PDF - Matematica e Applicazioni
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" " o&<br />
peripheria circuli<br />
exponentialis<br />
Leonardo Colzani<br />
LA QUADRAT URA DEL CERCHIO<br />
E DELL 0 IP ERBOLE<br />
3; 1415926535 8979323846<br />
2643383279 5028841971<br />
6939937510 5820974944<br />
5923078164 0628620899<br />
8628034825 3421170679 :::<br />
2; 7182818284 5904523536<br />
0287471352 6624977572<br />
4709369995 9574966967<br />
6277240766 3035354759<br />
4571382178 5251664274 :::<br />
1
Sassi gettati in acqua formano cerchi<br />
che si intersecano lungo iperboli.<br />
”Qual è ’l geometra che tutto s’a¢ ge per misurar lo cerchio, e non ritrova,<br />
pensando, quel principio ond’elli indige,...”<br />
”Il quadrato è il …ne del travagliamento delle super…tie geometriche... Quella<br />
super…tie è sempre quadrabile in se medesima, alla quale si dà quadrato eguale<br />
a lei...”<br />
”Frustra laborant quotquot se calculationibus fatigant pro inventione quadraturae<br />
circuli...”<br />
”Madama, veramente, in questo mondo, conciossia cosa quando fosse che il<br />
quadro non è tondo.”<br />
Ci siamo serviti di queste dotte citazioni dal XXXIII canto del ”Paradiso” di<br />
Dante Alighieri, da Leonardo da Vinci, ”omo sanza lettere”, da Michael Stifel,<br />
ed in…ne dal ”Don Giovanni”di Wolfgang Amadeus Mozart e Lorenzo da Ponte,<br />
per introdurre il problema della retti…cazione e quadratura del cerchio, cioè la<br />
costruzione di un segmento con la stessa lunghezza di una data circonferenza<br />
e di un quadrato con la stessa area di un dato cerchio. Denotiamo con ,<br />
” " " o&”, ”peripheria circuli”, il rapporto tra la lunghezza della circonferenza<br />
ed il diametro di un cerchio, o che è lo stesso, il rapporto tra l’area ed<br />
il quadrato del raggio,<br />
= circonferenza<br />
diametro<br />
= area del cerchio<br />
2<br />
quadrato del raggio :
Albrecht Durer 1554 Leonardo da Vinci<br />
Joanne Keplero<br />
1615<br />
Un cerchio può essere scomposto in triangoli con altezza il raggio<br />
e somma delle basi la circonferenza. L’area è il prodotto del raggio<br />
per metà circonferenza. Il perimetro è proporzionale al raggio, 2 R,<br />
e l’area è proporzionale suo quadrato, R 2 . Il problema è la natura<br />
della costante di proporzionalità .<br />
La quadratura del cerchio è stata uno dei problemi centrali della matematica<br />
per più millenni e ha dato origine ad una vera e propria malattia, il ”morbus<br />
cyclometricus”, che in certe epoche ha assunto dimensioni di epidemia, non ancora<br />
completamente debellata. Anzi, in epoche più recenti è anche comparso<br />
il ”morbus decimalium”, la spasmodica ricerca delle cifre decimali. Anche noi<br />
contagiati, senza alcuna pretesa di rigore …lologico ed in modo un po’disordinato,<br />
vogliamo presentare qualche notizia sulla storia, sul calcolo numerico, ed<br />
altre curiosità su questo numero e, già che ci siamo, anche sul suo fratello<br />
naturale, il numero e, ”exponentialis”. Non sappiamo dare referenze precise per<br />
tutto quanto segue, anzi forse qualcosa lo abbiamo frainteso o ce lo siamo pure<br />
inventato. Comunque, l’indice della nostra esposizione è il seguente:<br />
0- Cronologia di .<br />
1- Quadratura di cerchio e iperbole. Babilonesi, egizi, ebrei. <strong>Matematica</strong><br />
greca. <strong>Matematica</strong> in Asia. Ultimi seguaci di Archimede. Logaritmi. Nascita<br />
3
del calcolo. Analisi. Costruzioni con riga e compasso. Numeri algebrici e<br />
trascendenti. Equiscomponibilità e decomposizioni paradossali. Morbo decimale.<br />
Morbo ciclometrico.<br />
2- Metodo di esaustione.<br />
3- Tavole di corde e logaritmi.<br />
4- Prodotti in…niti.<br />
5- Serie di logaritmi e arco tangenti.<br />
6- Serie dei reciproci di potenze.<br />
7- Frazioni continue.<br />
8- Metodi Montecarlo.<br />
9- Problema del cerchio.<br />
10- Lemniscata e medie aritmetico geometriche.<br />
11- Catenaria e problema isoperimetrico.<br />
12- Cicloide.<br />
13- Numeri razionali, algebrici, trascendenti.<br />
14- Riga, compasso, origami.<br />
15- Lunule.<br />
16- De…nizione astratta di .<br />
Il capitolo zero è una tabella con vari valori numerici attribuiti a . Il primo<br />
capitolo copre circa quattromila anni di storia ed è piuttosto discorsivo, gli altri<br />
sono brevi ma un poco più tecnici. In ogni caso, ogni capitolo è indipendente<br />
dagli altri.<br />
4
Lunule nel Codice Atlantico di Leonardo da Vinci<br />
5
CRONOLOGIA<br />
= 3; 1415926535:::<br />
2000 a.C. Babilonesi 3 + 1=8 = 3; 125<br />
2000 a.C. Egizi (16=9) 2 = 3; 160:::<br />
1200 a.C. Cinesi 3<br />
550 a.C.<br />
380 a.C.<br />
Ebrei<br />
Platone<br />
p p<br />
3<br />
2 + 3 = 3; 146:::<br />
250 a.C. Archimede 3 + 10=71 < < 3 + 1=7 = 3; 142:::<br />
150 d.C.<br />
250<br />
Tolomeo<br />
Chung Hing<br />
377=120<br />
p<br />
= 3; 1416:::<br />
10 = 3; 162:::<br />
250 Wang Fau 142=45 = 3; 155:::<br />
263 Liu Hui 3927=1250 = 3; 1416<br />
480 Zu Chongzhi 3; 1415926 < < 3; 1415927<br />
499<br />
640<br />
Aryabhata<br />
Brahmagupta<br />
62832=20000<br />
p<br />
= 3; 1416<br />
10 = 3; 162:::<br />
800 Al Khowarizmi 3; 1416<br />
1220 Leonardo Pisano 864=275 = 3; 1418:::<br />
1429<br />
1464<br />
Al Kashi<br />
Nicola da Cusa<br />
16 decimali<br />
(3=4) p 3 + p 6 = 3; 13:::<br />
1573 V. Otho 355=113 = 3; 1415929:::<br />
1583 S. Duchesne (39=22) 2 = 3; 142:::<br />
1593 F. Viete 9 decimali<br />
1593 A. van Rooman 15 decimali<br />
1609 L. van Ceulen 35 decimali<br />
1630 Grienberger 39 decimali<br />
1674 Seki 10 decimali<br />
1723 Takebe 41 decimali<br />
1730 Kamata 25 decimali<br />
1739 Matsunaga 50 decimali<br />
6
= 3; 1415926535:::<br />
1665 I. Newton 16 decimali<br />
1699 A. Sharp 71 decimali<br />
1706 J. Machin 100 decimali<br />
1719 F. de Lagny 127 decimali (112 corretti)<br />
1794 G. von Vega 140 decimali<br />
1824 W. Ruthenford 208 decimali (152 corretti)<br />
1844 M.Z. Dase 200 decimali<br />
1847 T. Clausen 248 decimali<br />
1853 W. Lehmann 261 decimali<br />
1853 W. Ruthenford 440 decimali<br />
1874 W. Shanks 707 decimali (527 corretti)<br />
1947 D.S. Ferguson & J.W. Wrench 808 decimali<br />
1949 L.B. Smith & J.W. Wrench 1120 decimali<br />
1949 G.W. Reitwiesner (ENIAC) 2037 decimali<br />
1958 F. Genuys (IBM) 10020 decimali<br />
1961 D. Shanks & J.W. Wrench (IBM) 100265 decimali<br />
1973 J. Guilloud & M. Bouyer (CDC7600) Un milione di decimali<br />
1989 D. Chudnovsky & G. Chudnovsky Un miliardo di decimali<br />
2002 Y. Kanada (Hitachi). Mille miliardi di decimali<br />
e = 2; 7182818284:::<br />
1714 R. Cotes 12 decimali<br />
1739 L. Eulero 23 decimali<br />
1794 G. von Vega 42 decimali<br />
1854 W. Shanks 205 decimali (187 corretti)<br />
1926 D.H. Lehmer 707 decimali<br />
1949 J. von Neumann (ENIAC) 2010 decimali<br />
1994 R. Nemiro¤ and J. Bonnell Un milione di decimali<br />
2010 S. Kondo & A.J. Yee Un miliardo di decimali<br />
7
QUADRAT URA<br />
DI CERCHIO<br />
E IP ERBOLE<br />
Il titolo 3,1415926535... è lungo perché è lunga la storia da raccontare e poi<br />
la quadratura del cerchio risulta così strettamente connessa alla storia di tutta<br />
la matematica che ad ogni passo si cade nella tentazione di qualche digressione.<br />
Non tutti i numeri sono nati uguali, e questo vale in particolar modo per e<br />
per e. Entrambi sembrano essere dei …gli di nessuno e non sappiamo darne una<br />
precisa data di nascita, il secondo può essere stato concepito con il problema<br />
dell’interesse composto ed è venuto alla luce solo dopo la comparsa dei logaritmi,<br />
il primo deve essere vecchio quanto il cerchio ed anche il luogo di nascita è<br />
sconosciuto.<br />
8
Ossi di babbuino,<br />
Lembobo,<br />
35000 a.C.<br />
Ossi di babbuino,<br />
Ishango, 20000 a.C.<br />
PREISTORIA:<br />
11 + 21 + 19 + 9<br />
11 + 13 + 17 + 19<br />
3 + 6 + 4 + 8 + 10 + 5 + 5 + 7<br />
Australopithecus<br />
Afarensis (Lucy),<br />
3,4 milioni di anni.<br />
Ossi di lupo,<br />
Dolni Vestonice,<br />
30000 a.C.<br />
Nel paleolitico ci sono già i numeri, ma sono interi e non c’è traccia di .<br />
9
BABILONESI; EGIZI; EBREI:<br />
YBC 7289 YBC 7302<br />
Iniziamo la nostra storia in Mesopotamia. Sembra che nel quarto millennio<br />
a.C. sia comparsa la ruota. E il cerchio? Nella tavoletta d’argilla YBC 7302,<br />
2000 a.C., c’è un cerchio con numeri in caratteri cuneiformi. L’area 45=60 è un<br />
dodicesimo di 9, che è il quadrato della circonferenza 3, R 2 = (2 R) 2 =12, cioè<br />
= 3. In un’altra si stima il rapporto tra i perimetri di un esagono inscritto ed<br />
una circonferenza circoscritta, da cui si deduce = 3 + 7=60 + 30=3600 = 3; 125.<br />
In un’altra ancora si legge: ”La lunghezza è 4 e la diagonale 9. Quant’è la<br />
larghezza? 4 per 4 è 16, 5 per 5 è 25, se da 25 si toglie 16 rimane 9 e per ottenere<br />
9 si deve moltiplicare 3 per 3. La larghezza è 3”. Nella tavoletta Plimpton 322 ci<br />
sono delle liste di numeri che possono essere interpretati come terne pitagoriche<br />
a 2 + b 2 = c 2 , con i rapporti a 2 =b 2 che sono i quadrati della cotangente di un<br />
angolo del triangolo con lati (a; b; c). Nella tavoletta YBC 7289, accanto alla<br />
diagonale di un quadrato, si trova il numero 1 + 24=60 + 51=60 2 + 10=60 3 =<br />
1; 414212:::. Se il lato è uno, la diagonale è p 2 = 1; 414213:::. Nella tavoletta AO<br />
6770 compare un’equazione esponenziale: ”Si presta con interesse un gur. Dopo<br />
quanti anni capitale e interesse saranno uguali?”. Il codice di Hammurabi del<br />
10
XVIII secolo a.C. …ssa un interesse massimo del 20%, con pene per i trasgressori.<br />
Si ottiene quindi l’equazione (1 + 20=100) x = 2 con soluzione x = 3; 80:::. La<br />
soluzione babilonese, ottenuta probabilmente tabulando (6=5) n ed interpolando<br />
linearmente tra 3 e 4, è invece 3 + 47=60 + 13=60 2 + 20=60 3 = 3; 78:::, 3 anni 9<br />
mesi 13 giorni. Infatti (6=5) 3 = 216=125, (6=5) 4 = 1296=625, (x 3) = (4 3) =<br />
(2 216=125) = (1296=625 216=125), x = 409=108.<br />
Papiro Rhind<br />
e Golenishchev<br />
Il papiro Golenischef del 1850 a.C. contiene la formula esatta del volume<br />
di un tronco di piramide, V = a 2 + ab + b 2 h=3. Anche nel papiro Rhind<br />
datato intorno al 1700 a.C., ”per la conoscenza di tutte le cose e gli oscuri<br />
segreti... copiato da Ahmes nel 4 o mese della stagione dell’inondazione nel 33 o<br />
anno del regno del re dell’alto e basso Egitto Auserre...”, ci sono alcuni problemi<br />
collegati alla costruzione delle piramidi. ”La base di una piramide è 360 cubiti e<br />
l’altezza 250. Quant’è l’inclinazione? Dividi 360 per 2, 180, dividi 180 per 250,<br />
1/2+1/5+1/50, moltiplica per 7, 5+1/25.” L’inclinazione viene misurata dal<br />
rapporto tra lo spostamento orizzontale in palmi e quello verticale in cubiti e,<br />
siccome un cubito sono sette palmi, questa inclinazione è 7 volte la cotangente<br />
dell’angolo. Per il calcolo dell’area di un cerchio nel papiro copiato dallo scriba<br />
Ahmes si trova la seguente regola:<br />
”Modo di operare per un campo rotondo di 9 khet. Quant’è l’area? Sottrai<br />
1/9 di esso, cioè 1, il resto è 8, moltiplica 8 per 8, il risultato è 64. Questa è l’<br />
area, 64 setat.<br />
11
Fai così:<br />
setat.”<br />
1 1=9<br />
9 1<br />
, tolto questo rimane 8, 1 2 4 8<br />
8 16 32 64<br />
, l’ area è 64<br />
Secondo Ahmes, un cerchio con diametro 9<br />
ha la stessa area di un quadrato con lato 8.<br />
Di fatto l’area del cerchio è poco meno di 64,<br />
(9=2) 2 = 63; 617:::.<br />
Un setat è un khet quadrato, un khet è cento cubiti, un cubito sono sette<br />
palmi ed un palmo quattro dita. Misurandosi le dita si arriva alla stima di un<br />
campo del diametro di 450 metri. Generalizzando, per quadrare un cerchio basta<br />
togliere 1/9 del diametro e costruire un quadrato sul rimanente. Se D = 2R<br />
è il diametro, la stima per l’area è (D D=9) 2 = 256=81R 2 = 3; 16:::R 2 . Gli<br />
egizi usano solo frazioni con numeratore uno, se invece di 1/9 del diametro si<br />
toglie 1/8 o 1/10 l’approssimazione peggiora. La piramide di Cheope ha base<br />
di 440 cubiti e altezza 280, il rapporto tra perimetro di base e altezza 44/7 è<br />
molto prossimo a 2 . Questo ed altro danno adito a parecchie speculazioni sui<br />
costruttori della grande piramide, ma secondo Erodoto le dimensioni sono tali<br />
che la super…cie di ogni faccia è uguale al quadrato dell’altezza. Se L ed A sono<br />
il lato e l’altezza, 2L=A = pp 20 2 = 3; 144:::. Anche il rapporto tra lato e<br />
altezza della piramide del sole maya è prossimo a . La congettura naturale è<br />
che per ogni " > 0 esiste un n tale che ogni insieme di n misure contiene una<br />
combinazione che di¤erisce da per meno di ".<br />
Nel ”Libro dei Re”e nelle ”Cronache”, descrivendo un vaso di bronzo a forma<br />
emisferica, chiamato il mare a motivo della sua capacità e posto all’ingresso del<br />
Tempio di Salomone (X secolo a.C.), si stima che il rapporto tra circonferenza<br />
e diametro sia circa 3:<br />
”Salomone fece venire Chiram da Tiro... Questi si recò dal re ed eseguì le<br />
sue commissioni... Fece un bacino di metallo fuso di dieci cubiti da un orlo<br />
all’altro, rotondo; la sua altezza era di cinque cubiti e la circonferenza di trenta<br />
cubiti.”<br />
Il cubito è la misura dell’avanbraccio, circa 44 cm. e 10 30 cubiti sono<br />
circa 62 cm. Per alcuni commentatori il diametro è esterno e la circonferenza<br />
interna, tenendo conto dello spessore di un palmo il conto torna. Per altri più<br />
fondamentalisti il rapporto tra circonferenza e diametro è cambiato nel tempo,<br />
12
prima lo spazio era più curvo e la circonferenza più corta. Per i più tolleranti<br />
un errore relativo ( 3) = inferiore al 5% è solo un peccato veniale.<br />
13
Il teorema di Pitagora negli Elementi d’Euclide<br />
di Federico Commandino MDLXXV<br />
14
MATEMATICA GRECA:<br />
La scuola di Atene, con Ra¤aello tra i matematici a destra.<br />
Nel VI secolo a.C. Talete di Mileto e Pitagora di Samo importano in Grecia<br />
le conoscenze matematiche egizie e babilonesi ed alla scuola pitagorica si<br />
attribuisce la scoperta che non esiste un sottomultiplo comune del lato e della<br />
diagonale di un quadrato non è un rapporto tra numeri interi. Questa è forse<br />
15
la prima dimostrazione di impossibilità in matematica. Se il rapporto tra diagonale<br />
e lato di un quadrato è un numero complicato, …guriamoci il rapporto tra<br />
circonferenza e diametro di un cerchio. Nel V secolo a.C. tra i primi a cercare<br />
di quadrare un cerchio, cioè costruire un quadrato con la stessa area di un dato<br />
cerchio, troviamo Anassagora di Clazomene. Secondo Plutarco, ”nessun luogo<br />
può privare un uomo della sua felicità, virtù o saggezza. Infatti Anassagora<br />
ha scritto della quadratura del cerchio in prigione”. L’accusa è di empietà per<br />
opinioni cosmologiche contrarie alla natura divina degli astri, il Sole è un sasso<br />
incandescente e la Luna è fatta di terra e non brilla di luce propria. Sempre<br />
nel V secolo a.C. il so…sta Antifonte enuncia, più o meno, il principio di esaustione.<br />
Si parte da un poligono regolare inscritto in un cerchio e su ogni lato si<br />
costruisce un triangolo isoscele con vertice sul punto medio dell’arco, ottenendo<br />
in questo modo un poligono regolare con un numero doppio di lati. Ripetendo<br />
più volte la costruzione, il poligono tende a confondersi con la circonferenza,<br />
quindi se è possibile quadrare un poligono, allora deve anche essere possibile<br />
quadrare un cerchio. Secondo Aristotele (384-322 a.C.), ”anche ammettendo la<br />
quadratura del cerchio possibile”, l’argomentazione ”non è fondata sui principi”.<br />
Ma se dal punto di vista di un logico la conclusione non è corretta, l’algoritmo<br />
funziona, perché i triangoli che si costruiscono ad ogni passo riempiono più della<br />
metà della regione tra cerchio e poligono e l’errore si riduce di più della metà.<br />
Brisone di Eraclea ritiene che l’area di un cerchio sia la media aritmetica delle<br />
aree dei poligoni inscritti e circoscritti. Ippia di Elide costruisce una curva poi<br />
usata da Dinostrato, Nicomede, e altri, per trisecare gli angoli e quadrare i cerchi.<br />
Aristofane nella commedia ”Uccelli” si prende gioco di questi geometri che<br />
sprecano il loro tempo cercando di trasformare un cerchio in quadrato.<br />
La quadratrice di Ippia è l’intersezione<br />
tra una retta uniformemente traslata ed<br />
una uniformemente ruotata. Se queste rette<br />
hanno equazioni x = 1 # e y=x = tan ( #=2) ,<br />
l’intersezione è y = x cot ( x=2) ed al limite<br />
limx!0 x cot ( x=2) = 2= .<br />
Ippocrate di Chio, omonimo e contemporaneo del medico, dopo vani sforzi<br />
di quadrare un cerchio per primo riesce a quadrare delle regioni curve, le lunule.<br />
In particolare, è attribuito ad Ippocrate un risultato poi riscoperto dal matematico<br />
arabo medioevale Ibn Al Haitham (965-1039) e da Leonardo da Vinci<br />
(1452-1519). Se sui lati di un triangolo rettangolo si tracciano tre semicerchi,<br />
per il teorema di Pitagora la somma delle aree dei semicerchi costruiti sui<br />
cateti è uguale all’area del semicerchio costruito sull’ipotenusa. La somma delle<br />
aree delle due lunule interne ai semicerchi sui cateti ed esterne al semicerchio<br />
16
sull’ipotenusa che passa per i tre vertici del triangolo è uguale all’area del triangolo.<br />
Per quadrare queste lunule basta poi quadrare il triangolo.<br />
Lunule di<br />
Ippocrate.<br />
Se sui lati di un quadrato inscritto in un cerchio si tracciano quattro<br />
semicirconferenze, le quattro lunule hanno area uguale al quadrato.<br />
Se sui lati di un esagono regolare inscritto in un cerchio si tracciano<br />
sei semicirconferenze, sei lunule più due semicerchi hanno area<br />
uguale all’esagono.<br />
Codice Atlantico<br />
di Leonardo.<br />
”Qui sempre li due semicirculi a, b insieme sono equali al terzo,<br />
dov’è fatto l’ortogonio. E se a cose equali si leva la parte equale, il<br />
rimanente saranno equali. Se dunque che tolto il depennato (ch’è<br />
doppio) allo a e tolto al b restano le e lunole; e di poi, tolto il<br />
depennato al semicirculo maggiore n che vale a due predetti,<br />
seguita che n, ortogonio resta equale alle due lunole a, b;<br />
resta a dare la parte dell’ortogonio a esse due lunole che sia<br />
quadrabile, la qual si farà nell’angolo delle proporzioni.”<br />
17
ABD = F BC;<br />
ABD = (1=2) BD BL;<br />
F BC = (1=2) AB BF:<br />
Nessuna opera matematica ha avuto tante edizioni ed un in‡usso paragonabile<br />
agli ”Elementi” di Euclide (III secolo a.C.). Non si hanno molte notizie<br />
della sua vita, ma sembra sia vissuto ad Alessandria d’Egitto. Si racconta che<br />
quando un allievo gli chiese che utilità avesse lo studio della geometria, Euclide<br />
ordinò al suo schiavo di dare all’allievo una moneta: ”Ha bisogno di trarre<br />
guadagno da ciò che impara”. Ed al re Tolomeo I che chiedeva di imparare<br />
in fretta e senza fatica la matematica rispose: ”Non c’è una via regia per la<br />
geometria”. Proclo lo colloca tra i discepoli di Platone (427-347 a.C.):<br />
”Euclide raccolse gli ”Elementi”, ne ordinò in sistema molti di Eudosso, ne<br />
perfezionò molti di Teeteto, e ridusse a dimostrazioni inconfutabili quelli che<br />
suoi predecessori avevano dimostrato poco rigorosamente. Visse al tempo del<br />
primo Tolomeo, perché Archimede, che visse dopo Tolomeo primo, cita Euclide.<br />
Si racconta anche che a Tolomeo che gli chiedeva se non ci fossero delle vie<br />
più brevi degli Elementi per apprendere la geometria, egli rispose che non esistevano<br />
vie regie per la geometria. Euclide era dunque più giovane dei discepoli<br />
18
di Platone, ma più anziano di Eratostene e di Archimede che erano fra loro<br />
contemporanei, come a¤erma in qualche luogo Eratostene. Per le idee Euclide<br />
era platonico ed era molto familiare con questa …loso…a, tanto che si propose<br />
come scopo …nale di tutta la raccolta degli Elementi la costruzione delle …gure<br />
chiamate platoniche.”<br />
Euclide<br />
Libro Secondo<br />
Propositione 5<br />
”Se’l serà segata una linea retta un due parti equali, & in due altre non<br />
equale, il rettangolo che è contenuto sotto alle settioni inequali, di tutta<br />
la linea, con il quadrato che vien descritto da quella linea che è fra l’una,<br />
& l’altra settione, è equale al quadrato che vien descritto dalla mità di<br />
tutta la linea dutta in se medesima”. Cioè, xy + (x y) 2 =4 = (x + y) 2 =4,<br />
ma i greci non conoscono il calcolo simbolico e l’algebra.<br />
Le lunghezze hanno dimensione uno, le aree dimensione due, i volumi dimensione<br />
tre. In particolare, il perimetro di un cerchio deve essere proporzionale<br />
al raggio e l’area al quadrato del raggio, la super…cie di una sfera deve essere<br />
proporzionale al quadrato del raggio ed il volume al cubo. Infatti, nel XII Libro<br />
degli ”Elementi” di Euclide, insieme alla determinazione dei volumi di cilindri<br />
e coni si trovano le seguenti proposizioni:<br />
”De ogni duoi circuli, la proportione di l’uno all’altro, e si come la proportione<br />
del quadrato del suo diametro, al quadrato del diametro dell’altro.”<br />
”Di ogni due sphere, la proportione di una a l’altra, e si come la proportione<br />
treppiata del suo diametro al diametro di l’altra.”<br />
Pare che questi enunciati, riproposti nella traduzione di Nicolo Tartalea<br />
Brisciano, la prima in italiano, siano essenzialmente dovuti ad Ippocrate, ma le<br />
dimostrazioni sono basate sulla teoria della proporzioni e sul principio di esaustione<br />
di Eudosso di Cnido (IV secolo a.C.). Alla base di questo principio sta la<br />
proposizione: ”Se da due proposte quantità inequale, dalla maggiore sia detratto<br />
piu della mita, & del rimanente anchora sia levado via piu della mita, & da li<br />
indietro seguitando per el medesimo modo, …nalmente è necessario che rimanga<br />
una quantità minore, della proposta minore”. La dimostrazione che le aree<br />
dei cerchi sono proporzionali ai quadrati dei diametri utilizza la proposizione<br />
19
analoga per poligoni: ”De ogni due super…cie simili de molti angoli descritte<br />
dentro di duoi cerchii, la proportione di l’una all’altra, e si come la proportione<br />
de li quadrati che pervengono dalli diametri di cerchii circonscribenti quelle”.<br />
Questo enunciato per i poligoni segue facilmente dall’analogo enunciato per i<br />
triangoli: il rapporto tra le aree di triangoli simili è il quadrato del rapporto tra<br />
i lati. Dati due cerchi con aree C e e C e diametri D e e D, se C : e C 6= D 2 : e D 2 ,<br />
esiste un’area X 6= e C tale che C : X = D 2 : e D 2 . Se X < e C, si iscrive in questo<br />
cerchio un poligono di area e P , con X < e P < e C. Questo segue dalla proposizione,<br />
inscrivendo nel cerchio un quadrato e raddoppiando ripetutamente i<br />
lati. Si iscrive poi nel cerchio C un poligono di area P simile a e P . Quindi, per<br />
la proposizione sui poligoni simili, P : e P = D 2 : e D 2 = C : X. Ma se X < e P<br />
per costruzione e P < C, perché il poligono è inscritto nel cerchio, si ha anche<br />
P : e P < C : X.<br />
”Petizione prima. Adimandiamo che ce sia concesso, che da qualunque ponto<br />
in qualunque ponto si possi condurre una linea retta.”<br />
”Petizione 2. Anchora adimandiamo che ci sia concesso, che si possi slongare<br />
una retta linea terminata direttamente in continuo quanto ne pare.”<br />
”Petizione 3. Anchora adimandiamo che ce sia concesso, che sopra a qualunque<br />
centro ne piace puotiamo designare un cerchio di che grandezza ci pare.”<br />
”Petizione 4. Similmente adimandiamo che ci sia concesso tutti li angoli<br />
retti esser fra loro equali.”<br />
”Petizione 5. Adimandiamo etiam che ci sia concesso, che se una linea retta<br />
cascarà sopra due linee rette, & duoi angoli da una parte siano minori di duoi<br />
angoli retti, che quelle due linee senza dubbio, protratte in quella medesima parte<br />
sia necessario congiongersi.”<br />
Il primo ed il terzo di questi postulati di Euclide sono alla base delle costruzioni<br />
con riga e compasso. Problemi classici della geometria greca sono la trisezione<br />
dell’angolo, la duplicazione del cubo, la retti…cazione e quadratura del cerchio,<br />
possibilmente con il solo utilizzo di questi mezzi. Scrive Pappo di Alessandria<br />
(IV secolo d.C.):<br />
20
”Ci sono tre tipi di problemi in geometria, piani, solidi, lineari. Quei problemi<br />
che possono essere risolti utilizzando linee rette e circonferenze di cerchi<br />
sono chiamati piani, perché le linee con cui sono risolti hanno origine nel piano.<br />
Invece, quei problemi che richiedono l’utilizzo di una o più sezioni di cono sono<br />
chiamati solidi, perché utilizzano super…ci di …gure solide, cioè super…ci coniche.<br />
In…ne, ci sono i problemi chiamati lineari, perché nelle loro costruzioni si utilizzano,<br />
oltre a quelle menzionate, altre linee con origini più complicate e meno<br />
naturali, generate da super…ci più irregolari e da movimenti complicati... Luoghi<br />
su super…ci... Spirali, quadratrici, cocloidi e cissoidi...”<br />
Duplicazione<br />
del cubo di<br />
Ippocrate e<br />
Menecmo.<br />
Per costruire un cubo con volume x 3 : a 3 = b : a basta trovare due medie<br />
proporzionali tra i dati a e b, a : x = x : y = y : b. Infatti, a 3 : x 3 = (a : x) 3<br />
= (a : x)(x : y)(y : b) = a : b. Il punto (x; y) è l’intersezione tra le parabole<br />
x 2 = ay e y 2 = bx e l’iperbole xy = ab.<br />
Ippocrate osserva che, se per duplicare un quadrato basta inserire una media<br />
proporzionale tra 1 e 2, 1 : x = x : 2, per duplicare un cubo basta inserirne due,<br />
1 : x = x : y = y : 2. Una piccola digressione: per ottenere una scala musicale<br />
temperata, Johan Sebastian Bach divide un’ottava in 12 semitoni inserendo 11<br />
medie proporzionali tra 1 e 2. Menecmo (IV secolo a.C.), tagliando un cono<br />
con base circolare, scopre le coniche e dimostra che intersecando queste curve si<br />
possono sia duplicare i cubi che trisecare gli angoli. Sempre per risolvere questi<br />
problemi, Diocle (II secolo a.C.) introduce la cissoide (a x)y 2 = x 3 , e Nicomede<br />
(II secolo a.C.) la concoide (a x) 2 x 2 + y 2 = b 2 x 2 . Per esempio, i punti<br />
della cissoide y= (a x) = (y=x) 3 sono intersezione delle rette y=(a x) = t e<br />
y=x = 3p t. Se la prima retta interseca l’asse x = 0 in (0; at), la seconda interseca<br />
l’asintoto x = a in a; a 3p t . Quindi con la cissoide, o con qualche altra curva<br />
di terzo grado, si possono estrarre le radici cubiche.<br />
21
Edera,<br />
cissoide<br />
di Diocle.<br />
Se A e B sono due punti di intersezione di una retta per un punto O con<br />
due curve e e se P è un punto sulla retta tale che jP Oj = jA Bj ,<br />
al variare della retta il luogo dei punti P è a cissoide di e rispetto<br />
ad O. Partendo da un cerchio, una sua tangente ed il punto sul cerchio<br />
opposto al punto di contatto, si ottiene la cissoide di Diocle.<br />
Conchiglia,<br />
concoide di<br />
Nicomede.<br />
Se A è un punto di intersezione di una retta per un punto …sso O con una<br />
curva , sulla retta esistono due punti P e Q tali che jP Aj = jQ Aj =<br />
k, costante …ssata. Al variare della retta il luogo di questi punti P e Q è<br />
la concoide di rispetto ad O. Quella di Nicomede è la concoide di una<br />
retta rispetto ad un punto. Se la costante k è minore, uguale, o maggiore<br />
della distanza del polo dalla retta, la concoide presenta un punto isolato,<br />
una cuspide, un nodo. La concoide di Nicomede è anche la cissoide di<br />
una retta ed un cerchio rispetto al centro del cerchio.<br />
Accanto a queste curve algebriche, i greci ne introducono anche di trascendenti.<br />
La quadratrice di Ippia e Dinostrato è il luogo dei punti intersezione<br />
di una retta traslata ed una ruotata con moto uniforme. Se i fasci di rette<br />
traslate e ruotate hanno equazioni x = 1 # e y=x = tan ( #=2), l’intersezione<br />
è y = x cot ( x=2) ed al limite per x ! 0 si ha x cot ( x=2) ! 2= . È semplice<br />
costruire dei dispositivi che permettono di tracciare la cissoide e la concoide, un<br />
poco più complicato è tracciare la quadratrice di Ippia. Anzi, nella de…nizione<br />
di rotazione uniforme sembra essere implicitamente già presente la misura degli<br />
archi di cerchio che si vogliono misurare. Comunque, con queste curve è possibile<br />
trisecare gli angoli e quadrare i cerchi, ma in modo ”meccanico”, non ”geometrico”.<br />
Questo contrasta con l’ideologia dell’Accademia di Platone: ”Procedendo<br />
in modo meccanico si perde il meglio della geometria”. Insomma, le costruzioni<br />
geometriche perfette sono solo quelle con riga e compasso. Il problema della<br />
22
trisezione dell’angolo è quello di dividere un dato angolo in tre parti uguali utilizzando<br />
solo la riga ed il compasso. Il problema della duplicazione del cubo è<br />
quello di costruire con riga e compasso il lato di un cubo con volume doppio<br />
di un cubo dato. Il problema della retti…cazione e quadratura del cerchio è<br />
quello di costruire con riga e compasso un segmento con la stessa lunghezza di<br />
una data circonferenza ed un quadrato con la stessa area di un dato cerchio.<br />
Insomma, …ssata una unità di misura, si tratta di costruire con riga e compasso<br />
dei segmenti di lunghezza 2 e p .<br />
Secondo Leonardo da Vinci, il doppio<br />
di un cubo con lato di quattro braccia<br />
è un cubo di cinque braccia, più una<br />
piccola quantità inde…nibile:<br />
3p 2 4 3 = 5; 039:::<br />
A parte le lunule di Ippocrate, la prima quadratura esatta di una regione<br />
curva sembra essere quella della parabola, dovuta ad Archimede di Siracusa<br />
(287-212 a.C.). A lui si attribuiscono le famose a¤ermazioni ”eureka” e ”datemi<br />
un punto d’appoggio e solleverò il mondo”. In e¤etti, con leve reali Archimede<br />
costruisce macchine da guerra per difendere la sua città, e con leve immaginarie<br />
trova una quadratura meccanica della parabola. Questa quadratura meccanica<br />
viene presentata nel trattato sulla ”Quadratura della parabola”, insieme ad una<br />
quadratura geometrica basata sul principio di esaustione.<br />
23
”Se mi date un<br />
punto d’appoggio,<br />
vi sollevo il mondo”.<br />
Su un segmento di parabola si costruisce un triangolo rettangolo con<br />
ipotenusa sulla tangente alla parabola ed un cateto sulla base del segmento,<br />
poi si raddoppia il segmento di base. Se si considera questo doppio segmento<br />
come una leva con fulcro nel punto di mezzo, le sezioni di triangolo con rette<br />
parallele ad un cateto bilanciano le sezioni di parabola spostate all’estremo<br />
della leva. Quindi tutto il triangolo lasciato dove sta bilancia esattamente il<br />
segmento di parabola spostato all’estremo della leva. Siccome il baricentro<br />
del triangolo si trova ad un terzo dell’altezza, il triangolo ha un’area tripla<br />
del segmento di parabola.<br />
24
La quadratura<br />
della parabola<br />
di Archimede.<br />
Se '(x) =<br />
2x se 0 x 1=2;<br />
2 2x se 1=2 x 1;<br />
' 3 (x) = '('('(x))),..., allora x(1 x) =<br />
e se ' 2 (x) = '('(x)),<br />
+1X<br />
4 n'n (x).<br />
Per dimostrare la formula basta osservare che un triangolo iscritto nella<br />
parabola y = x(1 x) con vertici di ascisse a, b, (a + b)=2, ha altezza<br />
a + b<br />
2<br />
1<br />
a + b<br />
2<br />
a(1 a) + b(1<br />
2<br />
b)<br />
= (b a)2<br />
:<br />
4<br />
In un segmento di parabola delimitato da una corda AB si iscrive un triangolo<br />
ABC, con C il punto della parabola con tangente parallela alla corda<br />
AB. Questo punto C è l’intersezione tra la parabola e la retta parallela all’asse<br />
passante per il punto medio di AB. Le corde AC e CB delimitano due nuovi<br />
segmenti di parabola e i triangoli inscritti in questi segmenti hanno ciascuno<br />
area 1/8 del precedente. Iterando la costruzione si ottiene un’in…nità di triangoli<br />
che riempiono il segmento di parabola e la somma delle aree di questi<br />
triangoli è una serie geometrica,<br />
n=1<br />
1 + 1=4 + 1=4 2 + 1=4 3 + ::: ABC = 4=3 ABC:<br />
Nella matematica greca le lunghezze, aree e volumi non sono numeri, ma<br />
grandezze che vengono confrontate con grandezze della stessa specie. Il formalismo<br />
algebrico a cui siamo abituatiZè piuttosto recente. Comunque, la formula<br />
x<br />
ottenuta è equivalente all’integrale x2dt = x3 =3. Nel trattato ”Sulle spirali”<br />
0<br />
Archimede de…nisce una curva descritta da un punto che si muove uniformemente<br />
su una semiretta che a sua volta ruota uniformemente intorno al suo<br />
estremo, in coordinate polari = #. L’area e la lunghezza di un tratto di<br />
spirale sono rispettivamente<br />
Z # q<br />
0<br />
Z #<br />
0<br />
(d ) 2 + ( d#) 2 =<br />
2 =2 d# = 2 =2<br />
Z #<br />
0<br />
# 2 d# = 2 # 3 =6;<br />
Z # p p<br />
1 + # 2d# = ( =2) # 1 + # 2 log p 1 + # 2 # :<br />
0<br />
Anche la lunghezza del tratto di parabola y = x2 Z<br />
=2 dal vertice al punto (x; y)<br />
xp<br />
è data dall’integrale 1 + x2dx. Non conoscendo i logaritmi, Archimede<br />
calcola le aree ma non le lunghezze.<br />
0<br />
25
”Se si traccia nel piano una linea<br />
retta, se con un’estremo …sso questa<br />
viene ruotata con velocità costante,<br />
e se al tempo stesso sulla linea che<br />
ruota si trasporta con moto uniforme<br />
un punto a partire dall’estremo …sso,<br />
il punto descrive una spirale.”<br />
”L’area delimitata dalla spirale e dalla retta ritornata nella posizione<br />
da cui è partita è la terza parte del cerchio con centro nel punto …sso<br />
e raggio uguale alla distanza percorsa lungo la retta dal punto mobile<br />
in una rivoluzione. L’area delimitata dalla prima rivoluzione è un sesto<br />
di quella aggiunta nella seconda. Le aree aggiunte nelle rivoluzioni<br />
successive sono multipli dell’area aggiunta nella seconda, l’area<br />
della terza è il doppio della seconda, la quarta il triplo,...”<br />
Sempre di Archimede sono le formule per il perimetro e l’area del cerchio e<br />
per la super…cie ed il volume della sfera. La ”Misura del cerchio” contiene tre<br />
sole proposizioni:<br />
”Ogni cerchio è uguale ad un triangolo rettangolo se ha il raggio uguale ad<br />
un cateto e la circonferenza uguale alla base.”<br />
”Il cerchio ha con il quadrato del diametro il rapporto che 11 ha con 14.”<br />
”La circonferenza di un cerchio è tripla del diametro e lo supera ancora di<br />
meno di un settimo del diametro e di più di dieci settantunesimi.”<br />
3 + 10=71 < < 3 + 1=7:<br />
Secondo un commentatore, anche Apollonio di Perga (262-190 a.C.) ha ottenuto<br />
stime simili, se non più precise. Comunque, quest’opera di Archimede<br />
ha uno scopo pratico: ”È un libro necessario per i bisogni della vita”. È poi<br />
probabile che l’opera pervenutaci sia un sunto e qualche copista abbia invertito<br />
l’ordine delle proposizioni, infatti la seconda proposizione presuppone la prima,<br />
la terza poi non è un risultato esatto ma una stima dell’area con 22=7.<br />
26
I poligoni regolari con n lati<br />
inscritti e circoscritti in un<br />
cerchio di raggio uno hanno<br />
perimetri<br />
n sin ( =n) < < n tan ( =n) :<br />
Raddoppiando il numero dei<br />
lati l’approssimazione di<br />
migliora di un fattore quattro,<br />
n tan ( =n) n sin ( =n) < 3 =n 2 :<br />
Archimede ottiene delle approssimazioni per difetto ed eccesso di iscrivendo<br />
e circoscrivendo ad un cerchio dei poligoni regolari. I poligoni regolari con n<br />
lati iscritti e circoscritti in una circonferenza di raggio uno hanno lati 2 sin( =n)<br />
e 2 tan( =n), quindi i perimetri di questi poligoni inscritti e circoscritti sono<br />
rispettivamente P (n) = 2n sin( =n) e Q(n) = 2n tan( =n), si ha P (n) < 2 <<br />
Q(n) e aumentando il numero dei lati l’approssimazione migliora. Archimede<br />
ricava Q(2n) prendendo la media armonica tra P (n) e Q(n) e poi ricava P (2n)<br />
prendendo la media geometrica tra P (n) e Q(2n):<br />
Q(2n) =<br />
2Q(n)P (n)<br />
Q(n) + P (n) ; P (2n) = p Q(2n)P (n):<br />
La veri…ca di queste formule è un esercizio di trigonometria. Un modo<br />
alternativo per ottenere P (2n) in funzione di P (n) e Q(2n) in funzione di Q(n)<br />
consiste nell’applicare le formule di bisezione del seno e della tangente,<br />
r<br />
q<br />
P (2n) = 4n sin ( =2n) = 2n 2 2 1 sin 2 ( =n)<br />
= 2n<br />
r<br />
2<br />
q<br />
4 (P (n)=n) 2 :<br />
In questo modo, partendo dall’esagono regolare iscritto in un cerchio che ha<br />
27
perimetro sei volte il raggio e raddoppiando ripetutamente i lati si ottiene<br />
6 sin( =6) = 3;<br />
q<br />
12 sin( =12) = 6 2 p 3;<br />
r<br />
q<br />
24 sin( =24) = 12 2 2 + p 3;<br />
48 sin( =48) = 24<br />
s<br />
2<br />
r<br />
q<br />
2 + 2 + p 3;<br />
96 sin( =96) = 48<br />
v<br />
u<br />
t<br />
2<br />
s<br />
r<br />
q<br />
2 + 2 + 2 + p 3; :::<br />
Il calcolo numerico di radici senza un adeguato sistema di numerazione non è<br />
banale. Partendo dagli esagoni inscritti e circoscritti con perimetri 12 sin( =6) =<br />
6 e 12 tan( =6) = 12= p 3, Archimede approssima 1= p 3 = 0; 5773502::: dal di<br />
sotto con 780=1351 = 0; 5773501::: e dal di sopra con 153=265 = 0; 5773584:::.<br />
Una possibile spiegazione per queste frazioni è (1351) 2<br />
3 (780) 2 = 1 e (265) 2<br />
3 (153) 2 = 2. Poi, utilizzando un’aritmetica degli intervalli per controllare gli<br />
errori, Archimede stima per difetto ed eccesso il perimetro di poligoni con 12,<br />
24, 48, 96 lati. Il risultato …nale 3 + 10=71 = 3; 140::: < < 3 + 1=7 = 3; 142:::<br />
è un’approssimazione di a meno di 22=7 223=71 = 1=497. Per diagnosticare<br />
una forma maligna del ”morbus cyclometricus”, il più delle volte è su¢ ciente<br />
confrontare una presunta quadratura del cerchio con queste stime, ma spesso<br />
non ci si arrende neanche di fronte all’evidenza. Se in un cilindro con base<br />
circolare ed altezza metà del diametro di base si iscrive una semisfera e nella<br />
semisfera si iscrive un cono, il volume del cono risulta uguale ad un terzo del<br />
cilindro e si può congetturare che la sfera, intermedia tra cono e cilindro, sia<br />
due terzi del cilindro. Questa congettura è corretta. Nel trattato ”Sul cilindro<br />
e la sfera”, ideale continuazione del XII Libro degli ”Elementi” di Euclide, si<br />
trovano le seguenti proposizioni:<br />
”La super…cie di una sfera è quadrupla del suo cerchio massimo.”<br />
”La sfera è quadrupla del cono con base uguale al cerchio massimo e altezza<br />
uguale al raggio.”<br />
”Un cilindro con base il cerchio massimo della sfera e altezza il diametro è<br />
una volta e mezza la sfera e la sua super…cie, comprese le basi, è una volta e<br />
mezza la super…cie della sfera.”<br />
28
”Sul cilindro e la sfera”.<br />
”Un cilindro con base il cerchio massimo<br />
di una sfera ed altezza il diametro è una<br />
volta e mezza la sfera e la sua super…cie,<br />
basi comprese, è una volta e mezza<br />
la super…cie della sfera.”<br />
Più in generale, Archimede trova anche volumi ed aree di calotte sferiche:<br />
”La super…cie di un segmento sferico è uguale ad un cerchio con raggio la<br />
distanza tra il vertice del segmento e la circonferenza di base.”<br />
”Un settore sferico è uguale ad un cono con base uguale alla super…cie del<br />
segmento sferico ed altezza il raggio della sfera.”<br />
Nel secondo libro ”Sul cilindro e la sfera” si a¤rontano problemi del tipo:<br />
”Tagliare una sfera in modo che i due segmenti di sfera abbiano un dato rapporto”.<br />
Questo conduce ad una equazione cubica x 2 (a x) = b, che Archimede<br />
risolve intersecando la parabola y = x 2 con l’iperbole y (a x) = b. Archimede<br />
dimostrare anche che il prodotto x 2 (a x) è massimo quando x = 2a=3. Poi il<br />
libro si chiude con una proprietà isoperimetrica della sfera: ”Tra tutti i segmenti<br />
sferici compresi da super…ci uguali, il maggiore è l’emisfera”. Questi risultati<br />
sono dimostrati in modo rigorosamente geometrico, ma nel ”Metodo”Archimede<br />
spiega ad Eratostene di Cirene (276-194 a.C.) come sia arrivato a ”scoprire certe<br />
verità matematiche per mezzo della meccanica”.<br />
Il palinsesto di Archimede del X secolo.<br />
Sotto le preghiere ci sono: ”Equilibrio dei<br />
piani”, ”Spirali”, ”Misura del cerchio”,<br />
”Sfera e cilindro”, ”Corpi galleggianti”,<br />
”Il metodo”, ”Stomachion”.<br />
29
”Archimede ad Eratostene salute...<br />
Ti scrivo per esporti un certo metodo<br />
che ti darà la possibilità di trattare<br />
problemi matematici per mezzo della<br />
meccanica...”<br />
Tagliamo il cilindro y 2 + z 2 4R 2 ; 0 x 2R , il cono<br />
y 2 + z 2 x 2 ; 0 x 2R e la sfera x 2 + y 2 + z 2 2Rx con la<br />
famiglia di piani fx = tg . Pensando all’asse x come una leva con fulcro<br />
in x = 0, le sezioni di sfera 2Rt t 2 e cono t 2 spostate in x = 2R<br />
bilanciano la sezione del cilindro 4 R 2 lasciata in x = t, quindi la sfera<br />
ed il cono con baricentri in x = 2R bilanciano il cilindro con baricentro<br />
in x = R. Se il volume del cilindro 8 R 3 è il doppio del cono 8=3 R 3 più<br />
la sfera, il volume della sfera è 4=3 R 3 . In modo analogo è anche possibile<br />
calcolare il volume di segmenti di sfera. In…ne, come un cerchio è equivalente<br />
ad un triangolo con base il perimetro del cerchio ed altezza il raggio, così<br />
una sfera è equivalente ad un cono con base la super…cie della sfera ed<br />
altezza il raggio. Quindi la super…cie della sfera è 4 R 2 .<br />
Compiaciuto dell’elegante rapporto tra volume e area del cilindro e della<br />
sfera, Archimede chiede che sulla sua tomba sia incisa una sfera inscritta in un<br />
cilindro. Non sappiamo se ultime parole di Archimede al soldato che lo avrebbe<br />
ammazzato siano state pronunciate in greco: ”M o o & o & ”,<br />
o latino: ”Noli tangere circulos meos”, ma tradotte in varie lingue sono entrate<br />
nell’uso comune.<br />
”Il centro del corpo umano è l’ombelico. Se un uomo allarga le braccia e<br />
le gambe, le dita delle mani e dei piedi toccano la circonferenza descritta da<br />
un compasso centrato nell’ombelico. E come il corpo umano dà un contorno<br />
30<br />
0<br />
0
circolare, così è possibile trovarvi una …gura quadrata. Se si misura l’altezza dai<br />
piedi alla testa e la larghezza delle braccia distese, queste risultano le stesse.”<br />
Oltre a queste interessanti speculazioni, nel ”De architectura” Marcus Pollio<br />
Vitruvius (I secolo a.C.) descrive l’odometro, un congegno che contando i giri<br />
di una ruota permette di misurare le distanze, e usa 3 + 1=8 come approssimazione<br />
di . Di fatto, questa frazione è meno precisa, ma di più semplice uso<br />
della frazione 3 + 1=7 di Archimede. Se in molte applicazioni pratiche una semplice<br />
formula approssimata può essere più e¢ ciente di una complicata formula<br />
esatta, nei calcoli astronomici è spesso richiesta la miglior precisione possibile.<br />
In particolare, la creazione della trigonometria piana e sferica è stimolata dalla<br />
necessità di una geometria ed astronomia quantitative.<br />
Antologia Palatina<br />
IX 577, attribuito a Tolomeo:<br />
”So che sono mortale e non duro<br />
che un giorno. Ma quando indago<br />
le corse circolari degli astri, i miei<br />
piedi non toccano più la terra ma<br />
accanto a Zeus stesso mi sazio di<br />
ambrosia, il cibo degli dei.”<br />
Aristarco e Copernico Tolomeo<br />
31
Aristotele osserva che durante le eclissi di Luna il bordo dell’ombra della<br />
Terra è sempre circolare, indipendentemente dalle posizioni di Sole Terra Luna.<br />
Se la Terra fosse un disco piatto, si vedrebbero anche ombre ellittiche. Deduce<br />
quindi che la terra è una sfera. Argomenta anche che il raggio della Terra non<br />
può essere troppo grande, perché ci sono stelle visibili in Grecia ed invisibili<br />
in Egitto, e viceversa. Aristarco di Samo (III secolo a.C), un precursore di<br />
Nicolaus Copernicus (1473-1543) nel formulare l’ipotesi eliocentrica, scrive un<br />
trattato ”Sulle dimensioni e distanze di Sole e Luna”.<br />
”Ipotesi:<br />
) La Luna riceve la sua luce dal Sole.<br />
) La Terra è al centro della sfera su cui la Luna si muove.<br />
) Quando la Luna ci appare dimezzata, il cerchio che divide le parti della<br />
Luna in ombra ed illuminate è nella direzione dei nostri occhi.<br />
) Quando la luna ci appare dimezzata, la sua distanza dal sole è minore di<br />
un quadrante per un trentesimo di quadrante.<br />
") L’ampiezza dell’ombra della Terra è il doppio della Luna.<br />
) La Luna sottende la quindicesima parte di un segno dello Zodiaco.<br />
Tesi:<br />
La distanza del Sole dalla Terra è maggiore di 18 volte, ma minore di 20<br />
volte la distanza della Luna dalla Terra. Questo segue dall’ipotesi della mezza<br />
Luna. Ed il diametro del Sole ha con quello della Luna la stessa proporzione.<br />
Ed il diametro del Sole sta a quello della Terra in un rapporto maggiore di 19<br />
a 3, ma minore di 43 a 6. Questo segue dal rapporto tra le distanze, l’ipotesi<br />
sull’ombra, e l’ipotesi che la Luna sottende la quindicesima parte di un segno<br />
dello Zodiaco”.<br />
Dimensioni e distanze di Sole e Luna<br />
Zodiaco (VI secolo d.C.)<br />
La mezza Luna si presenta un poco prima della metà dell’intervallo tra quella<br />
nuova e quella piena. Stimando questo anticipo, Aristarco calcola che quando<br />
la Luna ci mostra esattamente metà della sua faccia l’angolo Terra Luna Sole<br />
è retto e l’angolo Luna Terra Sole è 87 o , deducendo che l’angolo Luna Sole<br />
Terra è 3 o ed il rapporto tra le distanze Terra Luna e Terra Sole è sin ( =60), e<br />
32
1=20 < sin ( =60) < 1=18: ”La distanza del Sole dalla Terra è maggiore di 18<br />
volte, ma minore di 20 volte la distanza della Luna dalla Terra”. Inoltre, Sole<br />
e Luna visti dalla Terra sembrano avere lo stesso diametro, infatti durante le<br />
eclissi di Sole il disco della Luna copre quasi esattamente quello del Sole. Dai<br />
rapporti tra le distanze si può quindi risalire ai rapporti tra le dimensioni: ”Il<br />
diametro del Sole è maggiore di 18 volte, ma minore di 20 volte il diametro<br />
