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lunes, 19 de octubre de 2015

Andalucía, Voronoi y el duende.

Bueno, pues aquí está la solución al reto que planteábamos esta semana: dividir el territorio de Andalucía en zonas en las que la distancia a una determinada capital de provincia es menor que la que hay a las capitales vecinas. Imagina por ejemplo que se aplica para minimizar los desplazamientos desde cada lugar del territorio a las oficinas provinciales de la Junta, que se ubican en cada una de las ocho capitales. En este caso ficticio ignoramos los condicionantes que suponen la topografía y las redes de transportes.
Evidentemente, las fronteras entre zonas contiguas son los lugares geométricos de los puntos que equidistan de las dos capitales correspondientes, es decir, las mediatrices de las que nos hemos ocupado esta semana. Por tanto empezaremos por situar esas capitales mediante puntos fijos en Geogebra, y a continuación trazaremos todas las mediatrices entre capitales vecinas (líneas rojas en nuestro modelo). Para ello utilizamos directamente la herramienta mediatriz que nos ofrece la aplicación.
Pero para poder configurar los polígonos necesitamos además las capitales que circundan a la Comunidad andaluza, incluyendo las dos más meridionales de Portugal. Una nueva serie de mediatrices (aquí moradas y de línea de trazos) nos define ahora el borde que separaría nuestra "topológica" Andalucía del resto del territorio peninsular. Como comprobación de la coherencia de los límites e indicación de una posible extrapolación al exterior, trazamos además las mediatrices entre cada pareja de capitales vecinas de esa corona circundante (en azul y línea de puntos).
Nos queda resolver lo que hacemos con la costa, ya que al otro lado no hay capitales que nos permitan trazar mediatrices. En nuestro ejemplo, y por coherencia con el modelo de polígonos convexos de Voronoi, hemos optado por trazar bordes rectos entre las intersecciones de las mediatrices exteriores y la línea costera, lo que en la práctica supondría (como se aprecia en el diagrama final obtenido) graves inconvenientes para muchos gaditanos y almerienses, pero que no invalida la filosofía de nuestro modelo teórico, ni tampoco su funcionalidad, como veremos más adelante. 
Con toda esa red de rectas ya podemos trazar los polígonos que buscábamos, que no es otra cosa que el teselado de la región según el modelo de Voronoi (por el matemático Georgy Voronoi, nacido en 1868 en un pequeño pueblo del entonces imperio ruso (hoy Ucrania).

En este primer modelo de Geogebra puedes seguir paso a paso (usando los botones de avance y retroceso o el de reproducción) el procedimiento de construcción. Más abajo (y usando ese punto rojo móvil que hemos situado para terminar) comprobaremos si realmente cumple la premisa del reto, y buscaremos nuevas utilidades de la geometría variacional.   





Mientras investigamos ese "making of" del modelo dinámico, y recordando la vocación de jugar con la educación, la música y la expresión gráfica que mueven este blog, os propongo recordar a cuatro genios de entre los muchos de los que puede presumir Andalucía: seguro que los reconoces, y además podrías relacionarlos con dos de nuestras celdas coloreadas.








Terminamos con el modelo anterior de la Andalucía de Voronoi, con ese punto móvil rojo que al arrastrarlo nos permite verificar que, efectivamente, desde cualquier punto de una celda su capital está más próxima que ninguna otra. Por cierto, ¿cómo dirías que se consigue en Geogebra que la flecha salte para conectar con esa capital al cambiar de celda, o que desaparezca cuándo salimos de Andalucía?
Investiga, y piensa también otras posibles aplicaciones de modelos topológicos como este.



domingo, 18 de octubre de 2015

La mediatriz (... ahora sí) y el modelo de teselado de Voronoi


Diagrama de Voronoi a partir de conjunto aleatorio de semillas 
En matemáticas -concretamente en el ámbito de la teoría de grafos- un diagrama de Voronoi es una subdivisión del plano en regiones basada en la distancia a unos puntos pertenecientes a un subconjunto específico de dicho plano. Esos puntos, llamados "semillas" o "generadores", se establecen previamente de forma aleatoria o a partir de unas condiciones de partida.
Para cada semilla, existe una región correspondiente formada por todos los puntos del plano que se encuentran más próximos a ella que a ninguna otra semilla. Estas regiones se denominan células (o celdas, o teselas, o polígonos) de Voronoi.
De Wikipedia, english version.




