Ele não termina no círculo delimitado pelo plano, como se fosse um cone de sorvete. A figura a seguir demonstra a idéia geral contida nos conceitos utilizados nessa construção geométrica.

Apolônio foi o primeiro geômetra a demonstrar que um cone não precisa ser retângulo para a obtenção de elipses, parábolas e hipérboles, ao mostrar que essas curvas não eram diferentes ao serem obtidas a partir de planos cortando cones oblíquos (como os da figura acima) ou cones retos. A substituição de um cone de folha única por cones de folhas duplas também foi outra generalização importante apresentada nesse tratado. Vejamos então como se dá a construção dessas três famosas curvas, começando pela elipse. Desenhe um retângulo ABCD e encontre seus pontos médios E, F, G e H, dividindo-o em quadrantes, conforme abaixo:


Agora divida os segmentos AH e HO em oito partes iguais cada um:


A partir do ponto E desenhe segmentos de linha conectando-se às divisões do segmento AH; de modo análogo, a partir do ponto G desenhe segmentos de linha conectando-se às divisões do segmento HO, como a seguir:


Selecione a intersecção entre cada dois segmentos de reta, na seguinte sequência: a intersecção de um segmento de reta, de baixo para cima no segmento AH, para cada segmento de reta, da esquerda para a direita no segmento HO. Conecte estes pontos para formar a primeira parte da elipse, conforme se observa a seguir:


Para formar uma elipse completa, basta seguir o mesmo procedimento nos demais quadrantes do retângulo. Agora vamos construir uma parábola: comece desenhando um retângulo ABCD e determine os pontos médios E do segmento AB e F do segmento CD, unindo-os em seguida, conforme abaixo:


Divida os segmentos AD e DF em seis partes iguais cada um, onde serão construídas linhas auxiliares, como indicado abaixo:


Agora, conecte o ponto E às divisões do segmento AD, como indicado abaixo:


Como último passo das construções auxiliares, desenhe retas paralelas ao segmento EF, passando pelas divisões do segmento DF, como indicado abaixo:


Construa metade de uma parábola conectando cada uma das intersecções das linhas auxiliares, de baixo para cima partindo do segmento AD e da esquerda para a direita, partindo do segmento DF, como indicado abaixo em azul:


Para formar uma parábola completa, basta seguir o mesmo procedimento na outra metade do retângulo. Finalmente, vejamos como construir uma hipérbole. Comece desenhando um segmento de reta e coloque sobre ele três pontos A, B e C, de tal modo que a distância BA seja igual à distância AC. Em seguida, posicione um ponto D acima do segmento de reta e à direita de C, como indicado a seguir:


Em seguida, desenhe um retângulo CEDF e divida os lados ED e DF em oito partes iguais, como mostrado abaixo:


Conecte o ponto B às divisões do lado DF do retângulo através de segmentos de reta; faça o mesmo ligando o ponto C às divisões do lado ED do retângulo através de segmentos de reta, conforme indicado na figura a seguir:


Basta conectar as intersecções entre os segmentos de reta que ligam as divisões do lado DF do retângulo (de baixo para cima) aos segmentos de reta que ligam as divisões do lado ED do retângulo, da esquerda para a direita, formando a hipérbole em azul, conforme abaixo:


Encerramos com estas curiosas construções geométricas o capítulo sobre as seções cônicas.

Referências bibliográficas:
[1]
Luiz, A. A. et alli “Eratóstenes, um gênio do tamanho da Terra”, XIX Semana da Matemática, IBILCE/UNESP, 2010.
[2]
Huffman, C. “Archytas (Stanford Encyclopedia of Philosophy)”, The Metaphysics Research Lab, Center for the Study of Language and Information, Stanford University, 2016 – https://plato.stanford.edu/entries/archytas.
[3]
Rivest, F.; Zafirov, S. “Duplication of the cube”, McGill School of Computer Science (http://www.cs.mcgill.ca/~cs507/projects/1998/zafiroff/DC.html acessado em Nov/2017).
[4]
Dennis, D.; Addington, S. “Apollonius and Conic Sections”, Mathematical Intentions, 2009 (http://www.quadrivium.info).
[5]
Heath, T. L. “Treatise on conic sections – Edited in modern notation – with introductions including an essay on the earlier history of the subject”, Cambridge: at the university press, 1896. Digitalizado e disponibilizado em PDF pela Google Books.