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Cómo conseguir la intuición matemática

Motivado por ¿Por qué la intuición es tan importante para los matemáticos pero se echa en falta en la enseñanza de las matemáticas? $^{1}$ por Leona Burton, Me gustaría conocer ideas o estrategias específicas para alcanzar la intuición matemática que ejemplifico en mi respuesta a continuación. Muchos libros de texto sólo presentan definiciones, teoremas y pruebas, sin ninguna explicación de la intuición o la motivación que hay detrás de una definición o teorema, o de la idea de la prueba. Ilustro con ejemplos el significado de "intuición":

$\{\emptyset\} $ se puede intuir como una caja que no contiene nada una caja que contiene una caja vacía.

El Teorema Fundamental del Cálculo se puede intuir, a través de una imagen geométrica, interpretando la interpretación de $g(x) = \int_a^{x} f(t) \, dt$ como el área bajo la gráfica de $f$ y $g(x)$ como la función "área hasta ahora" de $a$ a $x$

El determinante jacobiano de una transformación se puede intuir aproximando la región imagen de la nueva variable con un paralelogramo determinado por vectores secantes.

A pesar de la cita de Henri Poincaré ("Es por la lógica que demostramos, pero por la intuición que descubrimos") sobre la supuesta importancia de la intuición en las matemáticas, el citado artículo me asombra:

"Ninguno de los matemáticos habló de trabajar en sus intuiciones para mejorar su frecuencia o fiabilidad..."

"La intuición, la perspicacia o el instinto fueron considerados por la mayoría de los setenta matemáticos a los que entrevisté como un componente necesario para desarrollar el conocimiento. Sin embargo, ninguno de ellos ofreció ningún comentario sobre si, y cómo, ellos mismos habían alimentado sus intuiciones como parte de su proceso de aprendizaje".

"Estos matemáticos investigadores en activo hablan con tanto entusiasmo y alegría de sus prácticas. Sin embargo, con la notable excepción del trabajo de Fischbein, los relatos sobre el fomento deliberado de la intuición y la perspicacia están ausentes de la literatura sobre educación matemática, incluso en la investigación basada en procesos, y, a pesar de la reivindicación de su centralidad en el trabajo matemático, está igualmente ausente de las prácticas con los alumnos..."

  1. http://www.jstor.org/stable/40248307?seq=1&uid=3738176&uid=2&uid=4&sid=21102540224927

11voto

dtldarek Puntos 23441

TL;DR

Mi opinión es que "intuitivo" se aproxima bien a "compatible con nuestro modelo interno de la realidad" y trato de argumentar que ese tratamiento podría ser útil para ganar o enseñar la intuición, es decir, en mis palabras, actualizar el modelo de alguien para que se ajuste a la realidad.


Descargo de responsabilidad 1:

No estoy seguro de cuál es realmente la pregunta y cuáles son las respuestas que desea el OP, sin embargo, como este tema parece ser de interés de muchos, puedo hacer una conjetura. La mayoría de las cosas son probablemente bien conocidas por ustedes, pero sospecho que el objetivo es explicarlas. Sólo puedo esperar que las opiniones aportadas sean útiles para algunos.

Descargo de responsabilidad 2:

Todo lo que se menciona a continuación son mis propias opiniones basadas en mi experiencia (bastante pequeña comparada con la de otros) con la intuición en la enseñanza, la investigación, los debates, etc. Sin embargo, vale la pena señalar, que una parte bastante grande de cualquier éxito que tuve se debió a la obtención de la intuición, ya sea por mí o por las personas con las que me comuniqué. (No citaría aquí los testimonios de los estudiantes a los que enseñé, pero son bienvenidos a buscar entre mis respuestas, especialmente las que contienen imágenes, por ejemplo 1 , 2 , 3 , 4 , 5 o 6 . Además, esto es no un intento (fallido) de autopromoción).

Descargo de responsabilidad 3:

Considero que el artículo citado de Leona Burton es engañoso y no es útil, en particular, no estoy de acuerdo con los significados de la intuición citados por ella en el contexto proporcionado por el artículo. Aunque los puntos mencionados se correlacionan con el adjetivo "intuitivo", en mi opinión la relación es mucho más débil de lo que implica la autora.

