Media Geométrica

La media de las secciones es la sección de las medias

1. Media aritmética: las secciones son longitudes

\(x_A=\frac{x_1+x_2}{2}\)     \(L(x_A)=\)     \(\frac{L_1+L_2}{2}=\)

Rojo: secciones en \(x_1\) y \(x_2\). Verde: \(x_A\). Azul: sección \(L(x_A)\).

Comenzamos con un triángulo. Tomamos su altura como eje \(x\). Las secciones perpendiculares al eje son segmentos. En un triángulo semejante al original, la longitud de esas secciones es proporcional a la posición \(x\):

\[ L(x)=kx. \]

Por tanto, si escogemos dos posiciones \(x_1\) y \(x_2\), y llamamos \(L_1=L(x_1)\) y \(L_2=L(x_2)\), la sección situada en la media aritmética de \(x_1\) y \(x_2\) tiene como longitud la media aritmética de \(L_1\) y \(L_2\):

\[ x_A=\frac{x_1+x_2}{2} \qquad\Longrightarrow\qquad \boxed{L(x_A)=\frac{L_1+L_2}{2}}. \]
Para apreciar mejor la igualdad: comienza con \(x_1=3\), \(x_2=9\) y \(H=10\). Después mueve los controles.

Demostración

Como \(L(x)=kx\), tenemos:

\[ L_1=kx_1,\qquad L_2=kx_2. \]

Entonces:

\[ \frac{L_1+L_2}{2} = \frac{kx_1+kx_2}{2} = k\frac{x_1+x_2}{2}. \]

Pero \(x_A=(x_1+x_2)/2\), de modo que:

\[ \boxed{ \frac{L_1+L_2}{2} = kx_A = L(x_A) }. \]
En este caso, la media de las secciones es la sección de la media: las secciones son longitudes y la media es la media aritmética.

2. La media geométrica también funciona con longitudes

Antes de pasar a las áreas, podemos hacer otra comprobación. Si la longitud de la sección es proporcional a \(x\), podemos preguntar qué ocurre si tomamos la media geométrica de las dos posiciones.

\[ x_G=\sqrt{x_1x_2} \qquad L(x_G)=\boxed{\sqrt{L_1L_2}} \]

Rojo: \(x_1,x_2\). Verde: \(x_G\). Azul: \(L(x_G)\).

Como \(L(x)=kx\), si \(x_G=\sqrt{x_1x_2}\), entonces \[ L(x_G)=k\sqrt{x_1x_2} =\sqrt{(kx_1)(kx_2)} =\sqrt{L_1L_2}. \] Por tanto, la longitud de la sección en la media geométrica de las posiciones es la media geométrica de las dos longitudes.

La media geométrica no es exclusiva de las áreas: ya aparece con las longitudes. La veremos de nuevo cuando las secciones sean áreas.

3. En las áreas, la media aritmética NO funciona

Al pasar de longitudes a áreas aparece una diferencia fundamental. Podemos tomar la media aritmética de las posiciones, pero la sección que obtenemos en ese punto no tiene, en general, el área igual a la media aritmética de las dos áreas.

En el móvil: desliza el dedo sobre la pirámide para girarla.

\(x_A=\frac{x_1+x_2}{2}\)      \(A(x_A)=\) 0      \(\frac{A_1+A_2}{2}=\) 0

Rojo: secciones en \(x_1\) y \(x_2\). Verde: media aritmética \(x_A\). Azul: sección \(A(x_A)\).

La igualdad que funcionaba para las longitudes ya no funciona para las áreas: \[ \boxed{A\left(\frac{x_1+x_2}{2}\right)\ne\frac{A_1+A_2}{2}}. \]

La razón es que ahora \(A(x)=cx^2\), no \(A(x)=cx\). Por eso la media aritmética de las posiciones no se transforma en la media aritmética de las áreas.

4. Media geométrica: las secciones son áreas

En el móvil: desliza el dedo sobre la pirámide para girarla. El giro es ahora más sensible para que se pueda ver fácilmente toda la figura.

\(x_G=\sqrt{x_1x_2}\)     \(A(x_G)=\)     \(\sqrt{A_1A_2}=\)

Rojo: tronco entre \(x_1\) y \(x_2\). Verde: secciones \(A_1,A_2\) y \(x_G\). Azul: sección de área \(\sqrt{A_1A_2}\).