della Luna”. In…ne, nelle eclissi di Luna l’ombra della Terra sembra avere un<br />
diametro doppio della Luna. Questo permette di confrontare le dimensioni di<br />
Sole e Luna con la Terra: ”Il rapporto tra il diametro del Sole e della Terra è<br />
maggiore di 19 a 3, ma minore di 43 a 6... Il rapporto tra il diametro della Terra<br />
e della Luna è maggiore di 108 a 43, ma minore di 60 a 19”. La conclusione di<br />
Aristarco è che se il Sole è molto più grande della Terra, forse siamo noi a girare<br />
intorno a lui, e non il viceversa. Archimede osserva che l’ipotesi di una Terra<br />
mobile e la mancanza di un parallasse osservabile delle stelle …sse implicano un<br />
universo enormeme. Tutti questi ragionamenti sono corretti, ma le conclusioni<br />
risultano viziate da errori di misura. L’angolo Luna Terra Sole è circa 89 o 50 0 ed<br />
il rapporto tra le distanze circa 1/350. Anche la stima di 2 o per la dimensione<br />
angolare della Luna è errata. La Luna impiega circa due minuti a tramontare,<br />
cioè vista dalla Terra sottende un angolo che è 1/720 un angolo giro, mezzo<br />
grado. Per passare dalle distanze relative a quelle assolute, basta osservare la<br />
Luna impiega circa un mese a ruotare intorno alla Terra ed al massimo tre ore<br />
per transitare nel cono d’ombra della Terra durante le eclissi. Siccome il cono<br />
d’ombra ha un diametro circa uguale al diametro terrestre, segue che la distanza<br />
della Luna è circa 60 volte il raggio della Terra.<br />
Un calcolo più fortunato è dovuto a Eratostene. Questi misura al solstizio<br />
d’Estate l’altezza del Sole ad Alessandria e a Siene, una a Nord e l’altra a Sud<br />
sullo stesso meridiano. Quindi dalle di¤erenti altezze del Sole, un cinquantesimo<br />
di cerchio, e dalla distanza tra le due città, 5000 stadi (circa 740 km), deduce<br />
che la circonferenza della Terra è circa 250000 stadi, un errore del 1% rispetto<br />
al valore reale di 40000 km. Altri fanno conti simili, misurando l’altezza di<br />
certe stelle sull’orizzonte a diverse latitudini. Posidonio (II secolo a.C.) osserva<br />
che la stella Canopus a Rodi non si alza dall’orizzonte, mentre ad Alessandria<br />
33
aggiunge un’altezza di 7 o 30 0 . Stimando in 5000 stadi la distanza tra Rodi<br />
ed Alessandria, ricava una circonferenza della Terra di 240000 stadi. Di fatto<br />
l’angolo è 5 o 15 0 ed anche la distanza è minore, ma questi errori si compensano.<br />
Stime più precise della lunghezza di un meridiano terrestre sono ottenute solo<br />
nel XVII secolo d.C., utilizzando una tecnologia più so…sticata ma ancora la<br />
stessa matematica di Eratostene. Anche Fidia, il padre di Archimede, si occupa<br />
delle dimensioni del cosmo ed il …glio nell’”Arenario”, dopo aver introdotto un<br />
opportuno sistema di numerazione, stima che si possa riempire l’intero universo<br />
con al più 10 63 granelli di sabbia. Ipparco di Nicea (II secolo a.C.), basandosi su<br />
osservazioni astronomiche babilonesi, scopre la precessione degli equinozi, che<br />
stima di 57 00<br />
l’anno. Poi, confrontando le osservazione di Aristarco del solstizio<br />
del 280 a.C. con le proprie nel 135 a.C., stima in 365 + 1=4 1=300 giorni la<br />
lunghezza di un anno solare, cioè 365 giorni, 5 ore e 55 minuti e 12 secondi.<br />
Il passaggio del Sole tra due equinozi di primavera si accorcia di circa mezzo<br />
secondo ogni secolo ed oggi ha una durata di circa 365 giorni 5 ore 48 minuti<br />
e 45 secondi. Calcola anche la durata del mese lunare in 29 giorni 12 ore 44<br />
minuti e 2 secondi e mezzo, che di¤erisce di circa un secondo dal valore attuale.<br />
Sia Ipparco che Menelao (I secolo a.C.) costruiscono delle tavole di corde in un<br />
cerchio. Anche la ”Sintassi matematica”, o ”Almagesto”, di Claudio Tolomeo<br />
(87-165 d.C.) contiene una tavola delle corde:<br />
”Costruiremo ora una tavola di queste rette, dividendo la circonferenza in<br />
360 parti. Tutti gli archi della nostra tavola andranno crescendo di mezzo grado<br />
e daremo per ognuno di questi archi il valore della corda, supponendo il diametro<br />
diviso in 120 parti... Adopereremo la divisione sessagesimale per evitare<br />
le frazioni, e nelle moltiplicazioni e divisioni prenderemo sempre i valori più<br />
approssimati...”<br />
360 è un numero con tanti divisori vicino a 365 ed il Sole si sposta nello<br />
zodiaco di circa un grado al giorno. La stima per la corda di un grado è 1+2=60+<br />
50=60 2 , da cui si ricava, moltiplicando per 360 gradi e dividendo per il diametro<br />
120, il rapporto tra circonferenza e diametro 3 + 8=60 + 30=60 2 = 3:141666:::.<br />
Se ai numeratori delle ultime frazioni si aggiungono o tolgono delle unità le<br />
approssimazioni peggiorano.<br />
Meccanismo<br />
di Antikythera<br />
(II secolo a.C.)<br />
34
Euclide, Elementi, Libro II Proposizione 12:<br />
In li triangoli che hanno un angolo ottuso tanto è piu potente quella<br />
linea che sotto tende a l’angolo ottuso, de ambi li altri duoi lati che<br />
contengono l’angolo ottuso, quanto è quello che è contenuto sotto uno<br />
di quelli lati, & quella linea a se direttamente congionta a l’angolo<br />
ottuso tagliata perpendicolare di fora del triangolo due volte.<br />
BC 2 = AB 2 + AC 2 + 2AB AD;<br />
BC 2 = AB 2 + AC 2 2AB AC cos \BAC :<br />
La formula di Erone per<br />
l’area di un triangolo con<br />
lati A, B, C, e perimetro 2P .<br />
Area = 1<br />
1<br />
AB sin ( ) =<br />
2 2 ABp1 cos2 ( )<br />
= 1<br />
2 AB<br />
s<br />
A<br />
1<br />
2 + B2 C2 2<br />
=<br />
2AB<br />
1<br />
q<br />
4A<br />
4<br />
2B2 (A2 + B2 C2 ) 2<br />
= 1p<br />
(A + B + C) (B + C A) (A + C B) (A + B C)<br />
4<br />
= p P (P A) (P B) (P C):<br />
L’area di un segmento<br />
di cerchio nella<br />
”Metrica” di Erone.<br />
Se la base b è molto più grande dell’altezza a, si può approssimare il segmento<br />
di cerchio con una parabola con area 4=3 del triangolo di base b e altezza a.<br />
Se la base è comparabile all’altezza, si può approssimare l’area con<br />
a (a + b)=2 + (b=2) 2 =14. Per l’area di un semicerchio di raggio R<br />
si ottiene la stima di Archimede 22=14R 2 .<br />
35
”Collezione <strong>Matematica</strong>”<br />
di Pappo d’Alessandria.<br />
”Se nello spazio tra tre semicerchi tra loro tangenti, che viene detto Arbelo,<br />
si tracciano dei cerchi tangenti ai semicerchi e tra loro, il diametro del primo<br />
cerchio risulta uguale alla distanza del suo centro dalla base, il diametro del<br />
secondo cerchio uguale al doppio della distanza del suo centro dalla base,<br />
quello del terzo il triplo,...” Una dimostrazione moderna utilizza l’inversione<br />
rispetto ad un cerchio con centro in un estremo della base ed ortogonale al<br />
cerchio che si vuole considerare.<br />
Terminiamo l’excursus sulla matematica greca con un problema aritmetico<br />
attribuito ad Archimede, scoperto nel 1773 e risolto nel 1880:<br />
”O amico, se sei sapiente calcola esattamente il numero dei bovini del Sole.<br />
Calcola in qual numero pascolavano un giorno nei campi dell’isola di Trinacria,<br />
distribuiti in quattro mandrie di diversi colori, bianco latte, nero splendente,<br />
bruno dorato, screziato. In ogni mandria i tori erano in quantità considerevole<br />
distribuiti secondo i seguenti rapporti. I bianchi erano la metà e la terza parte di<br />
tutti i neri più i bruni, i neri la quarta e quinta parte degli screziati più i bruni,<br />
gli screziati la sesta e settima parte dei bianchi più i bruni. Invece le giovenche<br />
erano distribuite nei seguenti rapporti. Le bianche erano la terza e quarta parte<br />
di tutta la mandria nera, le nere la quarta e quinta parte della mandria screziata,<br />
le screziate la quinta e sesta parte della mandria bruna, le brune la metà<br />
della terza e la settima parte della mandria bianca. Quando avrai determinato<br />
esattamente quanti erano i tori e le giovenche del Sole, distinti per ciascun colore,<br />
non ti si chiamerà certamente ignorante nè incapace nei numeri, però non<br />
ti si ascriverà ancora fra i sapienti. Ma ora bada bene a questi altri rapporti<br />
fra i tori del Sole. Quando i tori bianchi si mescolavano ai neri formavano<br />
una …gura uguale in lunghezza e larghezza ed il loro numero riempiva le vaste<br />
pianure della Trinacria. Invece i tori bruni con gli screziati costituivano una<br />
…gura triangolare. Amico, se sarai capace di trovare tutto questo, esponendolo<br />
in forma intelligibile, sarai coronato di gloria come un vincitore e considerato<br />
ricco di scienza”.<br />
36
8<br />
><<br />
>:<br />
A = (1=2 + 1=3) B + C<br />
B = (1=4 + 1=5) D + C<br />
D = (1=6 + 1=7) A + C<br />
E = (1=3 + 1=4) (B + F )<br />
F = (1=4 + 1=5) (D + H)<br />
H = (1=5 + 1=6) (C + G)<br />
G = (1=6 + 1=7) (A + E)<br />
A + B = I 2<br />
C + D = L (L + 1) =2<br />
Il sistema lineare delle prime 7 equazioni nelle prime 8 incognite ha in…nite<br />
soluzioni, 8> <<br />
>:<br />
A = 7460514 k<br />
B = 10366482 k<br />
C = 4149387 k<br />
D = 7358060 k<br />
E = 7206360 k<br />
F = 4893246 k<br />
G = 5439213 k<br />
H = 3515820 k<br />
Un totale di A+B +C +D +E +F +G+H = 50389082 k capi di bestiame.<br />
Fin qui, anche se non ci siamo mostrati ignoranti, non possiamo ancora dirci<br />
sapienti.<br />
I 2 = A + B = (7460514 + 10366482) k = 2 2 3 11 29 4657 k:<br />
Questo numero è un quadrato se e solo se<br />
In…ne,<br />
k = 3 11 29 4657 m 2 = 4456749 m 2 :<br />
L (L + 1) =2 = C + D = (4149387 + 7358060) k = 51285802909803 m 2 ;<br />
L = 1 + p 1 + 410286423278424 m2 :<br />
2<br />
Il numero è triangolare solo se quanto sotto radice è un quadrato,<br />
1 + 410286423278424 m 2 = n 2 :<br />
37<br />
:<br />
:
Per mostrarci sapienti dobbiamo risolvere questa equazione. Se X non è un<br />
quadrato, l’equazione n 2 X m 2 = 1 ha in…nite soluzioni, ed una soluzione<br />
fondamentale si può ricavare dalle frazioni parziali n=m dello sviluppo in frazioni<br />
continue di p X. In particolare, la più piccola soluzione del problema è stata<br />
calcolata nel 1981 ed ha 206545 decimali,<br />
A + B + C + D + E + F + G + H 7; 7::: 10 206544 :<br />
Epigrammi di Metrodoro<br />
nella Antologia Palatina:<br />
”Ecco la tomba che racchiude Diofanto, una<br />
meraviglia da contemplare! Con arti…cio<br />
aritmetico la pietra insegna la sua età: Dio<br />
gli concesse di rimanere fanciullo un sesto<br />
della sua vita. Dopo un altro dodicesimo le<br />
sue guance germogliarono. Dopo un settimo<br />
accese la …accola del matrimonio. Dopo<br />
cinque anni gli nacque un …glio. Ma questo<br />
giovane disgraziato e pur tanto amato morì<br />
appena raggiunta la metà dell’età cui doveva<br />
arrivare suo padre. Mitigando il dolore coll’<br />
occuparsi della scienza dei numeri, quattro<br />
anni ancora attese Diofanto prima di<br />
giungere al termine della sua esistenza”.<br />
Attribuito ad Euclide:<br />
”Un asino e un mulo viaggiavano insieme,<br />
portando sacchi di grano, od otri di vino.<br />
Il mulo disse all’asino che si lamentava<br />
per il carico eccessivo: ”Di che ti lamenti?<br />
Se mi dessi uno solo dei tuoi sacchi, ne<br />
avrei il doppio di te. Ma se ti dessi uno<br />
dei miei, ne avremmo uguali”. O sapiente<br />
lettore, dimmi quanti sacchi portava<br />
l’asino e quanti il mulo”.<br />
38
”Archimedis Circuli Dimensio” per Nicolaum Tartaleam Brixianum<br />
39
MATEMATICA IN ASIA:<br />
Liu Hui (264d.C.) Zhu Shi Jie 1303 XII secolo<br />
Sia in India che in Cina si ottengono ottime approssimazioni di . Apastamba<br />
(IV secolo a.C.) in una costruzione di un quadrato uguale ad un cerchio<br />
implicitamente pone uguale a 3,09. Nei ”Nove capitoli dell’arte matematica”<br />
di Liu Hui (III secolo d.C.) si trova la seguente regola pratica per stimare l’area<br />
di un campo circolare:<br />
”Per trovare l’area di un cerchio... moltiplica metà circonferenza per metà<br />
diametro. Oppure moltiplica il diametro per sé stesso, poi per tre e dividi per<br />
quattro. Oppure moltiplica la circonferenza per sé stessa e dividi per dodici.”<br />
Il primo metodo è corretto, gli altri due presuppongono uguale a 3, comunque<br />
Liu Hui sa che questa è solo un’approssimazione.<br />
L’approssimazione<br />
dell’area di un cerchio<br />
di Liu Hui.<br />
Se l(n) e a(n) sono lato ed apotema di un poligono<br />
q<br />
regolare con n<br />
lati inscritto in un cerchio di raggio r, si ha a(n) = r2 (l(n)=2) 2 q<br />
e<br />
l(2n) = (l(n)=2) 2<br />
(r a(n)) 2 . Se A(n) = na(n)l(n)=2 è l’area del<br />
poligono ed A l’area del cerchio, si ha anche A(2n) = nrl(n)=2 e<br />
A(2n) < A < A(n) + 2 (A(2n) A(n)) .<br />
Utilizzando il teorema di Pitagora, Liu Hui calcola le aree dei poligoni regolari<br />
con 6, 12, 24, 48, 96 e 192 lati inscritti in un cerchio di raggio 10 ed ottiene la<br />
40
stima (314 + 4=25) =100 = 3; 1416. La stessa stima 62832=20000 = 3; 1416<br />
è ottenuta da Aryabhata (475-550) con un poligono di 384 lati:<br />
”Aggiungi 4 a 100, moltiplica la somma per 8 e aggiungi 62000. Il risultato<br />
è approssimativamente la circonferenza di un cerchio con diametro 20000.<br />
Somayaji Nilakantha (1444-1544) commenta: ”Perché diamo un valore approssimato<br />
invece di uno esatto? Perché il rapporto tra circonferenza e diametro<br />
non si può esprimere come rapporto tra numeri interi”. Brahmagupta (VI secolo<br />
d.C.) suggerisce 3 come ”valore pratico” e p 10 = 3; 162::: come ”valore<br />
esatto”. Questa è una stima piuttosto popolare per tutto il medio evo, sia in<br />
oriente che in occidente. Zu Chongzhi (430-501) con il metodo di Liu Hui ed<br />
un poligono di 24576 lati trova le approssimazioni 3; 1415926 < < 3; 1415927.<br />
Con queste stime a partire dal raggio si potrebbe calcolare la circonferenza della<br />
Terra con un’approssimazione inferiore al metro. Zu Chongzhi suggerisce anche<br />
le approssimazioni razionali 22/7 e 355/113. La frazione 355=113 = 3; 1415929:::<br />
è ritrovata da Adrian Metius (1527-1607), che dimostra in modo archimedeo la<br />
disuguaglianza 333=106 < < 377=120 e poi prende la media aritmetica dei numeratori<br />
e dei denominatori. Per meglio apprezzare questi risultati osserviamo<br />
che 22/7 e 355/113 sono ridotte dello sviluppo in frazioni continue di ,<br />
= 3 + 0; 1415926535::: = 3 +<br />
1<br />
1<br />
0; 1415926535:::<br />
1<br />
= 3 +<br />
1<br />
7 +<br />
1<br />
0; 0625133059:::<br />
1<br />
= 3 +<br />
1<br />
7 +<br />
1<br />
15 +<br />
1<br />
1 +<br />
292 + :::<br />
Le ridotte dello sviluppo in frazioni continue di danno le approssimazioni<br />
3 < 333 355 22<br />
< < <<br />
106 113 7 :<br />
La stima ”inaccurata” 3 + 1=7 = 22=7 è la migliore approssimazione di<br />
con frazioni con denominatori minori di 57, mentre la stima ”accurata” 3 +<br />
1=(7 + 1=(15 + 1=1)) = 355=113 è la migliore approssimazione con frazioni con<br />
denominatori minori di 16604. Questa approssimazione è molto buona perché<br />
il termine successivo nello sviluppo in frazioni continue 292 è piuttosto grande.<br />
Aggiungendo anche questo termine si ottiene l’approssimaziome 103993/33102<br />
con nove decimali corretti. Tutte queste approssimazioni con numeri via via più<br />
grandi sembrano suggerire che non è una frazione.<br />
Lasciamo ora il cerchio per occuparci della sfera. Nei ”Nove capitoli dell’arte<br />
matematica” di Liu Hui si trova la seguente regola, che ha un errore relativo di<br />
poco superiore al 2%:<br />
”Moltiplica il volume della sfera per 16 e dividi per 9, poi prendi la radice<br />
cubica. Il risultato è il diametro.”<br />
41<br />
:
L’idea è la seguente. Si parte da una sfera inscritta in un cilindro inscritto<br />
in un cubo. Le sezioni del cilindro e del cubo con piani paralleli alle basi hanno<br />
rapporto =4, quindi anche il rapporto tra i volumi del cilindro e del cubo è<br />
=4. Assumendo che anche il rapporto tra i volume della sfera e del cilindro sia<br />
circa =4, si arriva ad un rapporto tra i volumi della sfera e del cubo di 2 =16,<br />
che diventa 9/16 se si stima uguale a 3. Comunque Liu Hui è ben cosciente<br />
che queste sono solo approssimazioni. Infatti osserva che se si intersecano i due<br />
cilindri x 2 + z 2 1 e y 2 + z 2 1 , le sezioni di questa …gura con i piani<br />
di normale z sono quadrati di area 4 1 z 2 . Questi stessi piani tagliano la<br />
sfera x 2 + y 2 + z 2 1 in cerchi di area 1 z 2 . Quindi il rapporto tra il<br />
volume della sfera ed il volume dell’intersezione dei cilindri è esattamente =4.<br />
Il volume dell’intersezione dei cilindri, già noto ad Archimede, è poi calcolato<br />
da Zu Gengzhi (VI secolo d.C.), …glio di Zu Chongzhi, che osserva che le sezioni<br />
con i piani di normale z della regione interna al cubo fjxj 1; jyj 1; jzj 1g<br />
ed esterna all’intersezione tra i cilindri hanno area 4z 2 , esattamente come le<br />
sezioni di una piramide con base di area 4 ed altezza 1. Quindi il volume<br />
dell’intersezione tra i cilindri è uguale al volume del cubo meno il volume di<br />
due piramidi, quindi il volume di una sfera di raggio uno è (4=3) . Osserviamo<br />
che nella dimostrazione di questi risultati sia Liu Hui che Zu Gengzhi utilizzano<br />
sistematicamente il principio di Bonaventura Cavalieri (1598-1647), che<br />
Zu Gengzhi enuncia così:<br />
”Se si costruiscono dei volumi sovrapponendo delle aree e se le aree corrispondenti<br />
sono uguali, allora i volumi non possono essere diversi”.<br />
1671<br />
I raggi A, B, C, di tre cerchi tangenti ad<br />
una retta e tra loro sono legati dalla<br />
relazione 1= p A + 1= p B = 1= p C:<br />
42
”Nove capitoli dell’arte matematica”<br />
Un bambù alto 10 syaku si spezza e<br />
la cima tocca terra a distanza 3 syaku<br />
dalla radice. A che altezza si è spezzato?<br />
3 2 + x 2 = (10 x) 2 ; x = 4 + 11=20:<br />
43
ULTIMI SEGUACI DI ARCHIMEDE:<br />
Nelle ”Propositiones ad acuendos juvenes” di Alcuino da York (VIII secolo<br />
d.C.), insieme alla ”Propositio de lupo et capra et fasciculo cauli”, si trova la<br />
seguente proposizione:<br />
”Est campus rotundus, qui habet in gyro perticas CCCC. Dic, quot aripennos<br />
capere debet. Solutio I: ... LXVIIII. Solutio II: ... XCVI”.<br />
Se A è l’area e C la circonferenza e se A = C 2 =4 , nella prima soluzione<br />
= 4 e nella seconda = 3, ed anche in altri problemi ci sono errori di calcolo.<br />
In un testo dell’anno 1000 si ritrova la regola di Ahmes per la quadratura del<br />
cerchio: ”Circumducto quantolibet circulo, alterum circulum interiorem exteriori<br />
circulo nona parte contractiorem, aequos habebis quadratum et circulum”.<br />
In altri testi le regole sono di¤erenti e c’è chi commenta: ”Hi omnes a veritate<br />
longe absunt”. Ed anche Dante Alighieri (1265-1321) nel ”Convivio” stigmatizza<br />
questo paradosso della geometria: ”Lo cerchio è perfettissima …gura...”,<br />
Ciò nonostante: ”Lo cerchio per lo suo arco è impossibile a quadrare perfettamente”.<br />
Nel ”Libro d’abaco” di Leonardo da Pisa, il Fibonacci (1180-1250), si<br />
trova il seguente problema: ”Quot paria coniculorum in uno anno ex uno pario<br />
germinentur”.<br />
”Quante coppie di conigli si generano in un anno se, iniziando con una coppia,<br />
ciascuna coppia produce ogni mese una nuova coppia che diviene produttiva<br />
al secondo mese della sua esistenza?... 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144,<br />
233, 377.”<br />
Il modello teorico prevede la crescita esponenziale, ma nella realtà dopo<br />
qualche mese le simpatiche bestiole sono pronte per essere cucinate. Il Fibonacci<br />
importa dall’oriente in Italia il sistema di numerazione decimale: ”Novem …gure<br />
indorum he sunt 9 8 7 6 5 4 3 2 1. Cum his itaque novem …guris, et cum hoc<br />
signo 0, quod arabice zephirum appellatur, scribitur quilibet numerus, ut inferius<br />
44
demonstratur”. Con questo sistema il calcolo numerico risulta facilitato e Fibonacci,<br />
dichiarando di poter far meglio di Archimede, trova un’approssimazione<br />
di con tre decimali corretti. Dai poligoni inscritti e circoscritti con 96 lati ottiene<br />
i valori 1440=(458 + 4=9) e 1440=(458 + 1=5) e, prendendo una media,<br />
1440=(458 + 1=3) = 3; 1418:::. Inizia a di¤ondersi il ”morbus decimalium”. A<br />
Samarcanda l’astronomo Al Kashi (XV secolo), che calcola con la stessa facilità<br />
con cui le aquile volano, per calcolare la circonferenza di un cerchio grande come<br />
l’intero universo con un’approssimazione inferiore ad un crine di cavallo, con un<br />
poligono di 3 2 28 lati calcola le prime sedici cifre decimali di 2 ,<br />
6 + 16<br />
60<br />
+ 59<br />
60<br />
28 1 34 51 46 14 50<br />
+ + + + + + + :<br />
2 603 604 605 606 607 608 609 Di fatto, il rapporto tra la distanza della Terra dal Sole e lo spessore di un<br />
capello è dell’ordine di 10 16 , sedici decimali sono appena su¢ cienti per calcolare<br />
con l’approssimazione di un capello l’orbita della Terra intorno al Sole. Adrian<br />
Rooman (1561-1615) con un poligono di 2 30 lati trova quindici decimali di .<br />
Nel 1584 S.van der Eycke stima = 1521=484 = 3; 142:::, ma nel 1585 con un<br />
poligono di 192 lati Ludolph van Ceulen (1540-1610) dimostra che < 1521=484,<br />
van der Eycke replica con la stima = 3; 1416055 e van Ceulen nel 1586 dimostra<br />
che 3; 14103 < < 3; 142732. Poi van Ceulen calcola il perimetro di un poligono<br />
di 60 2 33 lati e pubblica nel 1596 i primi venti decimali di , in…ne ne calcola<br />
trentacinque che vengono anche inscritti sulla sua pietra tombale.<br />
”Hic iacet sepultus Mr. Ludol¤ van Ceulen, professor belgicus dum viveret<br />
mathematicarum scientiarum in athenaeo huius urbis, natus hildeshemia anno<br />
1540 die XXVIII ianuarii et denatus XXXI decembris 1610, qui in vita sua<br />
multo labore circumferentiae circuli proximam rationem ad diametrum invenit<br />
sequentem: quando diameter est 100000000000000000000000000000000000 tunc<br />
circuli circumferentia plus est quam 3141592653589793233846264338327950288<br />
et minus quam 3141592653589793233846264338327950289.”<br />
Dopo tanta fatica, ”requiescat in pace”. La quadratura del cerchio è nella<br />
sua formulazione originaria un problema geometrico, ma nel XVI secolo entrano<br />
in gioco l’algebra e l’analisi.<br />
”L’aritmetica è una scienza tanto quanto lo è la geometria. Alle grandezze<br />
razionali sono associati i numeri razionali ed alle irrazionali gli irrazionali. Se<br />
qualcuno misura delle grandezze con numeri ed ottiene valori di¤erenti da quelli<br />
reali, non è colpa dei calcoli ma del calcolatore. Come dice Proclo, l’aritmetica<br />
è più esatta della geometria. Per un calcolatore accurato, se il diametro è una<br />
unità, il perimetro del dodecagono inscritto è la radice del binomio 72 p 3888.<br />
Chiunque a¤ermi qualcosa di diverso sbaglia, sia il geometra con le sue misure<br />
o il calcolatore con i suoi numeri.”<br />
45
François Viète (1540-1603) con poligoni di 6 2 16 lati stima compreso tra<br />
3,1415926535 e 3,1415926537 e nel 1593 pubblica una formula che, almeno in<br />
Europa, è forse la prima espressione analitica in…nita di :<br />
=<br />
r 1<br />
2<br />
s r<br />
1 1 1<br />
+<br />
2 2 2<br />
2<br />
v<br />
u s<br />
u<br />
r<br />
t1 1 1 1 1<br />
+ +<br />
2 2 2 2 2<br />
Anche questa formula viene ottenuta con un procedimento archimedeo, partendo<br />
dall’area di un quadrato iscritto in un cerchio di raggio uno ed ottenendo<br />
in modo ricorsivo l’area dei poligoni regolari con 8, 16, 32,... lati. L’area del<br />
quadrato è 2, l’area dell’ottagono è 2= p 1=2, l’area del poligono con sedici lati<br />
è 2= p q<br />
1=2 1=2 + 1=2 p 1=2 ,...<br />
La quadratura del<br />
cerchio di Cartesio.<br />
”Per quanto riguarda la quadratura del cerchio, non trovo niente di<br />
più appropriato che aggiungere ad un quadrato dato di base AB il<br />
rettangolo di base BC con vertice sul prolungamento della diagonale<br />
del quadrato ed area un quarto del quadrato, poi un altro rettangolo<br />
di base CD con vertice sul prolungamento della diagonale del quadrato<br />
ed area un quarto del rettangolo precedente, e così via all’in…nito. Tutti<br />
questi rettangoli saranno uguali ad un terzo del quadrato e la base AX<br />
sarà il diametro di una circonferenza uguale al perimetro del quadrato.<br />
Infatti AC è il diametro di un cerchio inscritto in un ottagono con lo<br />
stesso perimetro del quadrato, OC il diametro di un cerchio inscritto<br />
in una …gura con sedici lati, e così via all’in…nito.”<br />
René Descartes (1596-1650) esprime seri dubbi sulla possibilità di quadrare<br />
esattamente delle regioni curve: ”La geometria non dovrebbe occuparsi di linee<br />
che sono come corde, un po’ dritte e un po’ storte, perché i rapporti tra<br />
linee dritte e curve non sono noti e credo che neanche possano essere scoperti,<br />
quindi nessuna conclusione su questi rapporti può essere considerata rigorosa<br />
ed esatta”. Comunque Cartesio invece di quadrare un cerchio trova il modo di<br />
rendere rotondo un quadrato. Il diametro del cerchio inscritto in un poligono<br />
regolare di perimetro p e m lati è d = p=m cot ( =m). Se xn è il diametro del<br />
46<br />
:
cerchio inscritto in un poligono regolare con perimetro 4x0 e 2 n+2 lati, allora<br />
xn (xn xn 1) = 4 n x 2 0. Si possono così ottenere in modo ricorsivo i diametri<br />
dei cerchi inscritti in poligoni isoperimetrici con 4, 8, 16,..., lati e questi diametri<br />
convergono al diametro del cerchio isoperimetrico al quadrato.<br />
Nel 1634 Cartesio comunica alla principessa<br />
Elisabetta di Boemia che se A, B, C, D, sono i<br />
reciproci dei raggi di cerchi tangenti tra loro,<br />
(A + B + C + D) 2 = 2 A 2 + B 2 + C 2 + D 2 :<br />
Per esempio, i cerchi con curvatura 18, 23, 27,<br />
sono tangenti al cerchio interno con curvatura<br />
146 e a quello esterno con curvatura 10.<br />
In uno spazio con dimensione d i raggi di d + 2 sfere mutuamente tangenti<br />
0 12<br />
Xd+2<br />
Xd+2<br />
veri…cano l’equazione @ 1=R(j) A = d (1=R(j)) 2 .<br />
j=1<br />
Il problema della retti…cazione della circonferenza consiste nel cercare di<br />
stimare un arco di cerchio, che è storto ed intrinsecamente di¢ cile da misurare,<br />
con delle combinazioni di segmenti dritti ad esso collegati ed esplicitamente<br />
misurabili, come il seno ed il coseno. In particolare, il metodo di calcolo della<br />
lunghezza di una circonferenza con poligoni inscritti e circoscritti si basa sul<br />
fatto che un arco di cerchio è compreso tra il seno e la tangente dell’angolo, ma<br />
nella ”Perfezione matematica” il Cardinale Nicola da Cusa (1401-1464) trova<br />
un’approssimazione migliore:<br />
”Il rapporto tra tre semidiametri e tre semidiametri meno una freccia è minore<br />
del rapporto tra arco e corda”.<br />
In un cerchio di raggio uno ad un arco 2x corrispondono una corda 2 sin(x)<br />
ed una freccia 1 cos(x) e si ha la disuguaglianza 3 sin(x)= (2 + cos(x)) < x, che<br />
è una disuguaglianza più stretta di sin(x) < x,<br />
sin(x) <<br />
3 sin(x)<br />
< x:<br />
2 + cos(x)<br />
La disuguaglianza sin(x) < 3 sin(x)= (2 + cos(x)) è equivalente a cos(x) < 1.<br />
Per dimostrare la disuguaglianza 3 sin(x)= (2 + cos(x)) < x utilizzando la nostra<br />
tecnologia, basta osservare che la funzione x 3 sin(x)= (2 + cos(x)) si annulla<br />
in zero ed è crescente,<br />
d<br />
dx x<br />
3 sin(x)<br />
2 + cos(x)<br />
47<br />
j=1<br />
(1 cos(x))2<br />
= 2 :<br />
(2 + cos(x))
Ponendo x = =6 nell’uguaglianza approssimata x 3 sin(x)= (2 + cos(x))<br />
si ottiene 18= 4 + p 3 = 3; 140:::. Per trovare i primi due decimali di<br />
Archimede deve utilizzare un poligono con 96 lati, a Nicola da Cusa basta<br />
l’esagono. E conclude: ”Ora la scienza delle corde emerge perfettamente fondata.<br />
La quadratura del cerchio ha raggiunto il suo scopo”. Sostenitore della<br />
concordanza dei contrari, Nicola da Cusa congettura anche una relazione tra il<br />
poligono con il minimo numero di lati e quello con il massimo, il triangolo ed<br />
il cerchio. Inscrive un quadrato in un cerchio e stima questo cerchio uguale al<br />
triangolo equilatero inscritto in un cerchio di diametro il lato del quadrato più il<br />
raggio del cerchio dato. La costruzione fornisce per il valore 3 p 3 + p 6 =4,<br />
ma nel 1464 Johann Müller Regiomontano (1436-1476) dimostra che questa<br />
quadratura non è corretta e a sua volta propone il valore 3,14343.... A Regiomontano<br />
si deve anche una rinascita dell’interesse per la trigonometria piana<br />
e sferica.<br />
Nel “Ciclometricus”del 1621 Willebrord Snell (1580-1626) completa la scoperta<br />
di Nicola da Cusa, trovando che<br />
3 sin(x)<br />
2 + cos(x)<br />
tan(x) + 2 sin(x)<br />
< x < :<br />
3<br />
Queste stime corrispondono alle seguenti costruzioni geometriche. Dato il<br />
cerchio x 2 + y 2 = 1, la retta per A = (cos(#); sin(#)) e B = ( 2; 0) interseca<br />
la tangente al cerchio x = 1 nel punto di ordinata 3 sin(#)= (2 + cos(#)).<br />
Invece la retta per A = (cos(#); sin(#)) e C = ( 2 cos(#=3); 0) interseca x =<br />
1 nel punto di ordinata tan(#=3) + 2 sin(#=3). Quest’ultima costruzione coincide<br />
con la trisezione dell’angolo attribuita ad Archimede. Il punto D =<br />
( cos(#=3); sin(#=3)) è la seconda intersezione della retta BC con la circonferenza,<br />
il segmento CD ha lunghezza uno e forma con l’asse delle ascisse un angolo<br />
#=3. Con queste disuguaglianze Snell scopre anche un e¢ ciente metodo per<br />
accelerare la convergenza nel calcolo di . Se con poligoni di 96 lati Archimede<br />
trova due decimali di , con gli stessi poligoni Snell ne trova sei,<br />
3 sin( =96)<br />
3; 1415926::: = 96<br />
2 + cos( =96)<br />
< < 96tan( =96) + 2 sin( =96)<br />
3<br />
= 3; 1415928::::<br />
Se con poligoni di 60 2 33 van Ceulen calcola 20 decimali, con poligoni di<br />
2 30 lati Snell ne trova 34. Anche se Snell non dimostra in modo soddisfacente i<br />
suoi risultati, queste applicazioni numeriche che forniscono le stesse cifre di van<br />
Ceulen sono un convincente indizio della loro correttezza.<br />
48
La retti…cazione di<br />
un arco di cerchio<br />
di Nicola da Cusa<br />
e Snell.<br />
Un arco di cerchio # ha lunghezza compresa tra sin(#) e tan(#).<br />
Se A = (1; 0), B = (cos(#); sin(#)) , C = (1; #) , l’arco AB è uguale al<br />
segmento AC. La retta BC interseca l’asse y = 0 nel punto di ascissa<br />
(cos(#) sin(#)) = (# sin(#)) e questa ascissa tende a 2 se # ! 0.<br />
Viceversa, se B = (cos(#); sin(#)) e D = ( 2; 0), la retta BD interseca<br />
la retta x = 1 nel punto di ordinata 3 sin(#)= (2 + cos(#)) . Invece, se<br />
l’angolo tra la retta per B e l’asse orizzontale è #=3, questa retta<br />
interseca x = 1 nel punto di ordinata tan(#=3) + 2 sin(#=3).<br />
Christiaan Huygens (1629-1695) dimostra rigorosamente con metodi di geometria<br />
elementare i risultati di Snell e nel 1654 pubblica ”La scoperta della grandezza<br />
del cerchio”, con 20 proposizioni, cioè 14 teoremi più 4 problemi.<br />
Stimando di esserci occupati recentemente con qualche successo dell’antico<br />
problema della quadratura del cerchio, il più celebre di tutti anche agli occhi di<br />
quelli che non si intendono di <strong>Matematica</strong>, e avendo ottenuto alcuni risultati<br />
migliori di quelli trovati …no ad oggi, almeno secondo noi, vogliamo comunicarli<br />
ai geometri insieme alle loro dimostrazioni...<br />
”Teorema 1: Se in un segmento di cerchio minore di metà cerchio si iscrive il<br />
più grande triangolo possibile e similmente si iscrivono dei triangoli nei segmenti<br />
restanti, il primo triangolo risulta minore del quadruplo della somma degli altri<br />
due.”<br />
”Teorema 2: Dato un segmento di cerchio minore di metà cerchio e sulla base<br />
un triangolo con i due altri lati tangenti al segmento, tracciata una tangente<br />
al segmento nella sua sommità, questa retta taglia nel triangolo un triangolo<br />
maggiore della metà del più grande triangolo che si può iscrivere nel segmento.”<br />
”Teorema 3: Il rapporto tra un segmento di cerchio minore di metà cerchio<br />
ed il più grande triangolo che si può iscrivere nel segmento è più grande di<br />
quattro a tre.”<br />
”Teorema 4: Un segmento di cerchio minore di metà cerchio è minore dei<br />
due terzi del triangolo con la stessa base ed i due altri lati tangenti al segmento.”<br />
”Teorema 5: Un cerchio è maggiore di un poligono equilatero iscritto più<br />
un terzo della di¤erenza tra questo poligono ed un poligono inscritto con metà<br />
lati.”<br />
49
”Teorema 6: Un cerchio è minore dei due terzi di un poligono equilatero<br />
circoscritto più un terzo del poligono simile inscritto.”<br />
”Teorema 7: La circonferenza di un cerchio è maggiore del perimetro di un<br />
poligono equilatero iscritto più un terzo della di¤erenza tra i perimetri di questo<br />
poligono e di un poligono inscritto con metà lati.”<br />
”Teorema 8: Se all’estremità del diametro di un cerchio si traccia la tangente<br />
e dall’estremità opposta si tira una retta che taglia il cerchio ed incontra la<br />
tangente, i due terzi della tangente intercettata più un terzo della retta che a<br />
partire del punto di intersezione cade ad angolo retto sul diametro sono maggiori<br />
dell’arco tagliato adiacente.”<br />
”Teorema 9: La circonferenza di un cerchio è minore dei due terzi del<br />
perimetro di un poligono equilatero iscritto più un terzo del perimetro di un<br />
poligono simile circoscritto.”<br />
”Problema 1:Trovare il rapporto tra la circonferenza ed il diametro, quanto<br />
si voglia vicino al vero.”<br />
”Problema 2: Prendere una retta uguale alla circonferenza di un dato cerchio.”<br />
”Problema 3: Prendere una retta uguale ad un arco qualsiasi.”<br />
”Teorema 10: Il lato di un poligono equilatero iscritto in un cerchio è medio<br />
proporzionale tra il lato del poligono simile circoscritto e la metà del lato del<br />
poligono inscritto con metà lati.”<br />
”Teorema 11: La circonferenza di un cerchio è minore della più piccola delle<br />
due medie proporzionali tra i perimetri di poligoni regolari simili, uno inscritto<br />
nel cerchio e l’altro circoscritto. E il cerchio è più piccolo del poligono simile a<br />
questi, con perimetro uguale alla più grande delle medie.”<br />
”Teorema 12: Se fra il prolungamento del diametro di un cerchio e la circonferenza<br />
si pone una retta uguale al raggio, che prolungata taglia ancora il cerchio<br />
ed incontra la tangente ad esso nell’estremità opposta del diametro, questa retta<br />
intercetta sulla tangente una parte più grande dell’arco adiacente formato.”<br />
”Teorema 13: Se al diametro di un cerchio si aggiunge un semidiametro e<br />
a partire dall’estremità della retta aggiunta si conduce una retta che taglia il<br />
cerchio incontrando la tangente al cerchio nell’estremità opposta del diametro,<br />
questa retta intercetta sulla tangente una parte più piccola dell’arco adiacente<br />
formato.”<br />
”Teorema 14: Il centro di gravità di un segmento di cerchio divide il diametro<br />
del segmento in modo tale che la parte al vertice è più grande dell’altra e minore<br />
una volta e mezzo dell’altra.”<br />
”Teorema 15: Un segmento di cerchio minore di un semicerchio sta al triangolo<br />
massimo inscritto in un rapporto più grande di quattro a tre, ma più<br />
piccolo del rapporto tra tre ed un terzo del diametro del segmento restante ed il<br />
diametro del cerchio con il triplo della retta dal centro del cerchio alla base del<br />
segmento.”<br />
”Teorema 16: Un arco qualunque, più piccolo di una semicirconfernza, è più<br />
grande della corda sottesa aumentata di un terzo della di¤erenza tra la corda ed<br />
il seno. Ma un tale arco è minore della corda più la retta che sta al detto terzo<br />
50
come il quadruplo della corda più il seno sta al doppio della corda più il triplo<br />
del seno.”<br />
”Problema 4: Trovare il rapporto tra la circonferenza e il diametro e, per<br />
mezzo di corde date inscritte in un cerchio, trovare la lunghezza degli archi ai<br />
quali esse sono sottese.<br />
Denotando con A(n) = n sin( =n) cos( =n) e B(n) = n tan( =n) le aree dei<br />
poligoni regolari con n lati inscritti e circoscritti ad un cerchio di raggio uno<br />
e con P (n) = 2n sin( =n) e Q(n) = 2n tan( =n) i perimetri di questi poligoni<br />
inscritti e circoscritti, i teoremi 5 e 6 si traducono nelle disuguaglianze<br />
A(2n) + 1<br />
3<br />
1 2<br />
(A(2n) A(n)) < < A(n) +<br />
3 3 B(n):<br />
Ponendo poi x = =n, questi teoremi si riducono alle disuguaglianze trigonometriche<br />
8 sin(x) sin(2x) sin(2x) + 4 tan(x)<br />
< x < :<br />
6<br />
6<br />
Similmente, i teoremi 7 e 9 si traducono nelle disuguaglianze<br />
P (2n) + 1<br />
(P (2n)<br />
3<br />
P (n)) < 2<br />
2 1<br />
< P (n) +<br />
3 3 Q(n);<br />
8 sin(x=2)<br />
3<br />
sin(x) 2 sin(x) + tan(x)<br />
< x < :<br />
3<br />
Il teorema 11 si traduce nelle disuguaglianze<br />
2 < 3p Q(n)P 2 (n); < 3p A(n)B 2 (n);<br />
x < sin(x)<br />
p :<br />
3 cos(x)<br />
Nel teorema 14, nel cerchio x 2 + y 2 1 il segmento con vertice (1; 0) ed<br />
estremi (cos(#); sin(#)) ha diametro con estremi (cos(#); 0) e (1; 0) e l’ascissa<br />
del baricentro è<br />
Z 1<br />
2<br />
2<br />
cos(#)<br />
Z 1<br />
cos(#)<br />
x p 1 x 2 dx<br />
p 1 x 2 dx<br />
Le disuguaglianze nel teorema sono dunque<br />
1<br />
2 sin 3 (x)<br />
3x 3 sin(x) cos(x)<br />
2 sin 3 (x) 3<br />
<<br />
3x 3 sin(x) cos(x) 2<br />
=<br />
cos(x) < 1<br />
2 sin 3 (#)<br />
3# 3 cos(#) sin(#) :<br />
2 sin 3 (x)<br />
3x 3 sin(x) cos(x) ;<br />
2 sin 3 (x)<br />
3x 3 sin(x) cos(x)<br />
51<br />
cos(x) :
Svolgendo i conti, la prima disuguaglianza si trasforma nella disuguaglianza<br />
già contenuta nei teoremi 5 e 7, 4 sin(x) sin(x) cos(x) < 3x. Invece la seconda<br />
disuguaglianza si trasforma in<br />
x < sin(x) 10 + 6 cos(x) cos2 (x)<br />
6 + 9 cos(x)<br />
In…ne, i teoremi 15 e 16 si traducono in disuguaglianze contenute nei teoremi<br />
precedenti. Tutti questi teoremi sono dimostrati da Huygens utilizzando<br />
solo la geometria euclidea, ma una volta tradotti in formule trigonometriche<br />
non è di¢ cile dimostrarli con un po’ d’analisi. Per esempio, per dimostrare<br />
l’ultima disuguaglianza, che è la più precisa tra quelle presentate da Huygens,<br />
è su¢ ciente osservare che la funzione<br />
si annulla in x = 0 ed è crescente<br />
d<br />
dx<br />
sin(x) 10 + 6 cos(x) cos 2 (x)<br />
6 + 9 cos(x)<br />
sin(x) 10 + 6 cos(x) cos 2 (x)<br />
6 + 9 cos(x)<br />
x<br />
!<br />
= 2 (1 + cos(x)) (1 cos(x))3<br />
x<br />
:<br />
4 + 12 cos(x) + 9 cos 2 (x)<br />
E dopo la teoria Huygens passa alla pratica. Nel problema 1 si osserva che<br />
il perimetro di un esagono regolare inscritto in un cerchio di raggio 10000 è<br />
60000 ed il perimetro di un dodecagono è circa 62116 + 1=2 ed un terzo della<br />
di¤erenza dei perimetri è 705 + 1=2. Quindi, applicando il teorema 7, si deduce<br />
un rapporto tra circonferenza e diametro un poco maggiore di 62822=20000 =<br />
3; 1411, un risultato migliore di quello ottenuto da Archimede con poligoni di<br />
96 lati. Poi nel problema 4, utilizzando il teorema sui baricentri di segmenti di<br />
cerchio, si ottengono stime ancora più precise. Comunque dopo Huygens tutti<br />
questi metodi vengono sostituiti dalle nuove tecniche del calcolo di¤erenziale ed<br />
integrale. In particolare, Isaac Newton (1642-1727) nella sua corrispondenza con<br />
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) osserva che le disuguaglianze di Snell ed<br />
i teoremi di Huygens si possono dimostrare facilmente sviluppando in serie di<br />
potenze le funzioni interessate:<br />
”Per trovare un’approssimazione di un arco con corda A e con B la corda<br />
di metà arco, se z è l’arco e r il raggio del cerchio, allora A, il doppio del seno<br />
della metà di z, e B sono<br />
B = z<br />
2<br />
A = z<br />
z 3<br />
+<br />
4 6r2 z 5<br />
&c:<br />
4 4 120r4 z3 z<br />
+<br />
2 16 6r2 5<br />
&c:<br />
2 16 16 120r4 Moltiplichiamo B per un numero …ttizio n, dal prodotto sottraiamo A, poi<br />
poniamo uguale a zero il termine nz 3 = 2 16 6r 2 z 3 = 4 6r 2 . Da questo<br />
risulta n = 8 e<br />
8B A = 3z<br />
3z5 + &c:<br />
64 120r4 52<br />
0:
Quindi z = (8B A) =3, con un errore per eccesso di solo z 5 =7680r 4 &c.<br />
Questo è il teorema di Huygens.”<br />
Poi Newton dimostra come far meglio di Huygens. Per stimare la misura<br />
dell’arco di cerchio x 2 + y 2 = 1 da (0; 0) a (cos(#); sin(#)), che ha lunghezza #,<br />
si traccia la retta per i punti ( + cos (#) ; 0) e (cos(#); sin(#)), che interseca<br />
la tangente al cerchio x = 1 in un punto di ordinata<br />
= # +<br />
sin(#) (<br />
y =<br />
+ (<br />
1 + cos (#))<br />
1) cos (#)<br />
+<br />
6 (1<br />
+ 2<br />
) #3 +<br />
( + 11 + 4) ( + 1) 10 ( + + 2) ( 1)<br />
120 ( + 1) 2 # 5 + :::<br />
Scegliendo = 9=5 e = 1=5 si annullano i coe¢ cienti di # 3 e # 5 e si<br />
ottiene<br />
sin(#) (14 + cos (#))<br />
9 + 6 cos (#)<br />
= # # 7 =2100 # 9 =18000 + :::<br />
Se nell’uguaglianza approssimata # sin(#) (14 + cos (#)) = (9 + 6 cos (#)) si<br />
sostituisce # = =6 si ottiene 81 25 p 3 =12 = 3; 14156:::. Alla luce di<br />
queste osservazioni di Newton, torniamo ad analizzare il metodo di Archimede<br />
ed i successivi ra¢ namenti di Nicola da Cusa, Snell, Huygens. Iniziamo con le<br />
disuguaglianze utilizzate da Archimede:<br />
sin(x) = x x 3 =6 + x 5 =120 x 7 =5040 + x 9 =362880 + :::<br />
tan(x) = x + x 3 =3 + 2x 5 =15 + 17x 7 =315 + 62x 9 =2835 + :::<br />
Quindi, sostituendo all’arco x il seno o la tangente si commette un errore<br />
per difetto dell’ordine di x 3 =6 o per eccesso dell’ordine di x 3 =3. Veniamo ora<br />
alle disuguaglianze di Nicola da Cusa e Snell:<br />
3 sin(x)<br />
2 + cos(x) = x x5 =180 x 7 =1512 x 9 =25920 + :::<br />
tan(x) + 2 sin(x)<br />
3<br />
= x + x 5 =20 + x 7 =56 + 7x 9 =960 + :::<br />
In entrambi i casi le approssimazione dell’arco x è dell’ordine di x 5 , se l’arco è<br />
piccolo il guadagno rispetto alle approssimazioni di Archimede è notevole. Consideriamo<br />
in…ne alcune delle disuguaglianze di Huygens, iniziando dai teoremi<br />
5 e 6:<br />
8 sin(x) sin(2x)<br />
6<br />
sin(2x) + 4 tan(x)<br />
6<br />
= x x 5 =30 + x 7 =252 x 9 =4320 + :::<br />
= x + 2x 5 =15 + 2x 7 =63 + 2x 9 =135 + :::<br />
In entrambi i casi l’approssimazione dell’arco x è dell’ordine di x 5 ed anche<br />
nei teoremi 7, 9, 11 l’ordine dell’approssimazione è lo stesso. Invece nel teorema<br />
53
14 l’approssimazione è dell’ordine di x 7 :<br />
sin(x) 10 + 6 cos(x) cos 2 (x)<br />
6 + 9 cos(x)<br />
= x + x 7 =350 + x 9 =4500 + :::<br />
A questo punto risulta naturale congetturare che esistono approssimazioni<br />
ancora migliori. Un semplice modo per ottenerle è di partire dall’identità x =<br />
arcsin (sin(x)) o x = arctan (tan(x)) e sviluppare in serie di potenze l’arco seno<br />
o l’arco tangente. È chiaro che allontanandoci dalla tradizione greca stiamo<br />
incontrando una nuova matematica.<br />
54
LOGARITMI:<br />
Per il matematico policefalo Nicolas Bourbaki gli esponenziali ed i logaritmi<br />
sono degli isomor…smi tra il gruppo additivo R ed il gruppo moltiplicativo<br />
R+. Detto in modo più popolare, gli esponenziali ed i logaritmi trasformano<br />
i prodotti in somme. I prodotti sono operazioni più complicate delle somme e<br />
prima dell’introduzione<br />
dei logaritmi si sono usate delle tavole dei quadrati e delle tavole trigonometriche<br />
per trasformare questi in quelle,<br />
a b = (a + b)2 (a b) 2<br />
4<br />
;<br />
cos(<br />
cos( ) cos( ) =<br />
) + cos(<br />
2<br />
+ )<br />
:<br />
Georg Joachim Rheticus (1514-1576), discepolo e collaboratore di Copernico,<br />
inizia la compilazione di tavole trigonometriche con 15 decimali, poi completate<br />
nel 1596.<br />
55
Nell’”Arenario” di Archimede si trova la seguente a¤ermazione:<br />
Albrecht<br />
Dürer<br />
1554.<br />
”Siano dati dei numeri in proporzione continua A, B, C, D, E, F, G, H,<br />
I, K, L,..., a partire dall’unità A. Si moltiplichi D per H e si prenda nella<br />
proporzione il termine L distante da H quanto D dista dall’unità, allora L è<br />
uguale al prodotto D per H.”<br />
L’”Arithmetica integra” di Michael Stifel (1487-1567) contiene la tavola<br />
3 2 1 0 1 2 3 4 5 6<br />
1=8 1=4 1=2 1 2 4 8 16 32 64<br />
”L’addizione in progressioni aritmetiche corrisponde alla moltiplicazione in<br />
progressioni geometriche... La sottrazione corrisponde alla divisione... La moltiplicazione<br />
all’elevamento a potenza... La divisione all’estrazione di radice...”<br />
Una tavola di numeri simile ma abbastanza densa rende possibile e conveniente<br />
la trasformazione di prodotti in somme. Nel 1614 John Napier (1550-<br />
1617) pubblica la ”Descrizione del meraviglioso canone dei logaritmi”e nel 1619<br />
la ”Costruzione del meraviglioso canone dei logaritmi”, con la de…nizione:<br />
”I logaritmi sono numeri che associati a proporzioni conservano uguali differenze.”<br />
" 0<br />
o o<br />
` # 0<br />
o&", numero del rapporto. I logaritmi di progressioni geo-<br />
metriche sono progressioni aritmetiche. In una progressione geometrica a, ax,<br />
ax 2 , ax 3 ,..., il rapporto x tra due termini consecutivi è la ragione, x 2 la ragione<br />
seconda, x 3 la ragione terza,..., i numeri 0, 1, 2, 3,... sono i numeri della<br />
ragione. Nepero dà anche una descrizione cinematica dei suoi logaritmi, che<br />
sono logaritmi di seni di angoli. Se un punto x si muove tra r e 0 con velocità<br />
decrescente x e se contemporaneamente un punto y si muove tra 0 e +1<br />
56
con velocità uniforme r, allora y è il logaritmo di x. Si tratta del sistema di<br />
equazioni di¤erenziali<br />
dx=dt = x;<br />
x(0) = r;<br />
dy=dt = r;<br />
y(0) = 0;<br />
con soluzioni x(t) = r exp( t) e y(t) = rt, cioè x = r exp( y=r) e y = r log(r=x).<br />
In questa de…nizione il logaritmo del prodotto non è la somma dei logaritmi,<br />
ma quasi, se x1 e x2 hanno logaritmi y1 e y2, allora y1 + y2 è il logaritmo di<br />
r 1 x1x2. In particolare, se r è una potenza di 10 ed i numeri sono scritti in<br />
frazioni decimali, la conversione da r 1 x1x2 a x1x2 è immediata. Infatti la<br />