  • Intuitivo es lo contrario de riguroso. Hay muchas pruebas que son intuitivas y rigurosas, así como pruebas que son informales y no intuitivas.
  • Intuitivo significa visual. Aunque seguramente los alumnos visuales encontrarían más intuitivos los argumentos visuales, esta característica es ortogonal a la intuición, los alumnos cinestésicos o auditivos encontrarían intuitivos otros enfoques y el hecho de que la mayoría de nosotros seamos alumnos visuales no es una razón suficiente para conectar esos dos términos.
  • Intuitivo significa plausible o convincente a falta de pruebas. La verdad es que es difícil decidirse aquí. El significado de esta frase depende del significado de "plausible", es decir, entre otras cosas, de lo "razonable" o "probable" que tiene que ser una cosa, para ser calificada como "plausible". Por otra parte, en una situación en la que apenas tenemos intuición, podemos seguir llamando a algunas cosas "plausibles", "razonables" o "probables". Además, en el contexto del comportamiento humano, podemos decir que "alguien actuó por intuición en lugar de por razón", lo que significaría que un acto no tiene que ser "razonable" para ser "intuitivo". Una vez más, estamos aquí enterrados en la semántica del lenguaje natural.
  • Intuitivo significa incompleto. Esto es simplemente falso; hay pruebas que son intuitivas y completas, y hay pruebas que son incompletas y no son intuitivas.
  • Intuitivo significa basado en un modelo físico o en ejemplos especiales. Se trata de algo parecido a la "heurística". Hay modelos físicos, ejemplos especiales y heurísticos que son contraintuitivos, también hay enfoques intuitivos que son generales y puramente teóricos.
  • Intuitivo significa holístico o integrador en contraposición a detallado o analítico. Puedo estar de acuerdo en que la intuición a menudo se refiere a la perspectiva global, pero no es suficiente para ser intuitivo. Además, ahora mismo no lo recuerdo, pero había un teorema en el que una sola detalle dentro de la prueba hacía que todo fuera intuitivo, era uno de los casos tales que cuando se resolvía, se sabía cómo resolver todos los demás casos.

Por favor, comprenda que no digo que la intuición no esté relacionada con lo anterior, esos puntos están relacionados, pero no cubren lo que creo que nos gustaría que describiera la "intuición". (Obviamente, los significados de las palabras y las oraciones no son independientes, pero, sin embargo, intenta pensar en lo que sucedería si realizáramos algún tipo de ortogonalización en el significado de lo anterior).


Sobre la intuición:

Mi aproximación más útil a la "intuición" es

$$\color{blue}{\text{Intuitive means compatible with our model of reality.}}$$

En otras palabras, las cosas que encontramos contraintuitivas se comportan de forma diferente a como esperaríamos que se comportaran, es decir, nuestro modelo interno de la realidad no es coherente con los "resultados experimentales" que observamos. Esto puede parecer una perogrullada, pero no deja de ser una aproximación útil.

Apenas podemos hacer nada con respecto a la realidad, así que para ganar en intuición necesitamos actualización nuestro mapa interno (como un gráfico, no una función). Hay muchos enfoques. (De hecho, aprendemos si y sólo si cambiamos nuestro comportamiento, si alguna actividad no cambia nuestro modelo/mapa de realidad/lo que sea, entonces estamos no aprendizaje).