Ahora pasamos de las longitudes a las áreas de las secciones de una pirámide. Medimos \(x\) desde el vértice. Como las secciones son cuadrados semejantes, su lado es proporcional a \(x\), y por tanto su área es proporcional a \(x^2\):

\[ A(x)=cx^2. \]

Tomamos dos secciones en \(x_1\) y \(x_2\):

\[ A_1=cx_1^2,\qquad A_2=cx_2^2. \]

Ahora elegimos la media geométrica de \(x_1\) y \(x_2\):

\[ x_G=\sqrt{x_1x_2}. \]

La sección situada ahí tiene como área:

\[ A(x_G) =c\left(\sqrt{x_1x_2}\right)^2 =cx_1x_2. \]

Por otra parte:

\[ \sqrt{A_1A_2} = \sqrt{(cx_1^2)(cx_2^2)} = cx_1x_2. \]

Por tanto:

\[ \boxed{ A\left(\sqrt{x_1x_2}\right) = \sqrt{A_1A_2} }. \]

Demostración

La media geométrica de las áreas es:

\[ \sqrt{A_1A_2} = \sqrt{cx_1^2\,cx_2^2} = cx_1x_2. \]

Y la sección situada en la media geométrica de las posiciones tiene área:

\[ A(x_G) = c(\sqrt{x_1x_2})^2 = cx_1x_2. \]

Luego ambas expresiones son iguales:

\[ \boxed{ A(x_G)=\sqrt{A_1A_2} }. \]
En este caso también se cumple que la media de las secciones es la sección de las medias, pero ahora las secciones son áreas y la media que interviene es la media geométrica.

La diferencia fundamental

La propiedad no es casual. Depende de cómo crece la magnitud de la sección con \(x\):

\[ \boxed{L(x)=kx} \qquad\text{frente a}\qquad \boxed{A(x)=cx^2}. \]

La primera relación transforma la media aritmética de las posiciones en la media aritmética de las longitudes. La segunda transforma la media geométrica de las posiciones en la media geométrica de las áreas.

La media de las secciones es la sección de las medias

En una pirámide, esta propiedad de la media geométrica es precisamente la que hace aparecer \(\sqrt{A_1A_2}\) en la fórmula exacta del volumen del tronco.

5. Generalización: dimensión \(n\)

La idea se puede expresar sin necesidad de construir un nuevo interactivo. Si en dimensión \(n\) las secciones tienen dimensión \(n-1\), y las figuras son semejantes, su medida es proporcional a una potencia de \(x\):

\[ \boxed{M(x)=Cx^{\,n-1}}. \]

Entonces la media geométrica de dos posiciones sigue pasando directamente a la media geométrica de las medidas de las secciones:

\[ x_G=\sqrt{x_1x_2} \quad\Longrightarrow\quad M(x_G) =C(\sqrt{x_1x_2})^{\,n-1} =\sqrt{M(x_1)M(x_2)}. \]
\[ \boxed{ M\!\left(\sqrt{x_1x_2}\right) = \sqrt{M(x_1)M(x_2)} } \] para cualquier dimensión \(n\).

Así, la media geométrica tiene una propiedad que atraviesa todas las dimensiones: la medida de la sección en la media geométrica de las posiciones es la media geométrica de las medidas de las dos secciones.

6. ¿Y la media armónica?

Podemos hacer la misma pregunta con la media armónica:

\[ H(a,b)=\frac{2ab}{a+b}. \]

¿Coincide la sección situada en la media armónica de \(x_1\) y \(x_2\) con la media armónica de las dos secciones?

En dimensión 2: sí

Cuando las secciones son longitudes, \(L(x)=kx\). Si \(x_H=H(x_1,x_2)\), entonces:

\[ L(x_H)=k\frac{2x_1x_2}{x_1+x_2} =\frac{2L_1L_2}{L_1+L_2} =H(L_1,L_2). \]
En dimensión 2, la media armónica también cumple la propiedad: la sección de la media armónica es la media armónica de las secciones.

En dimensión 3: no

Cuando las secciones son áreas, \(A(x)=cx^2\). La igualdad exigiría

\[ A\!\left(\frac{2x_1x_2}{x_1+x_2}\right) =H(A_1,A_2), \]

pero en general

\[ \boxed{ \left(\frac{2x_1x_2}{x_1+x_2}\right)^2 \ne \frac{2x_1^2x_2^2}{x_1^2+x_2^2} }. \]

Por tanto, la media armónica no funciona en dimensión 3. Y el mismo cálculo muestra que tampoco funciona, en general, en dimensión \(n>2\), donde las secciones son proporcionales a \(x^{n-1}\).

\[ \boxed{ M\!\left(H(x_1,x_2)\right)\ne H\!\left(M(x_1),M(x_2)\right) } \qquad (n>2). \]
De las tres medias clásicas, la media geométrica es la única que conserva esta propiedad en cualquier dimensión.

La media de las secciones es la sección de la media.

7. Vídeo: media aritmética y media geométrica