scelta di Nepero per r è 10 7 ed a lui si deve l’odierna notazione decimale:<br />
”Nei numeri con un punto in mezzo, quello che viene dopo il punto è una<br />
frazione, il denominatore della quale è una unità con tanti zeri quante sono le<br />
cifre dopo il punto. Per esempio, 10000000:04 è lo stesso che 10000000 4<br />
100 ”.<br />
In…ne, Nepero osserva che per calcolare il logaritmo di un numero intero è<br />
su¢ ciente conoscere i logaritmi dei fattori primi, è quindi possibile costruire<br />
una tavola di logaritmi a partire da un numero ridotto di logaritmi primitivi.<br />
Nepero non ha una precisa idea di base per il suo sistema di logaritmi, le sue<br />
tavole fanno semplicemente corrispondere una progressione aritmetica ad una<br />
geometrica. Il legame tra il logaritmo e la funzione esponenziale e la de…nizione<br />
di logaritmo come esponente da dare ad una base per ottenere un numero si trova<br />
in James Gregory (1638-1675), ”gli esponenti sono come logaritmi”, poi in John<br />
Wallis (1616-1703) che nella sua ”Algebra” del 1685 considera le progressioni<br />
aritmetiche 0, 1, 2, 3,... e geometriche r 0 , r 1 , r 2 , r 3 ,... ed osserva:<br />
”Gli esponenti si chiamano logaritmi. Questi sono numeri arti…ciali che<br />
sono associati ai numeri naturali in modo tale che le loro addizioni e sottrazioni<br />
corrispondono alle moltiplicazioni e divisioni dei numeri naturali”.<br />
In…ne, nella ”Introduzione all’analisi dell’in…nito”pubblicata nel 1748 Leonhardo<br />
Eulero (1707-1783) de…nisce esplicitamente le funzioni esponenziali ed i<br />
logaritmi:<br />
”Le quantità esponenziali non sono nient’altro che potenze con esponente<br />
variabile e dalla loro inversione si arriva in modo naturale i logaritmi... a z è la<br />
potenza di una quantità costante a con un esponente variabile z... Se a z = y...<br />
questo valore z si chiama logaritmo di y...ed a si chiama base del logaritmo”.<br />
La base dei logaritmi naturali è il numero e, ”il numero il cui logaritmo iperbolico<br />
è uguale ad uno”. In quest’opera, dopo il capitolo ”Sulle quantità esponenziali<br />
ed i logaritmi”, nel capitolo ”Sulle quantità trascendenti che nascono dal<br />
cerchio”si de…niscono anche le funzioni trigonometriche nel modo tuttora in uso.<br />
Joost Bürgi (1552-1632) sembra sia arrivato alla scoperta dei logaritmi qualche<br />
anno prima di Nepero, ma pubblica le sue tavole solo nel 1620. Le prime tavole di<br />
logaritmi neperiani sono basate sulla progressione geometrica 10 7 1 10 7 n ,<br />
cioè il logaritmo neperiano di 10 7 1 10 7 n è n, mentre quelle di Bürgi sono<br />
57
asate sulla progressione 10 8 1 + 10 4 n . In entrambi i casi si intravede in<br />
embrione la de…nizione di e = limn! 1 (1 + 1=n) n e dei logaritmi naturali<br />
compaiono in appendice all’opera di Nepero, con l’osservazione che numeri con<br />
rapporto 2 hanno logaritmi con di¤erenza 6931469; 22 e numeri con rapporto<br />
10 hanno logaritmi con di¤erenza 23025842; 34. Infatti log(2) = 0; 693147::: e<br />
log(10) = 2; 302585:::..<br />
I logaritmi suscitano un immediato e generale entusiasmo:<br />
”La matematica ha ricevuto considerevoli vantaggi prima dall’introduzione<br />
dei caratteri indiani e poi delle frazioni decimali. Ora dall’invenzione dei logaritmi<br />
sta raccogliendo almeno tanto quanto dalle altre due assieme. Per mezzo<br />
di questi, come tutti sanno, dei numeri quasi in…niti ed in altro modo intrattabili<br />
sono trattati facilmente e rapidamente. Il marinaio governa il suo vascello,<br />
il geometra investiga la natura delle curve, l’astronomo determina la posizione<br />
delle stelle, il …losofo spiega i fenomeni naturali e, per …nire, l’usuraio calcola<br />
gli interessi dei suoi soldi”.<br />
Nepero e Henry Briggs (1561-1639) si accordano per costruire delle tavole<br />
con il logaritmo di 1 uguale a 0 e quello di 10 uguale a 1. Prendendo delle<br />
radici iterate p 10, pp<br />
qpp 2 10, 10,..., Briggs arriva a calcolare 10 54<br />
e, posto<br />
54<br />
2 log10 (1) = 0 e log10 10 = 2 54 , utilizzando il fatto che il logaritmo del<br />
prodotto di due numeri è la somma dei logaritmi, costruisce delle tavole di logaritmi<br />
in base 10 con quattordici decimali. Le tavole di Briggs sono pubblicate<br />
nel 1624. All’amico ed ex insegnante Michael Maestlin (1550-1631), che esprime<br />
dubbi sulla teoria di questi logaritmi e che osserva che non è poi il caso<br />
di entusiasmarsi tanto per un mero aiuto al calcolo, Johannes Keplero (1571-<br />
1630) replica dimostrando le proprietà dei logaritmi a partire dalla teoria delle<br />
proporzioni nel Libro V degli ”Elementi” di Euclide. Poi calcola delle tavole<br />
di logaritmi con otto cifre. Queste ”Tabulae Rudolphinae”, insieme a tabelle<br />
e regole per predire la posizione dei pianeti ed un catalogo con più di mille<br />
stelle, sono pubblicate dal 1624 al 1627. Per il povero Keplero, che ha pagato di<br />
tasca propria la pubblicazione, non è un gran successo editoriale: ”I compratori<br />
58
sono pochi. È sempre così con delle opere di matematica, specialmente in questi<br />
tempi di caos”. Quale ausilio alla navigazione, nel 1620 Edmund Gunter (1581-<br />
1626) costruisce dei regoli rudimentali e qualche anno dopo William Oughtred<br />
(1574-1660) ne costruisce di più perfezionati. Nel 1653 viene pubblicato il primo<br />
trattato sui logaritmi in Cina e nel 1722 i logaritmi raggiungono il Giappone.<br />
Concludiamo con qualche curiosità. Nel XIX secolo si scopre che nostra<br />
risposta a stimoli luminosi, acustici, o altri, non dipende dalla di¤erenza tra<br />
le intensità di questi stimoli, ma dal loro rapporto, cioè la scala delle nostre<br />
percezioni è logaritmica. Anche senza saperlo, abbiamo sempre avuto i logaritmi<br />
nel cervello. Nel 1881 l’astronomo Simon Newcomb (1835-1909), osservando che<br />
le prime pagine delle sue tavole dei logaritmi sono più sporche e consunte delle<br />
ultime, formula la legge empirica che le frequenze dei numeri che iniziano con<br />
una data cifra d = 1; 2; 3; :::; 9 non sono tutte uguali a 1=9 = 0; 111:::, ma la cifra<br />
d ha una frequenza log 10(1 + 1=d), in particolare l’uno compare più del due, il<br />
due più del tre,..., il nove meno di tutti.<br />
Cifra 1 2 3 4 5 6 7 8 9<br />
Frequenza 0,301 0,176 0,124 0,096 0,079 0,066 0,057 0,051 0,045<br />
”I numeri in natura sono quozienti di quantità. Quindi, invece di scegliere a<br />
caso un numero, dobbiamo sceglierne due, e dobbiamo chiederci qual’è la probabilità<br />
che la prima cifra signi…cativa del loro rapporto sia n”. Scrivendo i numeri<br />
come potenze di 10, per calcolarne un rapporto basta sottrarre gli esponenti.<br />
La prima cifra dipende solo dalla parte frazionaria degli esponenti, e Newcomb<br />
congettura che questa parte frazionaria sia equidistribuita: ”Le mantisse dei<br />
logaritmi sono equiprobabili”. Nel 1938 il …sico Frank Benford (1883-1948), analizzando<br />
le più disparate tavole di numeri, comprese le statistiche dell’American<br />
League di baseball, arriva a formulare la stessa legge. Se una variabile aleatoria<br />
X ha una distribuzione uniforme in [0; 1], allora 10 X soddisfa la legge di<br />
Benford. Insomma, viviamo in un mondo logaritmico.<br />
59
Regolo di Oughtred<br />
60<br />
Compasso geometrico di Galileo
P. Gregorii a S to Vincentio Opus Geometricum Quadreaturae Circuli<br />
Et Sectionum Coni Decem Libris Comprehensum MDCXLVII<br />
61
NASCITA DEL CALCOLO:<br />
Il problema di calcolare la velocità conoscendo lo spazio percorso in funzione<br />
del tempo ed il problema inverso di calcolare lo spazio conoscendo la velocità<br />
conducono in modo naturale allo studio delle tangenti e delle aree sottese dalle<br />
curve che descrivono il moto. Anche i problemi di ri‡essione e rifrazione in ottica<br />
conducono allo studio delle tangenti. Nel XVII secolo, con la meccanica di<br />
Galileo Galilei (1564-1642) e la geometria analitica di Descartes e Pierre Fermat<br />
(1601-1665), vengono studiate molte nuove curve e per mezzo del nascente calcolo<br />
se ne tracciano le tangenti e misurano il perimetro e l’area. I risultati sono<br />
così numerosi e si susseguono con tale rapidità che risulta di¢ cile assegnarne la<br />
paternità.<br />
”La …gura ovale esser doppia del circolo<br />
posto nel medesimo parallelo di tal …gura<br />
ovale... e questa tal prova resta persuasiva<br />
immaginando esser diviso il circolo in<br />
istrettissimi paralleli, a modo di sottilissimi<br />
capelli in continuo contatto tra loro e che<br />
il moto di ciascun parallelo sia rectamente<br />
duplicato nel medesimo parallelo...”.<br />
62<br />
Codice Atlantico
La scodella di Galileo<br />
ed il volume della sfera<br />
secondo Luca Valerio.<br />
Tagliando il cilindro x 2 + y 2 R 2 ; 0 x R , il cono x 2 + y 2 z 2 ;<br />
0 z Rg e la semisfera x 2 + y 2 + z 2 R 2 ; 0 x R con i piani<br />
fz = tg , si ottengono sezioni di area R 2 , t 2 , R 2 t 2 . Quindi le<br />
sezioni della semisfera sono uguali alle sezioni del cilindro meno il<br />
cono, la semisfera ha volume uguale al cilindro meno il cono.<br />
L’area di un triangolo<br />
sferico secondo<br />
Albert Girard.<br />
Tre archi di cerchio massimo dividono una sfera di raggio R nei triangoli<br />
A, B, C, T , più altri quattro triangoli antipodali uguali. In particolare,<br />
T + A + B + C = 2 R 2 . I triangoli A e T formano uno spicchio di angolo<br />
ed area A + T = 2 R 2 . Similmente, B + T = 2 R 2 e C + T = 2 R 2 .<br />
Sommando, A + B + C + 3T = 2 ( + + ) R 2 , e sempli…cando,<br />
T = ( + + ) R 2 .<br />
Le quadrature di parabole ed ellissi sono opera di Archimede. Fermat,<br />
Cavalieri e Evangelista Torricelli (1608-1647) quadrano le parabole ed iperboli<br />
generalizzate ym = xn e ymxn Z b<br />
= 1. In notazione moderna x dx =<br />
b +1 a +1 = ( + 1), se +1 6= 0. Torricelli osserva anche che dalla conoscenza<br />
della quadratura si ricava la regola per la costruzione delle tangenti, e viceversa.<br />
Ecco come Cavalieri calcola l’area sotto la curva y = x 2 . Sommando le ordinate<br />
dell’identità x 2 + (a x) 2 = a 2 =2 + 2 (x a=2) 2 , noi diremmo integrando,<br />
Z a<br />
x 2 Z a<br />
dx +<br />
0<br />
0<br />
(a x) 2 dx = a 2 =2<br />
Z a Z a<br />
dx + 2 (x a=2) 2 dx:<br />
I primi due integrali sono uguali al volume di una piramide con base quadrata<br />
di lato a e altezza a. Il terzo integrale è il volume di un parallelepipedo con lati<br />
63<br />
0<br />
0<br />
a
a, a, a=2. L’ultimo integrale, a parte il fattore 2, è il volume di due piramidi con<br />
basi e altezza a=2. Per la similitudine tra le piramidi, se quelle grandi hanno<br />
volume V , quelle piccole hanno volume V=8. Si ottiene quindi l’uguaglianza<br />
2V = a 3 =2 + V=2, da cui si ricava V = a 3 =3. Anche se è un risultato già<br />
noto ai greci, il metodo è nuovo e si presta ad essere generalizzato a potenze<br />
superiori alla seconda. Per calcolare l’area sotto la curva y = x , Fermat divide<br />
l’intervallo 0 < x < a in una progressione geometrica a, aq, aq 2 , aq 3 ,..., con<br />
q < 1, ed approssima la regione sotto la curva con i rettangoli di base aq n aq n+1<br />
e altezza (aq n ) . Quindi, sommando rispetto ad n e prendendo il limite per<br />
q ! 1 ,<br />
Z a<br />
0<br />
x dx = lim<br />
q!1<br />
= a +1 lim<br />
q!1<br />
(<br />
+1X<br />
(aq n ) aq n<br />
aq n+1<br />
n=0<br />
+1<br />
1 q a<br />
=<br />
1 q +1 + 1 :<br />
In questo conto > 1, ma un conto analogo permette di calcolare<br />
)<br />
Z +1<br />
a<br />
x dx<br />
con < 1. Il calcolo dell’integrale di x 1 è opera del Gesuita Gregorio di San<br />
Vincenzo (1584-1667). Nella sua ”Opera geometrica per la quadratura del cerchio<br />
e delle sezioni di cono” del 1647, insieme a presunte quadrature del cerchio<br />
subito contestate da Cartesio e confutate da Huygens, si trova anche una vera<br />
quadratura dell’iperbole:<br />
”Se delle parallele ad un asintoto di una iperbole tagliano segmenti di area<br />
uguale, queste parallele sono in progressione continua”.<br />
Se da un asintoto di una iperbole si tracciano delle parallele all’altro asintoto<br />
e se le aree dei quadrilateri mistilinei che si vengono a formare sono uguali, allora<br />
64
le lunghezze dei segmenti paralleli sono in progressione geometrica e viceversa,<br />
se le lunghezze sono in progressione geometrica, allora le aree sono uguali. Si<br />
Z b<br />
dx<br />
tratta della relazione<br />
x =<br />
Z ab<br />
dx<br />
che si può dimostrare con un cambio di<br />
x<br />
1<br />
a<br />
variabile x ax, se la base dx si dilata di un fattore a e l’altezza 1=x si contrae<br />
di 1=a, l’area dx=x non cambia. La dimostrazione di Gregorio utilizza il metodo<br />
di esaustione, dividendo le basi dei segmenti di iperbole in una progressione<br />
geometrica. Nell’iperbole y = 1=x l’area compresa tra le ascisse qn e qn+1 è<br />
compresa tra q n 1 qn+1 qn e q n qn+1 qn , cioè 1 q 1 e q 1. Quindi<br />
l’area da qm a qn è compresa tra (n m) 1 q 1 e (n m) (q 1), se le ascisse<br />
crescono un modo geometrico, le aree crescono in modo aritmetico.<br />
Marin Mersenne (1588-1648) pone il problema: ”Date tre grandezze, razionali<br />
o irrazionali, ed i logaritmi di due di queste, trovare geometricamente il<br />
logaritmo della terza”. Alfonso Antonio de Sarasa (1618-1667) risolve il problema,<br />
traducendo la proposizione del confratello Gregorio in termini di logaritmi,<br />
l’area sotto un’iperbole soddisfa l’equazione funzionale del logaritmi,<br />
Z ab<br />
1<br />
dx<br />
x =<br />
Z a<br />
1<br />
dx<br />
x +<br />
Z ab<br />
a<br />
dx<br />
x =<br />
Z a<br />
1<br />
dx<br />
x +<br />
L’area<br />
Z<br />
sotto l’iperbole equilatera y = 1=x de…nisce i logaritmi iperbolici<br />
x<br />
dt<br />
log(x) = e la base di questi logaritmi è il numero e. Di fatto i logar-<br />
1 t<br />
itmi così de…niti sono l’unica funzione di¤erenziabile che trasforma i prodotti in<br />
somme, L(x y) = L(x)+L(y). Infatti, ponendo x = y = 1 in questa uguaglianza,<br />
si ricava L(1) = 0. Derivando rispetto a y si ottiene xL0 (x y) = L0 (y) e, per<br />
y = 1, si ottiene anche L0 (x) = L0 (1)=x. Quindi, L(x) = L0 Z x<br />
dt<br />
(1) e la scelta<br />
1 t<br />
naturale per la costante L0 (1) è 1. Nella ”Geometria speciosa” del 1659 Pietro<br />
Mengoli (1625-1686) de…nisce esplicitamente i logaritmi naturali come limiti di<br />
successioni,<br />
1 1 1<br />
log(p=q) = lim + + ::: +<br />
n!+1 qn qn + 1 pn :<br />
Infatti, dividendo l’area sotto<br />
Z<br />
la curva y = 1=x in rettangoli con base<br />
pn<br />
dx<br />
uno si vede che log(p=q) = è maggiore dell’ipologaritmo e minore<br />
qn x<br />
dell’iperlogaritmo,<br />
1 1 1<br />
+ + ::: +<br />
qn + 1 qn + 2 pn <<br />
Z pn<br />
dx 1 1<br />
< + + ::: +<br />
x qn qn + 1 1<br />
pn 1 :<br />
qn<br />
65<br />
Z b<br />
1<br />
dx<br />
x :
di<br />
Per dimostrare la formula log(xy) = log(x) + log(y) basta poi osservare che<br />
lim<br />
n!+1<br />
log a<br />
b<br />
c<br />
d<br />
1<br />
+ ::: +<br />
bdn<br />
= lim<br />
n!+1<br />
1<br />
adn 1<br />
= log a<br />
b<br />
1<br />
1<br />
+ ::: +<br />
bdn acn 1 =<br />
+ lim<br />
n!+1<br />
+ log c<br />
d :<br />
1<br />
+ ::: +<br />
dan<br />
1<br />
can 1<br />
In particolare, Mengoli osserva che il logaritmo di 2 è il limite per n ! +1<br />
1=n + 1=(n + 1) + ::: + 1=2n<br />
= (1 + 1=2 + ::: + 1=2n) (1 + 1=2 + ::: + 1=(n 1))<br />
= (1 + 1=3 + 1=5 + ::: + 1=(2n 1)) (1=2 + 1=4 + 1=6 + ::: + 1=2n)<br />
= 1 1=2 + 1=3 1=4 + ::: + 1=(2n 1) 1=2n:<br />
Cavalieri si fa divulgatore dei logaritmi in Italia e Torricelli per primo studia<br />
le proprietà della curva esponenziale, che chiama semi iperbole logaritmica<br />
perché si costruisce con i logaritmi ed assomiglia ad una iperbole con un solo<br />
asintoto, ne traccia il gra…co, calcola l’area sottostante, determina il volume<br />
del solido generato dalla rotazione della curva attorno all’asse delle ascisse. Nel<br />
1638 Florimond de Beaune (1601-1652) pone a Cartesio il problema di determinare<br />
una curva con sottotangente costante. La sottotangente è il rapporto<br />
tra l’ordinata e la pendenza, si tratta quindi di risolvere l’equazione di¤erenziale<br />
dy=dx = y=m. Nel 1644 Torricelli dimostra che soluzione è la curva log-<br />
aritmica, se y = a x si ha dy=dx = a x log(a) e la sottotangente è 1= log(a).<br />
Torricelli dimostra anche che l’area Z tra due ascisse è la di¤erenza tra le ordi-<br />
q<br />
nate per la sottotangente, cioè<br />
p<br />
a x dx = (a q a p ) = log(a). Nel 1661 Huygens<br />
de…nisce una curva con la proprietà che l’ordinata del punto medio tra due<br />
ascisse è media proporzionale tra le ordinate di queste ascisse e, come Torricelli,<br />
chiama questa curva logaritmica. Utilizzando delle tavole di logaritmi,<br />
Huygens calcola il rapporto tra la sottotangente ed il tempo di dimezzamento,<br />
1= log(2) che approssima con 13/9. Calcola anche 17 cifre decimali del logaritmo<br />
in base 10 di e, ma apparentemente non considera questa costante come<br />
il logaritmo di un numero, poi il numero e appare esplicitamente in una lettera<br />
di Leibniz a Huygens. In…ne, nel 1684 Leibniz pubblica le sue ricerche<br />
sul calcolo di¤erenziale, con la sua soluzione del problema di de Beaune, una<br />
curva con sottotangente costante è esponenziale. Il numero e corrisponde alla<br />
sottotangente uno. La funzione esponenziale fa la sua apparizione anche in<br />
…sica. Nel 1668 Huygens studia la caduta di un corpo soggetto ad una gravità<br />
costante e ad una resistenza proporzionale alla velocità. Risolvendo l’equazione<br />
a(t) = g k R t<br />
a(s)ds, con a(t) l’accelerazione, riconosce nella soluzione la fun-<br />
0<br />
zione logaritmica. La teoria non si accorda però con gli esperimenti e Huygens<br />
sostituisce una resistenza proporzionale al quadrato della velocità, ma la<br />
66
soluzione si complica. Nel 1701 Newton presenta i risultati dei suoi esperimenti<br />
sulla di¤usione del calore che mostrano che un oggetto riscaldato si riavvicina<br />
alla temperatura ambiente in modo approssimativamente esponenziale. In particolare,<br />
Newton congettura una perdita di calore del corpo proporzionale alla<br />
di¤erenza tra la temperatura del corpo e dell’ambiente e da questo deduce che<br />
il logaritmo della di¤erenza di temperatura varia uniformemente col tempo. Le<br />
applicazioni …siche dell’esponenziale si moltiplicano e risulta di¢ cile farne un<br />
elenco, per esempio la scoperta di E.Rutherford (1871-1937) del decadimento<br />
radioattivo è del 1903. L’interpretazione probabilistica del fenomeno è che gli<br />
atomi non hanno memoria e la probabilità di decadere in un certo intervallo di<br />
tempo ha una distribuzione esponenziale.<br />
Se un oggetto è trascinato con una fune con un estremo che si muove<br />
lungo una retta, la traiettoria è la trattrice di Huygens. Se la fune ha<br />
lunghezza uno ed un estremo sull’asse delle ascisse, le coordinate (x; y)<br />
dell’oggetto soddisfano l’equazione di¤erenziale dy=dx = y= p 1 y 2 ,<br />
con soluzione x c = log 1 + p 1 y 2 =y p 1 y 2 .<br />
Nell’opera ”Aritmetica degli in…niti” pubblicata nel 1665 Wallis de…nisce<br />
le potenze con esponenti negativi o frazionari. Con un complicato processo di<br />
induzione ed interpolazione passa dall’area sotto le curve y = 1 x 2 n a quella<br />
sotto le curve y = 1 x 2 n=2 ed esprime l’area del semicerchio y = p 1 x 2<br />
sotto forma di prodotto in…nito,<br />
2<br />
= 2 2 4 4 6 6 8 8 :::<br />
1 3 3 5 5 7 7 9 ::: ;<br />
67
ottenendo anche le approssimazioni<br />
8<br />
><<br />
4 3<br />
<<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
6<br />
7<br />
8<br />
9<br />
8<br />
9<br />
10<br />
11<br />
10<br />
11<br />
12<br />
13<br />
12<br />
13<br />
14<br />
>:<br />
4 3<br />
><br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
6<br />
7<br />
8<br />
9<br />
8<br />
9<br />
10<br />
11<br />
10<br />
11<br />
12<br />
13<br />
12<br />
13<br />
14<br />
2 n=2<br />
Le curve y = 1 x<br />
ed il prodotto in…nito di Wallis.<br />
Z +1<br />
1 x<br />
1<br />
2 1=2 dx = 1<br />
2 ;<br />
Z +1<br />
1 x<br />
1<br />
2 3=2 1 3<br />
dx =<br />
Z +1<br />
1 x<br />
1<br />
2 5=2 dx =<br />
Z +1<br />
1 x<br />
lim<br />
n!+1<br />
1<br />
2 n+1=2 dx<br />
Z +1<br />
(1<br />
1<br />
x2 ) n dx<br />
2 4 ;<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6 ;<br />
= 1;<br />
r<br />
1 + 1<br />
13 ;<br />
r<br />
1 + 1<br />
14 :<br />
Z +1<br />
1 x<br />
1<br />
2 1 dx = 2<br />
3 2;<br />
Z +1<br />
1 x<br />
1<br />
2 2 2 4<br />
dx =<br />
Z +1<br />
1<br />
1 x2 3 dx =<br />
2<br />
3 5 2;<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
2; :::<br />
7<br />
= 2 2 4 4 6 6 :::<br />
1 3 3 5 5 7 ::: :<br />
Dopo il cerchio x 2 + y 2 = 1, Wallis a¤ronta l’iperbole x 2 y 2 = 1, questa<br />
volta senza successo. Comunica le sue scoperte a William Brouncker (1620-<br />
1684), il primo presidente della Royal Society, che riesce a calcolare l’area tra 1<br />
e 2 sotto l’iperbole xy = 1 sotto forma di serie 1 1=2 + 1=3 1=4 + ::: e riesce<br />
a trasformare il prodotto in…nito di Wallis nello sviluppo in frazioni continue<br />
4<br />
= 1 +<br />
2 +<br />
1 2<br />
3 2<br />
2 + 52<br />
2 + :::<br />
Le frazioni continue sono implicitamente contenute nell’algoritmo euclideo<br />
per la ricerca del massimo comun divisore tra due numeri e sono introdotte nel<br />
”L’Algebra” da Raphael Bombelli (1526-1573) come ”modo di formare il rotto<br />
nella estrattione delle radici quadrate”. Sono poi esplicitamente de…nite, ”rotti,<br />
& rotti di rotti...”, da Pietro Antonio Cataldi (1548-1626) nel ”Trattato del modo<br />
brevissimo di trovare la radice quadra delli numeri, et regole da approssimarsi<br />
di continuo al vero nelle radici de’ numeri non quadrati...”. Prima di scoprire<br />
le frazioni continue, nel ”Trattato della quadratura del cerchio” Cataldi cerca di<br />
68<br />
:
trasformare i primi venti decimali di in frazioni. Nella progettazione degli ingranaggi<br />
di un planetario, Huygens utilizza le frazioni continue per approssimare<br />
i rapporti tra i periodi di rivoluzione dei pianeti con frazioni di denominatore<br />
basso.<br />
I triangoli ABD e ABF sono simili. Se l è<br />
il lato e d la diagonale, d : l = l : (d l).<br />
Se d : l = x, si ha x2 x 1 = 0, ed anche<br />
x = 1 + 1=x = 1 + 1= (1 + 1=x) = :::. Quindi<br />
1 + p 5<br />
2<br />
1<br />
= 1 +<br />
1<br />
1 +<br />
1 + 1<br />
.<br />
1 + :::<br />
Se L e D sono il lato e la<br />
diagonale di un quadrato,<br />
D D L 1<br />
= 1 + = 1 +<br />
L L L<br />
D L<br />
1<br />
= 1 +<br />
= 1 +<br />
2L D<br />
1 +<br />
D L<br />
1<br />
1 + D<br />
:<br />
p L<br />
2 è soluzione dell’equazione<br />
x = 1 + 1= (1 + x) .<br />
p 1<br />
2 = 1 +<br />
1<br />
2 +<br />
2 + 1<br />
:<br />
2 + :::<br />
Trascuriamo ancora per un momento il cerchio e l’iperbole per occuparci<br />
brevemente di qualche altra curva. Una spirale è una curva descritta in coordinate<br />
polari da un’equazione = f(#). La prima ad essere studiata è stata la<br />
spirale di Archimede = #, per le altre si è dovuto aspettare quasi 1800 anni.<br />
Nella navigazione lossodromica, descritta dal cartografo Pedro Nunes (1502-<br />
1578) e da Thomas Harriot (1560-1621), seguendo la bussola si tagliano i meridiani<br />
con angoli costanti e si percorre una spirale sulla sfera terrestre. Nel 1590<br />
Harriot calcola anche l’area e la lunghezza della spirale logaritmica, l’immagine<br />
su una carta geogra…ca della spirale sulla sfera attraverso una proiezione cilindrica<br />
di Gerardus Mercator (1512-1594).<br />
69
Portolano del XVI secolo. Pedro Nunes.<br />
Nel ”Dialogo dei massimi sistemi” Galileo Galilei, discorrendo del moto di<br />
un proiettile, osserva che un corpo che ruota attorno ad un centro con velocità<br />
angolare uniforme e cade verso il centro con velocità uniforme descrive una<br />
spirale di Archimede, ma se la velocità verso il centro è uniformemente accelerata<br />
la curva descritta è di¤erente. Galileo ritiene che sia un semicerchio, invece è<br />
ancora una spirale, # = t e = t 2 , quindi = 2 # 2 . Fermat calcola<br />
l’area spazzata da questa spirale e ne studia altre, m = # n . Nel 1638 Cartesio,<br />
forse insoddisfatto della teoria di Galileo e pensando che il moto dei pianeti sia<br />
provocato da immensi vortici di etere, de…nisce una curva con la proprietà di<br />
essere tagliata con angoli costanti da rette per l’origine, d =( d#) = , quindi<br />
log( ) = # + . È una spirale logaritmica, che ad angoli in progressione<br />
aritmetica associa raggi in progressione geometrica. Cartesio dimostra che la<br />
lunghezza di un tratto di spirale è proporzionale alla distanza dal centro ed<br />
anche Torricelli studia questa curva, calcolandone la lunghezza e l’area spazzata<br />
dal raggio. In notazione in…nitesimale, la lunghezza di un tratto in…nitesimo<br />
di spirale = exp( # + ) è<br />
q<br />
(d ) 2 + ( d#) 2 = p 1 + 2 d e un elemento<br />
in…nitesimo di area è 2 1 2 d# = 2 1 1 d . In particolare, la lunghezza di un<br />
tratto di curva è direttamente proporzionale all’incremento del raggio e l’area<br />
spazzata dal raggio è proporzionale al quadrato del raggio.<br />
70
Broccolo romano. Ammonite (Giurassico). Galassia M101.<br />
”Spirali<br />
in…nite” di<br />
Torricelli.<br />
Quadratura e retti…cazione<br />
della spirale logaritmica di<br />
Thomas Harriot: L’area della<br />
spirale è uguale al triangolo<br />
isoscele con vertice X, e la<br />
lunghezza della spirale è la<br />
somma dei lati AX + XO.<br />
Le tangenti ad una spirale logaritmica hanno un angolo costante con<br />
i raggi per il polo O. Se P è un punto sulla spirale e Q l’intersezione<br />
tra la tangente alla spirale in P e la retta per O perpendicolare al<br />
raggio OP , il segmento P Q è lungo quanto il tratto di spirale da P<br />
ad O e l’area del triangolo OP Q è doppia dell’area spazzata dal<br />
raggio nei suoi in…niti avvolgimenti da P a O.<br />
71
”Indivisibili”<br />
di Cavalieri e<br />
”Iperboli in…nite”<br />
di Torricelli.<br />
Il ”solido iperbolico acutissimo” ottenuto ruotando l’iperbole<br />
f0 < y < 1=xg intorno all’asintoto y = 0 può essere scomposto<br />
nnegli<br />
”indivisibili curvi” formati dalle super…ci laterali dei cilindri<br />
0 < x < t; p y2 + z2 o<br />
= 1=t , che sono tutte uguali a 2 . Il solido<br />
n<br />
in…nito x > 0; p y2 + z2 o<br />
< min f1=a; 1=xg ha area in…nita ma<br />
volume …nito 2 =a. Si può riempire di vernice, ma non pitturare!<br />
Z +1 q<br />
Area = 2 y 1 + (dy=dx)<br />
a<br />
2 Z +1<br />
dx<br />
dx > 2 = +1;<br />
Z a x<br />
+1<br />
V olume = y2 Z +1<br />
dx<br />
dx =<br />
x2 = a :<br />
a<br />
Anche Newton, come Cartesio e Torricelli, all’inizio pensa che la traiettoria<br />
di un proiettile soggetto ad una forza centripeta sia una spirale, invece R.Hooke<br />
(1635-1703) avanza l’ipotesi di una traiettoria ellittica. Newton ci ripensa e<br />
sostituendo ad una accelerazione uniforme una inversamente proporzionale al<br />
quadrato della distanza riesce a dare ragione delle leggi di Keplero.<br />
Una curva molto studiata è la cicloide, descritta da un punto di un cerchio<br />
che rotola lungo una retta. Questa Elena dei matematici, bella ma fonte di<br />
dispute, suscita l’interesse di Nicola da Cusa e poi di Galileo Galilei, Gilles<br />
Personne de Roberval (1602-1675), Blaise Pascal (1623-1662), Chistopher Wren<br />
(1632-1723), Fermat, Cartesio, Torricelli, Huygens, Wallis, Leibniz, Newton,<br />
dell’intera famiglia Bernoulli e di tanti altri.<br />
72<br />
a
La cicloide di<br />
Galileo Galilei.<br />
”Quella linea arcuata sono più di cinquant’anni che mi venne in mente<br />
il descriverla, e l’ammirai per una curvità graziosissima per adattarla<br />
agli archi di un ponte. Feci sopra di essa e sopra lo spazio da lei e dalla<br />
sua corda compreso diversi tentativi per dimostrarne qualche passione,<br />
e parve da principio che tale spazio potesse essere triplo del cerchio<br />
che lo descrive ma non fu così, benché la di¤erenza non sia molta.”<br />
Evangelista<br />
Torricelli.<br />
Gilles<br />
Personne de<br />
Roberval.<br />
La cicloide riceve il suo nome da Galileo, che nel 1599 osserva come un<br />
modello di un arco di cicloide pesi circa tre volte più del suo cerchio generatore.<br />
Conscio dei possibili errori di misura e nella costruzione dei modelli e forse<br />
sospettoso per un numero così semplice, congettura che il rapporto tra l’area<br />
73
della cicloide e del cerchio sia . Invece Roberval, e poi Cartesio, Fermat, Torricelli,<br />
provano che l’area sotto la cicloide è proprio tre volte quella del cerchio<br />
generatore. Oltre alla quadratura, questi studiosi riescono anche a determinare<br />
le tangenti alla cicloide. In particolare, per studiare la cicloide Roberval introduce<br />
e studia la sua curva compagna, la sinusoide. Tiene però segrete le sue<br />
ricerche, salvo poi accusare di plagio Torricelli quando questi riscopre gli stessi<br />
risultati. Cartesio giudica il risultato di Roberval ”bello, uno che non avevo<br />
ancora notato, ma che non avrebbe causato di¢ coltà ad un geometra di media<br />
abilità” e rende pubblica la sua soluzione solo ”per far vedere a quelli che fanno<br />
troppo rumore che questa è molto facile”. Wren, architetto della cattedrale di<br />
S.Paolo a Londra, prova che la lunghezza dell’arco di cicloide è otto volte il<br />
raggio del cerchio generatore. Infatti, la cicloide di equazioni x = # sin(#) e<br />
Z 2<br />
Z 2 p<br />
y = 1 cos(#) ha area ydx = 3 e lunghezza dx2 + dy2 = 8. Pascal<br />
0<br />
trova molte altre proprietà di questa curva, che lo distraggono dall’insonnia e<br />
dal mal di denti. O¤re poi premi in denaro per la soluzione di problemi su aree<br />
e centri di gravità di parti di cicloide sopra segmenti paralleli alla base e su<br />
volumi e centri di gravità dei solidi di rotazione generati da queste parti. Wallis<br />
ottiene solo soluzioni parziali ma niente soldi. Huygens scopre che l’evoluta di<br />
una cicloide è ancora una cicloide e scopre anche l’isocronia delle oscillazioni su<br />
un arco di cicloide, poi progetta e costruisce a partire dal 1657 orologi a pendolo<br />
cicloidali. Pubblica in…ne nel 1673 le sue scoperte di dinamica nel trattato<br />
”Horologium oscillatorium”. Mentre gli orologi con bilanciere a verga prima di<br />
Huygens hanno una imprecisione di qualche minuto al giorno, gli orologi di Huygens,<br />
i primi a pendolo, hanno una imprecisione di qualche secondo al giorno.<br />
Si studiano anche cicloidi accorciate o allungate, descritte da un punto interno<br />
o esterno ad un cerchio che rotola lungo una retta. Roberval ne trova l’area e<br />
Pascal osserva che la loro lunghezza dipende da quella delle ellissi. Newton utilizza<br />
queste cicloidi per ”trovare ad un dato tempo la posizione di un corpo che si<br />
muove lungo una ellisse”, cioè risolvere l’equazione di Keplero t = A# B sin(#).<br />
Cicloidi accorciate e allungate<br />
0<br />
x = r# d sin(#);<br />
y = r d cos(#):<br />
Invece di rotolare lungo una retta il cerchio può anche rotolare lungo un’altra<br />
curva. Per esempio, il moto dei pianeti intorno alla Terra è composizione di moti<br />
quasi circolari uniformi. Se al moto del Pianeta intorno al Sole si somma il moto<br />
del Sole intorno alla Terra, con raggi delle orbite A e B e periodi di rivoluzione<br />
74
e ,<br />
P T = (P S) + (S T ) = A exp 2 i t + B exp 2 i t :<br />
Gli epicicli di Tolomeo sono i progenitori delle serie di Jjean Baptiste Joseph<br />
Fourier (1768-1830). Le orbite della Terra, eccentricità 1/60, e di Venere, eccentricità<br />
1/150, sono praticamente circolari ed i conti tornano. Al contrario,<br />
l’eccentricità dell’orbita di Marte è 1/11 e per vincere la sua ”guerra contro<br />
Marte” Keplero deve cambiare sistema.<br />
Visto da Terra, il moto di Marte<br />
contro il cielo delle stelle …sse.<br />
Le osservazioni di Tycho Brahe<br />
dell’angolo Sole Terra Marte e la vera orbita.<br />
L’anno marziano è 1,88 volte il terrestre<br />
e la distanza media di Marte dal Sole è<br />
1,52 volte la distanza del Sole dalla Terra.<br />
75
Torniamo alle curve algebriche. Cartesio e Fermat sanno che un’equazione<br />
di primo grado in (x; y) rappresenta una retta ed una di secondo grado una<br />
conica. Sanno anche che con opportune traslazioni e rotazioni degli assi queste<br />
equazioni si posso portare a delle forme canoniche, la parabola y = ax2 , l’ellisse<br />
(x=a) 2 + (y=b) 2 = 1, l’iperbole (x=a) 2<br />
(y=b) 2 = 1. Nella ”Classi…cazione delle<br />
curve del terz’ordine” Newton asserisce che tutte le curve piane di terzo grado si<br />
possono ricondurre con appropriate scelte degli assi a quattro forme canoniche:<br />
xy 2 + ey = ax 3 + bx 2 + cx + d;<br />
xy = ax 3 + bx 2 + cx + d;<br />
y 2 = ax 3 + bx 2 + cx + d;<br />
y = ax 3 + bx 2 + cx + d:<br />
A seconda degli zeri del polinomio di destra, Newton trova 72 tipi di cubiche.<br />
Nel 1717 James Stirling (1692-1770) trova quattro nuove cubiche ed il catalogo<br />
viene completato nel 1740 con l’aggiunta di altre due. Newton asserisce anche<br />
che tutte queste curve si possono ottenere da y 2 = ax 3 + bx 2 + cx + d per mezzo<br />
di opportune proiezioni. Per risolvere le equazioni di grado …no al quarto grado,<br />
ax 4 + bx 3 + cx 2 + dx + e = 0, si possono intersecare due coniche, y = x 2 e<br />
ay 2 + bxy + cy + dx + e = 0. Similmente, per risolvere le equazioni …no al nono<br />
grado si possono intersecare due cubiche.<br />
Cubiche y 2 = ax 3 + bx 2 + cx + d<br />
2 zeri complessi: y 2 = x x 2 + 1 . 3 zeri coincidenti: y 2 = x 3 .<br />
2 zeri coincidenti: y 2 = x 2 (x + 1) . 3 zeri distinti: y 2 = x (x + 1) (x 1) .<br />
Intorno al 1640 Robenval e Torricelli dimostrano che il primo giro della spirale<br />
= # ha la stessa lunghezza dell’arco di parabola 2 y = x 2 con 0 x<br />
76
2 , ma non calcolano esplicitamente questa lunghezza. Nel 1657 Hendrich van<br />
Heuraet (1633-1660) e William Neil (1637-1670), smentendo il dogma cartesiano<br />
sull’impossibilità di retti…care esattamente delle linee curve, retti…cano la<br />
parabola semicubica. La lunghezza dell’arco di curva y 2 = x 3 dall’origine a<br />
Z x<br />
Z<br />
p xp<br />
(x; y) è 1 + (dy=dx) 2 3=2<br />
dx = 1 + 9 x=4dx = (4 + 9 x)<br />
8 =27 .<br />
0<br />
0<br />
Di fatto, tutte le lunghezze delle parabole generalizzate y2n = x2n+1 sono calcolabili<br />
algebricamente. Nel 1658 Huygens e Wallis dimostrano che l’area tra la<br />
cissoide di Diocle e l’asintoto è tre volte l’area del Z cerchio generatore, l’area tra<br />
p<br />
( x) 3 2 =xdx = 3 =4.<br />
la cissoide xy 2 = ( x) 3 e l’asintoto x = 0 è 2<br />
Poi Newton dimostra che anche la lunghezza di un arco di cissoide si può calcolare<br />
in modo elementare. Un’altra cubica la cui quadratura è riconducibile a<br />
quella del cerchio è la ”versaria” o ”curva con seno verso”, che si incontra in<br />
Fermat, Huygens, Guido Grandi (1671-1742) e nelle ”Instituzioni analitiche ad<br />
uso della gioventù italiana di D.na Maria Gaetana Agnesi Milanese...” (1718-<br />
1799), pubblicate nel 1748. Si tratta della curva y = a p (a x)=x, cioè x =<br />
a3 = a2 + y2 Z +1<br />
. L’area tra la versiera e l’asintoto è a<br />
1<br />
3 a2 + y2 1<br />
dy = 2 a .<br />
Insomma, le quadrature dell’ellisse, della cicloide, della versiera e di molte altre<br />
curve si riconducono a quella del cerchio, ma questo sembra resistere imperterrito<br />
ad ogni tentativo di quadratura elementare.<br />
I …ori geometrici che G.Grandi<br />
dedica alla contessa Clelia Borromeo,<br />
= sin (k#) :<br />
”La rodonea è generata da un duplice movimento, uno di un raggio che<br />
ruota con moto circolare intorno al centro, l’altro di un punto che si muove<br />
su e giù su questo raggio, sollecitato da una forza armonica uguale al seno<br />
di un angolo in un dato rapporto …sso con l’angolo descritto dal raggio.”<br />
”L’area di una foglia di rodonea = sin (#a=b) sta al quadrante di<br />
cerchio come b sta ad a.”<br />
77<br />
0
Leonardo<br />
Durer<br />
78<br />
Keplero
ANALISI:<br />
Leibniz 1682 Newton 1723 Eulero 1748<br />
”Ci sono 7 case e in ogni casa 7 gatti, ogni gatto mangia 7 topi, ogni topo ha<br />
mangiato 7 chicchi di grano ed ogni chicco avrebbe prodotto 7 misure di grano.<br />
Quant’è il totale? 7 case + 49 gatti + 343 topi + 2401 chicchi di grano + 16807<br />
misure di grano = 19607.”<br />
Nel papiro copiato dello scriba Ahmes c’è 2301 invece di 2401, ma noi ci<br />
siamo permessi di correggere l’errore. Questo è comunque uno dei primi esempi<br />
di somma di una progressione geometrica. Nel IX libro degli ”Elementi” di<br />
Euclide si trova la seguente proposizione:<br />
”Dati quanti si voglia numeri in proporzione continua, la di¤erenza fra il<br />
secondo e il primo sta al primo come la di¤erenza tra l’ultimo e il primo sta<br />
alla somma di tutti i termini che precedono l’ultimo.”<br />
Cioè, data la progressione geometrica a, ax, ax 2 ,..., ax n , si ha<br />
ax a<br />
a<br />
=<br />
axn a<br />
a + ax + ax2 :<br />
+ ::: + axn 1<br />
La dimostrazione di Euclide, basata sulla teoria delle proporzioni, può essere<br />
sostituita da una veri…ca diretta:<br />
(1 x) 1 + x + ::: + x n 1 n 1<br />
= 1 + x + ::: + x<br />
Quindi, per ogni x 6= 1 si ha<br />
X<br />
x + ::: + x n 1 + x n = 1 x n :<br />
n 1<br />
xk = (1 xn ) = (1 x) e, come osserva<br />
k=0<br />
Viète, se jxj < 1 e n ! +1 si ottiene<br />
+1X<br />
k=0<br />
x k = 1= (1 x). Questa serie geo-<br />
metrica è la capostipite di una lunga dinastia. In particolare, Gregorio di San<br />
80
Vincenzo propone una soluzione dei paradossi di Zenone di Elea (V secolo a.C.)<br />
sommando delle serie geometriche e calcola l’istante esatto in cui il pie’veloce<br />
Achille raggiunge e sorpassa la tartaruga. Secondo Zenone non può esistere<br />
movimento perché per passare da un punto iniziale ad uno …nale si deve prima<br />
passare per il punto medio e, anche ammesso che ci arrivi, si deve poi passare<br />
per il punto medio del rimanente, e così via ad in…nitum. Per Aristotele non ha<br />
senso dividere inde…nitivamente lo spazio e il tempo, per Gregorio, se ha senso<br />
una divisione in…nita deve avere anche senso una somma in…nita. Se la distanza<br />
iniziale è 1, la metà è 1/2, la metà della metà 1/4, la metà della metà della metà<br />
1/8 e, sommando la serie geometrica, 1=2 + 1=4 + 1=8 + ::: = 1. Nell’opera di<br />
Gregorio di San Vincenzo si trova anche una delle prime de…nizioni limite e di<br />
serie.<br />
Nel 1668 Nicola Mercatore (1620-1687) pubblica lo sviluppo in serie del logaritmo,<br />
log(1 + x) = x x 2 =2 + x 3 =3 x 4 =4 + ::::<br />
Da Gregorio di San Vincenzo si sa che l’area sotto l’iperbole è un logaritmo.<br />
Basta quindi integrare termine a termine la serie armonica 1=(1 + x) =<br />
1 x + x 2 x 3 + :::. Queste serie di potenze sono fondamentali nell’opera<br />
matematica di Newton. ”Applicando all’algebra la dottrina delle frazioni decimali,...<br />
ed osservando l’analogia tra numeri decimali e termini algebrici continuati<br />
all’in…nito...”, intuisce che, come i numeri possono essere sviluppati in<br />
somme di potenze di 10, così le funzioni possono essere sviluppate in somme di<br />
potenze delle variabili. Negli anni 1665 e 1666, tornato a casa dall’università di<br />
Cambridge chiusa per peste, scopre la formula delle potenze di un binomio:<br />
”Le estrazioni di radici possono essere molto abbreviate dal seguente teorema:<br />
(P + P Q) m=n = P m=n + m<br />
n<br />
AQ + m n<br />
2n<br />
BQ + m 2n<br />
3n<br />
m 3n<br />
CQ + CQ + etc:<br />
4n<br />
P + P Q è la quantità di cui si deve ricercare la radice... P indica il primo<br />
termine di tale quantità, Q i rimanenti termini divisi per il primo, m=n l’indice<br />
numerico della potenza di P + P Q... il termine A è P m=n , il termine B è<br />
(m=n)AQ, e cosí per gli altri termini.”<br />
81
Ispirato dalle ricerche di Wallis sulle aree sotto le curve y = 1 x 2 n=2 ,<br />
Newton scopre la formula del binomio estendendo all’indietro il triangolo aritmetico<br />
di Pascal e riempiendo gli spazi tra le righe,<br />
::: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 :::<br />
::: 2 3=2 1 1=2 0 1=2 1 3=2 2 5=2 3 :::<br />
::: 3 15=8 1 3=8 0 1=8 0 3=8 1 15=8 3 :::<br />
::: 4 35=16 1 5=16 0 1=16 0 1=16 0 5=16 1 :::<br />
::: ::: ::: ::: ::: ::: ::: ::: ::: ::: ::: ::: :::<br />
I numeri in colonna sono i coe¢ cienti di xn nello sviluppo del binomio (1 +<br />
x) ,<br />
( 1)<br />
(1 + x) = 1 + x + x<br />
1 1 2<br />
2 ( 1)( 2)<br />
+ x<br />
1 2 3<br />
3 + ::::<br />
Newton non ha una dimostrazione rigorosa della sua formula, ma si limita<br />
a veri…carne la validità per esponenti razionali positivi e negativi, con divisioni<br />
82
ed estrazioni di radice. Una pseudo dimostrazione, che presuppone l’esistenza<br />
di uno sviluppo in serie e l’unicità della soluzione di una equazione di¤erenziale,<br />
è la seguente:<br />
(1 + x) = 1 + ax + bx 2 + cx 3 + :::;<br />
(1 + x) d<br />
(1 + x) = (1 + x) ;<br />
dx<br />
(1 + x) a + 2bx + 3cx 2 + ::: = 1 + ax + bx 2 + cx 3 + ::: ;<br />
a + (a + 2b) x + (2b + 3c) x 2 + ::: = + ax + bx 2 + cx 3 + :::;<br />
8<br />
><<br />
>:<br />
a =<br />
a + 2b = a<br />
2b + 3c = b<br />
:::<br />
;<br />
8<br />
><<br />
>:<br />
a = =<br />
1<br />
1<br />
b =<br />
2 a = 1<br />
2<br />
c = b =<br />
3 1<br />
:::<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
2<br />
3<br />
Forse le prime dimostrazioni rigorose della formula del binomio per esponenti<br />
qualsiasi sono dovute a Augustin Louis Cauchy (1789-1857) e a Niels Henrik<br />
Abel (1802-1829). Comunque, dalla serie binomiale Newton ricava parecchi altri<br />
sviluppi in serie. Integrando termine a termine una serie geometrica (1+x) 1 =<br />
1 x + x 2 :::, Newton ottiene l’area sotto l’iperbole z = x x 2 =2 + x 3 =3 :::.<br />
Ponendo poi x = az + bz 2 + cz 3 + ::: ed uguagliando le potenze di z dello stesso<br />
grado,<br />
z = az + bz 2 + cz 3 + ::: az + bz 2 + cz 3 + ::: 2 =2 + az + bz 2 + cz 3 + ::: 3 =3 :::<br />
= az + b a 2 =2 z 2 + c ab + a 3 =3 cz 3 + :::;<br />
ricava i primi termini dello sviluppo della funzione inversa x = z+z 2 =2+z 3 =6+:::<br />
ed indovina lo sviluppo completo. In modo simile, integrando termine a termine<br />
lo sviluppo in serie della funzione (1 x 2 ) 1=2 , ottiene la lunghezza di un arco<br />
di cerchio e quindi l’arco seno, poi per inversione ricava lo sviluppo di seno e<br />
coseno,<br />
cos(x) = 1 x 2 =2! + x 4 =4! x 6 =6! + :::; sin(x) = x x 3 =3! + x 5 =5! x 7 =7! + ::::<br />
83<br />
:
La serie dell’arco seno,<br />
del seno e coseno di<br />
Newton.<br />
Nel semicerchio y = p 1 x2 , il triangolo con lati fx; y; 1g è simile al<br />
triangolo fdy; dx; dsg , in particolare ds=dx = 1= p 1 x2 Z<br />
. Sviluppando<br />
x<br />
in serie ed integrando si ottiene arcsin(x) = 1 t<br />
0<br />
2 1=2<br />
dt<br />
Z x<br />
= 1 +<br />
0<br />
1<br />
2 t2 1 3<br />
+<br />
2 4 t4 1 3 5<br />
+<br />
2 4 6 t6 1 3 5 7<br />
+<br />
2 4 6 8 t8 + ::: dt<br />
= x + 1<br />
2 3 x3 1 3<br />
+<br />
2 4 5 x4 1 3 5<br />
+<br />
2 4 6 7 x7 1 3 5 7<br />
+<br />
2 4 6 8 9 x9 + :::<br />
Risolvendo poi rispetto a z l’equazione z = x + x 3 =6 + 3x 5 =40 + :::, si ottiene<br />
sin(z) = z x 3 =3! + x 5 =5! ::: e similmente cos(z) = 1 x 2 =2! + x 4 =4! :::.<br />
84
Nel ”Metodo delle ‡ussioni e serie in…nite”, terminato nel 1671 ma pubblicato<br />
solo nel 1736, Newton sviluppa un calcolo per somme, sottrazioni, moltiplicazioni,<br />
divisioni, estrazioni di radici per serie in…nite e dedica due corti<br />
paragra… alla quadratura dell’iperbole e del cerchio.<br />
”Data la quantità aa+xx, si può estrarne la radice quadrata in questo modo,<br />
p aa + xx = a + x 2<br />
2a<br />
x4 x6<br />
+<br />
8a3 16a5 Dato un semicerchio di diametro a, denotati con x l’ascissa ed y l’ordinata<br />
si ha<br />
y = p ax xx = p ax<br />
x p<br />
ax<br />
2a<br />
x2 8a2 p<br />
ax<br />
x3 16a3 p<br />
ax :::<br />
Data un’iperbole di equazione p x + xx = z, l’area sottesa risulta uguale a<br />
2<br />
3 x3=2 + 1<br />
5 x5=2<br />
1<br />
28 x7=2 + 1<br />
72 x9=2<br />
:::<br />
5<br />
704 x11=2<br />
Dato il cerchio di equazione p x xx = z, l’area sottesa risulta uguale a<br />
2<br />
3 x3=2 1<br />
5 x5=2<br />
1<br />
28 x7=2<br />
1<br />
72 x9=2<br />
L’area del cerchio di¤erisce dall’area dell’iperbole solo per i segni ... Benché<br />
queste aree non siano comparabili geometricamente, si possono trovare con lo<br />
stesso calcolo aritmetico.”<br />
85<br />
:::<br />
:::
La quadratura del cerchio<br />
y = p x x 2 di Newton.<br />
p 3<br />
32 +<br />
24 =<br />
p<br />
3<br />
=<br />
32 +<br />
Z 1=4<br />
x<br />
0<br />
1=2<br />
p<br />
3 2<br />
= +<br />
32 3 (1<br />
4 )3=2 1<br />
5 (1<br />
= 3p3 1<br />
+ 24<br />
4 3 22 Z 1=4<br />
0<br />
p x x 2 dx<br />
1<br />
2 x3=2 1<br />
8 x5=2<br />
4 )5=2<br />
1<br />
5 2 5<br />
1<br />
28 (1<br />
4 )7=2<br />
1<br />
7 2 9<br />
1<br />
16 x7=2 ::: dx<br />
1<br />
72 (1<br />
4 )9=2 + :::<br />
1<br />
+ ::: :<br />
9 212 Integrando 22 termini dello sviluppo in serie di y = p x x 2 tra 0 e 1/4<br />
Newton ottiene = 3; 1415926535897928:::, gli ultimi due decimali sono errati.<br />
Similmente, sviluppando in serie l’area iperbolica calcola i logaritmi<br />
(log (1 + 1=10) log (1 1=10)) =2 = 1=10 + (1=10) 3 =3 + (1=10) 5 =5 + :::;<br />
(log (1 + 1=10) + log (1 1=10)) =2 = (1=10) 2 =2 + (1=10) 4 =4 + (1=10) 6 =6 + ::::<br />
Da cui ricava log (0; 9) = 0; 1053605156577::: e log (1; 1) = 0; 0953101798043:::.<br />
Poi calcola log (0; 8) = 0; 2231435513142::: e log (1; 2) = 0; 1823215567939::: e<br />
ricava<br />
log(2) = log<br />
1; 2<br />
0; 8<br />
1; 2<br />
0; 9<br />
= 2 log (1; 2) log (0; 8) log (0; 9) = 0; 6931471805597:::;<br />
log(10) = log<br />
2 2<br />
0; 8<br />
2<br />
= 3 log (2) log (0; 8) = 2; 3025850929933::::<br />
Ed ancora log(9) = log(0; 9) + log(10) e log(11) = log(1; 1) + log(10), ottenendo<br />