Las aplicaciones de este y otros métodos de subdivisión del plano -también de otras superficies e incluso del espacio tridimensional- son muy variadas, desde la biología celular al control del tráfico aéreo, como ilustran por ejemplo esta entrada del blog de las asociaciones de profesores de matemáticas con motivo del Día Escolar de las Matemáticas (con interesantes modelos dinámicos interactivos en Geogebra), o esta otra del blog Geografía Infinita sobre el "mundo perfecto" de Voronoi, relacionada con cartografía y geopolítica. 

Concept yacht VORONOI
Entre los usos más extravagantes -y divertidos- he encontrado este lujoso "concept" superyate VORONOI, de 125 m de eslora, cuyas cubiertas superiores están protegidas por una estructura reticular basada en el diagrama del que toma su nombre y en las celdas de las colmenas construidas por las abejas. Aquí podéis verlo con más detalle.

Diagrama de Voronoi con semillas en
las capitales de provincia españolas



Precisamente de Geografía Infinita y su entrada que antes citábamos nos traemos esta curiosa imagen que superpone al mapa con la subdivisión provincial de España una retícula de Voronoi que utiliza las capitales como semillas.

Nos servirá de base para plantear el reto de hoy: se trata de subdividir el territorio de Andalucía en ocho zonas contiguas, de forma que desde cualquier punto de cada zona la distancia a la capital de provincia incluida en ella sea menor que al resto de capitales.


Efectivamente, se trata de crear una retícula de Voronoi con semillas en las ocho capitales de provincia. Pero ¿Cómo trazamos esas líneas de división? 
Como pista, piensa en cuál es la condición que deben cumplir los puntos que se encuentren en esas "fronteras" entre zonas. Y recuerda que el elemento geométrico protagonista de las entradas de esta semana es la media...triz, es decir, el lugar geométrico de los puntos del plano que equidistan de otros dos puntos dados.  
Te propongo que crees un modelo dinámico en Geogebra, importando la imagen que ponemos a continuación, y que sitúes en él con puntos fijos las capitales de provincia. Una vez que hayas creado las ocho celdas deberás comprobar, por ejemplo con un punto móvil que puedas desplazar entre ellas, que las distancias a la capital desde cualquier punto de su celda son menores que a las capitales vecinas. Una forma de verlo gráficamente es colocar textos dinámicos en pantalla que muestren esas distancias en tiempo real.


Y para cerrar, una pregunta retórica que lanzo a mis compañeros blogueros del máster de secundaria de la politécnica -con permiso del resto de visitantes si los hubiere- 
¿Habrá sido pura casualidad que esta semana Juan Alriols nos plantee como "tema de tortura" la mediatriz y que minutos después Gabriel Dorado nos hable de la teselación de Voronoi dentro de su disertación sobre sitemas GIS? 
Yo, como cartesiano irredento creo poco en casualidades -y menos aún en el destino- así que me inclino a pensar en la "mano negra" de un coordinador (no miro a nadie) "deus ex machina" que ha colocado así, sibilinamente, los dos eventos en moodle para ver si éramos capaces de detectar la sutil relación entre ellos. Pues que se sepa que sí, que a pesar de las noches sin dormir y las ocho tareas entregables diarias (AKA "manitas"), aún somos capaces de razonar, reflexionar ,,, y CAZARLO ;)

Ya es lunes, comprueba aquí si tu Voronoi cumple las premisas del reto.