  • Probar el modelo en casos más sencillos. Por ejemplo, muchos teoremas geométricos siguen funcionando cuando algunos segmentos degeneran en puntos, por ejemplo la fórmula del área del cuadrilátero cíclico se convierte en la fórmula de Heron .
  • Quizá haya un factor importante que no haya sido tenido en cuenta por nuestro modelo. Esto me ocurrió con el El problema de Monty Hall La información que faltaba era que algunos eventos no son independientes.
  • Utiliza un modelo diferente. Esto me ocurrió en álgebra lineal $$(U + V) \cap W \neq (U \cap W) + (V \cap W),$$ pero un ejemplo aún mejor sería la prueba en 3D (en lugar de 2D) del Teorema de Desargues (si conoces la prueba, este es también un gran ejemplo para el siguiente punto).
  • Componga algunos modelos ya conocidos. El teorema de Einstein-Pitágoras es un ejemplo clásico: $$E = m (a^2 + b^2).$$
  • Modela el modelo. Esto puede resultar extraño, pero el metamodelado sigue siendo una buena técnica. Puede ser útil cuando no se conocen las integrales y se quiere deducir $\sum_{k=0}^{n}k^\alpha$ para algunos $\alpha \in \mathbb{N}$ . Es fácil adivinar intuitivamente las sumas para $\sum_k 1$ o $\sum_k k$ y luego para $\sum_k k^2$ . La modelización del modelo es exactamente el proceso que nos permite adivinar que $\sum_{k = 0}^{n}k^\alpha$ es $\Theta(n^{\alpha+1})$ . Una generalización similar podría ocurrir con cuadratura de orden superior, o la generalización de Teorema de Brianchon a otras cónicas. No sé si estoy exagerando, pero diría que la teoría de las categorías es la esencia de este tropo.

Cuando todo falla, todavía podemos:

  • Trazar el territorio hasta que llegue el patrón. En realidad, esto es útil si no tenemos ni idea de qué modelo sería aplicable a la parte considerada de la realidad. Esto corresponde a enumerar unos primeros ejemplos para familiarizarnos con el problema que estamos resolviendo.
  • Producir un modelo completamente nuevo e interiorizarlo. Se trata de un proceso similar al de un niño con un dudoso sentido del equilibrio que aprende a montar en bicicleta, especialmente a hacer giros; los padres proporcionan el modelo (inclinarse a la izquierda/derecha) y el niño intenta hacerlo funcionar.

Sobre la enseñanza de la intuición:

Mi experiencia con la enseñanza de la intuición es que las personas piensan de manera diferente, tienen diferentes mapas/modelos de realidad y la "transferencia de intuición" exitosa ocurre cuando actualizan sus modelos lo suficiente para que sean compatibles con los teoremas/datos/etc. presentados. Algunas técnicas útiles:

  • Asegúrese de que está "pasando", es decir, utilice palabras que los alumnos entiendan, imágenes con los pensadores visuales, etc.
  • Trazar el territorio para los que no tienen ningún modelo, es decir, mostrar ejemplos básicos.
  • Considere primero los casos más sencillos, para que los alumnos puedan decidir qué modelos ya aprendidos podrían aplicarse.
  • Señale las cuestiones que se pasan por alto con frecuencia (para ello se necesita cierta experiencia), por ejemplo, muestre contraejemplos de algunas falacias comunes.
  • Presente diferentes perspectivas, tal vez desde distintos ámbitos si es posible.
  • Dividir los problemas en subproblemas para poder utilizar las intuiciones previas.
  • Dar algunos casos especiales intuitivos (pero no necesariamente sencillos) que podrían generalizarse posteriormente.
  • Deje que los alumnos piensen, es decir, deje suficiente tiempo "libre" para la interiorización.

Conclusión:

Como he dicho antes, todas estas técnicas son en su mayoría conocidas, y mi poca experiencia no es suficiente para atestiguar que funciona o no. También dudo que las listas anteriores sean completas. Sin embargo, el OP mostró tal afán en este tema que espero que todavía encontraría este post útil.

$$\ddot\smile$$

6voto

mkoryak Puntos 18135

No he leído todo el artículo al que hacen referencia .

I también no conocen la(s) definición(es) filosófica(s) de intuición . Como se ha mencionado en los comentarios, el concepto de intuición puede ser probablemente debatido. Y así, al dar una respuesta se corre el riesgo de que alguien no esté de acuerdo simplemente porque entiende el concepto de forma diferente a la tuya.

Dicho esto, tal vez la respuesta a la pregunta (el título del artículo)

¿Por qué la intuición es tan importante para los matemáticos pero se echa en falta en la enseñanza de las matemáticas?

tiene una respuesta fácil. Quizá sea simplemente porque la intuición no se puede enseñar directamente. ¿Cómo se puede enseñar? La intuición es (a mi entender) algo que depende del tema. Y no me refiero sólo a que dependa de si se trata de matemáticas o de física, sino que también depende del tipo de matemáticas o de física que se haga.