quindi i logaritmi dei numeri primi 2, 3, 5, 11. Similmente, calcola i<br />
logaritmi di altri numeri primi da cui si possono dedurre con somme i logaritmi<br />
di numeri composti. Più tardi scrive: ”Ho vergogna di confessare …no a quante<br />
cifre ho portato avanti questi calcoli, non avendo a quel tempo nient’altro da<br />
fare. Allora mi compiacevo troppo in queste ricerche”. Infatti dal 1665 al 1666<br />
Newton resta a casa in campagna, perché l’università di Cambridge è chiusa per<br />
peste.<br />
86
Leggi di Keplero:<br />
(1608) L’orbita di un pianeta è una<br />
ellisse con il Sole in uno dei fuochi.<br />
(1609) Il raggio dal Sole al pianeta<br />
descrive aree uguali in tempi uguali.<br />
(1619) I quadrati dei periodi di<br />
rivoluzione sono proporzionali ai<br />
cubi dei semiassi maggiori delle orbite.<br />
Nei ”Principi matematici della …loso…a naturale”, pubblicati nel 1687, Newton<br />
deduce le leggi di Keplero dalla legge di gravitazione universale. L’orbita di<br />
un pianeta intorno al sole è ellittica con il sole in un fuoco e l’area spazzata dal<br />
raggio vettore dal sole al pianeta è proporzionale al tempo impiegato a percorrerla.<br />
Nel Lemma XXVIII dimostra che quest’area non è una funzione algebrica<br />
del tempo.<br />
”Non esiste alcuna …gura ovale la cui area, tagliata da rette tracciate a piacere,<br />
possa in generale trovarsi mediante equazioni …nite per numero di termini<br />
e di dimensioni. All’interno dell’ovale si prenda un punto intorno al quale,<br />
come ad un polo, si ruoti con moto uniforme una linea retta e su questa retta un<br />
punto mobile esca dal polo e prosegua con velocità proporzionale al quadrato della<br />
parte di retta nell’ovale. In tal modo il punto descriverà una spirale con in…niti<br />
avvolgimenti. Se una porzione dell’area dell’ovale tagliata dalla retta si potesse<br />
trovare mediante un’equazione …nita, con la stessa equazione si troverebbe anche<br />
la distanza del punto dal polo, distanza che è proporzionale all’area, e perciò<br />
tutti i punti della spirale potrebbero essere trovati mediante un’equazione …nita.<br />
Ma ogni retta inde…nitamente prolungata taglia la spirale in un numero in…nito<br />
di punti e l’equazione con la quale si trova l’intersezione tra due linee esibisce le<br />
intersezioni come radici, perciò arriva a tante dimensioni quante sono le intersezioni...<br />
Quindi le in…nite intersezioni di una retta con una spirale richiedono<br />
equazioni con un numero in…nito di dimensioni... Analogamente, se l’intervallo<br />
tra il polo ed il punto che descrive la spirale è preso proporzionale al perimetro<br />
dell’ovale tagliato, si può dimostrare che la lunghezza del perimetro non può<br />
essere in generale esibita mediante un’equazione …nita... Di conseguenza, l’area<br />
dell’ellisse, che è descritta mediante un raggio condotto dal fuoco verso il corpo<br />
mobile, non può essere espressa a partire dal tempo per mezzo di un’equazione<br />
…nita, e perciò non può essere determinata mediante la descrizione di curve<br />
geometricamente razionali.”<br />
Il termine trascendente fa il suo ingresso in matematica con Leibniz, che si<br />
propone di ”svelare l’origine delle quantità trascendenti e mostrare perché certi<br />
87
problemi non sono nè piani, nè solidi, nè più che solidi, nè di alcun grado determinato,<br />
ma sorpassano ogni equazione algebrica”. E a proposito del lemma<br />
di Newton, Leibniz commenta: ”L’impossibilità di integrare una generica parte<br />
di cerchio o ellisse mi pare su¢ cientemente dimostrata, ma non ho ancora visto<br />
una dimostrazione della non integrabilità dell’intero cerchio o di una sua parte<br />
determinata”. Invece Huygens osserva perplesso che il risultato non si applica a<br />
semplici curve quali un triangolo o un quadrato, o ad una curva a forma di otto<br />
come la parabola virtuale di Gregorio di S.Vincenzo y 2 = x 2 x 4 . Infatti l’area<br />
Z<br />
px<br />
sotto questa curva è data dall’integrale 2 x4dx = 1 x2 3=2 =3. Visti<br />
i dubbi di un così autorevole esperto, e considerato che lo stesso Newton accenna<br />
all’esistenza di controesempi, ripetiamo più in dettaglio la sua argomentazione.<br />
Gli ovali considerati sono curve analitiche chiuse, convesse, senza punti singolari.<br />
Se = (#) è l’equazione dell’ovale in coordinate polari, se l’angolo # è<br />
proporzionale al tempo t e la velocità è proporzionale al quadrato del raggio ,<br />
al tempo t il punto si trova ad una distanza dal polo proporzionale all’area spaz-<br />
Z #<br />
zata dal raggio che ruota attorno al polo A(#) = 1=2 2 (#)d#. Se l’ovale è<br />
analitico, anche l’area spazzata dal raggio è una funzione analitica dell’angolo di<br />
rotazione, ma non è una funzione algebrica dei coseni direttori del raggio. Cioè<br />
non esiste un polinomio in tre variabili P (x; y; z) con P (cos(#); sin(#); A(#)) = 0<br />
per ogni #. Denotiamo infatti con z1(#), z2(#), z3(#),..., zn(#) le radici di un<br />
polinomio P (cos(#); sin(#); z) di grado n nella variabile z. Se A(#), che è una<br />
funzione analitica, è radice del polinomio in un qualunque intervallo di valori<br />
di #, per il principio di identità delle funzioni analitiche quest’area è radice del<br />
polinomio per ogni valore di #. Se A(#) = z1(#) per # vicino a zero, dopo<br />
un giro l’area aumenta di una quantità uguale all’area totale nella curva e si<br />
trasforma in una seconda radice z2(#) diversa dalla prima, dopo due giri in una<br />
terza radice z3(#) diversa dalle due precedenti,..., e dopo n giri si raggiunge<br />
una contraddizione. L’argomento non si applica alla parabola virtuale di Gre-<br />
gorio di S.Vincenzo y 2 = x 2 x 4 , che ha un punto doppio nell’origine, perché<br />
Z<br />
l’integrale dell’area ydx prolungato analiticamente lungo un giro di curva è<br />
zero. Cioè, per gli ovali A(# + 2k ) = A(#) + kA con A 6= 0, per le …gure<br />
a forma di 8 si ha invece A(# + 2k ) = A(#). Un altro esempio di curva a<br />
cui l’argomento non si applica è la foglia di Cartesio x 3 xy + y 3 = 0, che ha<br />
un punto doppio nell’origine e due rami che vanno all’in…nito. Intersecando la<br />
curva con un fascio di rette per il punto doppio y = tx si ottiene la rappresentazione<br />
parametrica (x; y) = t= t 3 + 1 ; t 2 t 3 + 1 , che permette di calcolare<br />
algebricamente l’area,<br />
Z Z<br />
t<br />
ydx =<br />
2<br />
t3 d<br />
+ 1 dt<br />
t<br />
t 3 + 1<br />
dt =<br />
0<br />
4t 3 + 1<br />
6 (t + 1) 2 (t 2 t + 1)<br />
Quindi, per il lemma di Newton è impossibile Z quadrare algebricamente un<br />
p1<br />
generico spicchio di cerchio, cioè l’integrale x2dx de…nisce una fun-<br />
88<br />
2 :
zione trascendente. Al contrario, come mostrato da Archimede, il volume di<br />
un segmento sferico è una funzione algebrica della distanza tra il piano che<br />
taglia il segmento di Zsfera<br />
ed il centro della sfera. Infatti, questo volume<br />
dipende dall’integrale 1 x2 dx. Anche Gregory cerca di dimostrare che<br />
la lunghezza della circonferenza non è una funzione algebrica del raggio e nella<br />
”Vera quadratura del cerchio e dell’iperbole” del 1667 trova un algoritmo per<br />
calcolare in modo archimedeo l’area di un settore di ellisse o iperbole. Dati due<br />
punti A e B su una conica di centro O, si denota con x0 l’area del triangolo<br />
OAB e y0 l’area del quadrilatero con lati OA, OB, e le due tangenti alla conica<br />
per A e B. Poi si de…niscono ricorsivamente<br />
xn+1 = p xnyn; yn+1 = 2xn+1yn<br />
xn+1 + yn<br />
Queste medie armonico geometriche convergono all’area del settore di conica<br />
individuato dai punti OAB ed opportune combinazioni di xn e yn aumentano<br />
la velocità di convergenza. Nel caso di un cerchio l’area è un arco tangente<br />
e nel caso di un’iperbole l’area è un logaritmo, uno stesso processo analitico<br />
può generare sia funzioni trigonometriche che logaritmi. In una lettera del 15<br />
Febbraio 1671 a John Collins (1624-1683), che gli ha fatto conoscere le ricerche<br />
di Newton, Gregory scrive:<br />
”Sia il raggio = r, l’arco = a, la tangente = t, la secante = s, allora<br />
a = t<br />
t3 t5<br />
+<br />
3r2 5r4 t 7<br />
7r<br />
6 + t9<br />
:<br />
etc:::<br />
9r8 t = a + a3 2a5 17a7 3233a9<br />
+ + + etc:::<br />
3r2 15r4 315r6 181440r8 s = r + a2<br />
2r<br />
+ 5a4<br />
24r<br />
61a6 277a8<br />
+ + etc:::"<br />
3 720r5 8064r7 Il coe¢ ciente di nono grado nello sviluppo della tangente non è corretto. La<br />
serie dell’arco tangente si trova anche in una lettera di Leibniz del 27 Agosto<br />
1676 e in precedenti corrispondenze di questi con Huygens, ma viene pubblicata<br />
senza dimostrazione solo nel 1682 negli ”Acta eruditorum”.<br />
”La quadratura aritmetica del cerchio è contenuta nel seguente teorema: Essendo<br />
il raggio unitario e t la tangente di un arco, la grandezza dell’arco sarà<br />
t=1 t 3 =3 + t 5 =5 t 7 =7 + t 9 =9 etc. Trovati gli archi, è facile trovare gli spazi,<br />
ed un corollario del teorema è che se il diametro e il suo quadrato sono uno, il<br />
cerchio è 1=1 1=3 + 1=5 1=7 + 1=9 etc.”<br />
La quadratura è aritmetica perché utilizza solo i numeri interi e le quattro<br />
operazioni elementari. Alla formula =4 = 1 1=3 + 1=5 1=7 + ::: Leibniz<br />
aggiunge il commento: ”Dio ama i numeri dispari”. Nel 1684 Leibniz pubblica<br />
89
un ”Nuovo metodo per i massimi e minimi e per le tangenti, che non si arresta di<br />
fronte a quantità frazionarie o irrazionali, ed un singolare genere di calcolo per<br />
questi problemi”. In questa memoria si de…niscono i di¤erenziali dy e dx come<br />
segmenti il cui rapporto dy=dx è uguale al rapporto tra ordinata e sottotangente,<br />
cioè il coe¢ ciente angolare della retta tangente, e si enunciano le regole di calcolo<br />
con queste quantità.<br />
”Siano date più curve con ordinate v, w, y, z,... ed ascissa x... Preso un<br />
segmento arbitrario dx, siano dv, dw, dy, dz,... dei segmenti che stanno a dx<br />
come le ordinate stanno alle sottotangenti... Ciò posto, le regole del calcolo sono<br />
queste:<br />
Se a è una quantità costante, si ha da = 0 e dax = adx...<br />
Somme e Sottrazioni: Se v = z y + w + x, si ha dv = dz dy + dw + dx...<br />
Moltiplicazioni: Se y = xv, si ha dy = xdv + vdx...<br />
Divisioni: Se z = v=y, si ha dz = ( ydv vdy) =y 2 ...<br />
Potenze: dx a = ax a 1 dx... Radici: d bp x a = (a=b) bp x a b dx...<br />
Poiché le ordinate v a volte crescono ed altre volte decrescono, dv è positivo<br />
o negativo... E quando le ordinate v non crescono né decrescono ma sono<br />
90
stazionarie, dv = 0... Se crescendo le ordinate v crescono anche gli incrementi o<br />
di¤erenziali dv, se cioè le di¤erenze delle di¤erenze ddv sono positive, la curva<br />
volge all’asse la sua concavità, o nel caso contrario la sua convessità... Si trova<br />
quindi un punto di ‡esso quando ddv = 0... Dalla conoscenza di questo algoritmo,<br />
o di questo calcolo che io chiamo di¤erenziale, si possono ricavare tutte le<br />
altre equazioni di¤erenziali per mezzo del calcolo comune, ed ottenere i massimi<br />
e minimi e le tangenti... La dimostrazione di tutte le regole esposte è facile per<br />
chi è versato in questi studi. Una sola cosa non è stata …n qui enfatizzata a<br />
su¢ cienza, cioè che si possono prendere dx, dy, dv, dw, dz proporzionali alle<br />
di¤erenze o incrementi o diminuzioni istantanee di x, y, v, w, z,...”<br />
Mancando una precisa convenzione sull’uso dei segni in geometria analitica,<br />
Leibniz spiega come scegliere i ”segni ambigui in d(v=y) = ( ydv vdy) =y2 ”.<br />
Poi prosegue trovando il minimo della funzione h p a2 + x2 q<br />
+ k b2 + (c x) 2 ,<br />
problema già risolto da Fermat nello studio della rifrazione della luce: ”La natura<br />
sceglie sempre la via più breve”. In…ne Leibniz risolvere l’equazione di¤erenziale<br />
dy=dx = y=m e dimostra che una curva con sottotangente costante è logaritmica.<br />
Anche questo è un problema già risolto da Torricelli.<br />
La soluzione di Leibniz del<br />
problema di de Beaune sulla<br />
curva con sottotangente costante.<br />
”Si tratta di trovare una curva Y Y tale che, condotta all’asse una tangente<br />
Y C, la sottotangente XC sia uguale ad un segmento costante a. Ora XY ,<br />
cioè y, sta a XC, cioè a, come dy sta a dx. Se dunque dx, che si può<br />
prendere ad arbitrio, si assume costante uguale a b, allora y = (a=b)dy,<br />
per cui le ordinate y risultano proporzionali alle loro stesse di¤erenze o<br />
incrementi, cioè se le x formano una progressione aritmetica, allora le y<br />
formano una progressione geometrica. In altre parole, se y sono i numeri,<br />
allora x sono i logaritmi, la linea è logaritmica.”<br />
A poco a poco i rapporti tra isola e continente cominciano a guastarsi e scoppiano<br />
delle polemiche con accuse incrociate di plagio sulla priorità dell’invenzione<br />
del calcolo, con le parti in causa e gli amici delle parti in causa che danno il<br />
meglio di se. Newton osserva che le serie di Gregory e Leibniz sono casi particolari<br />
di risultati più generali di cui è in possesso:<br />
”Io sono capace di comparare geometricamente alle sezioni coniche tutte le<br />
91
curve con ordinate<br />
n 1 dx<br />
e + fxn ; :::<br />
+ gx2n n 1 dx<br />
p :::<br />
e + fxn + gx2n 2n 1 dx<br />
e + fxn ; :::<br />
+ gx2n dxn 1pe + fxn g + hxn n 1<br />
; ::: dx<br />
d p e + fxn + gx2n ; :::<br />
rx n e + fx<br />
; :::<br />
g + hxn qualunque sia n, intero o frazionario, positivo o negativo... Questi risultati<br />
generano delle serie in più di un modo. Nel primo esempio, se n = 1 e f = 0<br />
si ottiene d= e + gx 2 , da cui proviene la serie che mi è stata comunicata.<br />
Similmente, se n = 1 e 2eg = f 2 , per la lunghezza di un quarto di cerchio con<br />
corda uno si ottiene la serie 1 + 1=3 1=5 1=7 + 1=9 + 1=11 1=13 1=15 + :::<br />
Comunque, queste proposizioni mi sembrano più belle che utili e tutti questi<br />
problemi possono esser risolti con minor fatica... Per ottenere archi di cerchio,<br />
o settori di sezioni coniche, io preferisco le serie di seni. Infatti, se si volesse<br />
calcolare la lunghezza di un quadrante con 20 decimali per mezzo della serie<br />
1+1=3 1=5 1=7+1=9+1=11 1=13 1=15+:::, occorrerebbero circa 5000000000<br />
termini e sarebbero appena su¢ cienti mille anni. Il calcolo con la serie della<br />
tangente di 45 gradi sarebbe ancora più lento. Invece, con il seno di 45 gradi<br />
basterebbero 50 o 60 termini della serie p 1=2 (1 + 1=12 + 3=160 + 5=896 + :::)<br />
e penso che questo calcolo dovrebbe richiedere solo tre o quattro giorni.”<br />
Per calcolare 1 + 1=3 1=5 1=7 + 1=9 + 1=11 1=13 1=15 + ::: si può<br />
trasformare la serie in integrale,<br />
=<br />
=<br />
1 + 1=3 1=5 1=7 + 1=9 + 1=11 1=13 1=15 + :::<br />
Z 1<br />
0<br />
Z 1<br />
0<br />
1 + x 2<br />
1 + x 2<br />
Z 1<br />
x 4<br />
1 x 4 + x 8<br />
x 6 + x 8 + x 10<br />
x 12<br />
x 12 + ::: dx =<br />
Z 1<br />
x 14 + ::: dx<br />
Z 1<br />
1 + x<br />
0<br />
2<br />
dx<br />
1 + x4 1=2<br />
=<br />
0 1 p 1=2<br />
dx +<br />
2x + x2 0 1 + p dx<br />
2x + x2 = arctan p 2x 1 + arctan p 2x + 1 = p 2 1<br />
0 = = 2p 2 :<br />
Nell’ultima uguaglianza si è utilizzata la formula arctan (x) + arctan (1=x) =<br />
=2. Raggruppando i termini 1 + (1=3 1=5) (1=7 1=9) + (1=11 1=13)<br />
::: si ottiene una serie a segni alterni con termini 1=(4k 1) 1=(4k + 1) =<br />
2= 16k 2 1 e questi termini sono minori di 10 20 solo per k > 10 10 = p 8.<br />
Questo sono i termini da sommare per ottenere circa 20 decimali.<br />
Sia la serie dell’arco tangente di Leibniz e di Gregory che le serie di Newton<br />
sono casi particolari della formula di Brook Taylor (1685-1731) apparsa nel 1715<br />
sul ”Medodo diretto ed inverso degli incrementi”ed ancora nel 1742 sul ”Trattato<br />
sulle ‡ussioni” di Colin MacLaurin (1698-1746),<br />
f(x) =<br />
+1X<br />
n=0<br />
f (n) (a)<br />
(x a)<br />
n!<br />
n :<br />
92
Taylor ottiene questo sviluppo in serie come limite di una formula di Gregory<br />
e Newton sull’interpolazione di una funzione con polinomi. MacLaurin utilizza<br />
invece il metodo dei coe¢ cienti indeterminati. Ponendo x = 0 nella serie f(x) =<br />
a+bx+cx 2 +dx 3 +:::, si ottiene f(0) = a. Derivando, f 0 (x) = b+2cx+3dx 2 +::: e<br />
ponendo x = 0 si ottiene poi f 0 (0) = b. E derivando ancora, f 00 (x) = 2c + 6dx +<br />
:::, con x = 0 si ricava f 00 (0) = 2c.... Anche questa formula scatena polemiche<br />
ed accuse di plagio con la famiglia Bernoulli. È comunque pericoloso litigare<br />
sulla priorità delle proprie scoperte, infatti sia la serie dell’arco tangente che le<br />
serie di altre funzioni trigonometriche compaiono in India già nel XV secolo,<br />
attribuite a Madhava sono pubblicate da Nilakantha nel libro sanscrito in versi<br />
”Tantrasangraha”:<br />
”Prendi un arco circolare, con ascissa non inferiore all’ordinata. Moltiplica<br />
l’ordinata per metà diametro e dividi per l’ascissa, questo è il primo termine.<br />
Moltiplica questo termine per il quadrato dell’ordinata e dividi per il quadrato<br />
dell’ascissa, questo è il secondo termine. Ripeti il processo di moltiplicare per<br />
il quadrato dell’ordinata e dividere per il quadrato dell’ascissa. Ottieni quindi<br />
i termini successivi che devi dividere per i numeri dispari 1, 3, 5,... Se si<br />
sommano i termini di posto dispari e si sottraggono quelli di posto pari, quello<br />
che si ottiene è la circonferenza.”<br />
Di più, ci sono interessanti stime per l’errore di troncamento della serie,<br />
= 4 1<br />
1 1<br />
+<br />
3 5<br />
1<br />
+ :::<br />
7<br />
1<br />
2n 1<br />
E(n) ;<br />
E(n) 1=4n; E(n) n= 4n 2 + 1 ; E(n) n 2 + 1 = 4n 3 + 5n :<br />
Dieci termini della serie più l’ultima formula di correzione dell’errore danno<br />
sei decimali corretti, mentre senza correzione l’errore è già al primo decimale.<br />
Nilakantha propone anche l’approssimazione 104348=33215 con nove decimali<br />
corretti ed altre serie, tra cui<br />
= 3 + 4<br />
= 16<br />
1<br />
3 3 3<br />
1<br />
1 5 + 4<br />
1<br />
53 1<br />
+<br />
5 73 7<br />
1<br />
35 + 12 +<br />
1<br />
55 + 20<br />
1<br />
93 + :::<br />
9<br />
;<br />
1<br />
75 + :::<br />
+ 28<br />
:<br />
In…ne, Nilakantha esprime seri dubbi sulla razionalità del rapporto tra circonferenza<br />
e diametro:<br />
”Se il diametro, misurato in una qualche unità di misura, è commensurabile<br />
con l’unità, allora la circonferenza non può essere misurata con la stessa<br />
unità e viceversa, se è possibile misurare la circonferenza non si può misurare<br />
il diametro”.<br />
93
La serie dell’arco tangente di Nilakantha.<br />
Iscritto un quarto di cerchio in un quadrato<br />
di lato uno, diviso il lato in segmenti lunghi ",<br />
e congiunti i punti di divisione al centro del<br />
cerchio, il k-esimo arco di cerchio risulta circa<br />
uguale a "= 1 + ("k) 2 ed un arco con tangente<br />
x circa uguale a<br />
x="<br />
X<br />
k=0<br />
"<br />
=<br />
1 + ("k) 2<br />
+1X<br />
x=" X<br />
( ) n " 2n+1k2n n=0k=0<br />
+1X<br />
n=0<br />
( ) nx2n+1 :<br />
2n + 1<br />
Anche se eleganti, sia il prodotto di Wallis che la serie di Leibniz non sono<br />
dei metodi pratici per il calcolo numerico di . Su suggerimento di Edmund<br />
Halley (1656-1742), con la serie di arctan 1= p 3 = =6 nel 1699 Abraham<br />
Sharp (1653-1742) calcola 71 decimali di . Nel 1706 John Machin (1680-1751)<br />
osserva che<br />
=4 = 4 arctan(1=5) arctan(1=239)<br />
e con le serie di arctan(1=5) e arctan(1=239) che convergono rapidamente calcola<br />
le prime cento cifre decimali di .<br />
Una formula di Eulero (1738):<br />
=4 = arctan (1=2) + arctan (1=3) :<br />
4<br />
1<br />
2<br />
1 1<br />
+<br />
3 23 5 25 +4<br />
1<br />
3<br />
1<br />
3 33 = 3; 142:::<br />
Sempre nel 1706 in ”Una nuova introduzione alle matematiche” di W.Jones<br />
viene introdotta la notazione per il rapporto tra circonferenza e diametro,<br />
mentre la notazione e per il numero con logaritmo iperbolico uguale ad uno è del<br />
1728 e si trova nelle ”Meditazioni su recenti esperimenti di spari di cannoni” di<br />
Eulero. Adottate da Eulero nella ”Introduzione all’analisi dell’in…nito”, queste<br />
notazioni divengono poi d’uso comune.<br />
Logaritmi ed esponenziali compaiono in modo naturale in problemi di interesse<br />
semplice o composto. Nella ”Summa de arithmetica, geometria, proportioni<br />
et proportionalità” di Luca Pacioli (1445-1514) si trova la seguente regola:<br />
94
”A voler sapere ogni quantità a tanto per 100 l’anno, in quanti anni sarà<br />
tornata doppia tra utile e capitale, tieni per regola 72, a mente, il quale sempre<br />
partirai per l’interesse, e quello che ne viene, in tanti anni sarà raddoppiato.<br />
Esempio: Quando l’interesse è a 6 per 100 l’anno, dico che si parta 72 per 6;<br />
ne viene 12, e in 12 anni sarà raddoppiato il capitale.”<br />
Con un interesse del y per cento, il tempo x in cui il capitale raddoppia<br />
è soluzione dell’equazione esponenziale (1 + y=100) x = 2. La soluzione esatta<br />
è x = log(2)= log(1 + y=100), ma ponendo log(1 + y=100) y=100 si ottiene<br />
una soluzione approssimata x 100 log(2)=y. Invece di 100 log(2) = 69; 314:::<br />
può essere comodo usare 72 che è un numero intero con molti divisori. Questo<br />
problema riguarda il calcolo dell’interesse semplice. Nel 1690 Jakob Bernoulli<br />
(1654-1705) pubblica la seguente questione sull’interesse composto:<br />
”Se qualcuno presta i suoi soldi ad usura, con la condizione che il suo capitale<br />
aumenti in ogni istante di una parte proporzionale all’interesse annuo, quanto<br />
deve ricevere alla …ne dell’anno?”<br />
Se x è l’interesse annuo, dopo un anno il capitale è moltiplicato per il fattore<br />
limn!+1 (1 + x=n) n . Bernoulli non collega immediatamente<br />
Z<br />
questa espressione<br />
y<br />
dt<br />
ai logaritmi, comunque questo limite e l’equazione x = de…niscono la<br />
1 t<br />
Z E(x;")<br />
stessa funzione y. Infatti, perturbando l’equazione si ottiene x =<br />
t<br />
1<br />
" 1dt, da cui ricava E(x; ") = (1 + "x) 1=" . Osserviamo che t " 1 decresce se " decresce,<br />
quindi E(x; ") cresce. Osserviamo in…ne che, per la formula del binomio,<br />
lim<br />
n! 1<br />
1 + x<br />
n<br />
n<br />
= lim<br />
nX<br />
n(n 1):::(n k + 1)<br />
n! 1<br />
k!n<br />
k=0<br />
k x k +1X<br />
=<br />
k=0<br />
Z y<br />
dt<br />
Quindi l’integrale di Gregorio di S.Vincenzo x = , la serie di Newton<br />
t<br />
1<br />
+1X<br />
x<br />
k=0<br />
k =k! e la successione di Bernoulli f(1 + x=n) n g +1<br />
n=1<br />
xk k!<br />
de…niscono una stessa<br />
funzione y = exp(x). L’interesse è proporzionale all’integrale rispetto al tempo<br />
del capitale. Nella serie esponenziale il termine 1 rappresenta il capitale iniziale,<br />
x l’interesse, x 2 =2 l’interesse sull’interesse,...<br />
95
Un problema dei fratelli Bernoulli:<br />
Trovare le traiettorie ortogonali alle<br />
curve logaritmiche per un punto<br />
dato e con un dato asintoto.<br />
La famiglia di curve y = exp ( x) soddisfa l’equazione di¤erenziale<br />
dy=dx = y log(y)=x, quindi la famiglia ortogonale soddisfa l’equazione<br />
dy=dx = x=y log(y), con soluzioni x = p y 2 =2 y 2 ln y + C.<br />
A partire dal 1694 Johann Bernoulli (1667-1748), fratello del precedente,<br />
inizia ad interessarsi del calcolo esponenziale e, insieme agli esponenziali semplici<br />
ax , studia anche funzioni più complicate del tipo (f(x)) g(x) . In particolare,<br />
per la quadratura della curva esponenziale y = xx sviluppa in serie<br />
xx = exp (x log(x)) = 1 x log(x) + x2 log 2 termini, ottenendo<br />
Z 1<br />
(x)=2 ::: ed integra per parti i vari<br />
x<br />
0<br />
x dx = 1 1=2 2 + 1=3 3<br />
1=4 4 + :::<br />
Nel 1697, de…nita logaritmica la curva con sottotangente costante, o quella<br />
che a successioni aritmetiche in ascissa fa corrispondere successioni geometriche<br />
in ordinata, ne de…nisce le regole di calcolo,<br />
log (m n ) = n log (m) ; d log (m) = dm<br />
m ; d (mn ) = nm n 1 dm + m n log (m) dn:<br />
Nel 1702 Bernoulli osserva che l’integrazione di funzioni razionali si può<br />
ridurre all’integrazione di frazioni con denominatori semplice e genera solo funzioni<br />
razionali, logaritmi, arcotangenti.<br />
”Dato il di¤erenziale pdx : q, con p e q quantità razionali di una variabile x<br />
ed altre costanti, se ne ricerca l’integrale o come somma algebrica o lo si riduce<br />
alla quadratura dell’iperbole o del cerchio”<br />
Poi osserva che un di¤erenziale che dipende dalla quadratura del cerchio si<br />
può anche scomporre in due di¤erenziali di logaritmi immaginari,<br />
adz<br />
b2 1<br />
=<br />
+ z2 2b<br />
adz 1 adz<br />
+<br />
b + iz 2b b iz :<br />
96
Con la sostituzione z = ib (t 1) = (t + 1) il di¤erenziale adz= b 2 + z 2 si<br />
trasforma in (ia=2b) dt=t, quindi con i numeri complessi si può esprimere l’integrale<br />
sia come arco tangente che come logaritmo. Bernoulli comunica questa sua<br />
scoperta dell’integrazione delle funzioni razionali a Leibniz, che risponde di<br />
essere già a conoscenza del risultato dai tempi della sua quadratura aritmetica<br />
del cerchio. Poi dal 1702 al 1712 Bernoulli e Leibniz si interrogano, senza<br />
venirne a capo, della possibile esistenza di logaritmi di numeri negativi o immaginari.<br />
Per Leibniz i logaritmi dei numeri negativi non esistono, perché un<br />
logaritmo positivo corrisponde ad un numero maggiore di 1 ed un logaritmo<br />
negativo ad un numero tra 0 e 1. Per Bernoulli log( x) = log(x), infatti<br />
2 log( x) = log ( x) 2 = log x 2 = 2 log(x). Formule per i logaritmi di<br />
numeri complessi sono pubblicate da Rogerg Cotes (1682-1716) nel 1714,<br />
log (cos(#) + i sin(#)) = i#;<br />
ed anche Giulio Carlo de’Toschi di Fagnano (1682-1766) nel 1719 trova le formule<br />
2i log(i) = 2i log ((1 i) = (1 + i)) = :<br />
Nel 1714 Cotes de…nisce esplicitamente il numero e ed utilizzando la serie<br />
di potenze dell’esponenziale ne calcola 12 cifre decimali, poi nel 1748 Eulero ne<br />
calcola 23. Il XVIII secolo è il secolo di Eulero, è l’autore di circa un terzo delle<br />
pubblicazioni di matematica e meccanica del secolo ed ha una parte di primo<br />
piano anche nella storia di e di e. Nel 1736 Eulero riesce a calcolare la somma<br />
dei reciproci dei quadrati, poi di tutte le potenze pari,<br />
+1X<br />
k=1<br />
k 2 =<br />
2<br />
6 ;<br />
+1X<br />
k=1<br />
k 4 =<br />
4<br />
90 ;<br />
+1X<br />
k=1<br />
k 6 =<br />
6<br />
945 ;<br />
+1X<br />
k=1<br />
8<br />
k 8 = ; :::<br />
9450<br />
Nel 1737 Eulero scopre come trasformare delle serie in frazioni continue e<br />
97
viceversa,<br />
A<br />
A<br />
B =<br />
1 + B<br />
;<br />
A B<br />
A B + C =<br />
1 +<br />
A<br />
A<br />
B<br />
B + AC<br />
;<br />
B C<br />
A B + C D =<br />
1 +<br />
A<br />
A<br />
B<br />
AC<br />
B +<br />
B C + BD<br />
C D<br />
A B + C D + E =<br />
1 +<br />
A B +<br />
A<br />
B<br />
AC<br />
BD<br />
Similmente,<br />
1<br />
A<br />
1 1<br />
+<br />
B C<br />
1<br />
+ ::: =<br />
D<br />
B C +<br />
C D + CE<br />
D E<br />
1<br />
:<br />
AA<br />
A +<br />
BB<br />
B A +<br />
CC<br />
C B +<br />
D C + :::<br />
In particolare, le frazioni parziali dello sviluppo in frazioni continue di Lord<br />
Brouncker coincidono con le somme parziali della serie di Gregory e Leibniz,<br />
x<br />
x 3<br />
3<br />
+ x5<br />
5<br />
= 1<br />
4<br />
x 7<br />
7<br />
+ x9<br />
9<br />
1 1<br />
+<br />
3 5<br />
::: =<br />
1 +<br />
x<br />
x2 3 x2 +<br />
9x2 5 3x2 +<br />
1 1<br />
+<br />
7 9<br />
1<br />
::: =<br />
1<br />
1 +<br />
9<br />
2 +<br />
2 + 25<br />
2 + :::<br />
98<br />
;<br />
; :::<br />
25x 2<br />
7 5x 2 + :::<br />
:<br />
;
In modo empirico Eulero congettura lo sviluppo in frazioni continue di e,<br />
1<br />
e = 1 +<br />
1<br />
0 +<br />
1<br />
1 +<br />
1<br />
1 +<br />
1<br />
2 +<br />
1<br />
1 +<br />
1<br />
1 +<br />
4 + 1<br />
1 + :::<br />
Poi, utilizzando le equazioni di¤erenziali di Riccati, trova anche lo sviluppo<br />
di e 1=q ,<br />
e 1=q 1<br />
= 1 +<br />
1<br />
q 1 +<br />
1<br />
1 +<br />
1<br />
1 +<br />
1<br />
3q 1 +<br />
1<br />
1 +<br />
1<br />
1 +<br />
5q 1 + 1<br />
1 + :::<br />
Da questo sviluppi segue immediatamente l’irrazionalità di e 1=q con q intero,<br />
perché lo sviluppo in frazioni continue semplici di un numero razionale è …nito.<br />
La regolarità di questi sviluppi contrasta con quella di = 3 + 1=(7 + 1=(15 +<br />
1=(292 + :::))). Anche se non c’entra molto con quanto segue, osserviamo in…ne<br />
che accanto alle frazioni continue discendenti esistono anche quelle ascendenti,<br />
e = 2 + 1 1<br />
+<br />
2 2 3 +<br />
1<br />
1 +<br />
+ ::: = 2 +<br />
2 3 4<br />
1 +<br />
:<br />
1 + :::<br />
4<br />
3<br />
2<br />
Con la formula di Abraham de Moivre (1667-1754) (cos(#) + i sin(#)) n =<br />
cos(n#) + i sin(n#), Eulero dimostra che l’equazione z n = a + ib nel campo complesso<br />
ha n radici. Se = p a 2 + b 2 e se si de…nisce # in modo da avere cos(#) =<br />
a e sin(#) = b, allora np a + ib = np (cos ((# + 2k ) =n) + i sin ((# + 2k ) =n))<br />
con k = 0; 1; :::; n 1. Eulero scopre che exp(x) = limn!+1 (1 + x=n) n e inversamente<br />
log(y) = limn!+1 n y 1=n 1 . Poi intuisce che nel campo complesso<br />
la funzione logaritmo ha in…niti valori, perché log(x) = limn!+1 n x 1=n 1 e<br />
ci sono due radici quadrate, tre radici cubiche,.... In…ne, studiando le equazioni<br />
di¤erenziali a coe¢ cienti costanti, nel 1743 Eulero scopre la relazione tra funzioni<br />
esponenziali e trigonometriche e tra i numeri 0, 1, i, e, ,<br />
exp(ix) = cos(x) + i sin(x);<br />
exp(i ) + 1 = 0:<br />
99<br />
:<br />
:
Infatti le funzioni exp(ix) e cos(x) + i sin(x) soddisfano la stessa equazione<br />
di¤erenziale d 2 y=dx 2 +y = 0 con condizioni iniziali y(0) = 1 e y 0 (0) = i ed hanno<br />
lo stesso sviluppo in serie 1 + ix x 2 =2 ix 3 =6 + :::. Questo risolve l’enigma<br />
dei logaritmi di numeri complessi. Se a + ib = exp(x + iy), allora a = e x cos(y)<br />
e b = e x sin(y), la parte reale del logaritmo x = log p a 2 + b 2 è univocamente<br />
de…nita, mentre la parte immaginaria y = arctan(b=a) è solo de…nita a meno di<br />
multipli di 2 , log(a + ib) = x + i(y + 2k ) con k = 0; 1; 2; :::. Le seguenti<br />
formule si ritrovano nella ”Introduzione all’analisi dell’in…nito”:<br />
La formula di Eulero<br />
exp(ix) = cos(x) + i sin(x):<br />
e x = (1 + x<br />
i )i ;<br />
e +vp 1 = cos :v + p 1 sin :v;<br />
e vp 1 = cos :v p 1 sin :v;<br />
cos :v = e+vp 1 v + e p 1<br />
;<br />
2<br />
sin :v = e+vp 1 e vp 1<br />
2 p :<br />
1<br />
(1 + ix=n) n ha modulo 1 + x 2 =n 2 n=2 ! 1 e argomento n arctan(x=n) ! x<br />
se n ! +1. Quindi exp(ix) = limn!+1 (1 + ix=n) n = cos(x) + i sin(x).<br />
La dimostrazione di Eulero è leggermente diversa. Nella formula<br />
(cos(#) + i sin(#)) n = cos(n#) + i sin(n#), assumendo # piccolo e n<br />
grande, con n# = x, e sostituendo cos(x=n) 1 e sin(x=n) x=n,<br />
si ottiene cos(x) + i sin(x) (1 + ix=n) n<br />
exp(ix).<br />
Jacopo Francesco Riccati (1676-1754) è noto per i sui studi sulle equazioni<br />
di¤erenziali. Il …glio Vincenzo Riccati (1707-1775) nel 1757 de…nisce il coseno e<br />
seno iperbolico,<br />
cosh(x) =<br />
exp(x) + exp( x)<br />
; sinh(x) =<br />
2<br />
exp(x) exp( x)<br />
:<br />
2<br />
Le funzioni iperboliche si possono ottenere da quelle trigonometriche per<br />
mezzo della formula di Eulero, cosh(#) = cos(i#) e sinh(#) = i sin(i#). Come<br />
le funzioni trigonometriche (cos(#); sin(#)) sono una parametrizzazione del cerchio<br />
x 2 + y 2 = 1 ed il parametro # è il doppio dell’area del settore di cerchio con<br />
100
vertici (0; 0), (1; 0), (x; y), così le funzioni iperboliche (cosh(#); sinh(#)) sono<br />
una parametrizzazione dell’iperbole x 2 y 2 = 1 e # è il doppio dell’area del<br />
settore d’iperbole (0; 0), (1; 0), (x; y).<br />
Le funzioni trigonometriche<br />
y = cos(x); y = sin(x); Le funzioni iperboliche<br />
y = cosh(x); y = sinh(x):<br />
Nel capitolo VIII ”Sulle quantità trascendenti che nascono dal cerchio” della<br />
”Introduzione all’analisi dell’in…nito”, Eulero riporta le prime 127 cifre decimali<br />
di , 112 corrette, calcolate nel 1719 da Thomas Fantet de Lagny (1660-1734).<br />
Non rilevando alcuna periodicità in questo sviluppo, Eulero conclude: ”Se il<br />
raggio di un cerchio, o il seno totale, è uguale a uno, è chiaro che il perimetro<br />
di questo cerchio non si può esprimere in numeri razionali”. Poi nel 1755 scrive:<br />
”Sembra quasi certo che il perimetro del cerchio è una così peculiare quantità<br />
trascendente, che in nessun modo può essere comparata con altre quantità, siano<br />
esse radici o altre quantità trascendenti”. Basandosi probabilmente sui lavori di<br />
Eulero, ma senza citarlo, nel 1761 Johann Heinrich Lambert (1728-1777) ottiene<br />
lo sviluppo in frazione continua della tangente dividendo gli sviluppi in serie di<br />
seno e coseno,<br />
sin(x)<br />
cos(x) = x x3 =6 + x 5 =120 :::<br />
1 x 2 =2 + x 4 =24 ::: =<br />
=<br />
1<br />
=<br />
1<br />
x<br />
x 2 =3 x 4 =30 :::<br />
1 x 2 =6 + x 4 =120 :::<br />
3<br />
x<br />
x2 x 2 + :::<br />
5 x 2 =2 + :::<br />
101<br />
=<br />
1<br />
=<br />
1<br />
1<br />
x<br />
x2 =2 + x4 =24 :::<br />
1 x2 =6 + x4 =120 :::<br />
x<br />
x 2<br />
3 x 2 =2 + :::<br />
1 x2 =10 :::<br />
x<br />
x2 3<br />
x2 :::<br />
5 + :::<br />
1 + :::
Quindi,<br />
tan(x) =<br />
1<br />
3<br />
x<br />
x2 5<br />
x2 x2 7 :::<br />
Poi dimostra che se dei razionali a=b, c=d, e=f,... sono strettamente compresi<br />
tra 0 e 1, allora la frazione continua a c e<br />
::: è irrazionale. Posto infatti<br />
b d f<br />
X = a c e<br />
::: = a= (b Y ), se fosse X = A=B, con A < B interi, allora<br />
b d f<br />
Y = c e<br />
::: = (aB bA)=A sarebbe una frazione con denominatore A < B.<br />
d f<br />
Iterando un numero su¢ ciente di volte si otterrebbe una contraddizione. Questi<br />
risultati implicano il seguente.<br />
”Tutte le volte che un arco di cerchio è commensurabile al raggio, la tangente<br />
di questo arco è incommensurabile; reciprocamente, ogni tangente commensurabile<br />
non è quella di un arco commensurabile.”<br />
Cioè, se x è un razionale non nullo allora tan(x) non è razionale. Similmente,<br />
se x è un razionale non nullo allora exp(x) non è razionale. In particolare<br />
exp(1) = e non è razionale. Similmente, tan( =4) = 1, quindi anche non è<br />
razionale. Ai suoi teoremi Lambert aggiunge una congettura: ”La lunghezza<br />
dell’arco è una quantità trascendente, cioè non riconducibile a qualche quantità<br />
razionale o radicale, e per questo non ammette alcuna costruzione geometrica”.<br />
E c’è anche un ironico commento: ”Ho buone ragioni di dubitare che il presente<br />
lavoro sarà letto o compreso da coloro i quali potrebbero trarne maggior pro…tto,<br />
cioè da chi spende tempo e fatica cercando di quadrare il cerchio”.<br />
La retti…cazione<br />
approssimata di<br />
una curva di<br />
Lambert.<br />
La lunghezza di un tratto di curva può essere approssimata dalla<br />
somma di due terzi della base più un terzo dei lati obliqui del<br />
triangolo formato dalla corda e dalle tangenti.<br />
La ricerca di Lambert viene ripresa da Adrien Marie Legendre (1752-1833),<br />
che nel 1794 dimostra anche l’irrazionalità di 2 . Ecco come queste dimostrazioni<br />
vengono presentate nei suoi ”Elementi di geometria”. Si parte osservando che<br />
la serie<br />
'(z) = 1 + a<br />
z<br />
1 a<br />
+<br />
2<br />
2 1 a<br />
+<br />
z (z + 1) 2 3<br />
3<br />
+ :::<br />
z (z + 1) (z + 2)<br />
102<br />
:
veri…ca l’equazione funzionale '(z) '(z+1) = a'(z+2)= (z(z + 1)). Dividendo<br />
questa equazione per '(z + 1) e ponendo<br />
(z) =<br />
a'(z + 1)<br />
z'(z)<br />
si ricava la frazione continua<br />
= a<br />
z<br />
1 + a 1 a<br />
+<br />
z + 1 2<br />
2<br />
(z + 1) (z + 2)<br />
1 + a 1 a<br />
+<br />
z 2<br />
2<br />
+ :::<br />
z (z + 1)<br />
+ :::<br />
;<br />
a<br />
(z) =<br />
z + (z + 1) =<br />
a<br />
a<br />
a =<br />
a<br />
= :::<br />
z +<br />
z +<br />
z + 1 + (z + 2)<br />
a<br />
z + 1 +<br />
z + 2 + (z + 3)<br />
Con z = 1=2, si ottiene<br />
2a<br />
Quindi<br />
1 + 4a 16a2<br />
+<br />
2 3 2 3 4 5 +<br />
1 + 4a<br />
2<br />
64a3 + :::<br />
2 3 4 5 6 7<br />
16a2<br />
+<br />
2 3 4 +<br />
64a3 2a<br />
=<br />
4a<br />
+ ::: 1 +<br />
2 3 4 5 6 4a<br />
3 +<br />
5 + 4a<br />
7 + :::<br />
2 p a exp (2p a) exp ( 2 p a)<br />
exp (2 p a) + exp ( 2 p a) =<br />
In…ne, con 4a = x 2 e 4a = x 2 ,<br />
exp (x) exp ( x)<br />
exp (x) + exp ( x) =<br />
tan(x) =<br />
1<br />
3<br />
1 +<br />
x<br />
x2 4a<br />
4a<br />
1 +<br />
3 + 4a<br />
:<br />
5 + :::<br />
x<br />
x2 3 + x2<br />
5 + :::<br />
x 2<br />
5 :::<br />
Se i razionali a=b, c=d, e=f,... sono strettamente compresi tra 0 e 1, allora la<br />
frazione continua a c e<br />
::: è irrazionale. Posto infatti X =<br />
b d f<br />
a c e<br />
::: =<br />
b d f<br />
a= (b Y ), se fosse X = A=B, con A < B interi, allora Y = c e<br />
::: =<br />
d f<br />
(aB bA)=A sarebbe una frazione con denominatore A < B. Iterando un<br />
numero su¢ ciente di volte si otterrebbe una contraddizione, con l’eccezione<br />
103<br />
:<br />
;<br />
:
a c e<br />
della frazione continua<br />
::: = 1. Ovviamente la frazione<br />
a + 1 c + 1 e + 1<br />
continua è irrazionale anche quando a=b, c=d, e=f,... sono minori di uno solo da<br />
un certo posto in poi. E, dopo questi preliminari, un teorema: ”Se un arco è<br />
commensurabile con il raggio, la sua tangente è incommensurabile con il raggio”.<br />
Infatti<br />
m<br />
tan(m=n) =<br />
m<br />
n<br />
2<br />
m<br />
3n<br />
2<br />
:<br />
5n :::<br />
In particolare, da tan ( =4) = 1 si deduce che ”il rapporto tra circonferenza<br />
e diametro è un numero irrazionale”. In…ne, da tan( ) = 0 e dallo sviluppo in<br />
frazioni continue uguagliato a zero si ricava<br />
0 = 3<br />
Se fosse 2 = m=n, si avrebbe<br />
3 =<br />
5n<br />
5<br />
7<br />
2<br />
2<br />
2<br />
9 :::<br />
m<br />
m :<br />
m<br />
7n<br />
9n :::<br />
Quindi, ”il quadrato del rapporto tra circonferenza e diametro è un numero<br />
irrazionale”. In…ne, anche Legendre si associa a chi esprime dubbi sulla<br />
quadratura algebrica del cerchio:<br />
”È probabile che il numero non sia contenuto tra le irrazionalità algebriche,<br />
cioè non sia radice di una equazione con un numero …nito di termini<br />
con coe¢ cienti razionali. Ma questa proposizione sembra piuttosto di¢ cile da<br />
dimostrare rigorosamente”.<br />
104<br />
:
Nella ”Enciclopedia metodica” di Denis Diderot (1713-1784) e Jean le Rond<br />
d’Alembert (1717-1783), alla voce ”Quadratura del cerchio” si legge:<br />
”Il rapporto tra diametro e circonferenza è impossibile, perché queste due<br />
linee sono per la loro natura intellettuale incommensurabili. La linea curva<br />
circolare non può avere un rapporto esatto con la linea retta, per la ragione<br />
che una è curva e l’altra è dritta, non si può applicare una misura comune<br />
all’una ed all’altra. Una linea curva si può misurare soltanto con una curva,<br />
una retta con una retta, un piano con un piano, un solido con un solido. Per<br />
quanto piccola sia la misura che si utilizza per misurare prima la retta e poi la<br />
curva, questa non potrà misurarle entrambe esattamente, la curva sarà sempre<br />
un poco più lunga della retta. Più questa misura sarà piccola, più si avvicinerà<br />
ad una misura comune tra le due, ma mancherà sempre qualcosa per quanto<br />
esatta possa essere la misura. Questa è la ragione per cui ci si può avvicinare<br />
arbitrariamente al rapporto tra diametro e circonferenza, senza però riuscire a<br />
determinarlo esattamente.”<br />
E viene anche presentata una curiosa pseudo dimostrazione dell’impossibilità<br />
di quadrare un cerchio:<br />
”Tra tutte le …gure con lo stesso perimetro, il cerchio è quella che racchiude<br />
più super…cie... Poiché la super…cie di un cerchio è sempre più grande di<br />
quella dei poligoni con un qual si voglia numero di lati ed uguale perimetro,<br />
non si troverà mai un poligono con la stessa super…cie, per quanti lati possa<br />
avere... Se lo spirito umano arriverà a trovare una …gura rettilinea con super…cie<br />
uguale a quella del cerchio, così come si sono quadrate le lunule di Ippocrate,<br />
105
i lati di questa …gura rettilinea saranno necessariamente incommensurabili con<br />
la circonferenza.”<br />
In…ne si ripropone l’argomento di Newton sull’impossibilità di quadrare una<br />
generica porzione di cerchio:<br />
”Se la quadratura inde…nita del cerchio fosse possibile, si avrebbe una equazione<br />
algebrica con un numero …nito di termini tra un arco x ed il suo seno y. Questa<br />
equazione potrebbe essere resa razionale con un numero …nito di operazioni algebriche<br />
e conseguentemente per un dato valore di y non darebbe che un numero<br />
…nito di valori di x. Ma per un dato seno ci sono in…niti archi.”<br />
Il sospetto sull’impossibilità della quadratura del cerchio cresce insieme al<br />
numero delle supposte soluzione così tanto che nel 1775 l’Accademia Reale delle<br />
Scienze di Parigi, immediatamente imitata da altre accademie e società, si trova<br />
costretta a rilasciare una lunga dichiarazione in proposito:<br />
”L’Accademia ha preso quest’anno la risoluzione di non esaminare più alcuna<br />
soluzione dei problemi della duplicazione del cubo, trisezione dell’angolo, o<br />
quadratura del cerchio, né alcuna macchina annunciata come un moto perpetuo.<br />
Crediamo anche opportuno rendere conto dei motivi che hanno determinato<br />
questa decisione. Il problema della duplicazione del cubo è stato celebre presso i<br />
greci. Si dice che l’oracolo di Delo, consultato dagli ateniesi sul modo di far cessare<br />
la peste, avesse loro prescritto di consacrare al Dio di Delo un altare doppio<br />
di quello che si vedeva nel tempio... Il problema della trisezione dell’angolo fu<br />
ugualmente celebre presso gli antichi, e lo si risolve con una costruzione che<br />
richiede la descrizione di una curva di terzo grado... Siccome gli antichi consideravano<br />
come geometriche solo le costruzioni con la linea retta ed il cerchio,<br />
la riga ed il compasso, questo ha fatto nascere un pregiudizio che regna ancora<br />
tra gli uomini meno illuminati. Continuano a cercare delle soluzioni geometriche<br />
di questi problemi; gli uni, non impiegando che riga e compasso, danno<br />
delle soluzioni errate; gli altri ne danno di vere, ma senza saperlo impiegano<br />
delle curve e le loro soluzioni rientrano tra quelle già note... Il problema della<br />
quadratura del cerchio è invece di un ordine di¤erente. La quadratura della<br />
parabola trovata da Archimede, quella delle lunule di Ippocrate di Chio, danno<br />
delle speranze di quadrare il cerchio, cioè di conoscere la misura della sua super-<br />
…cie. Archimede ha mostrato che questo problema e quello della retti…cazione del<br />
cerchio dipendono l’uno dall’altro, e per questo i due problemi sono stati confusi.<br />
Non si conoscono che dei metodi approssimati per quadrare il cerchio, il primo<br />
è dovuto ad Archimede ed un gran numero di geometri famosi ne hanno proposti<br />
di nuovi, molto ingegnosi, molto semplici, molto comodi nella pratica. È possibile<br />
perfezionare ancora questi metodi; l’Accademia non esclude questo genere<br />
di ricerche. Ma quelli che si occupano della quadratura del cerchio non cercano<br />
dei metodi di approssimazione, aspirano invece ad una soluzione rigorosa del<br />
problema... Senza conoscere la natura e la di¢ coltà di questi problemi, i metodi<br />
da costoro impiegati non possono condurre ad una soluzione, sempre che questa<br />
sia possibile... Comunque, la quadratura del cerchio è il solo dei problemi ri…utati<br />
dall’Accademia che possa dar luogo a delle ricerche utili, e se un geometra<br />
106
la venisse a trovare, la delibera dell’Accademia non farebbe che aumentare la<br />
sua gloria, mostrando quale opinione i geometri hanno della di¢ coltà, per non<br />
parlare dell’insolubilità del problema.”<br />
107
COSTRUZIONI CON RIGA E COMPASSO:<br />
Facciamo una digressione sulle costruzioni geometriche con riga e compasso,<br />
iniziando dal primo e terzo dei postulati negli ”Elementi” di Euclide.<br />
”Si può condurre una linea retta da un qualunque punto ad un qualunque<br />
altro punto.”<br />
”Si può descrivere un cerchio con qualsiasi centro e qualsiasi distanza.”<br />
Nel Libro VI degli ”Elementi” si spiega come moltiplicare, dividere, estrarre<br />
radici quadre.<br />
”Date tre rette, trovare la quarta proporzionale dopo di esse.”<br />
”Date due rette, trovare la media proporzionale.”<br />
Moltiplicazioni, divisioni, estrazioni di radici quadre<br />
negli ”Elementi” di Euclide.<br />
Per risolvere l’equazione a : b = c : x,<br />
dato un triangolo con lati a e c basta<br />
costruirne uno simile con lati b e x.<br />
Per risolvere l’equazione a : x = x : b<br />
basta costruire un triangolo rettangolo<br />
con proiezioni dei cateti sull’ipotenusa<br />
a e b ed altezza relativa all’ipotenusa x.<br />
Il metodo di Cartesio è di trasformare le costruzioni geometriche in equazioni,<br />
infatti l’indice del Libro I della ”Geometria” è il seguente:<br />
108
”Problemi la cui costruzione non utilizza che linee rette e cerchi.”<br />
”Come i calcoli dell’aritmetica si rapportano alle operazioni della geometria.”<br />
”Come si fanno geometricamente le moltiplicazioni, divisioni, estrazioni di<br />
radici quadrate.”<br />
”Come si possono utilizzare i numeri in geometria.”<br />
”Come occorre arrivare a delle equazioni per risolvere i problemi...”<br />
Con la riga e il compasso di Euclide si possono solo tracciare rette e cerchi,<br />
che nel piano di Cartesio sono curve descritte da equazioni di primo e secondo<br />
grado. Le intersezioni di rette e cerchi si ottengono risolvendo equazioni di<br />
primo o secondo grado. Viceversa, le equazioni di primo o secondo grado, o<br />
scomponibili in equazioni di primo e secondo grado, si possono risolvere intersecando<br />
rette e cerchi. Con riga e compasso si possono costruire tutti e soli i<br />
numeri in estensioni quadratiche iterate del campo numerico di partenza, cioè<br />
numeri che si possono ottenere a partire dal numero uno con un numero …nito<br />
di addizioni, sottrazioni, moltiplicazioni, divisioni, estrazioni di radici quadre.<br />
Nel ”General trattato di numeri et misure” di Nicolo Tartalea (1500-1557)<br />
”si mostra il modo di essequire con il compasso, et con la regha tutti li problemi<br />
geometrici di Euclide et da altri philosophi, et con modi più espedienti, e<br />
brevi di quelli dati da esso Euclide. Materia non men’ utile che necessaria à<br />
Geometrici, Designatori, Prospettivi, Architettori, Ingenieri, et Machinatori, si<br />
naturali, come Mathematici”. Il suo allievo Giovanni Battista Benedetti (1530-<br />
1590) nel 1553 pubblica ”La soluzione di tutti i problemi di Euclide con un solo<br />
cerchio di apertura data”. Georg Mohr (1640-1697) nel ”Euclide Danico” del<br />
1672 e poi Lorenzo Mascheroni (1750-1800) nella ”Geometria del compasso”<br />
109
del 1797 dimostrano che ogni costruzione con riga e compasso si può anche ottenere<br />
col solo compasso. Ovviamente con un compasso non si può tracciare<br />
una retta, ma una retta è individuata da due punti e col compasso è possibile<br />
trovare l’intersezione di rette con rette o rette con circonferenze, se di ogni retta<br />
si conoscono due punti. La motivazione di Mascheroni è di carattere pratico,<br />
perché le costruzioni col compasso sono in genere più precise di quelle con la<br />
riga. L’opera è dedicata ”a Bonaparte l’italico”, che subito provvede a publicizzarla<br />
in Francia. Pierre Simon Laplace (1749-1827) rivolgendosi al suo ex<br />
allievo commenta: ”Da voi generale potevamo aspettarci di tutto, salvo che delle<br />
lezioni di matematica”.<br />
Nella direzione opposta Jean Victor Poncelet (1788-1867) e Jakob Steiner<br />
(1796-1863) dimostrano che, dati un cerchio col suo centro, ogni altra costruzione<br />
con riga e compasso si può anche ottenere con la sola riga. Infatti, da un<br />
punto di vista analitico, le quattro operazioni elementari si possono eseguire<br />
intersecando delle rette e per calcolare la radice quadra di un dato numero a<br />
basta intersecare la retta x = (1 a)=(1 + a) con il semicerchio y = p 1 x 2 ,<br />
il risultato è p a = y(1 + a)=2. Con la sola riga non si può però far tutto, per<br />
esempio non si può trovare il centro di un cerchio. Una presunta costruzione<br />
dovrebbe consistere di un dato numero di rette due delle quali si intersecano<br />
nel centro del cerchio. Esistono però trasformazioni proiettive che mandano<br />
rette in rette, …ssano il cerchio ma ne muovono il centro. Quindi la costruzione<br />
trasformata non funzionerebbe più.<br />
La costruzione di poligoni regolari con 3, 4, 5, 6, 8, 10 lati è già nota ai<br />
pitagorici e per altri poligoni sono note delle costruzioni approssimate. Per<br />
esempio, nella ”Metrica” di Erone di Alessandria (II secolo d.C.) si danno i<br />
rapporti esatti o approssimati tra lato e apotema dei poligoni regolari da tre a<br />
dodici lati. In particolare, la diagonale di un quadrato è il diametro del cerchio<br />
circoscritto, l’esagono ha lato uguale al raggio ed il decagono ha lato uguale<br />
alla parte aurea del raggio. Poi, partendo da un poligono con n lati si può<br />
facilmente costruire quello con 2n lati, e con n=2 lati se n è pari. Cotes e<br />
DeMoivre mostrano che queste costruzioni si possono ricondurre alle soluzioni<br />
110
dell’equazione ciclotomica z n = 1, con radici z = cos(2k =n) + i sin(2k =n),<br />
e Alexandre Théophile Vandermonde (1735-1796) veri…ca …no ad n 11 che<br />
questa equazione può essere risolta per radicali. I diari di Carl Friedrich Gauss<br />
(1777-1855) iniziano il 30 Marzo 1796 con ”I principi da cui dipende la divisione<br />
del cerchio e la divisibilità geometrica dello stesso in diciassette parti, etc”. Nel<br />
Giugno dello stesso anno annuncia la scoperta nella ”Gazzetta letteraria” di<br />
Jena:<br />
”Nuove scoperte: Ogni novizio in geometria sa che è possibile costruire geometricamente,<br />
cioè con riga e compasso, diversi poligoni regolari, un triangolo,<br />
un pentagono, un poligono con 15 lati, ed ogni altro poligono ottenibile a partire<br />
da questi raddoppiando ripetutamente il numeri dei lati. Questo era già noto<br />
ai tempi di Euclide e, a partire da allora, sembra che l’opinione comune sia<br />
stata che il dominio della geometria elementare non sorpassasse questi limiti, o<br />
almeno io non sono a conoscenza di tentativi riusciti di sorpassarli. Mi sembra<br />
quindi degno di nota che, oltre a questi poligoni regolari, è possibile costruirne<br />
molti altri, per esempio un poligono con 17 lati. Questa scoperta è essenzialmente<br />
un mero corollario di una teoria ben più estesa, ma non ancora completa.<br />
Una volta completata, sarà o¤erta al pubblico. C.F. Gauss, da Braunschweig,<br />
studente a Göttingen.”<br />
Nelle ”Disquisizioni aritmetiche”, pubblicate nel 1801, Gauss dimostra che<br />
l’equazione ciclotomica zn = 1 è sempre risolubile per radicali. Inoltre, se<br />
n = 2mp1p2::: con pj numeri primi distinti della forma 22k + 1, l’equazione è<br />
risolubile con radicali quadratici. In particolare, è possibile costruire con riga<br />
e compasso ogni poligono regolare con 2 m p1p2::: lati se i pj sono numeri primi<br />
distinti della forma 22k + 1. In…ne, Gauss a¤erma che nessun altro poligono è<br />
costruibile. La congettura di Fermat è che ogni numero della forma 22k + 1 sia<br />
primo e questo è vero per k = 0, 1, 2, 3, 4, ma Eulero mostra che 225 + 1 è<br />
composto. In particolare, i poligoni costruibili in modo elementare sono quelli<br />
con lati 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 17, 20, 24, 30, 32, 34, 40,... Le lunghezze dei lati<br />
dei poligoni regolari con 3, 4, 5, 6, 8, 10 lati iscritti in un cerchio di raggio uno<br />
sono rispettivamente p 3, p q<br />
2, 5 p 5 =2, 1, p 2 p 2, p 5 1 =2. Anche<br />
2 sin( =17) è una combinazione di radicali quadratici, quindi l’eptadecagono è<br />
costruibile ed una costruzione esplicita che utilizza solo la geometria sintetica è<br />
pubblicata nel 1803. Similmente, nel 1832 viene pubblicata una costruzione del<br />
poligono regolare con 257 lati.<br />
111
Costruzioni approssimate di un pentagono regolare.<br />
Leonardo da Vinci.<br />
Albrecht Dürer.<br />
sin \BOD = 5= p 73 = 0:585:::<br />
r p<br />
5 5<br />
sin ( =5) = = 0:587:::<br />
8<br />
\BAH = 108 o 21 0 58 00 :::<br />
A partire dal 1714 Fagnano studia archi di curve con somme o di¤erenze determinabili<br />
algebricamente. In particolare trova degli archi di iperbole e di ellissi<br />
che non si riescono a misurare algebricamente ma la cui di¤erenza è algebrica.<br />
Fagnano studia poi la lemniscata di Bernoulli x 2 + y 2 = p x 2 y 2 e questo<br />
lo porta a considerare delle formule di addizione per integrali ellittici. Anche<br />
Eulero, Gauss ed Abel, si interessano agli integrali ellittici ed alla divisione con<br />
riga e compasso di archi della lemniscata. In particolare, Gauss a¤erma che la<br />
112
sua teoria sulla divisione delle funzioni circolari si applica anche Z ad una più vasta<br />
classe di funzioni trascendenti ”che dipendono dall’integrale dt= p 1 t4 ”. Nel<br />
1837 Pierre Laurent Wantzel (1814-1848) dimostra l’impossibilità di risolvere<br />
una generica equazione di terzo grado con solo riga e compasso, ed in particolare<br />
risolve in negativo il problema della duplicazione del cubo, x 3 = 2, e della<br />
trisezione dell’angolo, sin(#) = 3 sin(#=3) 4 sin 3 (#=3). Geometricamente, la<br />
duplicazione del cubo si ottiene intersecando le parabole x 2 = y e y 2 = 2x,<br />
mentre la trisezione dell’angolo si ottiene intersecando la parabola y 2 = x=4<br />
col cerchio x 2 + y 2 13=4x + 4 sin(#) = 0. Cartesio dimostra che intersecando<br />
due coniche si possono risolvere, oltre alle equazioni di primo e secondo grado,<br />
anche quelle di terzo e quarto, anzi, sono su¢ cienti la riga, il compasso, ed una<br />
conica diversa dal cerchio. Eulero e poi nel 1840 Thomas Clausen (1801-1855)<br />
scoprono due lunule quadrabili con riga e compasso che si aggiungono alle tre<br />
trovate da Ippocrate. Dei classici problemi della matematica greca resta ancora<br />
aperto quello della retti…cazione e quadratura del cerchio, ma almeno risulta<br />
chiarita la natura algebrica del problema geometrico.<br />
”Una costruzione geometrica<br />
approssimata per ” del 1685<br />
di A.A.Kochansky:<br />
q<br />
40=3 2 p 3 = 3; 14153:::<br />
”Tracciamo le perpendicolari alle estremità del diametro di un cerchio<br />
e costruiamo un angolo di trenta gradi con vertice nel centro e lato sul<br />
diametro. Congiungiamo il punto di intersezione tra l’altro lato e la<br />
perpendicolare col punto sull’altra perpendicolare che dista tre raggi<br />
dalla base. La linea così ottenuta è un’ottima approssimazione di<br />
metà circonferenza.”<br />
113
La costruzione di<br />
J. de Gelder del 1849:<br />
355<br />
= 3; 141592920:::<br />
113<br />
In una cerchio di raggio uno si traccia il diametro AOB ed il raggio<br />
OC perpendicolare al diametro. Sul raggio si prende un segmento<br />
OD = 7=8 e sulla retta per AD un segmento AE = 1=2. Tracciata la<br />
perpendicolare EF al diametro, si congiunge F con D e si traccia<br />
la parallela a DF per E. Questa parallela interseca il diametro<br />
in un punto G con AG = 355=113 3.<br />
114
NUMERI RAZIONALI; ALGEBRICI; TRASCENDENTI:<br />
I numeri interi sono i numeri 0, 1, 2, 3,..., i numeri razionali sono rapporti di<br />
numeri interi, i numeri algebrici sono le radici di equazioni algebriche a coe¢ cienti<br />
interi, tutti gli altri numeri sono trascendenti. In particolare, un razionale<br />
p=q è radice dell’equazione di primo grado qx p = 0 e una radice np p=q è<br />
radice dell’equazione qx n p = 0. Le soluzioni di equazioni di primo e secondo<br />
grado sono note …n dall’antichità. In particolare dal 2000 a.C. i sumeri ed i<br />
babilonesi sanno trovare i lati di un rettangolo, dati il perimetro e l’area. Sanno<br />
cioè risolvere il sistema u + v = p e u v = q, che è equivalente all’equazione<br />
x 2 px + q = 0.<br />
(BM 13901 XVIII secolo a.C.)<br />
Sommo super…cie e lato del quadrato: 0.45...<br />
x2 + x = 45=60; x = 1=2:<br />
Sommo le super…ci di due quadrati: 21.40.<br />
Incrocio i lati: 10...<br />
x 2 + y 2 = 21 + 40=60;<br />
xy = 10:<br />
115<br />
x = p 15;<br />
y = p 20=3:
Il calcolo di una radice quadrata nei<br />
”Nove capitoli dell’arte matematica”<br />
di Liu Hui (III secolo d.C.).<br />
Per calcolare la radice quadrata di un numero N con 2k + 1 o 2k + 2<br />
cifre, si cerca il più grande A = a 10k con A2 N, poi il più grande<br />
B = b 10k 1 con A2 + B2 + 2AB k N, poi il più grande C = c 10 2<br />
con A2 + B2 + C2 p<br />
+ 2AB + 2AC + 2BC N...<br />
k k 1 k 2 N = a 10 + b 10 + c 10 :::<br />
”Algebra” di Al-Khowarizmi ( 780-850):<br />
Un quadrato e dieci sue radici sono uguali<br />
a trentanove. Prendi metà delle radici, 5, e<br />
moltiplica questo numero per se stesso, 25,<br />
aggiungi a 39, il risultato è 64, prendi la<br />
radice, 8, sottrai la metà del numero delle<br />
radici, 5. Il risultato è 3, questa è la radice”.<br />
Per risolvere l’equazione x 2 + 2bx = c, al quadrato x 2 e ai due rettangoli bx<br />
si aggiunge un altro quadrato b 2 . Il risultato è un quadrato (x + b) 2 = b 2 + c.<br />
Quindi x = p b 2 + c b.<br />
Algebra geometrica di Omar Khayyam (1048-1131):<br />
In un cerchio trovare un punto con rapporto tra<br />
raggio e normale dal punto al raggio uguale al<br />
rapporto tra i segmenti sul piede della normale.<br />
sin (#) : 1 = (1 cos (#)) : cos (#) ;<br />
cos 3 (#) + cos 2 (#) + cos (#) 1 = 0:<br />
L’equazione si può risolvere intersecando<br />
un cerchio con una iperbole.<br />
116
Piero della Francesca Leonardo da Vinci<br />
Formula di<br />
Erone per<br />
l’area A di<br />
un triangolo<br />
col lati d (i; j) :<br />
Formula di<br />
Piero della<br />
Francesca e<br />
Tartaglia per<br />
il volume V di<br />
un tetraedro<br />
con lati d (i; j) :<br />
4A2 2<br />
0 d (1; 2)<br />
=<br />
6<br />
4<br />
2<br />
d (1; 3) 2<br />
1<br />
d (2; 1) 2<br />
0 d (2; 3) 2<br />
d (3; 1)<br />
1<br />
2<br />
d (3; 2) 2<br />
3<br />
0<br />
7<br />
1 5<br />
1 1 1 0<br />
288V 2 2<br />
0 d (1; 2)<br />
=<br />
6<br />
4<br />
2<br />
d (1; 3) 2<br />
d (1; 4) 2<br />
1<br />
d (2; 1) 2<br />
0 d (2; 3) 2<br />
d (2; 4) 2<br />
d (3; 1)<br />
1<br />
2<br />
d (3; 2) 2<br />
0 d (3; 4) 2<br />
d (4; 1)<br />
1<br />
2<br />
d (4; 2) 2<br />
d (4; 3) 2<br />
3<br />
0<br />
7<br />
1<br />
5<br />
1 1 1 1 0<br />
Nel XVI secolo ad un facoltoso mercante tedesco preoccupato per l’educazione<br />
del …glio viene dato il seguente consiglio: ”Per imparare le somme e le sottrazioni<br />
bastano le università francesi o tedesche, ma per andare oltre, se il ragazzo è<br />
sveglio, è meglio l’Italia”. Nel ”Fiore”Leonardo da Pisa reinterpreta in forma algebrica<br />
la teoria geometrica degli incommensurabili nel Libro X degli ”Elementi”<br />
di Euclide e studia una equazione di terzo grado: ”Si trovi un certo numero cubo<br />
che con due suoi quadrati e dieci radici sia uguale a venti”, x 3 +2x 2 +10x = 20.<br />
Il Fibonacci dimostra che la radice positiva non è razionale, e neanche un irrazionale<br />
quadratico. Se la radice fosse un irrazionale quadratico, x = p n,<br />
nell’uguaglianza x x 2 + 10 = 20 2x 2 il termine a sinistra sarebbe irrazionale<br />
e quello a destra razionale. E, non riuscendo a risolvere esattamente l’equazione,<br />
ne calcola numericamente un’approssimazione con 10 decimali corretti,<br />
x 1 + 22<br />
60<br />
+ 7<br />
60<br />
42 33 4 40<br />
+ + + + :<br />
2 603 604 605 606 Il ”Trattato d’abaco” di Piero della Francesca (1415-1492) contiene un problema<br />
più concreto: ”Uno presta ad un altro 100000 lire per 5 anni a fare capo<br />
d’anno; in capo de’5 anni quello gli rende, tra merito e capitale, 161051. Domando<br />
a che ragione fu prestata la libra il mese”. È l’equazione di quinto grado<br />
100000 (1 + x) 5 = 161051, con soluzione x = 1=10. Una lira sono 240 denari, ”E<br />
117
a denari 2 la lira fu prestata il mese”. Nella ”Summa de Arithmetica” del 1494<br />
Luca Pacioli denota l’incognita x ”cosa”, x 2 ”censo”, x 3 ”cubo”, x 4 ”censo de<br />
censo”,... e ritiene ”impossibile censo de censo e censo uguale a cosa.... impossibile<br />
censo de censo e cosa uguale a censo...”, cioè ritiene impossibile trovare<br />
una regola generale per risolvere le equazioni ax 4 + bx 2 = cx e ax 4 + bx = cx 2 .<br />
Questa s…da suscita l’interesse della comunità matematica italiana e nella prima<br />
metà del XVI secolo vengono risolte sia le equazioni di terzo grado che quelle<br />
di quarto. Il primo che risolve delle particolari equazioni cubiche ax 3 + bx = c,<br />
”cose e cubo eguale a numero”, è Scipione dal Ferro (1465-1526), che non pubblica<br />
la soluzione ma la comunica in punto di morte ad un suo allievo, Antonio<br />
Maria Fior.<br />
”Il capitolo di cose e cubo eguale a numero: Quando le cose e li cubi si<br />
eguagliano al numero ax 3 + bx = c , ridurai la equatione a 1 cubo partendo per<br />
la quantità delli cubi x 3 + px = q , poi cuba la terza parte delle cose (p=3) 3 ,<br />
poi quadra la metà dil numero (q=2) 2<br />
e questo suma con il detto cubato<br />
(p=3) 3 + (q=2) 2 , et la radice di detta summa più la metà del numero fa un<br />
binomio p p3 =27 + q2 =4 + q=2 et la radice cuba di tal binomio, men la radice<br />
qpp 3<br />
cuba del suo residuo<br />
3 =27 + q2 =4 q=2 val la cosa”.<br />
Cioè, la soluzione di x3 + px = q è<br />
q<br />
pp 3<br />
3 =27 + q2 =4 + q=2<br />
q<br />
pp 3<br />
3 =27 + q2 =4 q=2:<br />
Avuto sentore della cosa, nel 1535 Niccolò Tartaglia (1499-1557) trova a sua<br />
volta la soluzione. L’incredulo Fior lancia una pubblica dis…da matematica a<br />
Tartaglia con in premio un banchetto o¤erto dal perdente al vincitore con tanti<br />
invitati quanti i quesiti risolti. Tartaglia risolve i trenta quesiti proposti da Fior,<br />
tutti del capitolo di cosa e cubo uguale a numero: ”Trovame uno numero che<br />
azontoli la sua radice cuba venghi 6”. Al contrario, Fior non riesce a risolvere<br />
i quesiti di Tartaglia che, già sazio di gloria, rinuncia al banchetto. Nel 1539,<br />
con lusinghe e promesse di denaro, Hieronimo Cardano (1501-1576) convince<br />
Tartaglia a rivelargli la sua scoperta con la garanzia di mantenere il segreto:<br />
”Io vi giuro, ad sacra Dei evangelia, et da real gentil’huomo, non solamente di<br />
non pubblicar giammai tali vostre inventioni, se me le insegnate, ma anchora<br />
vi prometto, et impegno la fede mia da real cristiano, da notarmela in zifera,<br />
acciocchè da poi la mia morte alcuno non la possa intendere”. Il sospettoso<br />
Tartaglia nasconde la sua scoperta in un sonetto piuttosto criptico, che Cardano<br />
riesce però a decifrare. Venuto poi a conoscenza delle ricerche di del Ferro,<br />
Cardano si ritiene sciolto dal giuramento e pubblica la soluzione delle equazioni<br />
di terzo grado nell’”Ars magna” del 1545, attribuendola a Dal Ferro ma dando<br />
il dovuto credito anche a Tartaglia. Nel libro, ”scritto in cinque anni, possa durarne<br />
altrettante migliaia”, compare anche la soluzione delle equazioni di quarto<br />
118
grado attribuita al suo discepolo Ludovico Ferraro (1522-1565). Tartaglia furioso<br />
nel vedersi imbrogliato accusa Cardano di plagio ed aggiunge una serie di<br />
improperi: ”Poverello, huomo che tien poco sugo e di poco discorso”. Cardano<br />
cerca di tirarsi fuori dalla polemica, ”credo... che stati uscito di cervello forsi<br />
per il vostro troppo studiare”, ma Ferrari, un orfano che a Cardano deve ”loco<br />
et foco”, prendendo le sue difese accusa a sua volta Tartaglia di aver plagiato<br />
del Ferro e nel 1547 lancia una pubblica dis…da a Tartaglia, che si dichiara ben<br />
felice di ”disputar con ambidue largamente in geometria, in arithmetica,..., astronomia,<br />
musica, cosmogra…a,... et altre,..., ma anchora sopra le mie nuove<br />
inventioni...”, proponendosi di ”lavarve ottimamente el capo ad ambidui in un<br />
sol colpo, cosa che non sapria fare alcun barbier de Italia”. La dis…da in sei<br />
cartelli, contro…rmati da testimoni ed inviati nei principali capoluoghi italiani,<br />
dura circa due anni. Gli argomenti dibattuti sono di algebra, geometria, astronomia<br />
e …loso…a. Alcuni dei quesiti posti dal Ferrari richiedono la soluzione<br />
di equazioni di quarto grado.<br />
”Trovatemi sei quantità continue proportionali che la prima e la sesta giunte<br />
facciano 6, et la seconda e terza giunte facciano 2”.<br />
Se le quantità sono a, ax, ax 2 , ax 3 , ax 4 , ax 5 , e se a+ax 5 = 6 e ax+ax 2 = 2,<br />
allora 1+x 5 = 3 x + x 2 e dividendo per 1+x si ottiene x 4 x 3 +x 2 4x+1 = 0,<br />
equazione che Tartaglia non è in grado di risolvere. In un altro dei quesiti<br />
Ferrari chiede di scomporre 8 nella somma x + y rendendo massimo il prodotto<br />
x y (x y), cioè trovare il massimo del polinomio di terzo grado x(8 x)(2x 8)<br />
nell’intervallo 0 x 8. La risposta di Tartaglia è x = 4 + p 5 + 1=3.<br />
”Fatemi di otto due tal parti, che’l prodotto dell’una nel altra moltiplicato<br />
nella loro di¤erenza, faccia più che possibil sia, dimostrando il tutto.”<br />
”Ve rispondo che la maggior parte fu 4 più R.(5+1/3) et la menore fu 4<br />
men R.(5+1/3), el produtto è 10+2/3, qual moltiplicato nella di¤erentia che<br />
è R.(21+1/3) fa R.2423+7/27, et questa è di frutto della nostra pianta con li<br />
quali pensavati farmi guerra, ma el vi ha fallato el pensiero.”<br />
Piegando un foglio con lati A e B lungo le linee<br />
tratteggiate si ottiene una scatola di altezza x.<br />
Il volume x (A 2x) (B 2x) è massimo quando<br />
x = A + B p A2 + B2 AB<br />
:<br />
6<br />
Tra i quesiti posti da Tartaglia a Ferrari, si richiedono delle costruzioni<br />
geometriche con il terzo postulato di Euclide modi…cato: ”Sopra a qual si voglia<br />
centro ve pare vi concedo che gli possiati designare un cerchio secondo la quantità<br />
della data appertura di compasso, cioe proposta dal aversario, secondo che a<br />
lui pare”. Questo dà al Ferrari l’opportunità di dimostrare tutto Euclide con<br />
119
un compasso ad apertura …ssa, non prima di aver malignamente osservato che<br />
questa bella invenzione di operare senza mutare l’apertura del compasso è già<br />
nota da almeno cinquant’anni, al Dal Ferro e ad altri. In de…nitiva il Ferrari si<br />
dimostra un osso ben più duro del Fior e la guerra si conclude senza vincitori né<br />
vinti. Ecco la soluzione dell’equazione di terzo grado messe in versi da Tartaglia,<br />
con tra parentesi la traduzione in formule:<br />
”Quando chel cubo con le cose appresso<br />
Se agguaglia à qualche numero discreto x 3 + px = q<br />
Trovan dui altri di¤erenti in esso. (u v = q)<br />
Da poi terrai questo per consueto<br />
Che’l lor produtto sempre sia eguale<br />
Al terzo cubo delle cose neto, u v = (p=3) 3<br />
El residuo poi suo generale<br />
Delli lor lati cubi ben sottratti<br />
Varrà la tua cosa principale. ( 3p 3 u<br />
p v = x)<br />
In el secondo de cotesti atti<br />
Quando che’l cubo restasse lui solo x3 = px + q<br />
Tu osservarai quest’altri contratti,<br />
Del numer farai due tal part’à volo (u + v = q)<br />
Che l’una in l’altra si produca schietto<br />
El terzo cubo delle cose in stolo u v = (p=3) 3<br />
Delle qual poi, per commun precetto<br />
Torrai li lati cubi insieme gionti<br />
Et cotal somma sarà il tuo concetto. ( 3p u + 3p v = x)<br />
El terzo poi de questi nostri conti x3 + q = px<br />
Se solve col secondo se ben guardi<br />
Che per natura son quasi congionti.<br />
Questi trovai et non con passi tardi<br />
Nel mille cinquecente, quatro e trenta<br />
Con fondamenti ben sald’è gagliardi<br />
Nella città dal mar’intorno centa.”<br />
Con questi versi di Tartaglia, Cardano ricostruisce la dimostrazione, ”quod<br />
di¢ cillimum fuit”. Col senno di poi, cioè con il nostro simbolismo, non è così<br />
di¢ cile. Si può partire dall’identità (a+b) 3 = 3ab (a + b)+ a 3 + b 3 . Se 3ab = p<br />
e a 3 +b 3 = q, allora x = a+b è soluzione dell’equazione x 3 = px+q. Per trovare<br />
a e b, basta osservare che a 3 +b 3 = q e a 3 b 3 = p 3 =27, quindi a 3 e b 3 sono soluzioni<br />
dell’equazione di secondo grado y 2 qy + p 3 =27 = 0. In…ne, nel passare da a 3 e<br />
b 3 a a e b, occorre ricordare che nel campo complesso le radici cubiche hanno tre<br />
determinazioni, che danno nove determinazioni di a + b, ma dovendo richiedere<br />
che il prodotto ab sia p=3, si ottengono tre soluzioni. Il Ferrari osserva che ogni<br />
equazione di terzo grado t 3 + at 2 + bt + c = 0 con la sostituzione t = x a=3<br />
perde il termine di secondo grado e prende la forma x 3 + px + q = 0. Se p 0<br />
la funzione x 3 + px + q è crescente, mentre se p < 0 la funzione ha massimo<br />
in x = p p=3 e minimo in x = p p=3. Inoltre, se q 2 + 4p 3 =27 < 0 nel<br />
massimo la funzione è positiva e nel minimo negativa. Concludendo, il polinomio<br />
120
x 3 + px + q ha un solo zero reale quando q 2 + 4p 3 =27 0 e tre zeri reali quando<br />
q 2 + 4p 3 =27 < 0. In quest’ultimo ”casus irreducibilis”, anche se tutti e tre gli<br />
zeri sono reali, la formula risolutiva dell’equazione contiene delle radici quadrate<br />
di numeri negativi.<br />
Messer Zuanne de Tonini da Coi propone a Tartaglia il seguente problema:<br />
”Sono tre che hanno comprato L.20 di carne e tante ne ha comprate uno di<br />
loro, che moltiplicato tal numero di lire in sè medesimo tal prodotto è uguale alla<br />
moltiplicazione delle lire che hanno comprato gli altri due, cioè quelle dell’uno<br />
per quelle dell’altro, e moltiplicate ancora le due minor quantità di lire l’una per<br />
l’altra fanno precisamente 8”.<br />
Cioè, x + y + z = 20, x x = y z, x y = 8, ed eliminando y e z si ottiene<br />
x 4 +8x 2 +64 = 160x. La risposta di Tartaglia si fa attendere e Cardano, venuto<br />
a conoscenza del problema, lo propone al Ferrari che lo risolve. Ecco il suo<br />
procedimento. Data un’equazione di quarto grado,<br />
x 4 + ax 3 + bx 2 + cx + d = 0;<br />
con la traslazione x = y a=4 si elimina il termine di terzo grado,<br />
y 4 + py 2 + qy + r = 0:<br />
Trasformando y 4 + py 2 in un quadrato perfetto ed aggiungendo una nuova<br />
variabile si ottiene<br />
y 2 + p + z 2 = (2z + p)y 2<br />
qy + z 2 + 2pz + p 2<br />
Ora basta scegliere z in modo da avere anche a destra un quadrato perfetto.<br />
Per far questo basta risolvere l’equazione di terzo grado in z, la risolvente cubica<br />
di Ferrari,<br />
q 2<br />
4(2z + p) z 2 + 2pz + p 2<br />
r = 0:<br />
Si è così ottenuta un’equazione y 2 + p + z 2 = (2z + p) (y s) 2 che è facilmente<br />
risolubile. Un metodo alternativo per risolvere una equazione di quarto<br />
grado, suggerito da Cartesio, consiste nello scomporre il polinomio di quarto<br />
grado y 4 +py 2 +qy+r in due fattori di secondo grado y 2 + ay + b y 2 ay + c ,<br />
che si ottiene risolvendo un’equazione di terzo grado in a. Comunque, le equazioni<br />
di quarto grado sono considerate solo una curiosità perché, secondo Cardano,<br />
”conseguito lo scioglimento delle equazioni cubiche, l’arte analitica ne ha a suf-<br />
…cienza, perché …no al cubo vi è una graduazione in natura, essendovi linee,<br />
super…ci e corpi,... quindi le equazioni... sopra al cubo ascendono non per loro<br />
medesime, ma per accidente”. Nel ”Ars Magna”, insieme alle formule risolutive<br />
delle equazioni di terzo e quarto grado, c’è anche una ”regola aurea” per la<br />
risoluzione approssimata di equazioni che consiste nel cercare intervalli i cui estremi<br />
siano soluzioni approssimate per difetto e per eccesso e nel trovare poi una<br />
nuova approssimazione con una interpolazione lineare. In…ne, in questa opera<br />
si introducono anche i numeri complessi, che Cardano considera ”una tortura<br />
mentale” e ”tanto sottili quanto inutili”.<br />
121<br />
r :
”Se qualcuno ti chiede di dividere 10 in due parti, che moltiplicate una<br />
nell’altra diano 40, è evidente che questo è impossibile, ciò nonostante operiamo...<br />
Le parti sono 5+ p 15 e y = 5 p 15... Dimostrazione:... Eliminando<br />
i prodotti incrociati... 5 + p 15 5 p 15 = 25 ( 15) = 40”.<br />
”La radice quadra di 9 è sia +3 che 3, poiché più per più e meno per meno<br />
fanno più. Pertanto la radice quadra di 9 non è +3 e nemmeno 3, ma è<br />
qualcosa di una terza natura sconosciuta”.<br />
Anche Bombelli ritiene che questi numeri siano ”un’idea assurda... basata<br />
su considerazioni so…stiche”, ma nel’”Algebra” del 1572 ne stabilisce le regole<br />
di calcolo. Lo scopo è di trasformare un’espressione p a + ib nella forma c + id,<br />
per risolvere il caso irriducibile della formula di Cardano. Comunque questi<br />
numeri, per Cartesio ”immaginari”, per Leibniz ”un an…bio tra l’essere ed il<br />
non essere”, per Gauss ”complessi”, rimangono misteriosi almeno …no alla loro<br />
interpretazione geometrica come punti del piano di Gauss, Caspar Wessel (1745-<br />
1818), Jean Robert Argand (1768-1822).<br />
Bombelli mostra che la costruzione di un poligono regolare con 9 lati porta a<br />
risolvere una equazione cubica. Se 2x è il lato del poligono e p 192 il diametro del<br />
cerchio circoscritto, allora x 3 +72 = 36x. Viète scopre una semplice relazione tra<br />
il caso irriducibile delle equazioni di terzo grado con tre radici reali e la trisezione<br />
dell’angolo. La sostituzione x = y a=3 trasforma l’equazione x 3 +ax 2 +bx+c =<br />
0 in y 3 + dy + e = 0 e, se d < 0, l’ulteriore sostituzione y = p 4d=3z trasforma<br />
l’equazione in z 3 3=4z f=4 = 0. L’equazione ha tre radici reali se e solo se jfj <<br />
1. Per l’identità trigonometrica cos 3 (#) 3=4 cos(#) 1=4 cos(3#) = 0, posto<br />
cos(3#) = f, si ottiene z = cos(#) = cos (arccos (f) =3). La formula cosh 3 (#)<br />
3=4 cosh(#) 1=4 cosh(3#) = 0 permette di risolvere le equazioni di terzo grado<br />
con una radice reale. In particolare, queste formule suggeriscono la possibilità<br />
di risolvere problemi algebrici con metodi trascendenti. Nel 1757 Lambert trova<br />
degli sviluppi in serie di potenze per soluzioni di equazioni trinomie z n z + t =<br />
0 e nel 1769 Giuseppe Lodovico Lagrangia (1736-1813) trova gli sviluppi in<br />
serie di soluzioni di equazioni z = x + y'(z). In particolare, una generica<br />
equazione di quinto grado si può ricondurre con trasformazioni algebriche alla<br />
122
forma z 5 z + t = 0 e lo sviluppo in serie della soluzione è<br />
z =<br />
+1X<br />
k=0<br />
5k<br />
k<br />
t 4k+1<br />
4k + 1 :<br />
Il rapporto tra i coe¢ cienti di due potenze successive di t è una funzione<br />
razionale di k, quindi la serie de…nisce una funzione ipergeometrica generalizzata.<br />
Anche le equazioni trinomie z n + z m + t = 0 si possono risolvere in modo<br />
simile. Riassumendo, per risolvere le equazioni di primo grado bastano le quattro<br />
operazioni elementari, somme sottrazioni prodotti divisioni. Le equazioni<br />
di secondo, terzo e quarto grado si possono risolvere con le quattro operazioni<br />
elementari più le radici, che sono le funzioni z = (t) de…nite dall’equazione<br />
z n t = 0. Per risolvere le equazioni di quinto grado si possono utilizzare gli<br />
iper radicali de…niti dalla funzione z = '(t) con z 5 + z + t = 0, per le equazioni<br />
di sesto grado la funzione di due variabili z = (u; v) con z 6 + z 2 + uz + v = 0,<br />
e così per le equazioni di grado sette, otto, nove,....<br />
Il risolutore meccanico<br />
di equazioni algebriche<br />
di J.Segner (1704-1777),<br />
nella ”Enciclopedia” di<br />
Diderot e D’Alembert.<br />
Peter Roth (1580-1617) nel 1608 e Albert Girard (1590-1633) nel 1629 enunciano<br />
il teorema fondamentale dell’algebra: ”Ogni equazione di grado n ha n<br />
radici, e nessuna di più”, ”Ogni equazione algebrica ha tante radici, quante indicate<br />
dall’esponente più alto”. Anche nella ”Geometria” di Cartesio si trova<br />
l’enunciato: ”Ogni equazione può avere tante radici distinte quanto la dimensione<br />
dell’incognita... Ma alcune di queste radici possono essere false, cioè minori<br />
di zero”. I tentativi di dimostrare questo risultato sono diversi e, anche se<br />
non completamente rigorosa, particolarmente signi…cativa è una dimostrazione<br />
di D’Alembert nel 1746, poi ripresa e perfezionata da Argand nel 1814. Per dimostrare<br />
che un’equazione algebrica P (z) = 0 ha soluzioni, assumendo l’esistenza<br />
minimo per il modulo jP (a)j, basta mostrare che se P (a) 6= 0 allora in un<br />
qualche intorno di a esistono punti jP (z)j < jP (a)j. Se infatti P (1) (a) = ::: =<br />
P (k 1) (a) = 0 e P (k) (a) 6= 0, allora P a + e i# = P (a)+ k e ik# P (k) (a)=k!+:::.<br />
Se è piccolo e e ik# P (k) (a) ha direzione opposta a P (a), allora P a + e i#<br />
risulta più vicino all’origine di P (a). Dopo aver criticato le dimostrazioni<br />
precedenti, nella sua dissertazione di dottorato del 1797 Gauss presenta una<br />
dimostrazione geometrica del teorema fondamentale dell’algebra, ”Una nuova<br />
123
dimostrazione del teorema che ogni funzione algebrica razionale intera di una<br />
variabile si può scomporre in fattori reali di primo o secondo grado”. La dimostrazione<br />
non utilizza esplicitamente i numeri complessi, ma implicitamente<br />
si identi…cano questi numeri con punti in un piano. Le radici del polinomio<br />
(x + iy) n + a (x + iy) n 1 + ::: + b (x + iy) + c = A(x; y) + iB(x; y) sono intersezioni<br />
tra le curve algebriche A(x; y) = 0 e B(x; y) = 0. La curva A(x; y) = 0<br />
è l’intersezione della super…cie z = A(x; y) col piano z = 0 e per passare da<br />
una regione (x; y) con A(x; y) < 0 ad una regione con A(x; y) > 0 si deve necessariamente<br />
attraversare la curva A(x; y) = 0. I rami di questa curva non<br />
possono terminare bruscamente ed ogni ramo che viene dall’in…nito deve essere<br />
collegato ad un altro ramo che va all’in…nito. Altrimenti sarebbe possibile<br />
passare da A(x; y) > 0 ad A(x; y) < 0, senza passare da zero. In coordinate<br />
polari i rami A( cos(#); sin(#)) = n cos(n#) + ::: = 0 sono asintotici alle rette<br />
# = (k + 1=2) =n, ed i rami B( cos(#); sin(#)) = n sin(n#) + ::: = 0 sono<br />
asintotici a # = k =n, con k = 0; 1; :::; 2n 1. All’in…nito i rami di A(x; y) = 0<br />
e B(x; y) = 0 si alternano, e questo non è possibile senza che al …nito si intersechino.<br />
Oltre a questa geometrica, Gauss pubblica anche una dimostrazione<br />
algebrica ed una analitica. Una versione sempli…cata è la seguente. Se P (z) è<br />
un polinomio, la funzione zP 0 (z)=P (z) è armonica in ogni disco privo di zeri del<br />
denominatore ed il valor medio nel disco risulta uguale al valore nel centro. Ma<br />
questa funzione si annulla nell’origine e tende al grado del polinomio all’in…nito.<br />
Quindi la funzione non può essere armonica dappertutto, cioè il denominatore<br />
ha degli zeri.<br />
Nelle ”Ri‡essioni sulla risoluzione algebrica delle equazioni” del 1770 Lagrange<br />
mostra come le soluzioni delle equazioni di secondo, terzo, quarto grado,<br />
si possano ricondurre ad un medesimo principio, che però non si applica a quelle<br />
di quinto. Lagrange osserva che se x1; x2; :::; xn sono le radici un polinomio<br />
P (x), e se un polinomio X (x1; x2; :::; xn) assume k valori distinti y1; y2; :::; yk<br />
quando queste radici vengono permutate, allora ogni polinomio simmetrico in<br />
y1; y2; :::; yk è anche simmetrico in x1; x2; :::; xn, ed i suoi coe¢ cienti sono funzioni<br />
razionali dei coe¢ cienti P (x). In particolare, per risolvere una equazione<br />
di grado n si possono cercare delle espressioni razionali delle radici che assumono<br />
al più n 1 valori quando queste radici vengono permutate. Questi n 1 valori<br />
sono poi radici di una equazione di grado n 1. Se x1 e x2 sono le radici<br />
dell’equazione x2 + ax + b = 0, il risolvente X = (x1 x2) 2 rimane invariato<br />
per le 2! permutazioni delle radici ed è una funzione razionale dei coe¢ cienti,<br />
(x1 x2) 2 = (x1 + x2) 2<br />
4x1x2 = a2 4b. Quindi, da x1 + x2 = a e<br />
x1 x2 = p a2 4b, si possono ricavare x1 e x2. Se x1, x2, x3, sono le radici<br />
dell’equazione x3 + ax2 + bx + c = 0, si de…nisce<br />
X = (x1 + exp (2 i=3) x2 + exp (4 i=3) x3) 3 :<br />
Permutando le radici nei 6 modi possibili l’espressione X prende solo 2 valori,<br />
R = (x1 + exp (2 i=3) x2 + exp (4 i=3) x3) 3 ;<br />
S = (x1 + exp (4 i=3) x2 + exp (2 i=3) x3) 3 :<br />
124
Le funzioni simmetriche R + S e R S sono invarianti per permutazioni delle<br />
radici e sono funzioni razionali dei coe¢ cienti a, b, c. Risolvendo un’equazione<br />
di secondo grado, si possono ricavare R e S, e risolvendo il sistema con x1 +<br />
x2 + x3 = a, si possono ricavare x1, x2, x3. Se x1, x2, x3, x4, sono le<br />
radici dell’equazione x 4 + ax 3 + bx 2 + cx + d = 0, il risolvente naturale sarebbe<br />
(x1 + ix2 x3 ix4) 4 , ma ce n’è uno più semplice. Permutando le radici nei 24<br />
modi possibili X = (x1 + x2 x3 x4) 2 prende solo 3 valori, R = (x1 + x2 x3 x4) 2 ,<br />
S = (x1 x2 + x3 x4) 2 , T = (x1 x2 x3 + x4) 2 . Le funzioni simmetriche<br />
R+S+T , RS+ST +T R, RST , sono invarianti per permutazioni e sono funzioni<br />
razionali dei coe¢ cienti dell’equazione. Risolvendo una equazione di terzo grado,<br />
si possono ricavare R, S, T , e risolvendo il sistema con x1 + x2 + x3 + x4 = a,<br />
si possono ricavare x1, x2, x3, x4. Permutando le radici di una equazione di<br />
quinto grado, il risolvente di Lagrange prende sei valori distinti. Quindi, da una<br />
equazione di quinto grado si arriva ad una di sesto. Basandosi sulle ricerche<br />
di Lagrange, nel 1799 Paolo Ru¢ ni (1765-1822), di professione medico come<br />
Cardano, pubblica la ”Teoria generale delle equazioni in cui si dimostra impossibile<br />
la soluzione algebrica delle equazioni generali di grado superiore al<br />
quarto”. Il lavoro, un po’ oscuro e con alcune lacune, è accolto con generale<br />
sospetto, con l’eccezione di un entusiasta Cauchy. Comunque, il sorprendente<br />
risultato è riscoperto da Abel nel 1824, che trova anche condizioni su¢ cienti per<br />
la risolubilità con radicali di equazioni algebriche. In…ne, nel 1830 Évariste Galois<br />
(1811-1832), enuncia delle condizioni necessarie e su¢ cienti. Un’equazione<br />
ax n + bx n 1 + ::: + cx + d = 0 con coe¢ cienti in un campo K è risolubile con<br />
radicali in K se e solo se è risolubile il gruppo degli automor…smi del campo<br />
di spezzamento del polinomio che …ssano il campo base. Il gruppo di questi<br />
automor…smi è un sottogruppo del gruppo delle permutazioni delle radici, ed<br />
il gruppo delle permutazioni di n elementi è risolubile solo per n < 5. Nel<br />
1854 Enrico Betti (1823-1892) trasforma delle equazioni algebriche in equazioni<br />
di¤erenziali e mostra che le soluzioni di una equazione di quinto grado sono<br />
funzioni ellittiche con argomento logaritmico. Anche Charles Hermite (1822-<br />
1901) e Leopold Kronecker (1823-1891) nel 1858 risolvono le equazioni di quinto<br />
grado utilizzando le funzioni ellittiche, poi Francesco Brioschi (1824-1897) risolve<br />
quelle di sesto.<br />
Leibniz a¤erma che ”il numero 2 1=p 2 è trascendente”, ed Eulero nella ”Introduzione<br />
all’analisi dell’in…nito” scrive:<br />
”È chiaro che non ci sono logaritmi razionali, se non di potenze della base...<br />
Nessun numero, razionale o irrazionale, può essere il logaritmo di un numero<br />
non potenza della base. Per questo motivo si annoverano i logaritmi tra le<br />
quantità trascendenti.”<br />
Sia Leibniz che Eulero non danno una precisa de…nizione del termine trascendente,<br />
e non dimostrano le loro a¤ermazioni. Nel 1840 Joseph Liouville (1809-<br />
1882) dimostra che la base dei logaritmi naturali non è radice di nessun polinomio<br />
di secondo grado a coe¢ cienti interi. Poi, nel 1844, dimostra che esistono<br />
numeri trascendenti, cioè non radici di polinomi a coe¢ cienti interi. Più precisamente,<br />
se un numero è radice di un polinomio di grado n a coe¢ cienti interi,<br />
125
ax n + bx n 1 + ::: + cx + d = 0, allora esiste " > 0 tale che per ogni razionale<br />
p=q 6= x si ha jx p=qj > "=q n . Questo implica che ogni numero irrazionale<br />
ben approssimabile con frazioni con denominatore piccolo non è algebrico. Un<br />
esempio esplicito è<br />
+1X<br />
n=1<br />
10 n! = 0; 110001000000000000000001000000:::<br />
Si può anche ridimostrare questo risultato direttamente osservando i decimali<br />
delle potenze di questo numero:<br />
x = 0; 110001000000000000000001000000:::;<br />
x 2 = 0; 012100220001000000000000220002:::;<br />
x 3 = 0; 001331036300330001000000036300::::<br />
I decimali non nulli di queste potenze sono con…nati in piccole isole in un<br />
oceano di zeri, ed i decimali non nulli di x, x 2 , ..., x n 1 , sono così tanti di<br />
meno dei decimali non nulli di x n , che nessuna combinazione di questi numeri<br />
può annullarsi. Liouville non studia solo i numeri, ma anche le funzioni trascen-<br />
denti. In particolare Z dimostra che le primitive di certe funzioni elementari, come<br />
l’integrale ellittico dx= p 1 x4 Z<br />
o la funzione errore exp x2 dx, o più in<br />
generale le soluzioni di certe equazioni di¤erenziali, non sono composizione di<br />
funzioni elementari.<br />
Simplicio: ”Ora questo darsi un in…nito maggior dell’in…nito mi par concetto<br />
da non poter esser capito in verun modo.”<br />
Salviati: ”Queste son di quelle di¢ coltà che derivano dal discorrere che noi<br />
facciamo col nostro intelletto …nito attorno a gl’in…niti, dandogli quegli attributi<br />
che noi diamo alle cose …nite e terminate... Io suppongo che voi benissimo<br />
sappiate quali sono i numeri quadrati e quali i non quadrati... Io non veggo<br />
a che altra decisione si possa venire, che a dire, in…niti essere tutti i numeri,<br />
in…niti i quadrati, in…nite le loro radici, nè la moltitudine dè quadrati esser<br />
minore di quella di tutti i numeri, ne questa maggior di quella.”<br />
Sagredo: ”Stanti le cose dette sin qui, parmi che non solamente non si<br />
possa dire, un in…nito esser maggiore d’un altro in…nito, ma nè anco che è sia<br />
maggiore d’un …nito.”<br />
Dopo Galileo, anche Georg Cantor (1845-1918) si preoccupa di mettere un<br />
po’d’ordine nelle gerarchie tra in…niti. Il punto di partenza è una caratterizzazione<br />
degli insiemi di convergenza di serie trigonometriche, quello d’arrivo è<br />
la teoria degli insiemi. In particolare, nel 1874 Cantor dimostra che l’insieme<br />
dei numeri algebrici è numerabile, mentre l’insieme di tutti i numeri reali non<br />
lo è. Non solo esistono numeri trascendenti, ma questi sono molti di più degli<br />
algebrici. Nel 1873 Hermite dimostra che e è trascendente ma stranamente si ri-<br />
…uta di a¤rontare : ”Non voglio neanche tentare di dimostrare la trascendenza<br />
di ”. Invece la distanza tra e e è più breve del previsto. Dalla trascendenza<br />
126
di e segue immediatamente la trascendenza di ep=q se p=q è un razionale non<br />
nullo. Utilizzando le tecniche di Hermite, nel 1882 Carl Louis Ferdinand Lindemann<br />
(1852-1939) dimostra che ex è trascendente anche quando x è algebrico:<br />
”I logaritmi neperiani di tutti i numeri razionali, unità esclusa, e di tutti gli<br />
irrazionali algebrici, sono numeri trascendenti”. Lindemann a¤erma anche che<br />
se , ,..., sono numeri complessi algebrici distinti e se a, b,..., c sono numeri<br />
complessi algebrici non nulli, allora ae + be + ::: + ce non può essere zero.<br />
In particolare, log ( 1) = i non è algebrico e, siccome somme e prodotti di<br />
numeri algebrici sono algebrici, anche è trascendente. Più in generale, da<br />
eix e ix 2 sin(x) = 0 si ricava che se la corda 2 sin(x) è algebrica non nulla,<br />
l’arco x è trascendente. Viceversa, se l’arco x è algebrico non nullo, la corda<br />
2 sin(x) è trascendente. Estensioni e sempli…cazioni dei teoremi di Hermite e<br />
Lindemann vengono pubblicate da Karl Theodor Wilhelm Weierstrass (1815-<br />
1897) nel 1885, poi da David Hilbert (1862-1943) nel 1893, ed altri ancora. Sui<br />
lavori di Cantor, Lindemann, ed in generale sulla matematica non costruttiva,<br />
c’è un interessante commento di Kronecker: ”Dio ha creato i numeri interi,<br />
tutto il resto è opera dell’uomo”. E poi: ”A cosa serve questa bella ricerca su<br />
? Perché studiare queste cose se i numeri irrazionali non esistono?”. Comunque,<br />
il teorema di Lindemann pone …ne al problema della quadratura del<br />
cerchio, almeno quella con riga e compasso. Per il teorema di Abel Ru¢ ni,<br />
le radici di polinomi possono essere numeri più complicati di combinazioni di<br />
radici quadrate o cubiche. Ma è un numero ancora più complicato. Non<br />
solo non appartiene ad estensioni quadratiche iterate del campo dei razionali,<br />
questi sono i numeri costruibili con riga e compasso, ma neppure appartiene<br />
ad estensioni algebriche. Il pronostico di Stifel, ”invano faticano tutti quanti si<br />
a¤aticano in calcoli per trovare la quadratura del cerchio”, si è rivelato errato<br />
e con il paziente contributo di generazioni di matematici si è venuti a capo del<br />
problema. Comunque, risolto un problema ne sorgono altri.<br />
I teoremi di Hermite e Lindemann forniscono una risposta parziale alla domanda<br />
formulata da Leibniz a proposito del lemma XXVIII dei ”Principia<br />
Mathematica” di Newton su una possibile relazione tra la trascendenza di una<br />
funzione e la trascendenza dei valori assunti da tale funzione. Se gli estremi<br />
(cos(#); sin(#)) di un segmento di cerchio x2 + y2 = 1 sono algebrici, l’area<br />
Z 1<br />
2<br />
cos(#)<br />
p 1 x 2 dx = # sin(#) cos(#) è trascendente. Nel 1886 Weierstrass di-<br />
mostra che esistono funzioni trascendenti che prendono valori razionali nei punti<br />
razionali ed a¤erma anche che esistono funzioni trascendenti che prendono valori<br />
algebrici nei punti algebrici. Nel settimo dei 23 problemi presentati al congresso<br />
internazionale dei matematici del 1900, Hilbert ripropone le intuizioni di Leibniz<br />
ed Eulero:<br />
”Sospetto che le funzioni trascendenti prendono in generale dei valori trascendenti<br />
per valori algebrici dell’argomento. Benché esistano funzioni intere trascendenti<br />
che prendono valori razionali in tutti i numeri algebrici, ritengo molto<br />
probabile che una funzione come exp( iz), che prende valori algebrici per z<br />
razionali, prenda valori trascendenti per z irrazionali algebrici. A questo enun-<br />
127
ciato si può dare una veste geometrica: In un triangolo isoscele, se il rapporto<br />
tra l’angolo al vertice e la base è un irrazionale algebrico, il rapporto tra la<br />
base e gli altri lati è trascendente. Nonostante la semplicità dell’enunciato e<br />
la somiglianza con i problemi risolti da Hermite e Lindemann, questo mi pare<br />
estremamente di¢ cile da dimostrare, come mi pare di¢ cile dimostrare che se<br />
la base è algebrica e l’esponente è algebrico irrazionale, per esempio 2 p 2 o<br />
e = i 2i , allora è trascendente, o almeno irrazionale.”<br />
Hilbert ritiene questo problema più ostico dell’ultimo teorema di Fermat o<br />
dell’ipotesi di Riemann, ma è di¢ cile fare previsioni, specie riguardo al futuro.<br />
Infatti, nel 1934 Aleksandr Osipovich Gelfond (1906-1968) e Theodor Schneider<br />
(1911-1988) dimostrano la congettura: Se e sono numeri algebrici, con<br />
diverso da 0 o 1 e irrazionale, allora ogni determinazione di è trascendente.<br />
L’irrazionalità o trascendenza di tante altre costanti in matematica è ancora<br />
un mistero. Per esempio, nel 1979 Roger Apéry (1916-1994) dimostra che<br />
+1X<br />
n=1<br />
1=n 3 = 1; 202056::: è irrazionale, ma niente si sa di<br />
+1X<br />
n=1<br />
Ed è ancora un mistero la costante di Eulero Mascheroni<br />
0<br />
1<br />
lim<br />
nX<br />
@ 1=j log(n) A = 0; 577215:::<br />
n!+1<br />
j=1<br />
128<br />
1=n 5 = 1; 036927:::.