Creo que la intuición viene del hacer. La razón por la que un carpintero veterano no necesita una regla para todo es porque tiene una buena sensación (intuición si se quiere) sobre lo que está haciendo. ¿De dónde ha sacado eso? sensación ? Respuesta: Por haber hecho carpintería durante mucho tiempo.

Del mismo modo, si quieres que tus alumnos tengan una buena visión de cómo hacer integrales, puedes simplemente hacer que hagan muchas integrales. De este modo, construirán su base de datos de integrales con las que podrán comparar una nueva integral desconocida.

Una de las personas entrevistadas en el artículo dice:

Mis intuiciones se basan en mis conocimientos y mi experiencia. Cuanto más tenga, más sólidas serán mis intuiciones serán más sólidas.

Ahora, uno puede, por supuesto, elegir tipos específicos de programas para practicar. Las elecciones que se hagan dependerán de las habilidades/técnicas que se intenten enseñar a los alumnos. Así que en ese sentido se puede enseñar la intuición exponiendo a los alumnos a una gran variedad de problemas. También puede intentar diseccionar las soluciones y explicar por qué, en retrospectiva, el problema se resolvió de la manera en que lo hizo.

Otra cosa: Otra persona citada en el artículo dice:

La mayoría de los matemáticos se dedican a las matemáticas por la razón por la que les gusta y disfrutan haciéndolas.

Entonces, si quieres cultivar la intuición, ¿podrías intentar cultivar el placer de hacer matemáticas? ¿Podría ser eso a ¿Conexión?

2voto

LePressentiment Puntos 2053

Pensé en aclarar mi significado de "ideas o estrategias específicas y pasos para alcanzar la intuición matemática" con algunas citas útiles. Sigo interesado en gran medida en los pensamientos de los demás.

Desde http://isites.harvard.edu/fs/docs/icb.topic654912.files/intuition.pdf :

Inducción a partir de ejemplos trabajados. Los profesores utilizan ejemplos como herramientas concretas para ilustrar conceptos y procedimientos. El supuesto subyacente es que al seguir los pasos de un ejemplo trabajado, los estudiantes serían capaces de inducir o generalizar el concepto o procedimiento correcto para la habilidad dada, especialmente cuando el ejemplo es específico y no general (Sweller, & Cooper, 1985; VanLehn, 1990), y cuando se anima a los estudiantes a generar explicaciones durante el proceso de aprendizaje (Chi, Bassok, Lewis, Reimann, & Glaser, 1989; Chi, & VanLehn, 1991; VanLehn, Jones y Chi, 1992).

Desde http://math.berkeley.edu/~rbayer/09su-55/handouts/ProofByPicture.pdf :

Las pruebas visuales no sólo son a veces más fáciles que las pruebas tradicionales, también pueden ayudar a explicar por qué un determinado resultado es verdadero.

[En referencia a una prueba tradicional] ¡Yuk! No sólo hemos tenido que conocer la fórmula de antemano, sino que el IS [= Paso de Inducción] también ha requerido algo de álgebra creativa. Además, todavía no sabemos realmente por qué debería ser cierto, lo cual es, por supuesto, el sello de una buena prueba.

Desde http://www.jstor.org/stable/40248127 $^1$ .

Mi opinión es que la propia prueba -con su estructura analítica explícita paso a paso- puede y debe alcanzar el nivel y la forma de una comprensión sintética internamente coherente. Y esto es una intiuación. Citemos a Poincaré [1913]: "En los edificios construidos por nuestros maestros de qué sirve admirar el trabajo del albañil si no podemos comprender el plan del arquitecto? Ahora bien, la lógica pura no puede darnos la apreciación del efecto total; esto debemos pedírselo a la intiución." [p. 217]

$1.$ "Intuición y demostración", por Efraim Fischbein. Para el aprendizaje de las matemáticas (1982).

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