EQUISCOMPONIBILITA E DECOMPOSIZIONI PARADOSSALI:<br />
Il teorema di Pitagora<br />
con l’equiscomponibilità<br />
e l’equicompletamento.<br />
Scrive Plutarco:<br />
”Date due …gure, costruirne una terza con area uguale alla prima e simile<br />
alla seconda. Pitagora ha o¤erto un sacri…cio per la scoperta di questo teorema,<br />
che è più ra¢ nato ed elegante di quello che prova che il quadrato sull’ipotenusa<br />
è uguale a quelli sui lati che racchiudono l’angolo retto”.<br />
Il risultato è anche riportato da Euclide:<br />
”Proposta una linea retta, sopra quella puotemo designare una super…cie de<br />
lati equidistanti, in uno angolo dato, & che essa super…cie sia equale à uno<br />
triangolo assignato”.<br />
Nel 1832 Farkas Bolyai (1775-1856) pubblica un saggio in cui, tra l’altro, dimostra<br />
che poligoni con area uguale sono equiscomponibili, cioè decomponibili<br />
in un numero …nito di pezzi poligonali a due a due uguali. L’equiscomponibilità<br />
è una relazione di equivalenza, un poligono è decomponibile in triangoli, un triangolo<br />
è equiscomponibile con un rettangolo e rettangoli con area uguale sono<br />
equiscomponibili. In appendice al saggio del padre, János Bolyai (1802-1860)<br />
pubblica le sue ricerche sul postulato delle parallele, introduce una geometria<br />
non euclidea e dimostra che in questa geometria la quadratura del cerchio è a<br />
volte possibile. Nella geometria iperbolica la lunghezza di una circonferenza<br />
di raggio R è 2 k sinh(R=k) e l’area k 2 sinh 2 (R=2k), mentre nella geometria<br />
ellittica la lunghezza di una circonferenza di raggio R è 2 k sin(R=k) e<br />
l’area 4 k 2 sin 2 (R=2k), la costante k 2 è la curvatura gaussiana. In geometria<br />
euclidea un quadrato e un cerchio hanno la stessa area se il rapporto tra lato<br />
del quadrato e raggio del cerchio è p . In geometria non euclidea i rapporti<br />
tra lati e raggi di quadrati e cerchi di area uguale non sono costanti. Se per<br />
esempio questo rapporto è un intero, la quadratura del cerchio diventa possibile.<br />
Il rovescio della medaglia è che altre semplici costruzioni euclidee risultano<br />
impossibili.<br />
129
La geometria<br />
non euclidea<br />
iperbolica di<br />
H.Poincaré<br />
e M.Escher.<br />
Torniamo allo spazio euclideo. Per comparare i volumi di poliedri è su¢ ciente<br />
l’equiscomponibilità o è necessaria l’esaustione? Due tetraedri con stessa area di<br />
base e stessa altezza sono equiscomponibili? Questo problema di Gauss è il terzo<br />
dei 23 problemi presentati al congresso internazionale dei matematici del 1900<br />
da Hilbert ed il primo ad essere risolto. Nel 1896 Raoul Bricard (1870-1944)<br />
pubblica una dimostrazione sbagliata di un enunciato poi rivelatosi corretto: Se<br />
due poliedri A e B con angoli diedri 1; :::; r e 1; :::; s sono equidecomponibili,<br />
allora esistono interi positivi m1; :::; mr e n1; :::; ns e un intero p tali che m1 1 +<br />
::: + mr r = n1 1 + ::: + ns s + p . Nel 1902 Max Dehn (1878-1952) dimostra<br />
che per l’equiscomponibilità, oltre all’uguaglianza dei volumi occorrono anche<br />
condizioni sulla lunghezza degli spigoli e sugli angoli tra le facce. L’idea è di<br />
de…nire un funzionale additivo sull’insieme dei poliedri con (A) = (B) se A<br />
e B sono congruenti e (C [ D) = (C) + (D) se C e D sono disgiunti. Un<br />
tale funzionale assume uguale valore su poliedri equiscomponibili e, viceversa,<br />
se il funzionale assume valori diversi i poliedri non sono equiscomponibili. Ad<br />
un poliedro P con spigoli di lunghezza ed angoli tra le facce si associa<br />
(P ) = P<br />
, tensore in R Q (R= Q). Per esempio, se Q è un cubo,<br />
(Q) = 8 =2 = 0, mentre se T è un tetraedro regolare, (T ) = 6<br />
arccos (1=3) 6= 0, perché arccos (1=n) non è commensurabile con per ogni<br />
intero n > 2. Viceversa, due poliedri con lo stesso volume e lo stesso invariante<br />
di Dehn sono equiscomponibili. In particolare, un tetraedro e un cubo non sono<br />
scomponibili in parti uguali.<br />
Per scomporre un rettangolo<br />
con lati x e y in quadrati, basta<br />
sviluppare x=y in frazioni continue.<br />
130
M.Dehn: Un rettangolo è quadrabile se e solo se ha lati commensurabili.<br />
Per ogni rettangolo R con lati x e y si<br />
de…nisce (R) = ' (x) ' (y) , con ' (x)<br />
funzionale Q lineare su R. Se a e b sono<br />
incommensurabili, esiste un funzionale con<br />
' (a) = +1 e ' (b) = 1. Se un rettangolo<br />
ha lati a e b, (R) = 1 < 0. Ma se un<br />
rettangolo è scomponibile in quadrati,<br />
(R) = ([Qj) = X ' (sj) 2<br />
0:<br />
Georg Friedrich Bernhard Riemann (1826-1866) nella memoria ”Sulla possibilità<br />
di rappresentare una funzione per mezzo di una serie trigonometrica” del<br />
1854 de…nisce l’integrale che porta il suo nome, e nel 1902 Henri Léon Lebesgue<br />
(1875-1941) pubblica una più so…sticata teoria della misura e dell’integrazione.<br />
Nel 1905 Giuseppe Vitali (1875-1932), costruendo un insieme non misurabile,<br />
mostra che non esistono misure numerabilmente additive invarianti per traslazioni<br />
de…nite su ogni sottoinsieme della retta. Poi, nel 1914 Felix Hausdor¤ (1868-<br />
1942) mostra che non esistono misure …nitamente additive invarianti per rotazioni<br />
de…nite su tutti i sottoinsiemi di una sfera.<br />
Il grafo di Cayley di un gruppo libero<br />
con due generatori f ; g . Se I è l’origine<br />
e G ( ) il ramo che inizia con ,<br />
G = I [ G ( ) [ G 1 [ G ( ) [ G 1<br />
= G ( ) [ G 1 = G ( ) [ G 1 :<br />
Due generiche rotazioni f ; g generano un sottogruppo libero del gruppo<br />
delle rotazioni e questo gruppo libero ha delle decomposizioni paradossali. Se<br />
I è l’identità e G ( ) sono le parole che iniziano con , allora G = I [ G ( ) [<br />
G 1 [G ( )[G 1 , ma anche G = G ( )[ G 1 = G ( )[ G 1 .<br />
Si può quindi decomporre il gruppo in cinque parti, con due di queste parti si<br />
può ricostruire una copia del gruppo e con altre due parti un’altra copia. A<br />
questa decomposizione paradossale del gruppo è associata una decomposizione<br />
paradossale dello spazio. Sia S = fjxj = 1g la sfera di raggio uno con centro<br />
nell’origine. Sia P l’insieme dei punti di S che restano …ssi per qualche rotazione<br />
in G, cioè gli assi delle rotazioni. In…ne, sia Q un dominio fondamentale per<br />
l’azione del gruppo G sullo spazio S P , cioè Q contenga uno ed un solo punto<br />
131
di ogni orbita Gx con x in S P . Per costruire Q occorre scegliere un rappresentante<br />
in ogni orbita, bisogna quindi utilizzare l’assioma della scelta. Si<br />
1 1 ha S P = GQ = Q [ G ( ) Q [ G Q [ G ( ) Q [ G Q, ma an-<br />
1 1 che GQ = G ( ) Q [ G Q = G ( ) Q [ G Q. Essendo le unioni<br />
disgiunte, segue l’impossibilità di assegnare delle misure …nite non nulle ed in-<br />
1 1 varianti per rotazioni agli insiemi G Q e G Q. Nel 1924 Stefan<br />
Banach (1892-1945) e Alfred Tarsky (1902-1983) mostrano che due qualsiasi<br />
insiemi di punti nello spazio limitati e con punti interni possono essere decomposti<br />
in un numero …nito di insiemi congruenti. Per esempio, si può dividere<br />
una sfera in cinque pezzi e con questi ricomporre due sfere uguali a quella di<br />
partenza, si può dividere un pisello in tanti pezzi e con questi ricostruire il Sole<br />
con tutti i suoi pianeti. Come in Vitali ed Hausdor¤, la dimostrazione utilizza<br />
l’assioma della scelta ed il paradosso si spiega con il fatto che le parti in cui<br />
si decompongono gli insiemi non sono misurabili. Banach osserva anche che,<br />
contrariamente al caso dello spazio, sulla retta e nel piano è possibile de…nire<br />
delle misure …nitamente additive su tutti gli insiemi limitati, che estendono la<br />
misura classica ed assegnano la stessa misura a insiemi congruenti. L’idea è la<br />
seguente. Nell’insieme di tutte le funzioni limitate e periodiche di periodo uno in<br />
1 < x < +1 si de…nisce una relazione di equivalenza ponendo f(x) g(x) se<br />
nX<br />
(f (x + aj) g (x + aj)) < "<br />
per ogni " > 0 esistono a1; :::; an tali che n 1<br />
per ogni x. L’insieme delle classi di equivalenza de…nisce lo spazio vettoriale<br />
delle iperfunzioni. Il funzionale che associa ad una funzione f(x) integrabile<br />
j=1<br />
secondo Riemann o secondo Lebesgue il suo integrale<br />
Z 1<br />
0<br />
f(y)dy è lineare, pos-<br />
itivo, invariante per traslazioni. Con un processo di induzione trans…nita, si<br />
può estendere il funzionale dal sottospazio delle funzioni integrabili allo spazio<br />
di tutte le iperfunzioni e, poiché f(x) f(x + a), l’estensione è invariante per<br />
traslazioni. In…ne, il valore del funzionale sulle funzioni indicatrici di sottoinsiemi<br />
di numeri reali de…nisce una misura …nitamente additiva ed invariante<br />
per traslazioni. Queste misure invarianti sono incompatibili con le decomposizioni<br />
paradossali. John von Neumann (1903-1957) scopre che la di¤erenza tra<br />
le varie dimensioni è legata alla struttura dei rispettivi gruppi di trasformazioni.<br />
In particolare, se le trasformazioni contengono un gruppo libero, allora ci sono<br />
decomposizioni paradossali.<br />
Móricz Réthy (1846-1925) nel 1890 dimostra l’impossibilità di decomporre un<br />
cerchio ed un quadrato della stessa area in un numero …nito di regioni uguali,<br />
anche se queste hanno bordi curvi. L’idea è semplice. Per ogni punto sul<br />
bordo di un dominio A si de…nisce una funzione (x) che vale +1 se in x il<br />
bordo è convesso, 1 se è concavo, 0 se èZ piatto. L’integrale di questa funzione<br />
sul bordo de…nisce una misura (A) = (x)ds invariante per traslazioni e<br />
rotazioni e tale che se A e B sono equiscomponibili allora (A) = (B). Per<br />
un disco di raggio R si ha (D) = 2 R e per un quadrato si ha (Q) = 0,<br />
quindi cerchio e quadrato non sono equiscomponibili. Questa dimostrazione<br />
132<br />
@A
si estende anche a più dimensioni, ma vale solo per decomposizioni in domini<br />
con bordo retti…cabile. Nel 1990 Miklós Laczkovich dimostra che un cerchio<br />
ed un quadrato della stessa area, o più in generale due …gure con la stessa<br />
area delimitate da curve abbastanza lisce, sono equiscomponibili in un numero<br />
…nito di parti congruenti, ma questi insiemi di punti sono molto irregolari. Con<br />
l’in…nito tutto è più semplice. Ad ogni coppia di insiemi con la stessa misura di<br />
Lebesgue si possono sottrarre degli insiemi di misura nulla tali che gli insiemi<br />
restanti sono equiscomponibili in una in…nità numerabile di pezzi. In…ne, c’è<br />
chi commenta che sono meglio i paradossi dei pregiudizi.<br />
133
Abaco romano<br />
Calcolatrice di Leonardo<br />
MORBO DECIMALE:<br />
Margarita Philosophica 1503<br />
Torniamo ora ad occuparci dei decimali di e e , iniziando con delle curiosità.<br />
2e 3 + e 8 1=7 di¤erisce da per meno di 10 3 , mentre 4 + 5 1=6<br />
di¤erisce da e per meno di 10 7 . Indicando con = 1 + p 5 =2 la sezione<br />
aurea, si ha 2 + 1=10 = 2; 7180::: e 6 2 =5 = 3; 1416:::. Non è di¢ cile ottenere<br />
delle buone approssimazioni razionali di e a partire dallo sviluppo in<br />
frazioni continue o dalla serie dell’esponenziale. Consideriamo ora le approssimazioni<br />
di . Le approssimazioni razionali di Archimede 22=7 = 3; 142::: e di<br />
Metius 355=113 = 3; 14159292::: sono le migliori approssimazioni con frazioni<br />
di denominatore minore di 57 e di 16604, la migliore approssimazione successiva<br />
è solo 52163=16604 = 3; 14159238:::. Partendo dallo sviluppo decimale<br />
di e dall’approssimazione di Archimede 22/7, il giovane Gauss risolve<br />
l’equazione = (22=7) = (x + 1)=x, x = 2485; 4:::, e trova l’approssimazione<br />
(22=7) (2484=2485). Iterando poi il procedimento, trova l’approssimazione con<br />
13 decimali corretti (22=7) (2484=2485) (12983009=12983008). In modo simile,<br />
ma partendo dall’approssimazione 355/113, Srinivasa Ramanujan (1887-1920)<br />
trova che (1 3=35330000) (355=113) è maggiore di di circa 10 15 . Una semplice<br />
approssimazione algebrica è p 10 = 3; 162:::, la migliore approssimazione<br />
di con la radice quadrata di un intero. Passando da una a due radici troviamo<br />
p 2 + p 3 = 3; 146:::. Questa approssimazione, attribuita a Platone, è la media<br />
aritmetica dei perimetri del quadrato inscritto e dell’esagono circoscritto ad una<br />
circonferenza di diametro uno. Altre buone approssimazioni sono p 146 13=50 =<br />
134
q<br />
3; 141591:::,<br />
40 6 p 3 =3 = 3; 14153:::,<br />
Hardy: ”Il numero del mio<br />
taxi è piuttosto stupido: 1729”.<br />
Ramanujan: ”No! È molto<br />
interessante. È il più piccolo<br />
numero scomponibile in somma<br />
di due cubi in due modi diversi:<br />
1729 = 1 3 + 12 3 = 9 3 + 10 3 :<br />
q<br />
7 + p 6 + p 5 = 3; 14163:::.<br />
La dea Namagiri comunica in sogno a Ramanujan il vero valore di<br />
alle seguenti approssimazioni:<br />
, insieme<br />
19p<br />
7 = 3; 1418:::;<br />
16<br />
99 7<br />
80 7 3<br />
p !<br />
7 3<br />
1 + = 3; 1416:::;<br />
3 5<br />
p = 3; 1415927:::;<br />
2<br />
63 17 + 15<br />
25<br />
p 5<br />
7 + 15 p 9<br />
5<br />
!<br />
= 3; 1415926538:::;<br />
5<br />
+<br />
r<br />
9<br />
= 3; 1416:::;<br />
5<br />
r<br />
4 2143<br />
= 3; 141592652::::<br />
22<br />
E la dea suggerisce anche le approssimazioni 3 log (5280) = p 67 con 8 decimali<br />
corretti, 3 log (640320) = p 163 con 15 decimali corretti, e l’approssimazione con<br />
31 decimali<br />
0<br />
4<br />
p log @ 5<br />
522 p 29 + 11 p 5 +<br />
6<br />
p ! 3 p p p p ! 1<br />
6<br />
29 9 + 3 6 + 5 + 3 6<br />
p A :<br />
2<br />
2<br />
135
Le serie di Ramanujan o¤rono un e¢ ciente metodo per il calcolo di ,<br />
1 1<br />
=<br />
16<br />
p<br />
1 8<br />
=<br />
9801<br />
n=0<br />
+1X<br />
2n<br />
n<br />
3<br />
42n + 5<br />
;<br />
212n n=0<br />
+1X (4n)!(1103 + 26390n)<br />
(n!) 4 (396) 4n :<br />
I termini della prima serie hanno un ordine di grandezza di 2 6n . La seconda<br />
serie converge ancora più velocemente, i termini hanno un ordine di grandezza<br />
di (99) 4n , il primo termine dà già le prime cinque cifre decimali di ed ogni<br />
termine successivo ne aggiunge circa otto.<br />
Nei diari del giovane Gauss compaiono delle medie aritmetico geometriche.<br />
Dati 0 x0 < y0, si de…niscono le medie aritmetiche xn+1 = (xn + yn) =2 e<br />
geometriche yn+1 = p xn+1yn. Allora xn < xn+1 < yn+1 < yn e<br />
q<br />
y 2 n+1<br />
x 2 n+1 =<br />
s<br />
xn + yn<br />
yn<br />
arccos (xn+1=yn+1) = arccos<br />
2<br />
2 p<br />
xn + yn y2 n x<br />
=<br />
2<br />
2 n<br />
;<br />
2<br />
r !<br />
1 + (xn=yn)<br />
=<br />
2<br />
arccos (xn=yn)<br />
:<br />
2<br />
L’ultima uguaglianza segue dall’identità cos (z=2) = p (1 + cos (z)) =2. Da<br />
queste formule segue che la quantità p y 2 x 2 = arccos (x=y) si conserva,<br />
q<br />
y2 n+1 x2 n+1<br />
arccos (xn+1=yn+1) =<br />
Ma lim fxn=yng = 1 e lim<br />
Quindi,<br />
8<br />
<<br />
lim fxng = lim fyng = lim<br />
p y 2 n<br />
p y 2 0<br />
x2 n<br />
arccos (xn=yn) =<br />
x2 0<br />
arccos (x0=y0) :<br />
q<br />
1 (xn+1=yn+1) 2 = arccos (xn+1=yn+1) = 1.<br />
: yn<br />
q<br />
1 (xn=yn) 2<br />
9<br />
=<br />
arccos (xn=yn) ; =<br />
p y 2 0<br />
x 2 0<br />
arccos (x0=y0) :<br />
In…ne, da p y2 n x2 n = 2 npy2 0 x2 0 si ricava la velocità di convergenza<br />
yn xn = 4 n y 2 0 x 2 0 = (yn + xn) < 4 n (y0 x0) :<br />
Per esempio, se x0 = 0 e y0 = 1=2, si ha lim fxng = lim fyng = 3= (2 ). Un<br />
altro e¢ ciente algoritmo per il calcolo di con le medie aritmetico geometriche<br />
di Gauss è dovuto a Richard Brent e Eugene Salamin. Dati 0 x0 < y0, si<br />
de…niscono ricorsivamente xn+1 = (xn + yn) =2 e yn+1 = p xnyn. Queste successioni<br />
convergono velocemente ad uno stesso limite AGM(x0; y0). In particolare,<br />
136
partendo da x0 = 1= p 2 e y0 = 1, si ottiene<br />
4y 2 1<br />
1 4 (y2 1 x2 4y<br />
1 2 2<br />
1 4 (y2 1 x2 1 ) 8 (y2 2 x2 4y<br />
2 2 3<br />
) = 3; 187672642:::;<br />
1 4 (y 2 1 x 2 1 ) 8 (y2 2 x 2 2 ) 16 (y2 3 x 2 3<br />
= lim<br />
n!+1<br />
1<br />
nX<br />
k=1<br />
4y 2 n<br />
2 k+1 (y 2 k<br />
x 2 k )<br />
) = 3; 141680294:::;<br />
) = 3:141592646:::;<br />
= 4 AGM(1=p 2; 1) 2<br />
1<br />
+1X<br />
2k+1 (y2 k<br />
Per il calcolo di sono state molto utilizzate formule di addizione per<br />
l’arcotangente del tipo Machin = 16 arctan(1=5) 4 arctan(1=239) insieme<br />
allo sviluppo di Taylor arctan(x) = x x 3 =3 + x 5 =5 :::. Con carta e penna si<br />
è arrivati a calcolare 707 cifre decimali di e con calcolatrici meccaniche 1120<br />
decimali. Su suggerimento di John von Neumann (1903-1957) nel Luglio del<br />
1949 ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer, 18000 valvole<br />
termoioniche, 1500 relè, 200 kw) calcola in 20 ore 2010 cifre decimali di e utilizzando<br />
la serie dei reciproci dei fattoriali. Poi, nel Settembre del 1949 ENIAC<br />
calcola in 70 ore 2035 cifre decimali di utilizzando la formula di Machin. Nei<br />
cinquant’anni successivi al primo calcolatore elettronico le cifre decimali di<br />
conosciute sono raddoppiate ogni due anni. Nel 1973 Martine Bouyer e Jean<br />
Guilloud, con una formula tipo Machin, infrangono il muro del milione di cifre e<br />
nel 1989 i fratelli David e Gregory Chudnovsky, con una formula tipo Ramanu-<br />
jan, quello del miliardo,<br />
=<br />
k=1<br />
+1X<br />
n (6n)!(13591409 + 545140134n)<br />
12 ( )<br />
n=0<br />
(3n)!(n!) 3 (640320) 3n+3=2<br />
! 1<br />
Il XX secolo si chiude con un record di Patrick Demichel, più di un miliardo<br />
di decimali di e, ed un analogo record di Yasumasa Kanada e Daisuke Takahashi,<br />
più di 206 miliardi di decimali di con le medie aritmetico geometriche di Gauss.<br />
In…ne, il XXI secolo si apre con un nuovo record del team di Kanada, in 600 ore<br />
più di mille miliardi di cifre esadecimali di , convertite in più di 1200 miliardi<br />
di decimali, calcolati e controllati utilizzando due formule di tipo Machin,<br />
= 48 arctan<br />
= 176 arctan<br />
1<br />
49<br />
1<br />
57<br />
+ 128 arctan<br />
+ 28 arctan<br />
1<br />
57<br />
1<br />
239<br />
20 arctan<br />
48 arctan<br />
1<br />
239<br />
1<br />
682<br />
x 2 k )<br />
:<br />
:<br />
+ 48 arctan<br />
+ 92 arctan<br />
1<br />
110443<br />
1<br />
12943<br />
Con un programma di calcolo formale nel 1995 David Bailey, Peter Borwein,<br />
e Simon Plou¤e trovano che<br />
=<br />
+1X<br />
n=0<br />
1<br />
16n 4<br />
8n + 1<br />
2<br />
8n + 4<br />
137<br />
1<br />
8n + 5<br />
1<br />
8n + 6<br />
:<br />
;<br />
:
Per veri…care l’identità basta osservare che<br />
+1X<br />
16 n (8n + k) 1 +1X<br />
=<br />
n=0<br />
n=0<br />
2 k=2<br />
Z 2 1=2<br />
0<br />
x 8n+k 1 dx = 2 k=2<br />
Z 2<br />
1=2<br />
0<br />
k 1 x<br />
dx;<br />
1 x8 poi calcolare gli integrali. Con questa formula è possibile calcolare una singola<br />
cifra binaria o esadecimale di senza bisogno di tutte le precedenti. Nel 1996<br />
Plou¤e ottiene un algoritmo per calcolare le cifre di in una base arbitraria in<br />
un tempo O(n 3 log 3 (n)) e nel 1997 Fabrice Bellard migliora il tempo a O(n 2 ).<br />
Il calcolo di diventa quasi un test per misurare l’a¢ dabilità dei calcolatori e<br />
l’e¢ cienza degli algoritmi di calcolo. I decimali di sono anche sottoposti a<br />
svariati test statistici e sembra emergere un paradosso: questo numero è perfettamente<br />
deterministico, ma le sue cifre decimali appaiono del tutto aleatorie. In<br />
si possono cercare le date di nascita di parenti e amici, per esempio, la data<br />
22 11 1995 compare a partire dal 5357329-esimo decimale, la data 04 09 1989<br />
compare a partire dal 59509146-esimo decimale, la data 12 09 1986 compare a<br />
partire dal 91237138-esimo decimale.<br />
A questo punto può essersi generata l’impressione che, utilizzando solo le<br />
quattro operazioni elementari e magari le estrazioni di radici, è piuttosto semplice<br />
calcolare miliardi di decimali di , di e, o di altri numeri. Per suggerire che<br />
non è proprio così, accenniamo a problemi di complessità computazionale che<br />
mostrano come alcuni algoritmi di calcolo tradizionali non hanno necessariamente<br />
una e¢ cienza ottimale. Le somme, sottrazioni, moltiplicazioni, divisioni,<br />
con numeri piccoli non costituiscono un problema, ma con numeri grandi le cose<br />
si complicano. Per sommare o sottrarre due numeri si sommano o sottraggono<br />
le cifre di un numero a quelle dell’altro e si eseguono dei riporti. Sommare o<br />
sottrarre due numeri di n cifre richiede circa n operazioni elementari, e non si<br />
può sperare di meglio. La moltiplicazione è più complicata, si deve moltiplicare<br />
ogni cifra di un numero per tutte le cifre dell’altro e poi sommare i risultati. In<br />
de…nitiva la moltiplicazione di due numeri di n cifre richiede circa n 2 operazioni<br />
elementari. Osserviamo le formule<br />
(10 n a + b) (10 n c + d) = 10 2n ac + 10 n (ad + bc) + bd;<br />
(10 n a + b) (10 n c + d) = 10 2n ac + 10 n ((a b)(d c) + ac + bd) + bd:<br />
La prima formula è quella che corrisponde all’algoritmo di moltiplicazione<br />
tradizionale, sembra più naturale e richiede il calcolo di tre somme e quattro<br />
moltiplicazioni, ac, ad, bc, bd. Con questo algoritmo di moltiplicazione raddoppiando<br />
le cifre si quadruplicano le operazioni. La seconda formula sembra<br />
più complicata perché richiede sei somme o sottrazioni ma solo tre moltiplicazioni,<br />
ac, bd, (a b)(d c). Con questo algoritmo raddoppiando le cifre si<br />
triplicano le operazioni, la moltiplicazione di due numeri di n cifre richiede circa<br />
n log 2 (3) operazioni elementari. Si può fare di meglio, cn log(n), ma gli algoritmi<br />
si complicano.<br />
Dei metodi e¢ cienti per dividere o estrarre radici sono basati sul metodo<br />
delle tangenti di Newton per calcolare gli zeri di una funzione. Per trovare gli zeri<br />
138
di una funzione y = f(x) si parte da una approssimazione a dello zero cercato e si<br />
sviluppa in serie y = f(a)+f 0 (a)(x a)+:::. Si risolve poi l’equazione linearizzata<br />
f(a) + f 0 (a)(x a) = 0, con la speranza che la soluzione x = a f(a)=f 0 (a)<br />
di questa equazione sia una migliore approssimazione della vera soluzione. Di<br />
fatto se x0 è abbastanza vicino alla soluzione di f(x) = 0 e se f 0 (x) 6= 0, le<br />
iterate xn+1 = xn f(xn)=f 0 (xn) convergono quadraticamente alla soluzione,<br />
jxn+1 xj c jxn xj 2 , perché nello sviluppo in serie si trascurano i termini<br />
quadrati. Più precisamente,<br />
xn+1 x = (xn f(xn)=f 0 (xn)) (x f(x)=f 0 (x))<br />
= f (y) f 00 (y)=f 0 (y) 2<br />
(xn x) ;<br />
con y compreso tra x e xn. Se f(x) = 0, allora jf (y)j c jxn xj e quindi<br />
jxn+1 xj c jxn xj 2 . Grosso modo ogni iterazione raddoppia il numero di<br />
decimali corretti. Per il calcolo degli inversi il metodo di Newton applicato<br />
all’equazione y 1=x = 0 fornisce le iterazioni xn+1 = xn (2 yxn). Queste<br />
iterazioni si calcolano solo con somme e moltiplicazioni e convergono velocemente<br />
a 1=y, quindi si possono ridurre le divisioni a delle moltiplicazioni. Similmente<br />
il metodo di Newton applicato all’equazione x 2 y = 0 fornisce le<br />
iterazioni xn+1 = (xn + y=xn) =2 e coincide con il metodo di Erone per il calcolo<br />
di p y. È anche possibile calcolare le radici quadre senza utilizzare divisioni.<br />
Dall’equazione x 2 y = 0 si ricavano le iterazioni xn+1 = xn 3 x 2 ny =2 che<br />
convergono a y 1=2 e con un’ultima moltiplicazione si ottiene y y 1=2 = p y.<br />
Osserviamo che oltre a somme e moltilicazioni si sono utilizzate solo divisioni<br />
per 2, che in base 2 sono uno spostamento delle cifre. Ci sono algoritmi per<br />
radici di ogni indice. Per esempio, le iterazioni xn+1 = xn 3 x 3 ny 2 =2 convergono<br />
a y 2=3 e con una moltiplicazione per y si ottiene 3p y. Il risultato è<br />
che il calcolo di 1=y o di p y con una precisione di n cifre ha essenzialmente<br />
la stessa complessità computazionale della moltiplicazione di due numeri con n<br />
cifre. In de…nitiva, calcolare n decimali di non è troppo più complicato che<br />
moltiplicare due numeri di n cifre. Ma è così banale moltiplicare numeri con<br />
miliardi di cifre?<br />
Concludiamo con un curioso metodo per calcolare . Il frattale di Benoît<br />
Mandelbrot (1924-2010) è l’insieme dei parametri complessi c tali che l’orbita<br />
del punto 0 rispetto alla trasformazione z 2 + c è limitata, z(0) = 0 e z(n + 1) =<br />
z(n) 2 +c. Di fatto, un punto c è nell’insieme di Mandelbrot se e solo se z(n) 2<br />
per ogni n. Per esempio, c = 3=4 appartiene all’insieme, ma c = 3=4+i" con<br />
" 6= 0 non è nell’insieme. Calcolando il numero di iterate necessarie per avere<br />
z(n) > 2, si ha una sorpresa: lim f" Iterazionig = .<br />
139
L’insieme di Mandelbrot<br />
sono i punti c con orbita<br />
fz(n)g limitata: z(0) = 0<br />
e z(n + 1) = z(n) 2 + c:<br />
" Iterazioni<br />
1 3<br />
0; 1 33<br />
0; 01 315<br />
0; 001 3143<br />
0; 0001 31417<br />
0; 00001 314160<br />
0; 000001 3141593<br />
::: :::<br />
140
MORBO CICLOMETRICO:<br />
Delle più importanti costanti …siche non si conoscono che poche cifre decimali.<br />
Della più importante costante matematica si conoscono miliardi di cifre e<br />
di tanto in tanto compare qualcuno che crede di aver …nalmente trovato l’ultima.<br />
Abbiamo accennato a quadrature errate di persone competenti come Nicola da<br />
Cusa o Gregorio di San Vincenzo, ma ci sono molti altri esempi più o meno<br />
famosi.<br />
Folgorato dalla lettura di Euclide, il …losofo Thomas Hobbes (1588-1679)<br />
pubblica a partire dal 1655 una dozzina di soluzioni della quadratura del cerchio<br />
con diversi valori per , 3 + 1=5, p 10,... e nel 1669 a¤ronta anche la<br />
duplicazione del cubo, ”Quadratura circuli, cubatio sphaerae, duplicatio cubi<br />
breviter demonstrata”. Wallis, ”homo homini lupus”, dà allora inizio ad una feroce<br />
polemica che si chiude solo dopo un quarto di secolo alla morte del …losofo<br />
novantenne. Hobbes pubblica ”Sei lezioni al professore di matematica...”, ”Osservazioni<br />
sulla geometria assurda, il linguaggio rurale etc. del Dottor Wallis”,<br />
141
”Esame ed emendamento della matematica odierna”, ”Sui principi e ragioni<br />
delle geometrie, contro i falsi professori di geometria”,... e Wallis replica con<br />
”Punizioni da in‡iggere al Signor Hobbes per non aver appreso correttamente<br />
la sua lezione” e commenti del tipo: ”Non posso non osservare l’abitudine di<br />
Hobbes a contraddirsi. Trovo vergognoso che un sì grande pretendente a tali<br />
alte cose in geometria, sia poi così miseramente ignorante delle comuni operazioni<br />
dell’aritmetica pratica”. Newton si tiene lontano da questa polemica: ”La<br />
…loso…a è una signora così impertinente e litigiosa, che per un uomo è meglio<br />
esser citato in giudizio che aver a che fare con lei”. Ma qualche anno dopo<br />
inizia la sua polemica con Hooke per la priorità delle scoperte sull’ottica e la<br />
gravitazione e poi con Leibniz per il calcolo di¤erenziale ed integrale.<br />
Facciamo ora una piccola digressione, dalla misura del cerchio in geometria<br />
alla misura delle distanze sulla sfera terrestre. La determinazione della latitudine<br />
è un problema relativamente semplice, che si può ridurre alla misura<br />
dell’altezza della Stella Polare rispetto all’orizzonte, oppure l’altezza del Sole<br />
a mezzogiorno. La determinazione della longitudine è più problematica e nei<br />
secoli delle grandi scoperte geogra…che molti stati europei hanno o¤erto grossi<br />
premi per la soluzione di questo problema di grande importanza per la navigazione.<br />
Per determinare la longitudine si possono utilizzare le eclissi di Luna,<br />
che sono viste dovunque allo stesso istante, ma ad ore locali diverse. Se in A<br />
l’eclisse avviene all’ora x ed in B all’ora y, la di¤erenza tra le longitudini di A<br />
e B è proporzionale a x y, 1ora = 15 gradi. Galileo nel 1610 scopre le lune di<br />
Giove, ”Sidera Medicea”, e ne studia i movimenti. Ha poi l’intuizione di utilizzare<br />
le eclissi di questi satelliti che regolarmente compaiono e scompaiono dietro<br />
al pianeta come un orologio astronomico, che visto da ogni punto della Terra<br />
segna la stessa ora. Con questo orologio è semplice risalire alla longitudine, che<br />
risulta proporzionale alla di¤erenza tra questa ora astronomica e l’ora solare.<br />
Nel 1616 cerca di vendere senza successo la sua idea alla Spagna. Ritenta poi con<br />
l’Olanda, che ha o¤erto un premio di 30.000 scudi per la soluzione del problema.<br />
Non riceve il premio in denaro, ma una catena d’oro. Il metodo di calcolo della<br />
longitudine proposto da Galileo è laborioso, comunque Gian Domenico Cassini<br />
(1625-1712) nel 1668 pubblica le ”Efemeridi delle stelle medicee”, poi utilizzate<br />
in varie spedizioni geogra…che. Anche Ole Romer (1644-1710) osserva circa 140<br />
eclissi di Io che orbita intorno a Giove ogni 42,5 ore e constata con sorpresa<br />
che questo periodo non è uniforme. Io anticipa le previsioni quando Giove è<br />
in opposizione al Sole e ritarda quando è in congiunzione. Romer intuisce che<br />
questo è dovuto alla variazione della distanza Giove Terra ed alla velocità di<br />
propagazione …nita della luce e nel 1675 Cassini scrive: ”La luce sembra impiegare<br />
tra dieci e undici minuti per percorrere una distanza uguale alla metà<br />
del diametro dell’orbita terrestre”. Di fatto la luce, con una velocità di 299792<br />
km/sec, impiega circa 8 minuti e 20 secondi dal Sole alla Terra.<br />
142
Giove e Io,<br />
Io e Ganimede.<br />
Quaderno di Galileo<br />
con le osservazioni<br />
degli astri medicei<br />
Nel 1714 il parlamento britannico o¤re £ 20.000 per un metodo di determinazione<br />
della longitudine in mare con un’approssimazione inferiore a mezzo<br />
grado, £ 15.000 per un’approssimazione inferiore a due terzi di grado e £ 10.000<br />
per un’approssimazione inferiore ad un grado. Uno dei metodi proposti, che in<br />
verità si rivela poco pratico, si basa sulla tabulazione della direzione del moto<br />
della Luna rispetto alle stelle …sse. Nel 1762 Eulero e Tobias Mayer (1723-1762)<br />
ricevono £ 3.000 per delle tavole dei movimenti lunari. Finalmente John Harrison<br />
(1693-1776) nel 1765 riceve £ 10.000 per la costruzione di un cronometro<br />
che, a di¤erenza degli orologi a pendolo, riesce a funzionare anche sulle navi. Di<br />
fatto, molti fraintendono il problema della longitudine con quello della misura<br />
del cerchio e, trovata una misura più o meno precisa, chiedono la ricompensa.<br />
Accade spesso che Tizio trovi una o più quadrature, magari distinte, se poi<br />
queste vengono contestate da Caio, non è per aver violato il principio di non<br />
contraddizione, ma semplicemente perché non coincidono con la vera quadratura<br />
trovata da Caio stesso o da Sempronio. Molti tra quelli che presentano delle<br />
quadrature del cerchio promettono ricompense a chi trova l’errore, tanto anche<br />
se perdono poi non pagano, molti altri vogliono essere pagati per il contributo<br />
dato al sapere. Nel 1724 J.Mathulon, di professione medico, presenta un paio di<br />
presunte quadrature del cerchio, insieme ad una macchina che promette il moto<br />
perpetuo e ad altre interessanti invenzioni. Lamentandosi per lo scarso interesse<br />
suscitato dalle sue scoperte, che ”se fossero state portate a conoscenza di sua<br />
maestà, avrebbero già potuto essere utilizzate in tutto il regno”, deposita 1000<br />
scudi presso un notaio per chi trova l’errore. L’errore si trova ed i soldi sono<br />
devoluti ai poveri. Comunque il lupo perde il pelo ma non il vizio e qualche<br />
anno dopo lo scacco subito presenta all’Accademia Reale delle Scienze una terza<br />
quadratura. Nel 1753 J.L.V.de Mauléon de Causans propone una sottoscrizione<br />
di 4000 quote da 1000 lire ciascuna per rivelare la sua quadratura del cerchio, impegnandosi<br />
a restituire a ciascun sottoscrittore 1500 lire nel caso si dimostrasse<br />
falsa. Visto lo scarso successo della sottoscrizione, tappezza i muri di Parigi con<br />
143
l’avviso che sono state depositate presso un notaio 1000 lire per chi dimostra la<br />
falsità della sua quadratura, cosa non di¢ cile visto che il quadrato circoscritto<br />
risulta uguale al cerchio inscritto. Citato in giudizio da chi vuole riscuotere il<br />
premio, viene salvato dal tribunale che dichiara nulle le promesse fatte. Non<br />
contento per lo scampato pericolo, trova una seconda quadratura con = 25=8<br />
ed una terza ancora ed invia delle suppliche al re accusando l’Accademia Reale<br />
delle Scienze di mala fede. Nel 1773 D.Lafrenaye, dopo aver de…nito la radice<br />
quadrata come l’ottava parte di un numero, dimostra un cerchio ha la stessa<br />
area di un quadrato tale che il lato più la sua radice siano uguali al diametro.<br />
Ha ritrovato cioè la regola di Ahmes, se D = L + L=8 è il diametro del cerchio,<br />
l’area è L 2 . Anche questa scoperta provoca una polemica con l’Accademia Reale<br />
delle Scienze, che in…ne nel 1775 reagisce con la dichiarazione: ”L’Accademia ha<br />
preso quest’anno la risoluzione di non esaminare più alcuna soluzione dei problemi<br />
della duplicazione del cubo, della trisezione dell’angolo, o della quadratura<br />
del cerchio, né alcuna macchina annunciata come un moto perpetuo”. Nel 1836<br />
M.J.Lacomme, uno scavatore di pozzi analfabeta, chiede ad un matematico<br />
quante pietre occorrono per pavimentare il fondo di un pozzo circolare. Non<br />
comprendendo la risposta, studia da solo il problema e trova il valore 3 + 1=8.<br />
Già si conoscono più di cento cifre decimali di , ma il tentativo viene premiato<br />
con delle medaglie. Un tale Recalcati di Milano o¤re la quadratura del cerchio<br />
a chiunque versi cinque franchi, con garanzia di restituzione in caso di soluzione<br />
non completamente rigorosa. Il garante è un banchiere.<br />
Un altro caso di quadratura del cerchio è quello di Edward Johnston Goodwin<br />
(1828-1902), un medico nello stato dell’Indiana, il quale molto umilmente<br />
dichiara che, non per merito ma per pura grazia, ”nella prima settimana di<br />
Marzo del 1888 è stato in modo soprannaturale illuminato sulla esatta misura<br />
del cerchio... nessuna autorità nella scienza dei numeri può dire come il rapporto<br />
è stato scoperto...”. Su richiesta dell’autore la scoperta viene pubblicata<br />
nel 1894 sull’”American Mathematical Monthly” e nel 1895 dopo la quadratura<br />
del cerchio è la volta della trisezione dell’angolo e della duplicazione del cubo:<br />
”Un’area circolare è uguale al quadrato su di una linea uguale al quadrante<br />
della circonferenza; e l’area di un quadrato è uguale all’area del cerchio la cui<br />
circonferenza è uguale al perimetro del quadrato. (Copyrighted by the author,<br />
1889. All rights reserved.)”<br />
”Trisezione di un angolo: La trisezione della corda di ogni arco di cerchio<br />
triseca l’angolo dell’arco. Duplicazione del cubo: Duplicare la dimensione di<br />
un cubo ottuplica il suo contenuto, e duplicare il suo contenuto aumenta la sua<br />
dimensione del venticinque più uno per cento.”<br />
Se la circonferenza 2 r è uguale al perimetro del quadrato, il lato del quadrato<br />
è un quadrante r=2 e l’area del quadrato è 2 r 2 =4. Se l’area del quadrato è<br />
uguale all’area del cerchio, 2 r 2 =4 = r 2 e si ricava = 4. Il dottor Goodwin<br />
cerca il riconoscimento del governo per le sue scoperte e chiede di includerle nei<br />
programmi di studio delle accademie di West Point ed Annapolis. Riesce poi a<br />
144
convincere il suo deputato locale a presentare una proposta di legge per …ssare<br />
il valore legale di .<br />
”Progetto di legge n o 246. Presentato da T.I.Record. Letto per la prima<br />
volta alla Camera il 18/1/1897. Inviato al Comitato per i Canali ed inviato al<br />
Comitato per l’Educazione il 19/1/1897. Letto per la seconda e terza volta il<br />
5/2/1897. Approvato il 5/2/1897, Si 67, No 0. Letto per la prima volta al Senato<br />
il 18 Gennaio 1897. Inviato al Comitato per la Temperanza il 11/2/1897.<br />
Parere favorevole il 12/2/1897. Letto per la seconda e rimandato a tempo inde…nito<br />
il 12/2/1897.”<br />
”Progetto di legge per introdurre una nuova verità matematica ed o¤erto<br />
come contributo all’educazione, da essere usato senza costi o diritti d’autore dal<br />
solo Stato dell’Indiana se accettato ed adottato dalla legislatura nel 1897... Si<br />
è trovato che l’area circolare sta al quadrante della circonferenza come l’area di<br />
un rettangolo equilatero sta al quadrato su un lato. Secondo la presente regola<br />
l’uso del diametro come unità lineare per il calcolo dell’area del cerchio è completamente<br />
sbagliato... Prendendo il quadrante della circonferenza del cerchio<br />
come unità lineare si soddisfano i requisiti richiesti per la quadratura e la retti-<br />
…cazione della circonferenza del cerchio. Inoltre, si è rivelato che il rapporto tra<br />
la corda ed un arco di novanta gradi è come sette a otto, e anche che il rapporto<br />
tra la diagonale ed un lato di un quadrato è come dieci a sette, questo rivela<br />
l’importante fatto che il rapporto tra diametro e circonferenza è come cinque<br />
quarti a quattro. Per questo ed altro, la regola …nora in uso non funziona sia<br />
matematicamente che nelle applicazioni pratiche...”<br />
Il rapporto tra corda ed arco di novanta gradi è p 2r = ( r=2). Se 2 p 2= =<br />
7=8 si ricava che = 16 p 2=7. Inoltre, se il rapporto tra diagonale e lato di<br />
un quadrato è dieci a sette, = 16 p 2=7 = 160=49. Sono valori diversi dal<br />
= 4 ottenuto precedentemente, ma non è certo il caso di arrendersi davanti<br />
al principio di non contraddizione. L’”Indianapolis Sentinel” del 20/1/1897<br />
titola: ”Quadrare il cerchio, ci sono voci che questo vecchio problema sia stato<br />
risolto”. Per caso la proposta di legge viene mostrata ad un matematico in<br />
visita alla Camera, con la preghiera di scrivere una presentazione del dotto<br />
autore, ma questi declina l’invito con la scusa che di pazzi ne conosce già troppi.<br />
A questo punto i senatori cominciano ad aver qualche dubbio ed uno di loro<br />
pubblicamente confessa: ”Può essere che io sia particolarmente ignorante su<br />
questa questione di <strong>Matematica</strong>”. L’assemblea unanime si associa decidendo,<br />
pur senza entrare nel merito dell’argomento, di rimandare a tempo inde…nito<br />
l’approvazione de…nitiva. Di fatto, tutti quelli che pagano le tasse su proprietà<br />
tonde e subiscono passivamente interessi irrisori sui depositi e da usura sui debiti<br />
possono essere piuttosto interessati ai valori legali dei numeri ed e.<br />
Augustus De Morgan (1806-1871) osserva che ”è più facile quadrare un<br />
cerchio che arrotondare un matematico” e propone una spiegazione astrologica<br />
ai diversi valori di apparsi in epoche di¤erenti. Il rapporto tra circonferenza<br />
e diametro non è costante, ma varia col tempo secondo la formula<br />
145
= 3 + 13=80 + 3=80 cos(S L), con S e L longitudini del Sole e della Luna.<br />
Ma forse le perturbazioni di qualche pianeta sono responsabili di valori minori<br />
di 3,125 o maggiori di 3,2.<br />
Terminiamo questa breve introduzione con l’ovvia osservazione che la soluzione<br />
del problema della quadratura del cerchio non pone …ne alla storia di il cui<br />
studio, insieme a quello di tanti altri numeri interessanti, continuerà ancora per<br />
molto.<br />
146
Archimede (287-212 a.C.)<br />
MET ODO DI<br />
ESAUST IONE<br />
Approssimando un cerchio con poligoni regolari inscritti e circoscritti è possibile,<br />
almeno in linea di principio, calcolare con una approssimazione arbitrariamente<br />
piccola ed Archimede è tra i primi ad implementare questo metodo<br />
da un punto di vista numerico. Nell’esposizione che segue, traduciamo il suo<br />
linguaggio geometrico in trigonometria. Un poligono regolare con n lati iscritto<br />
in una circonferenza di raggio uno si ottiene dividendo un angolo giro in n parti<br />
uguali. Il lato risulta lungo 2 sin( =n) ed il perimetro 2n sin( =n). Analogamente,<br />
il lato di un poligono regolare con n lati circoscritto ad una circonferenza<br />
di raggio uno risulta lungo 2 tan( =n) ed il perimetro 2n tan( =n). I perimetri<br />
dei poligoni iscritti sono una stima per difetto ed i perimetri dei poligoni circoscritti<br />
sono una stima per eccesso della lunghezza della circonferenza,<br />
n sin( =n) < < n tan( =n):<br />
Tanto più grande è il numero dei lati, tanto meglio i poligoni iscritti e circoscritti<br />
approssimano la circonferenza. In particolare, dagli sviluppi in serie<br />
sin(x) = x x 3 =6 + ::: e tan(x) = x + x 3 =3 + ::: si ricava che la discrepanza<br />
tra i perimetri dei poligoni e la circonferenza è dell’ordine di n 2 ,<br />
n sin( =n) 3 =6n 2 e n tan( =n) 3 =3n 2 .<br />
147
Archimede ottiene i perimetri dei poligoni regolari di 6, 12, 24, 48, 96 lati<br />
per mezzo di un procedimento che permette di passare dal perimetro di un<br />
poligono con un certo numero di lati al perimetro di un poligono con un numero<br />
doppio di lati. Il processo ricorsivo, formalizzato da J.F.Pfa¤ (1765-1825), è<br />
il seguente. Indicando con P (n) = 2n sin( =n) e con Q(n) = 2n tan( =n), è<br />
possibile ricavare Q(2n) prendendo la media armonica tra P (n) e Q(n) e poi<br />
ricavare P (2n) prendendo la media geometrica tra P (n) e Q(2n):<br />
tan(x) =<br />
sin(2x) tan(2x)<br />
sin(2x) + tan(2x) ; 2 sin(x) = p 2 sin(2x) tan(x);<br />
Q(2n) =<br />
2Q(n)P (n)<br />
Q(n) + P (n) ; P (2n) = p Q(2n)P (n):<br />
Un altro modo di procedere è il seguente. Per conoscere P (n) basta conoscere<br />
sin( =n) e, noto sin( =n), si può ricavare sin( =2n) dalle formule di bisezione,<br />
r<br />
q<br />
P (2n) = 4n sin ( =2n) = 2n 2 2 1 sin 2 ( =n)<br />
r<br />
q<br />
= 2n 2 4 (P (n)=n) 2 :<br />
In particolare, partendo con sin( =4) = 1= p 2, si ottiene ricorsivamente<br />
P (4) = 4 p 2;<br />
q<br />
P (8) = 8 2 p 2;<br />
r<br />
q<br />
P (16) = 16 2 2 + p 2;<br />
s<br />
P (32) = 32 2<br />
r<br />
q<br />
2 + 2 + p 2;<br />
v<br />
u<br />
t<br />
P (64) = 64 2<br />
s<br />
r<br />
q<br />
2 + 2 + 2 + p 2; :::<br />
148
Similmente, partendo con sin( =6) = 1=2,<br />
P (6) = 6;<br />
q<br />
P (12) = 12 2 p 3;<br />
r<br />
q<br />
P (24) = 24 2 2 + p 3;<br />
s<br />
P (48) = 48 2<br />
r<br />
q<br />
2 + 2 + p 3;<br />
v<br />
u<br />
t<br />
P (96) = 96 2<br />
s<br />
r<br />
q<br />
2 + 2 + 2 + p 3; :::<br />
Osserviamo che l’approssimazione P (n)=2 è dell’ordine di n 2 :<br />
P (n)=2 = n sin ( =n) =<br />
3 =6n 2 + 5 =120n 4<br />
Per accelerare la convergenza delle successioni fP (n)g e fQ(n)g, si può partire<br />
dalle identità x = arcsin (sin(x)) e x = arctan (tan(x)) e sviluppare in serie<br />
di potenze l’arco seno o l’arco tangente. In questo modo si ottiene<br />
= n arcsin (P (n)=2n) = P (n)=2 + P (n) 3 =48n 2 + 3P (n) 5 =1280n 4 + :::;<br />
= n arctan (Q(n)=2n) = Q(n)=2 + Q(n) 3 =24n 2 + Q(n) 5 =160n 4 + ::::<br />
Con k termini di queste serie si hanno approssimazioni dell’ordine di n 2k .<br />
Per esempio, P (6)=2 = 3 è l’approssimazione biblica, P (6)=2 + P (6) 3 =48 6 2 =<br />
3 + 1=8 è quella babilonese, l’approssimazione successiva 3 + 1=8 + 9=640 =<br />
3; 139::: è quasi buona come quella di Archimede. Per accelerare la convergenza<br />
di questi processi di approssimazione si può anche utilizzare il metodo di Snell<br />
e Huygens, che ha un’approssimazione dell’ordine di n 4 ,<br />
2<br />
P (2n)<br />
3<br />
1<br />
P (n) = (8n=3) sin ( =2n) (n=3) sin ( =n) =<br />
6<br />
:::<br />
5 =480n 4 + :::<br />
Il metodo di Snell e Huygens si presta ad immediate generalizzazioni. Nel<br />
1770 Lambert pubblica una memoria sulla retti…cazione di curve, che estende alcuni<br />
dei risultati di Huygens. Se una liscia curva congiunge due punti vicini A =<br />
(0; 0) e B = ("; 0), si può scriverne l’equazione nella forma y = x (" x) '(x),<br />
con '(x) = + x + x 2 + x 3 :::. Per stimare la lunghezza dell’arco di curva da<br />
A a B, osserviamo che ordinando i termini " m x n con potenze m + n crescenti<br />
si ha<br />
dy d<br />
=<br />
dx dx x (" x) + x + x2 + x 3 + :::<br />
= " 2 x + 2 "x 3 x 2 + 3 "x 2<br />
4 x 3 + 4 "x 3<br />
149<br />
5 x 4 + :::
La lunghezza dell’arco di curva ha quindi lo sviluppo in serie<br />
Z " q<br />
1 + (dy=dx)<br />
0<br />
2 Z "<br />
dx =<br />
0<br />
Z "<br />
=<br />
0<br />
1 + (dy=dx) 2 =2 (dy=dx) 4 =8 + ::: dx<br />
1 + 2 " 2 =2 2 2 "x + 2 2 x 2 + 2 " 2 x 7 "x 2 + 6 x 3 + ::: dx<br />
= " + 2 " 3 =6 + " 4 =6 + :::<br />
La tangente alla curva in A è y = "'(0)x, quella in B è y = "'(") (" x), e<br />
l’intersezione tra le tangenti C = "'(")= ('(0) + '(")) ; " 2'(0)'(")= ('(0) + '(")) .<br />
Si ha<br />
s<br />
AC =<br />
"'(")<br />
'(0) + '(")<br />
2<br />
+ "2 '(0)'(")<br />
'(0) + '(")<br />
= "<br />
2 + 4 "2 + 2 4 2 + 2<br />
8 2 " 3 + 2 4 + 4 2 4 + 3<br />
16 3<br />
Similmente si ha<br />
BC =<br />
s<br />
"'(0)<br />
'(0) + '(")<br />
2<br />
+ "2 '(0)'(")<br />
'(0) + '(")<br />
= "<br />
2 4 "2 + 2 4 2 + 2<br />
8 2 " 3 + 6 4 4 2 3<br />
+ 4<br />
16 3<br />
2<br />
2<br />
" 4 + :::<br />
" 4 + :::<br />
Una media ponderata tra le lunghezze dei segmenti inscritti AB e circoscritti<br />
AC + BC è<br />
2 1<br />
AB +<br />
3<br />
3 (AC + BC) = " + 2 " 3 =6 + " 4 =6 + :::<br />
Quindi la di¤erenza tra la lunghezza della curva<br />
Z " q<br />
1 + (dy=dx) 2 dx e<br />
2=3AB + 1=3 (AC + BC) è dell’ordine di " 5 . Se la curva è un cerchio, si ritrova<br />
uno dei risultati di Huygens.<br />
Nel 1927 L.F.Richardson osserva che se una certa quantità P è limite per<br />
x ! 0 di una funzione f(x) con sviluppo asintotico<br />
f(x) = P + Ax + Bx + Cx + :::;<br />
con 0 < < < :::, allora f(y) approssima P meglio di f(x) se y < x,<br />
ma è possibile ottenere un’approssimazione ancora migliore con una opportuna<br />
combinazione lineare tra f(x) e f(y) che elimina la potenza ,<br />
x f(y) y f(x)<br />
x y<br />
x y y x<br />
= P + B<br />
x y<br />
0<br />
x y y x<br />
+ C<br />
x y<br />
+ ::::<br />
È interessante notare che per applicare il metodo è su¢ ciente conoscere gli<br />
esponenti dello sviluppo asintotico e non è necessario conoscerne i coe¢ cienti.<br />
150
Per esempio, il calcolo numerico di un integrale con il metodo dei trapezi con<br />
passo (b a)=n porta ad una formula del tipo<br />
Z b<br />
f(t)dt = T (n) + n<br />
a<br />
2 + n 4 + n 6 + ::::<br />
I trapezi T (n) approssimano l’integrale a meno di n 2 , ma (4T (2n) T (n)) =3<br />
è un’approssimazione a meno di n 4 ed iterando il procedimento si può anche<br />
eliminare questo termine ed i successivi.<br />
Ci sono altri metodi, anche non lineari, per accelerare la convergenza di una<br />
successione. Nel 1674 Takakazu Seki (1642-1708), calcolati P 2 15 , P 2 16 ,<br />
P 2 17 , ottiene dieci cifre decimali di utilizzando la formula<br />
P (2n) +<br />
(P (2n) P (n)) (P (4n) P (2n))<br />
(P (2n) P (n)) (P (4n) P (2n)) :<br />
Il metodo di Seki è riscoperto nel 1926 da Alexander Craig Aitken (1895-<br />
1967), il quale osserva che se fx(n)g converge a z in modo geometrico, x(n) =<br />
z + n con j j < 1, allora<br />
x(n) x(n 1) x(n) z<br />
=<br />
x(n 1) x(n 2) x(n 1) z ;<br />
z =<br />
x(n)x(n 2) x(n 1)2<br />
x(n) 2x(n 1) + x(n 2) :<br />
Questo suggerisce di associare alla successione fx(n)g la successione<br />
y(n) = x(n)<br />
(x(n) x(n 1)) 2<br />
x(n) 2x(n 1) + x(n 2) :<br />
In generale, se fx(n)g ! z anche fy(n)g ! z, ma la convergenza è più<br />
veloce, (y(n) z) = (x(n) z) 1. Confrontiamo numericamente i metodi di<br />
Archimede, Huygens, Seki, ricordando che = 3; 1415926535:::.<br />
Archimede: x(n) = (6 2 n ) sin ( = (6 2 n )) :<br />
4x(n) x(n 1)<br />
Huygens: y(n) = :<br />
3<br />
(x(n) x(n 1))<br />
Seki: z(n) = x(n)<br />
2<br />
x(n) 2x(n 1) + x(n 2) :<br />
n x(n) y(n) z(n)<br />
0 3<br />
1 3; 105828541::: 3; 141104721:::<br />
2 3; 132628613::: 3; 141561970::: 3; 141717032:::<br />
3 3; 139350203::: 3; 141590732::: 3; 141600361:::<br />
4 3; 141031950::: 3; 141592533::: 3; 141593134:::<br />
151
Con dei metodi iterativi non solo è possibile stimare , ma anche calcolare<br />
funzioni trigonometriche e logaritmi. Per esempio,<br />
lim<br />
n!+1 2n tan 2 n arctan(x) = arctan(x):<br />
Inoltre tan(y=2) = tan(y)= 1 + p 1 + tan 2 (y) . Quindi arctan(x) è limite<br />
della successione de…nita ricorsivamente da<br />
Similmente,<br />
2An(x)<br />
A0(x) = x; An+1(x) = q<br />
1 + 1 + (2 nAn(x)) 2<br />
:<br />
lim<br />
n!+1 2n n<br />
2<br />
(1 + x)<br />
1 = log(1 + x):<br />
Quindi log(1 + x) è limite della successione de…nita ricorsivamente da<br />
L0(x) = x; Ln+1(x) =<br />
2Ln(x)<br />
1 + p 1 + 2 n Ln(x) :<br />
Ma torniamo<br />
Z<br />
al metodo di esaustione ed a . L’area di un cerchio di raggio<br />
1p<br />
uno è 4 1 x2dx e si può stimare questo integrale con qualche metodo<br />
0<br />
Z b<br />
numerico. Per stimare un integrale f(x)dx si possono utilizzare i metodi di<br />
esaustione con rettangoli o trapezi,<br />
Z b<br />
f(x)dx<br />
a<br />
Z b<br />
f(x)dx<br />
a<br />
b a<br />
n<br />
a<br />
b<br />
n<br />
a<br />
1<br />
n<br />
k=0<br />
f(a) + f(b)<br />
2<br />
X<br />
f (a + k(b a)=n) ;<br />
!<br />
X<br />
f (a + k(b a)=n) ;<br />
n 1<br />
+<br />
che danno errori dell’ordine di n 1 e n 2 , o metodi più so…sticati. Per esempio,<br />
con il metodo di Thomas Simpson (1710-1761) con passo 1/4 si ottiene già una<br />
buona approssimazione di ,<br />
12<br />
= 12<br />
Z 1=2<br />
0<br />
k=1<br />
p 1 x 2 dx<br />
p !<br />
3<br />
p 1 (0=4) 2 + 4 p 1 (1=4) 2 + p 1 (2=4) 2<br />
12<br />
= 1 + p 15 p 3 = 3; 140932:::<br />
8<br />
p !<br />
3<br />
Il metodo di Simpson è basato sull’interpolazione e quadratura con parabole,<br />
è quindi un metodo archimedeo.<br />
152<br />
8
Tolomeo (II secolo d.C) Nepero (1550-1617)<br />
T AV OLE DI<br />
CORDE E<br />
LOGARIT MI<br />
Utilizzando la formula di Taylor, non è di¢ cile calcolare numericamente le<br />
funzioni trigonometriche ed i logaritmi. Per esempio, il polinomio x x 3 =6 +<br />
x 5 =120 approssima sin(x) nell’intervallo 0 x =2 con un errore inferiore<br />
a 5 10 3 . Modi…cando opportunamente i coe¢ cienti si può anche migliorare<br />
l’approssimazione. Per esempio, per approssimare log(1 + x), invece del polinomio<br />
di Taylor x x 2 =2 + x 3 =3 x 4 =4 + x 5 =5, si può utilizzare ax + bx 2 +<br />
cx 3 + dx 4 + ex 5 , con a = 0; 99949556, b = 0; 49190896, c = 0; 28947478,<br />
d = 0; 13606275, e = 0; 03215841. L’approssimazione in 0 x 1 è a meno di<br />
10 5 . Ma non è così che sono state calcolate le prime tavole di queste funzioni.<br />
In un cerchio di raggio r una corda sottesa da un angolo # misura 2r sin(#=2).<br />
Le tavole di corde sono quindi tavole di seni. Ecco come Tolomeo calcola le sue<br />
tavole, con l’avvertenza che in Tolomeo il diametro del cerchio è 120 e gli angoli<br />
sono in gradi, mentre qui il raggio è uno e gli angoli sono in radianti. Tolomeo<br />
conosce degli equivalenti delle formule trigonometriche<br />
cos 2 (#) + sin 2 (#) = 1;<br />
cos(# ') = cos(#) cos(') sin(#) sin(');<br />
sin(# ') = cos(#) sin(') cos(') sin(#);<br />
sin 2 (#=2) = (1 cos(#)) =2:<br />
Poi sa da Euclide che il quadrato sul lato del pentagono regolare iscritto in<br />
una circonferenza è uguale alla somma dei quadrati sui lati dell’esagono e del<br />
decagono. In particolare,<br />
p p p<br />
10 2 5<br />
5 1<br />
sin( =6) = 1=2; sin( =5) =<br />
; sin( =10) = :<br />
4<br />
4<br />
Con la formula di sottrazione si ottiene sin( =5 =6) = sin( =30), poi<br />
con bisezione sin( =60), sin( =120), sin( =240). Per ottenere una stima di<br />
153
sin( =180) basta interpolare tra =120 e =240. Aristarco ha mostrato che se<br />
0 < ' < # < =2, allora sin( )= sin(') < =' < tan( )= tan('). Questo segue<br />
dal fatto che le funzioni sin(x)=x e tan(x)=x sono rispettivamente decrescenti e<br />
crescenti nell’intervallo 0 < x < =2. In particolare,<br />
sin( =120) sin( =180) sin( =240)<br />
< < ;<br />
=120 =180 =240<br />
2<br />
4<br />
sin( =120) < sin( =180) < sin( =240):<br />
3 3<br />
2=3 sin( =120) = 0; 017451::: e 4=3 sin( =240) = 0; 017452:::, l’approssimazione<br />
per sin( =180) è dell’ordine di 10 6 . Poi, con passi di mezzo grado Tolomeo<br />
completa le sue tavole di corde, con cinque decimali corretti. Un modo alternativo<br />
per calcolare sin( =180) partendo da sin( =60) utilizza la formula sin(#) =<br />
3 sin(#=3) 4 sin 3 (#=3). Risolvendo numericamente l’equazione sin( =60) =<br />
3x 4x 3 Al Kashi trova che sin( =180) è circa<br />
1<br />
60<br />
+ 2<br />
60<br />
49 43 11 14 44 16 19 16<br />
+ + + + + + + + + :::<br />
2 603 604 605 606 607 608 609 6010 L’errore è solo dalle potenze 60 9 in poi.<br />
Veniamo ora alle prime tavole dei logaritmi di Nepero. Queste sono basate<br />
sulla progressione geometrica 10 7 1 10 7 n ed i conti in linea di principio<br />
sono semplici, perché la moltiplicazione per 1 10 7 si riduce alla sottrazione<br />
1 10 7 x = x 10 7 x ed in notazione decimale, Nepero è tra i primi ad<br />
adottare in Europa tale notazione, le cifre di 10 7 x sono le stesse cifre di x con<br />
la virgola spostata.<br />
”Dal raggio 10000000.0000000, con aggiunte sette cifre per maggiore accuratezza,<br />
si sottrae 1.0000000 e si ottiene 9999999.0000000; da questo si sottrae<br />
0.9999999 e si ottiene 9999998.0000001;...”<br />
Il metodo si rivela troppo laborioso e Nepero passa subito dal rapporto<br />
1 10 7 al rapporto 1 10 5 . Le tavole di Bürgi sono simili, ma basate<br />
sulla successione 10 8 1 + 10 4 n . Le tavole dei logaritmi di Briggs sono in<br />
base 10, con log 10(1) = 0 e log 10(10) = 1. Poiché log 10(x 1 ) = log 10(x),<br />
è su¢ ciente calcolare log 10(x) con 1 x 10. Briggs calcola questi logaritmi<br />
con delle estrazioni iterate di radici quadrate, utilizzando la formula<br />
log 10( p xy) = (log 10(x) + log 10(y)) =2.<br />
10 0 = 1 log 10(1) = 0<br />
10 1 = 10 log 10(10) = 1<br />
10 1=2 = 3; 162277::: log 10(3; 162277:::) = 1=2<br />
10 1=4 = 1; 778279::: log 10(1; 778279:::) = 1=4<br />
10 3=4 = 5; 623413::: log 10(5; 623413:::) = 3=4<br />
10 1=8 = 1; 333521::: log 10(1; 333521:::) = 1=8<br />
10 3=8 = 2; 371373::: log 10(2; 371373:::) = 3=8<br />
10 5=8 = 4; 216965::: log 10(4; 216965:::) = 5=8<br />
10 7=8 = 7; 498942::: log 10(7; 498942:::) = 7=8<br />
154
54<br />
2 Briggs arriva …no a 10 , un numero molto prossimo a uno, poi osserva<br />
che per x piccolo, log10(1 + x) risulta circa proporzionale a x, log10(1 + x)<br />
(0; 434294:::)x. È il primo termine dello sviluppo in serie<br />
log 10(1 + x) = log 10(e) x x 2 =2 + x 3 =3 ::: :<br />
Per calcolare il logaritmo di un numero y basta allora prendere un certo<br />
n<br />
2 numero di radici quadre y = 1 + x per poi ottenere log10(y) = 2n log10(1 +<br />
x) 2n (0; 434294:::)x. In…ne, anticipando Newton, per calcolare le radici Briggs<br />
trova la formula p 1 + y = 1 + y=2 y2 =8 + :::.<br />
I logaritmi si possono calcolare facilmente anche utilizzando lo sviluppo in<br />
serie di Mercatore e Newton log(1 + x) = x x2 =2 + x3 =3 :::. Per esempio,<br />
per calcolare il fattore di conversione tra i logaritmi naturali e quelli di Briggs<br />
log10(e) = 1= log(10), seguendo il suggerimento di Newton è su¢ ciente calcolare<br />
per serie log (1 1=10) e log (1 2=10), poi sommando log(2) = 2 log (12=10)<br />
log (8=10) log (9=10) ed in…ne log(10) = 3 log (2) log (8=10).<br />
Oggi le tavole di seni e logaritmi sono diventate quasi un oggetto di antiquariato,<br />
sostituite da un qualche algoritmo di calcolo nella memoria dei calcolatori.<br />
Siccome anche i regoli sono scomparsi dal mercato, terminiamo illustrandone<br />
brevemente il funzionamento. Su due righe che possono scorrere parallele sono<br />
segnate delle tacche numerate, per esempio 1, 2, 3,..., 9, 10, nelle posizioni<br />
log10(1) = 0, log10(2) = 0; 301:::, log10(3) = 0; 477:::, log10(9) = 0; 954::::,<br />
log10(10) = 1.<br />
j1 j2 j3 j4 j5 j6 j7 j8 j9 j10<br />
j1 j2 j3 j4 j5 j6 j7 j8 j9 j10<br />
Per moltiplicare due numeri, si fanno scorrere le righe facendo coincidere la<br />
tacca 1 sulla riga sotto con quella x sopra, allora la tacca y sotto coincide con<br />
quella xy sopra. Viceversa, per dividere si muove la tacca y sotto quella x, allora<br />
la tacca 1 risulta sotto x=y. Se nel calcolare prodotti o divisioni si …nisce fuori<br />
scala, basta dividere o moltiplicare per 10.<br />
Concludiamo illustrando brevemente un algoritmo per il calcolo di funzioni<br />
elementari che utilizza solo un numero …sso di addizioni o sottrazioni e<br />
di traslazioni della virgola. Questo algoritmo CORDIC (Coordinate Rotation<br />
Digital Computer) è stato introdotto nel 1959 per risolvere dei problemi trigonometrici<br />
legati alla navigazione ed è stato poi implementato in molte calcolatrici<br />
tascabili. Ruotando un vettore [x; y] di un angolo # si ottiene<br />
cos(#) sin(#)<br />
sin(#) cos(#)<br />
x<br />
y =<br />
1<br />
p<br />
2 1 + tan (#)<br />
1 tan(#)<br />
tan(#) 1<br />
In particolare [cos(#); sin(#)] è la rotazione di un angolo # del vettore [1; 0].<br />
L’idea è di approssimare una rotazione arbitraria con una successione di rotazioni<br />
elementari. Partendo da [X(0); Y (0)] = [1; 0] e ponendo tan(#(j)) =<br />
155<br />
x<br />
y
2 j , si de…nisce la successione<br />
X(j) = X(j 1) 2 j Y (j 1);<br />
Y (j) = 2 j X(j 1) + Y (j 1):<br />
Osserviamo che in numerazione binaria la moltiplicazione per delle potenze di<br />
due si riduce ad una traslazione della virgola, quindi il calcolo degli [X(j); Y (j)]<br />
richiede solo queste traslazioni e delle somme e sottrazioni. Se dopo n iterazioni<br />
nY<br />
si moltiplica il vettore [X(n); Y (n)] per il fattore 1 + 2 2j 1=2<br />
, il risultato<br />
è la rotazione del vettore [1; 0] di un angolo<br />
nX<br />
j=1<br />
j=1<br />
arctan 2 j . L’algoritmo per<br />
il calcolo di cos(#) e sin(#) è dunque il seguente. Fissata la precisione 2 n con<br />
cui si vuole operare, si calcolano le costanti "(j) = arctan 2 j ed il fattore<br />
K =<br />
nY<br />
1 + 2 2j 1=2<br />
. Questi dati sono immagazzinati nella memoria del<br />
j=1<br />
calcolatore. Per calcolare cos(#) e sin(#) occorre poi scegliere i segni (j) = 1<br />
nX<br />
in modo da avere (j)"(j) #. Quindi, dato # e posto #(0) = 0, basta<br />
j=1<br />
de…nire ricorsivamente<br />
8<br />
><<br />
>:<br />
(j) = 1 se #(j 1) > #, (j) = +1 se #(j 1) #;<br />
#(j) = #(j 1) + (j)"(j);<br />
X(j) = X(j 1) 2 j (j)Y (j 1);<br />
Y (j) = 2 j (j)X(j 1) + Y (j 1):<br />
In…ne,<br />
0<br />
1<br />
0<br />
1<br />
nX<br />
cos @ (j)"(j) A = KX(n);<br />
nX<br />
sin @ (j)"(j) A = KY (n):<br />
j=1<br />
La possibilità di approssimare # con<br />
nX<br />
j=1<br />
j=1<br />
seguente. Se "(1) "(2) ::: "(n) > 0 e "(k) "(n) +<br />
1 k n, se j#j<br />
(j)"(j) dipende dall’osservazione<br />
nX<br />
j=k+1<br />
"(j) per ogni<br />
nX<br />
"(j), se #(0) = 0 e #(j) = #(j 1) + (j)"(j), con<br />
j=1<br />
(j) = 1 se #(j 1) > # e (j) = +1 se #(j 1) #, allora j# #(n)j "(n).<br />
Questo algoritmo non si applica solo al seno e coseno, ma anche al calcolo di<br />
altre funzioni trigonometriche dirette ed inverse, radici quadrate, esponenziali<br />
e logaritmi. Per esempio, per calcolare exp(#) basta applicare l’algoritmo alle<br />
funzioni iperboliche cosh(#) e sinh(#). Con un algoritmo simile si possono anche<br />
156
calcolare moltiplicazioni e divisioni. Dati X e Z, posto Y (0) = 0 e Z(0) = Z, si<br />
de…niscono ricorsivamente<br />
8<br />
><<br />
>:<br />
(j) = 1 se Z(j 1) < 0, (j) = +1 se Z(j 1) 0;<br />
Z(j) = Z<br />
jX<br />
(k)2 k ;<br />
Y (j) = X<br />
jX<br />
k=1<br />
k=1<br />
(k)2 k :<br />
Quando Z(n) 0, allora Y (n) = XZ.<br />
157
Viete (1540-1603) Wallis (1617-1702)<br />
P RODOT T I<br />
INF INIT I<br />
Il metodo di Viète per stimare è simile a quello di Archimede, ma utilizza<br />
le aree invece dei perimetri. Qui, seguendo Eulero, traduciamo la geometria in<br />
analisi. Si parte dalle identità<br />
sin(x) = 2 cos(x=2) sin(x=2) = 4 cos(x=2) cos(x=4) sin(x=4)<br />
= 2 n cos(x=2) cos(x=4)::: cos(x=2 n ) sin(x=2 n ):<br />
Da cos(#=2) = p (1 + cos(#)) =2 e 2 n sin(2 n #) ! #, si ricava<br />
sin(x)<br />
= cos(x=2) cos(x=4) cos(x=8):::<br />
x<br />
r<br />
s<br />
v<br />
r u s<br />
u<br />
r<br />
1 cos(x) 1 1 1 cos(x) t1 1 1 1 1 cos(x)<br />
= + + + + + + :::<br />
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2<br />
Ponendo x = =2 si ottiene la formula di Viète,<br />
r<br />
s<br />
v<br />
r u s<br />
u<br />
r<br />
2 1 1 1 1t1<br />
1 1 1 1<br />
= + + +<br />
2 2 2 2 2 2 2 2 2 :::<br />
Questa è forse la prima espressione di mediante un prodotto in…nito. Poi<br />
c’è il prodotto in…nito di Wallis, che ha ottenuto la formula<br />
2<br />
= 2 2 4 4 6 6 8 8 :::<br />
1 3 3 5 5 7 7 9 ::: ;<br />
studiando le aree sotto le curve y = (1 x 2 ) m=2 . Il cambio di variabili x cos(#)<br />
porta a studiare gli integrali<br />
Z =2<br />
I(n) = sin n (#)d#:<br />
0<br />
158
Integrando per parti si ha<br />
Z =2<br />
I(n) = sin n (#)d#<br />
= cos(#) sin n 1 (#)<br />
Z =2<br />
= (n 1)<br />
0<br />
=2<br />
0<br />
0<br />
Z =2<br />
+ (n 1)<br />
0<br />
cos 2 (#) sin n 2 (#)d#<br />
(1 sin 2 (#)) sin n 2 (#)d# = (n 1) (I(n 2) I(n)) :<br />
Quindi I(0) = =2, I(1) = 1, I(n) = ((n 1) =n) I(n 2), e iterando,<br />
I(2n) =<br />
I(2n + 1) =<br />
1 3 5 ::: (2n 1)<br />
2 4 6 ::: (2n) 2 ;<br />
2 4 6 ::: (2n)<br />
1 3 5 ::: (2n + 1) :<br />
Da queste uguaglianze e dalle disuguaglianze<br />
si ottiene<br />
I(2n + 2) < I(2n + 1) < I(2n);<br />
1 < I(2n)=I(2n + 1) < I(2n)=I(2n + 2) = (2n + 2)=(2n + 1);<br />
1 <<br />
2<br />
1 3 5 ::: (2n 1)<br />
2 4 6 ::: (2n)<br />
1 3 5 ::: (2n + 1) 2n + 2<br />
< ! 1:<br />
2 4 6 ::: (2n) 2n + 1<br />
Gli integrali<br />
Z =2<br />
sin n (#)d# hanno a che fare con il volume della sfera in<br />
0<br />
uno spazio euclideo ad n dimensioni. Se indichiamo con V (n) il volume di una<br />
sfera di raggio uno, allora V (n)rn è il volume di una sfera di raggio r. La misura<br />
dell’intervallo [ 1; 1] è V (1) = 2 e per ricorrenza si può calcolare V (n),<br />
Z<br />
Z 1 Z<br />
V (n) =<br />
dx =<br />
= V (n 1)<br />
fx2Rn :jxj 1g<br />
1 fy2Rn 1 :jyj p 1 t2g dydt<br />
Z 1<br />
(1 t<br />
1<br />
2 ) (n 1)=2 Z =2<br />
dt = 2V (n 1)<br />
0<br />
sin n (#)d#:<br />
Il volume della buccia di sfera, cioè dell’insieme di punti a distanza h dal<br />
bordo, è V (n)(r + h) n V (n)(r h) n . Dividendo questo volume per l’altezza<br />
2h si ottiene una approssimazione dell’area della buccia. L’area della super…cie<br />
sferica A(n)r n 1 è la derivata del volume V (n)r n ,<br />
A(n)r n 1 V (n)(r + h)<br />
= lim<br />
h!0<br />
n V (n)(r h) n<br />
= nV (n)r<br />
2h<br />
n 1 :<br />
In particolare,<br />
V (1) = 2 V (2) = V (3) = 4 =3<br />
A(1) = 2 A(2) = 2 A(3) = 4<br />
159
In generale, se (x) =<br />
A(n) =<br />
Z +1<br />
t<br />
0<br />
x 1 exp( t)dt è la funzione Gamma di Eulero,<br />
n=2<br />
n=2<br />
2 2<br />
; V (n) =<br />
(n=2) n (n=2) :<br />
C’è un legame tra gli integrali di Wallis e la funzione Beta di Eulero,<br />
In particolare,<br />
B(x; y) =<br />
Z 1<br />
t<br />
0<br />
x 1 (1 t) y 1 dt = (x) (y)= (x + y):<br />
Z 1<br />
(1 u<br />
1<br />
2 ) m=2 Z 1<br />
du = t<br />
0<br />
1=2 (1 t) m=2 dt =<br />
(1=2) (m=2 + 1)<br />
:<br />
(m=2 + 3=2)<br />
C’è anche un legame con la formula asintotica di Stirling per il fattoriale<br />
n! n n e np 2 n. Si può usare Wallis per dimostrare Stirling, e viceversa,<br />
2 2 4 4 ::: (2n) (2n)<br />
1 3 3 5 ::: (2n 1) (2n + 1) =<br />
2 4n n n e np 2 n 4<br />
2 4n (n!) 4<br />
(2n)!(2n + 1)!<br />
(2n) 2n e 2np 2 (2n) (2n + 1) 2n+1 e 2n 1p 2 (2n + 1) 2 :<br />
Come ultima applicazione degli integrali di Wallis e del binomio di Newton,<br />
calcoliamo la lunghezza dell’ellisse (x=a) 2 + (y=b) 2 = 1, cioè (x; y) =<br />
(a cos(#); b sin(#)). La lunghezza dell’ellisse è un integrale ellittico che si può<br />
sviluppare in serie di potenze dell’eccentricità p (a2 b2 ) =a2 , se a b > 0:<br />
Z<br />
p<br />
dx2 + dy2 0<br />
f(x=a) 2 +(y=b) 2 =1g<br />
Z =2q<br />
= 4 a2 sin 2 (#) + b2 cos2 Z r<br />
=2<br />
(#)d# = 4a<br />
+1X<br />
= 4a<br />
n=0<br />
1=2<br />
n<br />
b 2 a 2<br />
a 2<br />
n Z =2<br />
0<br />
0<br />
cos 2n (#)d# = 2 a<br />
1 + b2 a 2<br />
+1X<br />
n=0<br />
1=2<br />
n<br />
a 2<br />
2n<br />
n<br />
cos 2 (#)d#<br />
b 2 a 2<br />
4a 2<br />
La serie converge tanto più velocemente quanto più l’eccentricità è piccola<br />
e se questa è nulla si riottiene il perimetro del cerchio. Questa formula per<br />
la lunghezza di un’ellisse è del 1742 ed è dovuta a MacLaurin. Una formula<br />
equivalente è data dalla serie di Gauss-Kummer<br />
+1X<br />
(a + b)<br />
n=0<br />
1=2<br />
n<br />
2<br />
a b<br />
a + b<br />
Un’ellisse di semiassi a e b ed un cerchio di raggio p ab hanno la stessa area<br />
ab ma, per la proprietà isoperimetrica del cerchio, il perimetro dell’ellisse è<br />
160<br />
2n<br />
:<br />
n<br />
:
maggiore del perimetro del cerchio 2 p ab. Inoltre la media aritmetica (a + b) =2<br />
è maggiore di quella geometrica p ab. Con queste motivazioni, nel 1609 Keplero<br />
propone per il perimetro dell’ellisse il valore (a + b), che è il primo termine<br />
della serie di Gauss-Kummer. Nel 1914 Ramanujan propone un’approssimazione<br />
migliore,<br />
(a + b)<br />
3<br />
s<br />
4<br />
(a b) 2<br />
(a + b) 2<br />
!<br />
:<br />
Un’altra buona approssimazione senza radici è<br />
(a + b) 16(a + b)2 + 3(a b) 2<br />
16(a + b) 2 :<br />
(a b) 2<br />
Se l’eccentricità è nulla questa formula dà il valore esatto 2 a, se l’eccentricità<br />
è uno la formula approssimata dà a 19=15 = a 3; 979::: contro il valore esatto<br />
4a. L’orbita di Mercurio è circa un’ellisse con eccentricità 1/5 e la formula approssima<br />
la lunghezza dell’orbita con un errore di pochi millimetri. L’eccentricità<br />
dell’orbita di Venere è circa 1/150, la Terra 1/60, Marte 1/11, Giove 1/21, Saturno<br />
1/18„Urano 1/22, Nettuno 1/88, Plutone 1/4.<br />
161
Newton (1642-1727) Gregory (1638-1675) Leibniz (1646-1716)<br />
nX 1<br />
Per ogni x 6= 1 si ha<br />
k=0<br />
SERIE DI<br />
LOGARIT MI E<br />
ARCO T ANGENT I<br />
x k = (1 x n ) = (1 x) ed integrando questa serie<br />
geometrica si può ottenere lo sviluppo in serie del logaritmo di Mercatore e<br />
Newton,<br />
Z x<br />
Z x<br />
dt<br />
log(1 + x) =<br />
0 1 + t<br />
= 1 t + t<br />
0<br />
2<br />
t 3 + ::: + ( t) n + ( t) n+1 (1 + t) 1 dt<br />
Z x<br />
= x x 2 =2 + x 3 =3 x 4 =4 + ::: + ( ) n x n+1 =(n + 1) + ( ) n+1<br />
Z x<br />
tn+1 (1 + t) 1 dt ! 0 se 1 < x 1 e n ! +1. Quindi<br />
0<br />
log(1 + x) = x x 2 =2 + x 3 =3 x 4 =4 + ::::<br />
0<br />
t n+1 (1 + t) 1 dt:<br />
Questa serie converge solo se 1 < x 1, ma la formula log(z) = log(1=z)<br />
riduce il calcolo dei logaritmi dei numeri maggiori di uno a quello dei logaritmi<br />
minori di uno. Comunque Gregory osserva che è possibile calcolare il logaritmo<br />
di ogni numero positivo anche con la serie<br />
log<br />
1 + x<br />
1 x = log (1 + x) log (1 x) = 2 x + x3 =3 + x 5 =5 + x 7 =7 + ::: :<br />
162
La serie dell’arco tangente di Gregory, Leibniz, Madhava, Nilakantha, si può<br />
ottenere in modo simile:<br />
Z x<br />
=<br />
0<br />
1 t 2 + t 4<br />
Z x<br />
dt<br />
arctan(x) =<br />
1 + t2 0<br />
t 6 + ::: dt = x x 3 =3 + x 5 =5 x 7 =7 + ::::<br />
Osserviamo la somiglianza tra le due serie x x 3 =3 + x 5 =5 + ::: e x + x 3 =3 +<br />
x 5 =5 + :::. La prima è arctan(x) e la seconda arctanh(x). Con la sostituzione<br />
ix x = tan(#) si ottiene<br />
arctan(x) = 1<br />
2i log<br />
1 + ix<br />
1 ix ;<br />
1<br />
2i log<br />
cos(#) + i sin(#)<br />
cos(#) i sin(#)<br />
= #:<br />
Queste formule sono anche conseguenza dell’identità di Eulero exp(i#) =<br />
cos(#) + i sin(#), o della scomposizione di Bernoulli<br />
Z x Z x<br />
dt 1<br />
arctan(x) = =<br />
1 + t2 2<br />
0<br />
0<br />
1 1<br />
+<br />
1 + it 1 it<br />
dt = 1<br />
2i log<br />
1 + ix<br />
1 ix :<br />
Ma torniamo al campo reale. La serie dell’arco tangente converge per 1<br />
x +1 e la convergenza è tanto più rapida quanto più x è piccolo. In particolare,<br />
=4 = arctan(1) = 1 1=3 + 1=5 1=7 + 1=9 :::;<br />
=6 = arctan 1= p 3 = 1<br />
p 3<br />
1<br />
1 1<br />
+<br />
3 3 5 32 1 1<br />
+<br />
7 33 9 34 :::: :<br />
La prima serie non si presta al calcolo numerico di perché converge troppo<br />
lentamente. La di¤erenza tra il valore della serie e quello delle somme parziali è<br />
dell’ordine del primo termine che si trascura e per ottenere con questa serie una<br />
approssimazione di a meno di un centesimo bisogna sommare un centinaio di<br />
termini. La seconda serie converge già abbastanza velocemente, ma è possibile<br />
far di meglio. Dalla formula di addizione della tangente si ricava, per x e y<br />
piccoli,<br />
tan( + ) =<br />
tan( ) + tan( )<br />
1 tan( ) tan( ) ;<br />
arctan(x) + arctan(y) = arctan<br />
arctan(x) + arctan<br />
1 x<br />
1 + x<br />
x + y<br />
1 xy<br />
= arctan(1) = =4:<br />
Possiamo usare quest’ultima formula per calcolare l’arco tangente di 0 <<br />
x < +1 usando la serie dell’arco tangente di 1 < (x 1) = (x + 1) < 1, ma<br />
possiamo anche usare questa formula per calcolare . Un modo sistematico per<br />
163<br />
;
ottenere formule di questo tipo si basa sulla fattorizzazione degli interi di Gauss<br />
+ i , con e interi relativi, in fattori primi di Gauss,<br />
+ i = ( 1 + i 1) ::: ( n + i n)<br />
arctan ( = ) = arctan ( 1= 1) + ::: + arctan ( n= n) + 2 k:<br />
In particolare, poiché i primi di Gauss sono 1 i, 2 i, 3, 3 2i, 4 i, 5 2i,<br />
6 i, 5 4i, 7,..., si può scomporre arctan ( = ) in una somma di arctan(1),<br />
arctan(1=2), arctan(1=3), arctan(2=3),.... Fissato n, il numero delle soluzioni<br />
dell’equazione arctan (1= 1) + ::: + arctan (1= n) = è …nito, in particolare si<br />
può decomporre = a arctan (1=m) b arctan (1=n) con a, b, m e n interi, solo<br />
in cinque modi,<br />
(1 + i) 4 = 4; = 4 arctan (1) ;<br />
(2 + i) 4 (3 + i) 4 = 2500; = 4 arctan (1=2) + 4 arctan (1=3) ;<br />
4(2 + i) 8 = (7 + i) 4 ; = 8 arctan (1=2) 4 arctan (1=7) ;<br />
(3 + i) 8 (7 + i) 4 = 25000000; = 8 arctan (1=3) + 4 arctan (1=7) ;<br />
(5 + i) 16 = 64(239 + i) 4 ; = 16 arctan (1=5) 4 arctan (1=239) :<br />
La seconda formula del 1738 è di Eulero, la terza del 1706 è di Jakob Hermann<br />
(1678-1733), la quarta del 1776 è di Charles Hutton (1737-1823), la quinta del<br />
1706 è di Machin, e ci sono molte altre formule, di Eulero, Gauss ed altri, con<br />
tre o più addendi. Sviluppando in serie l’arco tangente, dalla formula di Machin<br />
si ottiene<br />
= 16<br />
1<br />
5<br />
1 1<br />
+<br />
3 53 5 55 1<br />
+ ::: 4<br />
7 57 1<br />
239<br />
::: :<br />
Queste due serie convergono abbastanza velocemente ed essendo a termini alterni,<br />
le somme parziali di¤eriscono dal valore delle serie per meno dei primi<br />
termini trascurati. La somma dei termini indicati è 1231847548=392109375 =<br />
3; 141591:::, una approssimazione di per difetto a meno di 16= 9 5 9 +<br />
4= 3 239 3 , circa un milionesimo. Con la formula di Machin, nel 1873 William<br />
Shanks (1812-1882) calcola 707 cifre decimali di , ma solo 527 sono corrette.<br />
Abbiamo detto che 1 1=3 + 1=5 1=7 + ::: converge molto lentamente, ma<br />
si può accelerare la convergenza di questa ed altre serie con delle trasformazioni<br />
di Eulero. L’idea è di aggiungere la metà di un termine alla metà del termine<br />
successivo ed iterare,<br />
= 1 1<br />
+<br />
2 2<br />
= 1 1<br />
+ 1<br />
2 4<br />
= 1 1<br />
+<br />
2 4<br />
1<br />
1<br />
3<br />
1<br />
1 1<br />
+<br />
3 5<br />
1<br />
+ :::<br />
7<br />
1<br />
1<br />
3<br />
1<br />
2<br />
1<br />
3<br />
1<br />
5<br />
1<br />
+<br />
2<br />
1<br />
5<br />
1<br />
7<br />
:::<br />
1<br />
3<br />
1<br />
+<br />
4<br />
1<br />
2 1<br />
+<br />
3 5<br />
1<br />
4<br />
1<br />
3<br />
2 1<br />
+<br />
5 7<br />
+ :::<br />
1<br />
+<br />
8<br />
1<br />
2 1<br />
+<br />
3 5<br />
1<br />
+<br />
16<br />
1<br />
3 3<br />
+<br />
3 5<br />
1<br />
7<br />
+ :::<br />
164
In questo modo si ottiene<br />
+1X<br />
n=0<br />
( ) n<br />
2n + 1 =<br />
+1X<br />
n=0<br />
2 n 1 (n!) 2<br />
(2n + 1)! ;<br />
ma la seconda serie converge più velocemente della prima, dieci termini della<br />
seconda serie sono meglio di cento termini della prima. Questa serie è un caso<br />
particolare di un’altra formula di Eulero del 1755,<br />
arctan(x) = x<br />
1 + x2 +1X 22n (n!) 2<br />
n=0<br />
(2n + 1)!<br />
x 2<br />
1 + x 2<br />
Con questa serie e la formula = 20 arctan(1=7) + 8 arctan(3=79), Eulero<br />
calcola 20 decimali di in un’ora!<br />
Concludiamo con una curiosità. C’è una relazione tra , l’arco tangente e<br />
i numeri di Fibonacci, F (1) = F (2) = 1, F (n + 2) = F (n) + F (n + 1). Si ha<br />
infatti<br />
arctan (1=F (2n)) = arctan (1=F (2n + 1)) + arctan (1=F (2n + 2)) ;<br />
= 4 arctan (1=F (2)) = 4<br />
+1X<br />
n=1<br />
165<br />
n<br />
:<br />
arctan (1=F (2n + 1)) :
Eulero (1707-1783)<br />
SERIE DEI<br />
RECIP ROCI DI<br />
P OT ENZE<br />
La media geometrica tra due numeri positivi a e b è p ab e la media armonica<br />
è 2ab= (a + b). Nella serie geometrica 1 + x + x 2 + x 3 + ::: ogni termine è<br />
la media geometrica dei termini contigui e, similmente, nella serie armonica<br />
1 + 1=2 + 1=3 + 1=4 + ::: ogni termine è la media armonica dei termini contigui.<br />
La prima dimostrazione della divergenza della serie armonica è forse quella di<br />
Nicola Oresme (1323-1382).<br />
”Spostati di un piede, poi di un mezzo, un terzo, un quarto,... La somma<br />
totale è in…nita. Infatti è possibile formare un numero in…nito di gruppi di<br />
termini con somma maggiore di un mezzo. 1=3 + 1=4 è maggiore di 1=2, 1=5 +<br />
1=6 + 1=7 + 1=8 è maggiore di 1=2, 1=9 + 1=10 + 1=11 + 1=12 + 1=13 + 1=14 +<br />
1=15 + 1=16 è maggiore di 1=2, e così all’in…nito”.<br />
La somma dei reciproci dei numeri triangolari è dovuta a Mengoli,<br />
1 1 1 1<br />
+ + + ::: =<br />
1 2 2 3 3 4 1<br />
1<br />
2<br />
+ 1<br />
2<br />
1<br />
3<br />
+ 1<br />
3<br />
1<br />
4<br />
+ ::: = 1:<br />
Dal risultato di Mengoli segue facilmente che la somma dei reciproci dei<br />
quadrati 1 + 1=4 + 1=9 + 1=16 + ::: è …nita e compresa tra uno e due. Più<br />
precisamente, Wallis calcola che la somma è circa 1; 645, ma trovare il valore<br />
esatto della serie non è banale. Comunque, nel 1736 Eulero riesce dove Mengoli,<br />
Wallis, Huygens, Leibniz, i Bernoulli, ed altri, hanno fallito:<br />
”In maniera inaspettata ho trovato un’elegante espressione per la somma<br />
della serie 1 + 1=4 + 1=9 + 1=16 + etc, che dipende dalla quadratura del cerchio...<br />
Sei volte la somma di questa serie è uguale al quadrato della circonferenza di<br />
un cerchio con diametro uno”.<br />
1 + 1=4 + 1=9 + 1=16 + 1=25 + 1=36 + ::: = 2 =6:<br />
166
L’idea della dimostrazione è semplice. Si parte dallo sviluppo in serie di<br />
potenze della funzione seno,<br />
sin(x) = x x 3 =3! + x 5 =5! :::;<br />
sin( p x)<br />
p x = 1 x=3! + x 2 =5! ::::<br />
Uguagliando a zero l’ultima espressione si ottiene una equazione con radici<br />
x = 2 ; 4 2 ; 9 2 ; :::,<br />
0 = 1 x=6 + x 2 =120 :::<br />
In un polinomio con termine noto uno, il coe¢ ciente del termine di primo<br />
grado cambiato di segno è uguale alla somma degli inversi delle radici. Quindi<br />
è naturale congetturare che<br />
+1X<br />
k 2 = 2 =6. Per convincersi che il risultato è<br />
k=1<br />
corretto basta un riscontro numerico ed Eulero dal 1731 sa che la somma degli<br />
inversi dei quadrati è circa 1,644934..., conclude quindi che anche se si può avere<br />
qualche perplessità sul metodo, non è lecito dubitare del risultato.<br />
Illustriamo più in dettaglio i lavori di Eulero. Nel 1673 Leibniz osserva che<br />
Z x<br />
0<br />
log(1 t)<br />
dt = x + x<br />
t<br />
2 =4 + x 3 =9 + x 4 =16 + :::<br />
Seguendo questo suggerimento, Eulero ottiene<br />
Se x = 1=2,<br />
+1X<br />
Z x<br />
1 log(1 t)<br />
=<br />
dt<br />
k2 k=1<br />
0 t<br />
Z x<br />
log(1 t)<br />
= log(x) log(1 x)<br />
dt<br />
t<br />
= log(x) log(1 x) +<br />
+1X<br />
k=1<br />
k 2 =<br />
0<br />
Z 1<br />
x<br />
log(1 t)<br />
dt<br />
t<br />
Z 1 x<br />
log(1 t)<br />
dt<br />
t<br />
0<br />
+1X<br />
k 2 x k +1X<br />
+ k 2 (1 x) k :<br />
k=1<br />
+1X<br />
k 1 2 k<br />
!2<br />
k=1<br />
k=1<br />
+1X<br />
+ 2<br />
k=1<br />
k 2 2 k :<br />
Le serie a destra convergono più rapidamente di quella a sinistra e perme-<br />
ttono di ottenere la stima numerica<br />
+1X<br />
k=1<br />
k 2 = 1; 644934::: In seguito Eulero<br />
scopre una formula di sommazione che permette di comparare una serie ad un<br />
integrale e riottiene più semplicemente questa stima.<br />
Se di un polinomio si conoscono gli zeri, questo polinomio può essere scomposto<br />
in fattori lineari. Eulero congettura una simile scomposizione anche per<br />
167
certe funzioni trascendenti. In particolare, la funzione sin(x) ha gli zeri in<br />
x = 0; ; 2 ; ::: e sin(x) x se x è piccolo, quindi<br />
sin(x) = x 1 + x<br />
= x 1<br />
x 2<br />
2<br />
1<br />
1<br />
x<br />
x 2<br />
4 2<br />
1 + x<br />
2<br />
1<br />
1<br />
x 2<br />
9 2<br />
Uguagliando lo sviluppo in serie di potenze al prodotto in…nito, Eulero ottiene<br />
= x 1 x 2 = 2<br />
x x 3 =6 + x 5 =120 :::<br />
1 x 2 =4 2<br />
x<br />
2<br />
:::<br />
1 x 2 =9 2 :::<br />
= x (1 + 1=4 + 1=9 + :::)= 2 x 3 + :::<br />
In…ne, uguagliando i coe¢ cienti di x 3 Eulero ottiene il valore della serie dei<br />
reciproci dei quadrati,<br />
+1X<br />
k 2 = 2 =6. Uguagliando i coe¢ cienti di x5 Eulero<br />
k=1<br />
ricava anche il valore della serie dei reciproci delle quarte potenze,<br />
:::<br />
+1X<br />
k=1<br />
k 4 =<br />
4 =90 e, più in generale, i valori delle serie dei reciproci delle potenze pari.<br />
Ponendo x = =2 nel suo prodotto in…nito, Eulero ottiene il prodotto in…nito<br />
di Wallis,<br />
sin(x) = x 1 + x<br />
1 = 2<br />
1<br />
1<br />
2<br />
Poi, confrontando i termini lineari in<br />
x<br />
3<br />
2<br />
1 + x<br />
2<br />
3 5<br />
4 4 :::<br />
1 sin(x) = 1 x + x 3 =6 ::: = (1 2x= ) 2 (1 + 2x=3 ) 2 (1 + 2x=5 ) 2 :::;<br />
ottiene la serie di Leibniz =4 = 1 1=3 + 1=5 :::. Viceversa, è possibile<br />
ottenere il prodotto di Eulero a partire da una variante degli integrali di Wallis.<br />
= n 2 x 2<br />
Z =2<br />
0<br />
Z =2<br />
J(n; x) = cos(x#) cos n (#)d#<br />
cos(x#) cos n (#)d# n(n 1)x 2<br />
0<br />
1<br />
Z =2<br />
0<br />
x<br />
2<br />
:::;<br />
cos(x#) cos n 2 (#)d#:<br />
Quindi n 2 x 2 J(n; x) = n(n 1)J(n 2; x), da cui si ricava<br />
J(n 2; x)<br />
= 1<br />
J(n 2; 0)<br />
168<br />
x 2<br />
n 2<br />
J(n; x)<br />
J(n; 0) :
Partendo da J(0; x) = x 1 sin ( x=2) ed iterando si ottiene il prodotto in-<br />
…nito di sin(x),<br />
sin ( x=2)<br />
x=2<br />
J(0; x)<br />
= = 1<br />
J(0; 0)<br />
x 2<br />
2 2<br />
J(2; x)<br />
= 1<br />
J(2; 0)<br />
x 2<br />
2 2<br />
1<br />
x 2<br />
4 2<br />
J(4; x)<br />
= :::<br />
J(4; 0)<br />
Similmente, partendo da J(1; x) = 1 x 2 1 cos ( x=2) si ottiene il prodotto<br />
in…nito di cos(x),<br />
cos ( x=2) J(1; x)<br />
= = 1<br />
1 x2 J(1; 0)<br />
x 2<br />
3 2<br />
J(3; x)<br />
= 1<br />
J(3; 0)<br />
x 2<br />
3 2<br />
1<br />
x 2<br />
5 2<br />
J(5; x)<br />
= :::<br />
J(5; 0)<br />
Nel 1743 Eulero presenta un’altra dimostrazione della somma dei reciproci<br />
dei quadrati. Si parte dalla formula (d=dx) arcsin 2 (x) = 2 arcsin(x)= p 1 x2 .<br />
Sviluppando in serie di Taylor l’arco seno ed integrando termine a termine si<br />
ottiene<br />
=<br />
Z 1<br />
0<br />
2<br />
8 =<br />
Z 1<br />
Z 1<br />
0<br />
arcsin(x)<br />
p 1 x 2 dx<br />
x<br />
p<br />
1<br />
1<br />
dx +<br />
x2 2 3 0<br />
x3 1 3<br />
p dx +<br />
1 x2 2 4 5<br />
= 1 + 1 1<br />
+ + :::<br />
3 3 5 5<br />
Z 1<br />
0<br />
x5 p dx + :::<br />
1 x2 Per ottenere la somma dei reciproci dei quadrati basta osservare che<br />
X = 1 + 1=4 + 1=9 + 1=16 + 1=25 + 1=36 + :::<br />
= (1 + 1=9 + 1=25 + :::) + (1 + 1=4 + 1=9 + :::) =4 = 2 =8 + X=4:<br />
Tutti questi risultati si possono ridimostrare facilmente con un po’di analisi<br />
complessa. La funzione cot ( z) è dispari, ha periodo 1, ed ha dei poli semplici<br />
nei punti z = 0; 1; 2; ::: con tutti i residui uguali ad 1,<br />
cot ( z) = z 1<br />
2<br />
3 z<br />
4<br />
45 z3 2 6<br />
945 z5 + :::<br />
Inoltre, questa funzione è uniformemente limitata sul bordo del quadrato<br />
Q(N) con vertici (N + 1=2) ( 1 i),<br />
Anche la funzione<br />
exp (2 ix) + exp (2 y)<br />
cot ( (x + iy)) = i<br />
exp (2 ix) exp (2 y) :<br />
+1X<br />
n= 1<br />
1= (z n) = 1=z +<br />
+1X<br />
2z= z2 n2 è dispari, ha<br />
periodo 1, ha poli semplici con residui 1 nei punti z = 0; 1; 2; :::, ed è limitata<br />
sul bordo di Q(N). Le due funzioni di¤eriscono quindi per una costante, ed<br />
essendo dispari la costante è 0. Cioè<br />
cot ( z) =<br />
+1X<br />
n= 1<br />
1<br />
z n<br />
169<br />
n=1<br />
1<br />
=<br />
z +<br />
+1X<br />
n=1<br />
2z<br />
z2 :<br />
n2
La funzione z 2 cot ( z) ha residuo 2 =3 in z = 0 e residui 1=n 2 nei<br />
punti z = n = 1; 2; :::, e se @Q(N) è il bordo del quadrato con vertici<br />
(N + 1=2) ( 1 i),<br />
(<br />
2 i<br />
NX<br />
2<br />
=3 + 2 1=n 2<br />
!)<br />
lim<br />
N!+1<br />
Quindi<br />
n=1<br />
= lim<br />
N!+1<br />
( Z<br />
z<br />
@Q(N)<br />
2 cot ( z) dz<br />
)<br />
= 0:<br />
+1X<br />
1=n2 = 2 =6. Con gli stessi conti applicati alla funzione z 4 cot ( z)<br />
n=1<br />
si ottiene anche<br />
+1X<br />
1=n4 = 4 =90, e da z 6 +1X<br />
cot ( z) si ricava<br />
n=1<br />
n=1<br />
1=n 6 =<br />
6 =945.... Il prodotto in…nito della funzione seno segue facilmente dallo sviluppo<br />
in serie della cotangente. Infatti,<br />
F (z) =<br />
+1 Y<br />
G (z) = z<br />
d<br />
dz<br />
n=1<br />
F (z)<br />
G(z)<br />
1 sin ( z) ;<br />
1 z 2 =n 2 ;<br />
= F (z)<br />
G(z)<br />
dF (z) =dz<br />
F (z)<br />
dG (z) =dz<br />
G (z)<br />
dF (z) =dz<br />
F (z)<br />
= cot ( z) ;<br />
1<br />
=<br />
z +<br />
+1X<br />
n=1<br />
dG (z) =dz<br />
G (z)<br />
2z<br />
z2 ;<br />
n2 = 0:<br />
Quindi F (z) di¤erisce da G(z) per una costante, che è 0 perché entrambe le<br />
funzioni si annullano in z = 0.<br />
Mostriamo in…ne come è semplice calcolare la somma dei reciproci delle<br />
potenze pari con l’aiuto dei polinomi di Bernoulli e delle serie di Fourier. De…niamo<br />
i polinomi f n(x)g +1<br />
n=0 ricorsivamente:<br />
8<br />
><<br />
>:<br />
0(x) = 1;<br />
d<br />
dx n+1(x) = n(x);<br />
Z 1<br />
n+1(x)dx = 0:<br />
0<br />
Per esempio, 1(x) = x 1=2, 2(x) = x 2 =2 x=2 + 1=12,... Lo sviluppo in<br />
serie di Fourier nell’intervallo 0 x 1 di x 1=2 è<br />
Integrando si ricava<br />
x<br />
1<br />
2 = 1 +1 X sin(2 kx)<br />
:<br />
k<br />
k=1<br />
2n(x) = ( ) n+1 2<br />
+1X<br />
k=1<br />
2n+1(x) = ( ) n+1 +1X<br />
2<br />
170<br />
k=1<br />
cos(2 kx)<br />
;<br />
(2 k) 2n<br />
sin(2 kx)<br />
:<br />
(2 k) 2n+1
In particolare, per x = 0 e x = 1=4 si ottengono le serie<br />
+1X<br />
k 2n = ( ) n+1 2 2n 1 2n 2n(0);<br />
+1X<br />
(<br />
k=1<br />
) k (2k + 1) 2n 1 = ( ) n+1 2 2n 2n+1 2n+1(1=4):<br />
k=0<br />
Questi sviluppi in serie di Fourier dei polinomi di Bernoulli sono dovuti ad<br />
Eulero, il quale osserva che se siamo capaci di sommare una serie di potenze,<br />
siamo anche capaci di sommare le serie trigonometriche corrispondenti. Se z =<br />
r (cos(#) + i sin(#)), allora<br />
+1X<br />
k=0<br />
ckz k =<br />
+1X<br />
k=0<br />
ckr k cos(k#) + i<br />
+1X<br />
k=0<br />
ckr k sin(k#):<br />
Eulero non si preoccupa nel prendere valori di z sul bordo del cerchio di<br />
convergenza della serie e questo lo porta a considerare delle serie divergenti che<br />
poi integra e deriva a piacimento. In particolare,<br />
1 + z + z 2 + z 3 + ::: = 1=(1 z);<br />
cos(#) cos(2#) + cos(3#) ::: = 1=2;<br />
sin(#) sin(2#)=2 + sin(3#)=3 ::: = #=2:<br />
La seconda serie si ottiene ponendo z = exp(i#) nella serie geometrica. La<br />
terza si ottiene integrando la seconda ed osservando in # = 0 che la costante<br />
di integrazione è nulla. Questi sviluppi sono validi in < # < , traslando e<br />
riscalando si possono ottenere gli sviluppi in altri intervalli.<br />
Dieci termini della serie di Eulero-Fourier x<br />
2 =<br />
+1X<br />
k=1<br />
( ) k+1 sin(kx)<br />
,<br />
k<br />
con il fenomeno di Wilbraham-Gibbs nei punti di discontinuità x = .<br />
Abbiamo visto come Eulero calcola le serie dei reciproci delle potenze pari.<br />
E le potenze dispari? ”Tutti i miei sforzi sono stati vani...”. Anche Eulero ha<br />
i suoi limiti.<br />
171
Eulero (1707-1783) Lagrange (1736-1813)<br />
F RAZIONI<br />
CONT INUE<br />
Le migliori approssimazioni di con denominatori via via crescenti sono:<br />
3<br />
1<br />
; 13<br />
4<br />
; 16<br />
5<br />
; 19<br />
6<br />
; 22<br />
7<br />
; 179<br />
57<br />
; 201<br />
64<br />
; 223<br />
71<br />
; 245<br />
78<br />
; 267<br />
85<br />
; 289<br />
92<br />
; 311<br />
99<br />
; 333<br />
106<br />
355<br />
; ; :::<br />
113<br />
Tra queste approssimazioni, 3, 22=7, 333=106, 355=113,..., sono le frazioni<br />
parziali dello sviluppo di in frazioni continue,<br />
1<br />
= 3 +<br />
:<br />
1<br />
7 +<br />
1<br />
15 +<br />
1<br />
1 +<br />
292 + :::<br />
Le frazioni continue compaiono implicitamente nell’algoritmo di Euclide per<br />
la determinazione del massimo comun divisore. Dati due interi a e b, esistono<br />
due interi c ed r con a = b c+r e 0 r < b. Esistono poi d ed s con b = r d+s<br />
e 0 s < r... I resti decrescono e l’ultimo resto non nullo è il massimo comun<br />
divisore tra a e b. Si può riscrivere l’algoritmo come una frazione continua,<br />
a r 1<br />
= c + = c +<br />
b b b<br />
r<br />
= c + 1<br />
d + s<br />
r<br />
= c + 1<br />
d + 1 r<br />
s<br />
= :::<br />
In un linguaggio funzionale più astratto, se [y] è la parte intera di y e F (x) =<br />
172
1=x [1=x] la parte frazionaria di 1=x, allora per ogni 0 < x < 1 si ha<br />
1<br />
x =<br />
[1=x] + F (x) =<br />
1<br />
1<br />
[1=x] +<br />
[1=F (x)] + F 2 (x)<br />
1<br />
=<br />
1<br />
[1=x] +<br />
1<br />
[1=F (x)] +<br />
[1=F 2 :<br />
(x)] + :::<br />
In particolare, i numeri razionali hanno sviluppi in frazioni continue semplici<br />
…nite e viceversa. Per comodità tipogra…ca si usa anche scrivere<br />
1<br />
a(0) +<br />
1<br />
a(1) +<br />
1<br />
a(2) +<br />
a(3) + :::<br />
= a(0) + 1 1 1<br />
a(1)+ a(2)+ a(3)+ :::<br />
= [a(0); a(1); a(2); a(3); :::] :<br />
Le n esime convergenti p(n)=q(n) = [a(0); a(1); a(2); a(3); :::; a(n)] si possono<br />
calcolare in modo ricorsivo ponendo<br />
p(0) = a(0); p(1) = a(0)a(1) + 1; p(n) = a(n)p(n 1) + p(n 2);<br />
q(0) = 1; q(1) = a(1); q(n) = a(n)q(n 1) + q(n 2):<br />
Per dimostrare queste formule per induzione, basta scrivere la frazione con n<br />
termini [a(0); :::; a(n)] nella forma con n 1 termini [a(0); :::; a(n 1) + 1=a(n)].<br />
Se x = [a(0); a(1); a(2); a(3); :::] e x(n) = [a(n); a(n + 1); a(n + 2); a(n + 3); :::],<br />
risulta<br />
x<br />
x =<br />
p(n + 1)<br />
q(n + 1)<br />
x(n + 1)p(n) + p(n 1)<br />
x(n + 1)q(n) + q(n 1) ;<br />
p(n)<br />
q(n) =<br />
( ) n<br />
q(n)q(n + 1) ;<br />
p(n + 1)<br />
q(n + 1) =<br />
q(n)<br />
x(n + 2)q(n + 1) x<br />
p(n)<br />
q(n)<br />
Quindi p(n + 1)=q(n + 1) dista da x meno di p(n)=q(n) e<br />
p(0) p(2) p(4)<br />
p(5) p(3) p(1)<br />
< < < ::: < x < ::: < < <<br />
q(0) q(2) q(4) q(5) q(3) q(1) ;<br />
1<br />
< x<br />
2q(n)q(n + 1)<br />
p(n)<br />
q(n) <<br />
1<br />
q(n)q(n + 1) :<br />
Le frazioni continue possono essere utilizzate per approssimare dei numeri<br />
irrazionali con delle frazioni, o dei numeri razionali con denominatore alto con<br />
173<br />
:
azionali con denominatore basso. Riportiamo al proposito un interessante esempio<br />
che compare nel ”Saggio sulle frazioni continue” di Eulero, aggiornando<br />
un poco i numeri. Un anno solare ha durate di¤erenti, a seconda del tipo di<br />
misura ed anche variabile di anno in anno per l’in‡uenza della gravità della<br />
Luna e degli altri pianeti. L’anno anomalo è il periodo di rivoluzione della<br />
Terra intorno al Sole misurato rispetto agli apsidi, il perielio quando la Terra<br />
è più vicina al Sole è attorno al 2 Gennaio e l’afelio quando è più lontana è<br />
attorno al 2 Luglio. Quest’anno anomalo è circa 365 giorni 6 ore 13 minuti 52<br />
secondi. L’anno siderale è il periodo di rivoluzione della Terra intorno al Sole<br />
misurato rispetto al sistema di riferimento delle stelle …sse. Quest’anno siderale<br />
è circa 365 giorni 6 ore 9 minuti 10 secondi. In…ne c’è l’anno tropico, il periodo<br />
di rivoluzione dato dall’intersezione tra l’eclittica, cioè il piano dell’orbita, ed<br />
il piano dell’equatore, perpendicolare all’asse di rotazione della Terra. Le due<br />
interzezioni sono nell’equinozio di Primavere attorno al 21 Marzo e l’equinozio<br />
di Autunno attorno al 23 Settembre. Questo è l’anno del calendario ed ha una<br />
durata di circa 365 giorni 5 ore 48 minuti 45 secondi, cioè, in giorni,<br />
365 + 5 48<br />
+<br />
24 24 60 +<br />
45 46751<br />
1<br />
= = 365 +<br />
24 60 60 128 1<br />
4 +<br />
7 + 1<br />
1 + 1<br />
:<br />
3<br />
La prima ridotta della frazione è 1/4 e la terza 8/33. Nel 46 a.C. Giulio<br />
Cesare introduce un calendario con un anno bisestile ogni 4, e Omar Khayyam<br />
(1048-1131) propone 8 anni bisestili ogni 33. Il nostro calendario è meno preciso<br />
ma più semplice: 8/33 è circa 24/100 ma più precisamente 97/400. Questo<br />
suggerisce di porre un anno bisestile ogni 4 e di eliminarne uno ogni 100 aggiungendone<br />
uno ogni 400. L’anno ha quindi 365 + 97=400 giorni e di¤erisce<br />
dall’anno solare per 1/3200 giorni. Il calendario giuliano in 15 secoli accumula<br />
un ritardo di 10 giorni e crea problemi con la data della Pasqua, che il concilio<br />
di Nicea del 325 d.C. …ssa nella prima Domenica che segue il plenilunio dopo<br />
l’equinozio di primavera. Su suggerimento di Luigi Lilio (1510-1576), Ignazio<br />
Danti (1536-1586), Christophorus Clavius (1537-1612), che utilizzano le tavole<br />
astonomiche dell’Accademia di Toledo con un anno di 365 giorni 5 ore 49 minuti<br />
16 secondi, nel 1582 il Papa Gregorio XIII riforma il calendario giuliano introducendo<br />
la seguente regola: Gli anni divisibili per quattro sono bisestili, con<br />
l’eccezione degli anni divisibili per 100 ma non per 400. I giorni dal 5 Ottobre<br />
1582 al 14 Ottobre 1582 sono cancellati dal calendario. I protestanti denunciano<br />
il furto di 10 giorni di vita ma poi si adeguano, gli ortodossi ancora resistono.<br />
174
L’orbita della Luna<br />
intorno alla Terra.<br />
La durata del mese sinodico da Luna nuova a Luna nuova è<br />
29,53059 giorni. Il mese draconico da nodo a nodo è 27,21222.<br />
Il mese anomalistico da perigeo a perigeo è 27,55455. Il ciclo del<br />
Saros è 223 mesi sinodici, che corrispondono quasi esattamente a<br />
242 mesi draconici o 239 mesi anomalistici. Questo ciclo, scoperto<br />
dai caldei, governa le eclissi di Sole e Luna ed anche le maree.<br />
2953059=2721222 = [1; 11; 1; 2; 1; 4; 3; 4; 1; 3; 10; 6]<br />
[1; 11; 1; 2; 1; 4] = 242=223<br />
223 29; 53059 = 6585; 32157<br />
242 27; 21222 = 6585; 35724<br />
239 27; 55455 = 6585; 53745<br />
Per il calcolo delle radici quadrate Bombelli e Cataldi propongono la formula<br />
p b<br />
a2 + b = a +<br />
:<br />
b<br />
2a +<br />
b<br />
2a +<br />
2a + :::<br />
Basta osservare che p a 2 + b è la soluzione positiva dell’equazione x = a +<br />
b= (a + x) e sostituire ripetutamente<br />
x = a + b<br />
= a +<br />
a + x<br />
b<br />
a + a + b<br />
a + x<br />
= a +<br />
2a +<br />
b<br />
b<br />
a + a + b<br />
a + x<br />
= :::<br />
Il metodo è semplice ed e¢ ciente. Per esempio, le approssimazioni 265=153 <<br />
p 3 < 1351=780 nella ”Misura del cerchio” di Archimede si possono ricavare<br />
dalle ridotte dello sviluppo di p 3 = 1 + 2= (2 + 2= (2 + :::)). Per risolvere<br />
l’equazione x 2 ax 1 = 0 si può trasformarla in x = a + 1=x ed iterare,<br />
x = a + 1= (a + 1=x),.... Nel 1770 Lagrange mostra che ogni frazione continua<br />
e periodica da un certo posto in poi è radice di una equazione di secondo grado<br />
a coe¢ cienti interi, e viceversa. Nel 1829 Galois dimostra che una frazione<br />
continua è puramente periodica se e solo se è la radice maggiore di 1 di una<br />
175
equazione di secondo grado a coe¢ cienti interi e la radice coniugata è compresa<br />
tra 1 e 0. Nel 1769 Lagrange propone un algoritmo per trovare lo sviluppo in<br />
frazioni continue delle radici di un generico polinomio a coe¢ cienti interi. Se un<br />
polinomio P (x) di grado n ha una sola radice nell’intervallo < x < , allora<br />
il polinomio (1 + x) n P (( + x) = (1 + x)) ha una sola radice in 0 < x < +1.<br />
Consideriamo ora un polinomio Q(x) di grado n con una sola radice positiva e<br />
denotiamo con a la parte intera di questa radice. Questa parte intera è determinata<br />
dalla disequazione Q(a) 0 < Q(a + 1), o dalla disequazione inversa.<br />
Operiamo la sostituzione x = a + 1=y e poniamo R(y) = y n Q (a + 1=y). Anche<br />
questo polinomio ha una sola radice positiva, con parte intera b. Se y = b + 1=z,<br />
anche S(z) = z n R (b + 1=z) ha una sola radice positiva, con parte intera c... In<br />
questo modo si ottiene lo sviluppo in frazione continua della radice Q(x) = 0,<br />
x = a +<br />
1<br />
b + 1<br />
:<br />
c + :::<br />
Nel 1776 Lagrange propone il seguente metodo per ottenere lo sviluppo in<br />
frazioni continue della soluzione di un’equazione di¤erenziale. Sia dy=dx =<br />
F (x; y). Assumendo y(x) a(x) per jxj piccolo, si pone y = a= (1 + z) e sostituendo<br />
questa espressione nell’equazione di¤erenziale si ottiene un’equazione<br />
di¤erenziale dz=dx = G(x; z). Assumendo z(x) b(x), si pone z = b= (1 + z),<br />
e così via. In questo modo si ottiene lo sviluppo y = a= (1 + b= (1 + :::)). Non è<br />
semplice ottenere una formula generale per i termini a, b,..., ma a volte il metodo<br />
funziona. La classe delle equazioni di¤erenziali di Riccati dy=dx = a(x)+b(x)y+<br />
c(x)y 2 è invariante per i cambi di variabili y = ( (x) + (x)z) = ( (x) + (x)z).<br />
Assumiamo k + 2n 6= 0 per n = 1; 2; ::: e consideriamo l’equazione<br />
x dy<br />
dx + ky + y2 + x 2 = 0; y(0) = 0:<br />
Inserendo una serie di potenze a+bx+cx 2 +::: nell’equazione ed uguagliando<br />
a zero le potenze di x si ottiene lo sviluppo y = x 2 = (k + 2) + :::. Ponendo<br />
y = x 2 = (k + 2 + z), si ottiene poi un’equazione per z analoga a quella per y,<br />
ma con k + 2 al posto di k,<br />
x dz<br />
dx + (k + 2)z + z2 + x 2 = 0; z(0) = 0:<br />
Si può iterare il procedimento ponendo z = x 2 = (k + 4 + w), e così via...<br />
In tal modo si ottiene lo sviluppo<br />
x<br />
y =<br />
2<br />
x<br />
k + 2 +<br />
2<br />
x<br />
k + 4 +<br />
2<br />
:<br />
k + 6 + :::<br />
Consideriamo ora l’equazione di¤erenziale a variabili separabili<br />
dy<br />
dx = 1 + y2 ; y(0) = 0:<br />
176
La soluzione è y = tan(x), ma procediamo come sopra. Ponendo y =<br />
x= (1 + z), si ottiene un’equazione per z,<br />
x dz<br />
dx + z + z2 + x 2 = 0; z(0) = 0:<br />
Quindi z = x 2 = 3 x 2 = 5 x 2 =(7 :::) e<br />
tan(x) =<br />
1<br />
3<br />
x<br />
x2 5<br />
x2 x2 7 :::<br />
Questa frazione continua converge per ogni x e sostituendo x con ix si<br />
ottengono anche gli sviluppi in frazioni continue di tanh(x) e exp(x),<br />
exp(x) exp(<br />
exp(x) + exp(<br />
x)<br />
=<br />
x)<br />
x<br />
i tan(ix) =<br />
x<br />
1 +<br />
2<br />
x<br />
3 +<br />
2<br />
5 + x2<br />
;<br />
7 + :::<br />
exp(x) =<br />
1<br />
1<br />
1<br />
2<br />
1<br />
i tan(ix=2)<br />
=<br />
1<br />
1<br />
2x<br />
x<br />
2 + x +<br />
2<br />
x<br />
6 +<br />
2<br />
10 + x2<br />
14 + :::<br />
Questi sviluppi sono scoperti nel 1737 da Eulero e sono poi riottenuti nel<br />
1761 da Lambert e nel 1794 da Legendre, che li utilizzano per dimostrare<br />
l’irrazionalità di e di e, e più in generale l’irrazionalità di tan(p=q) e di exp(p=q)<br />
per ogni razionale p=q. Qui osserviamo solo che ponendo x = 1 nello sviluppo<br />
di exp(x) e x = 1 in quello di tanh(x) si ottengono degli sviluppi in frazioni<br />
continue semplici,<br />
e 1<br />
2 =<br />
1<br />
;<br />
1<br />
1 +<br />
1<br />
6 +<br />
1<br />
10 +<br />
14 + :::<br />
e 2 1<br />
e 2 + 1 =<br />
:<br />
1<br />
1<br />
1 +<br />
1<br />
3 +<br />
5 + 1<br />
:<br />
7 + :::<br />
Da questi sviluppi segue immediatamente che sia e che e 2 sono irrazionali.<br />
Inoltre questi numeri non sono radici di un polinomio di secondo grado a coe¢ cienti<br />
interi, perché tali radici dovrebbero avere uno sviluppo in frazioni continue<br />
periodico. Scriviamo ora e 1 = 2= (1 + 1= (6 + 1= (10 + :::))) e cerchiamo di<br />
177<br />
:
moltiplicare per due uno sviluppo in frazioni continue. Si ha<br />
2<br />
(2a + 1) + 1<br />
b<br />
1<br />
=<br />
1<br />
a +<br />
1<br />
1 +<br />
1 + 2<br />
:<br />
b 1<br />
In particolare, con a = 0 e b = 6 + 1= (10 + 1=(14 + :::)), si ottiene<br />
2<br />
e 1 =<br />
1<br />
1 +<br />
6 + 1 1<br />
10+ 14+ :::<br />
1<br />
= 1 +<br />
2<br />
1 +<br />
5 + 1 1<br />
10+ 14+ :::<br />
:<br />
Similmente, con a = 2 e b = 10 + 1= (14 + 1=(18 + :::)),<br />
1<br />
e 1 = 1 +<br />
2<br />
1 +<br />
5 + 1 1<br />
10+ 14+ :::<br />
1<br />
= 1 +<br />
1<br />
1 +<br />
1<br />
2 +<br />
1<br />
1 +<br />
2<br />
1 +<br />
9 + 1<br />
14+ :::<br />
:<br />
Iterando si ottiene lo sviluppo in frazioni continue di e 1, quindi di e. Questi<br />
sviluppi si possono anche ottenere più direttamente nel modo seguente. Se una<br />
successione fX(n)g +1<br />
n=0 veri…ca una relazione di ricorrenza con tre termini<br />
(an + A)X(n) = (bn + B)X(n + 1) + (cn + C)X(n + 2);<br />
ponendo Y (n) = X(n)=X(n + 1) ed iterarando la relazione<br />
(an + A) X(n)<br />
+ 2)<br />
= (bn + B) + (cn + C)X(n<br />
X(n + 1) X(n + 1) ;<br />
(bn + B)<br />
Y (n) =<br />
(an + A) +<br />
(cn + C)<br />
(an + A)Y (n + 1) ;<br />
si ottiene uno sviluppo in frazioni continue per Y (0). In particolare, de…niamo<br />
X(n; x) = 2n<br />
xn +1X<br />
k=0<br />
(n + k)!<br />
k!(2n + 2k)! x 2k X(n; x)<br />
; Y (n; x) =<br />
X(n + 1; x) :<br />
178
Si ha X(0; x) = cosh(1=x), X(1; x) = sinh(1=x), ed anche<br />
Quindi,<br />
X(n; x) = (2n + 1)xX(n + 1; x) + X(n + 2; x);<br />
1<br />
Y (n; x) = (2n + 1)x +<br />
Y (n + 1; x) :<br />
1<br />
1<br />
Y (0; x) = x + = x +<br />
Y (1; x) 1<br />
3x +<br />
Y (2; x)<br />
1<br />
= x +<br />
1<br />
3x +<br />
1<br />
5x +<br />
Y (3; x)<br />
exp(1=x) + exp(<br />
exp(1=x) exp(<br />
1=x)<br />
1<br />
= x +<br />
:<br />
1=x) 1<br />
3x +<br />
5x + :::<br />
Le frazioni continue sono un metodo di approssimazione spesso più e¢ -<br />
ciente delle serie di Taylor, che danno solo approssimazioni locali. Per esempio,<br />
le frazioni parziali x, 3x= 3 x 2 , 15x x 3 = 15 6x 2 ,..., dello sviluppo<br />
in frazioni continue tan(x) = x x<br />
1<br />
2 x<br />
3<br />
2<br />
::: approssimano questa funzione an-<br />
5<br />
che oltre le singolarità in =2, 3 =2,.... tan(x) ha un polo in =2 mentre<br />
15x x3 = 15 6x2 ha un polo in p p<br />
10=2, in particolare 10 = 3; 162:::.<br />
Lo sviluppo in frazioni continue della tangente.<br />
105x 10x3<br />
y =<br />
105 45x2 + x4 ; y = 945x 105x3 + x5 945 420x2 ; y = tan(x):<br />
+ 15x4 Descriviamo in…ne un semplice algoritmo di D.Shanks per calcolare lo sviluppo<br />
in frazioni continue di logaritmi. Per calcolare logb0 (b1), con 1 < b1 < b0,<br />
troviamo n1 tale che b n1<br />
1 < b0 b n1+1<br />
1 . Si ha allora b0 = b n1+1=x1<br />
1 con<br />
x1 1, e in particolare logb0 (b1) = 1= (n1 + 1=x1). Determinati fb0; b1; :::; bk 1g<br />
e fn1; :::; nk 1g, de…niamo bk = bk 2b nk 1<br />
k 1 e troviamo nk tale che b nk<br />
k <<br />
bk 1 b nk+1<br />
k . Allora bk 1 = b nk+1=xk<br />
k con xk 1. Ora osserviamo che<br />
bk = b nk+1+1=xk+1<br />
k+1 e bk+1 = bk 1b nk<br />
k<br />
179<br />
= b 1=xk<br />
k , quindi xk = nk+1 + 1=xk+1.
Da questa relazione di ricorrenza si conclude che<br />
log b0 (b1) =<br />
1<br />
n1 + 1<br />
x1<br />
=<br />
n1 +<br />
1<br />
1<br />
n2 + 1<br />
180<br />
x2<br />
=<br />
n1 +<br />
1<br />
n2 +<br />
1<br />
1<br />
n3 + :::
Bu¤on (1707-1788)<br />
MET ODI<br />
MONT ECARLO<br />
Alla domanda di un assicuratore su come stimare l’aspettativa di vita di<br />
un assicurato, un matematico risponde che se e sono la media e lo scarto<br />
quadratico, la probabilità che la durata sia tra a e b è descritta approssimativamente<br />
dall’area sotto una curva a campana,<br />
1<br />
p 2<br />
Z b<br />
a<br />
exp (x ) 2 =2 2 dx:<br />
Non tenta neanche di spiegare cos’è la funzione esponenziale, ma ricorda<br />
che è quel numero che nasce dalla misura del cerchio. A questo punto<br />
l’interlocutore perplesso osserva che ci deve essere un errore, cosa c’entra la<br />
vita di una persona con un cerchio? Che relazione ci può essere tra e, e la<br />
probabilità?<br />
La curva a campana<br />
di Gauss:<br />
y = exp( x 2 ).<br />
Una variabile aleatoria normale con media e varianza 2<br />
ha densità di probabilità<br />
1<br />
p 2<br />
Lanciando 2n volte una moneta non truccata, la probabilità di ottenere<br />
esattamente n teste ed n croci è esattamente<br />
2n<br />
n 2 2n e, per la formula di<br />
181<br />
exp<br />
1<br />
2<br />
x<br />
2 !<br />
.
Stirling, si ha<br />
2n<br />
n 2 2n (2n) 2ne 2np4 n<br />
22n nne np 1<br />
2 = p :<br />
2 n n<br />
Non è un metodo e¢ ciente per calcolare , ma dimostra comunque una<br />
relazione tra questo numero e la probabilità.<br />
All’interno di un quadrato tracciamo un cerchio. Se scegliamo ”a caso” un<br />
numero grande di punti nel quadrato e contiamo quanti di questi punti sono<br />
anche nel cerchio, è ragionevole supporre che il rapporto tra il numero di punti<br />
nel cerchio ed il numero di punti nel quadrato è circa uguale al rapporto tra<br />
l’area del cerchio e quella del quadrato:<br />
numero di punti nel cerchio<br />
numero di punti nel quadrato<br />
area del cerchio<br />
area del quadrato :<br />
Questa uguaglianza approssimata, per un numero di punti che cresce all’in…nito<br />
diventa esatta. Probabilmente abbiamo quadrato il cerchio... Se l’area è una<br />
misura dell’insieme dei punti che intersecano una …gura, il perimetro è una<br />
misura dell’insieme delle rette che intersecano una …gura convessa. La probabilità<br />
che una retta che interseca un quadrato intersechi anche un cerchio interno al<br />
quadrato è uguale al rapporto tra il perimetro del cerchio e quello del quadrato.<br />
Probabilmente abbiamo retti…cato il cerchio... Per la stima dell’errore in un<br />
metodo Montecarlo si può solo parlare di errore probabile. Supponiamo che un<br />
esperimento abbia probabilità di successo p e probabilità di insuccesso 1 p.<br />
Ripetendo N volte l’esperimento si ha un numero atteso di Np successi, con<br />
uno scarto quadratico medio p Np(1 p).<br />
Un punto nel quadrato è anche<br />
nel cerchio con probabilità<br />
area del cerchio<br />
area del quadrato .<br />
Una retta nel quadrato interseca<br />
il cerchio con probabilità<br />
perimetro del cerchio<br />
perimetro del quadrato .<br />
Probabilità geometrica.<br />
Scegliere a caso un oggetto equivale a scegliere a caso le sue coordinate. La<br />
de…nizione di numero casuale è piuttosto problematica perché una de…nizione<br />
in genere descrive una qualche proprietà, mentre un numero casuale dovrebbe<br />
essere un numero senza proprietà particolari. Comunque, le stelle sembrano<br />
quasi gettate a caso nel cielo così che le coordinate stellari dovrebbero essere<br />
182
numeri casuali. Anche i numeri generati dalle roulettes del Casinò di Montecarlo<br />
dovrebbero essere casuali. Un’altra successione di numeri casuali sembra essere<br />
la successione delle cifre decimali di . Se le cifre decimali di sono casuali, tra<br />
i primi N decimali ogni cifra deve comparire circa N=10 volte, con uno scarto<br />
quadratico medio p N3=10. Per esempio, tra i primi 100 decimali di ogni cifra<br />
compare circa 10 volte, con scarti inferiori a cinque,<br />
= 3; 1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 6939937510<br />
5820974944 5923078164 0628620899 8628034825 3421170679:::<br />
Anche tra il primo milione di cifre decimali di ogni cifra compare circa<br />
centomila volte, con scarti inferiori a cinquecento. In un numero a caso di<br />
9X<br />
N cifre la somma degli scarti quadratici pesati 10=N (Xk N=10) 2 tra le<br />
frequenze Xk delle cifre k e le frequenze attese N=10 ha media 9 e varianza 18.<br />
Applichiamo questo test statistico chi quadro ai decimali di con N = 100 e<br />
N = 1000000,<br />
Cifra Frequenza<br />
Scarto<br />
quadrato<br />
0 8 4<br />
1 8 4<br />
2 12 4<br />
3 11 1<br />
4 10 0<br />
5 8 4<br />
6 9 1<br />
7 8 4<br />
8 12 4<br />
9 14 16<br />
Totale 100 42<br />
k=0<br />
Cifra Frequenza<br />
Scarto<br />
quadrato<br />
0 99959 1681<br />
1 99758 58564<br />
2 100026 676<br />
3 100229 52441<br />
4 100230 52900<br />
5 100359 128881<br />
6 99548 204304<br />
7 99800 40000<br />
8 99985 225<br />
9 100106 11236<br />
Totale 1000000 550908<br />
In entrambi i casi lo scarto quadratico pesato ha un valore prossimo a 5,<br />
inferiore al valore 9 per un numero a caso. Con possiamo anche giocare<br />
a poker, dividendo i suoi decimali in blocchi di cinque. I primi dieci milioni<br />
di decimali danno due milioni di mani, tra queste le coppie sono 1007151, i<br />
tris 144375, i poker sono 8887, contro dei valori attesi di 1008000, 144000,<br />
9000. All’apparenza non c’è niente di strano, pare onesto. Un numero si dice<br />
normale se nel suo sviluppo decimale ogni cifra compare con frequenza 1/10<br />
e, più in generale, ogni combinazione di cifre compare con la frequenza dovuta.<br />
Quasi ogni numero è normale ed anche ed e sembrano normale, anzi i decimali<br />
di questi due numeri speciali sembrano del tutto casuali.<br />
La relazione tra e la probabilità sembra aver origine da un gioco d’azzardo<br />
descritto da Georges Louis Leclerc, Comte de Bu¤on (1707-1788): Si getta una<br />
moneta sul pavimento di una stanza, c’è chi scommette che la moneta cade<br />
all’interno di una piastrella, chi scommette che la moneta tocca due piastrelle e<br />
183
chi scommette che ne tocca più di due. Quali sono le possibilità di vincite dei<br />
ognuno di questi scommettitori? Su incarico del conte un ragazzo ha dovuto fare<br />
più di duemila lanci... Un problema più semplice è quello dell’ago di Bu¤on:<br />
”Io suppongo che in una stanza, con il pavimento semplicemente diviso in<br />
linee parallele, si getta per aria un bastoncino, e uno dei giocatori scommette<br />
che il bastoncino non toccherà nessuna delle linee parallele sul pavimento, l’altro<br />
al contrario scommette che il bastoncino toccherà qualcuna di queste parallele;<br />
mi chiedo quale è la sorte di questi due giocatori. Si può giocare questo gioco<br />
con un ago da cucito...”<br />
Sia D la distanza tra le linee sul pavimento e L la lunghezza dell’ago, supponiamo<br />
per semplicità L < D. Denotiamo con x la distanza tra il centro<br />
dell’ago e la linea più vicina, 0 x D=2, e denotiamo con # l’angolo tra ago<br />
e linea, 0 # . Gettare a caso l’ago equivale a scegliere a caso x e # e<br />
2dxd#= D è una misura di probabilità su f0 x D=2g f0 # g. L’ago<br />
interseca la linea quando x L=2 sin(#) e la probabilità di questo evento è<br />
P x<br />
Z<br />
L<br />
2<br />
sin(#) =<br />
2 D 0<br />
Z L<br />
2 sin(#)<br />
0<br />
dxd# = 2L<br />
D :<br />
In particolare, indicando con P la probabilità di intersezione, si ottiene<br />
= 2L=DP . Con esperimenti ripetuti è in principio possibile ottenere delle<br />
approssimazioni di e sono molti quelli che ci hanno provato. Nel 1901 Mario<br />
Lazzarini. in ”Un’applicazione del calcolo della probabilità all ricerca sperimentale<br />
di un valore approssimato di ” ripete l’esperimento di Bu¤on con<br />
L=D = 5=6 e in 3408 lanci ottiene 1808 intersezioni. Da questo si deduce la<br />
stima 2(5=6)(3408=1808) = 355=113 che approssima con sei decimali corretti.<br />
È un risultato troppo preciso per non far nascere qualche sospetto, a parte gli<br />
errori di misurazione delle lunghezze e l’ambiguità sulla presenza o meno di<br />
intersezioni, c’è anche il fatto che questi esperimenti danno il risultato sotto<br />
forma di frazione e non sono molte le frazioni con un denominatore basso che<br />
approssimano bene . Per esempio, dallo sviluppo in frazioni continue si hanno<br />
le approssimazioni 3=1 < 333=106 < < 355=113 < 22=7. La migliore approssimazione<br />
successiva è solo 52163/16604. Insomma, tutti questi numeri fanno<br />
nascere il sospetto che l’esperimento di Lazzarini sia stato costruito a tavolino.<br />
Generalizzando il risultato di Bu¤on, nel 1812 Laplace dimostra che la probabilità<br />
che un ago di lunghezza L intersechi una griglia rettangolare con dimensioni<br />
A e B è 2L= A + 2L= B L 2 = AB, se l’ago ha dimensioni minori della<br />
griglia. Se invece l’ago è molto lungo e la griglia quadrata unitaria, per ogni<br />
angolo # tra ago e griglia ci sono circa L cos(#) intersezioni con le linee orizzontali<br />
e L sin(#) intersezioni con quelle verticali ed i valori attesi del numero di<br />
184
intersezioni X e del quadrato X 2 sono circa<br />
E (X)<br />
E X 2 2L 2 Z =2<br />
2L Z =2<br />
(cos(#) + sin(#)) d# = 4L= ;<br />
0<br />
0<br />
(cos(#) + sin(#)) 2 d# = (1 + 2= ) L 2 :<br />
Quindi il valore atteso di X=L risulta 4= e la varianza 1 + 2= 16= 2 =<br />
0; 015::: è piuttosto piccola. Questo metodo per stimare risulta più accurato<br />
dei precedenti.<br />
Un problema simile all’ago di Bu¤on è contare le intersezioni tra delle linee<br />
parallele ed una curva gettata a caso su di esse. Denotando con X la variabile<br />
aleatoria che conta il numero di intersezioni di un segmento col sistema<br />
di parallele, il valore atteso di intersezioni è una funzione della lunghezza del<br />
segmento, E (X) = (L). Gettando a caso n segmenti il numero atteso di intersezioni<br />
è E (X1 + ::: + X1) = E (X1) + ::: + E (Xn) = (L1) + ::: + (Ln) e<br />
questo vale anche se le variabili aleatorie non sono indipendenti, come quando<br />
gli estremi dei segmenti sono concatenati e formano una poligonale. D’altra<br />
parte, se i segmenti sono esattamente allineati e formano un unico segmento<br />
si ha anche E (X1 + ::: + X1) = (L1 + ::: + Ln). Quindi, (L1 + ::: + Ln) =<br />
(L1) + ::: + (Ln), la funzione (L) = cL è lineare. Concludendo, il numero<br />
atteso di intersezioni di una poligonale col sistema di parallele risulta proporzionale<br />
alla lunghezza della poligonale e, prendendo il limite di poligonali,<br />
anche per ogni curva retti…cabile si ha E (X) = cL. Per calcolare la costante<br />
di proporzionalità basta osservare che se la distanza tra le parallele è D e la<br />
curva è un cerchio di diametro D, con probabilità uno il numero di intersezioni<br />
è due, quindi c = 2= D, cioè per ogni curva retti…cabile E (X) = 2L= D. Quasi<br />
senza far conti abbiamo riottenuto il risultato di Bu¤on, e con degli aghi storti!<br />
In particolare, se una curva chiusa e convessa ha in ogni direzione diametro<br />
costante uguale a D le intersezioni sono sempre 2, quindi il perimetro è legato<br />
al diametro dalla relazione L = D. Le curve con spessore costante D hanno<br />
perimetro D. Il cerchio non è la sola curva con spessore costante. De…nendo<br />
metà curva in modo pressoché arbitrario, si può completare l’altra metà ottenendo<br />
uno spessore costante in ogni direzione.<br />
185
La formula di Cauchy per l’area<br />
di una super…cie convessa:<br />
Z<br />
A(C) =<br />
(n 1) ((n 1)=2)<br />
2 (n 1)=2<br />
Sn 1<br />
n 1 (C; #) d#:<br />
In questa formula C è un convesso in R n , n 1 (C; #) la misura della<br />
proiezione di C sul sottospazio ortogonale a #, S n 1 l’insieme dei vettori<br />
di norma uno, 2 (n 1)=2 =(n 1) ((n 1)n=2) il volume della sfera unitaria<br />
in R n 1 . Se C è un poliedro con facce Fj di area A (Fj) e normali nj,<br />
Z<br />
Sn 1<br />
0<br />
Z<br />
@<br />
Sn 1<br />
1<br />
1<br />
X<br />
A (Fj) jnj #jA<br />
d#<br />
2<br />
j<br />
= 1<br />
0<br />
Z<br />
jn #j d# @<br />
2 Sn 1<br />
X<br />
1<br />
A (Fj) A .<br />
n 1 (C; #) d# =<br />
In particolare, una curva chiusa con spessore costante D ha lunghezza D.<br />
Nel 1881 Ernesto Cesaro (1859-1906) descrive una interessante relazione tra<br />
probabilità, teoria dei numeri, e . Quale è la probabilità che due interi positivi<br />
scelti a caso siano primi tra loro? Indichiamo con P (n) la cardinalità dell’insieme<br />
delle coppie di numeri minori o uguali ad n e primi tra loro. La probabilità<br />
che due numeri siano primi tra loro è data dal limite limn!+1 P (n)=n 2 = p.<br />
Assumendone l’esistenza, calcoliamo questo limite. Calcoliamo la probabilità<br />
pk che il massimo comun divisore tra due numeri interi positivi a e b sia uguale<br />
a k. Vogliamo che sia a che b siano multipli di k e che a=k e b=k siano primi tra<br />
loro. I primi due eventi hanno probabilità 1=k mentre il terzo ha probabilità p,<br />
inoltre questi eventi sono indipendenti. Quindi pk = 1=k 1=k p e sommando<br />
otteniamo<br />
1 =<br />
+1X<br />
+1X<br />
pk = k 2 p = p 2 =6:<br />
k=1<br />
k=1<br />
La probabilità che due numeri siano primi tra loro è quindi 6= 2 = 0; 607927:::<br />
Questa probabilità ha la seguente interpretazione geometrica. Nel piano cartesiano<br />
consideriamo il reticolo dei punti a coordinate intere. Si può vedere<br />
(a; b) da (c; d) se e solo se ja cj e jb dj sono relativamente primi. Denotiamo<br />
con (n) la funzione di Eulero che conta i numeri tra 1 e n primi<br />
con n. Dividendo un quadrato in otto triangoli si mostra che il numero di<br />
punti nel quadrato fjaj x; jbj xg visibili dall’origine è 8 X<br />
(n). La stima<br />
186<br />
j<br />
1 n x
X<br />
1 n x<br />
(n) 3 2 x 2 divisa per l’area del quadrato 4x 2 fornisce la percentuale<br />
dei punti visibili dall’origine. Di fatto questi risultati sono essenzialmente contenuti<br />
nei diari di Gauss in data 6 Settembre 1796 e sono pubblicati nel 1849 da<br />
Peter Gustav Lejeune Dirichlet (1805-1859). Più in generale, la probabilità che<br />
n interi positivi scelti a caso abbiano massimo comune multiplo uno è uguale a<br />
+1X<br />
k=1<br />
k n<br />
! 1<br />
.<br />
Torniamo al Casinò di Montecarlo per una partita a carte. Due giocatori<br />
con due mazzi di n carte identiche le scoprono una ad una. Uno scommette che<br />
ogni volta le due carte scoperte saranno diverse ed uno che qualche volta compariranno<br />
carte uguali. Qual’è la sorte di ciascuno dei due giocatori? Il calcolo<br />
di queste probabilità si riduce alla determinazione del numero di permutazioni<br />
con e senza punti …ssi ed è dovuto a Nikolaus Bernoulli (1687-1759) ed Eulero.<br />
Se denotiamo con Ai le permutazioni con i …sso, la probabilità che i1, i2,..., ik<br />
n<br />
siano …ssi è P [Ai1 \ Ai2 \ ::: \ Aik ] = (n k)!=n! e ci sono sottoinsiemi di<br />
k elementi scelti tra n. Per il principio di inclusione ed esclusione, la probabilità<br />
che ci sia qualche punto …sso è<br />
P [A1 [ A2 [ ::: [ An]<br />
= X<br />
P [Ai] X<br />
P [Ai \ Aj] +<br />
X<br />
P [Ai \ Aj \ Ak] :::<br />
i<br />
= n<br />
1<br />
i6=j<br />
(n 1)!<br />
n!<br />
n<br />
2<br />
i6=j;j6=k;k6=i<br />
(n 2)!<br />
n!<br />
+ n<br />
3<br />
(n 3)!<br />
n!<br />
= 1 1=2! + 1=3! ::: + ( ) n =n! 1 1=e:<br />
La probabilità di vincere di chi scommette su carte diverse è circa 1=e =<br />
0; 367879:::.<br />
Un altro problema molto concreto in cui compare inaspettatamente il numero<br />
e è quello della scelta del miglior partito. Assumiamo che ogni ragazza<br />
in età da marito abbia diritto a n pretendenti, non contemporaneamente ma<br />
in successione. Dopo aver conosciuto un pretendente ha due possibilità, o ne<br />
accetta la corte o lo pianta, ma ogni lasciato è perso! La strategia per scegliere<br />
il miglior partito è di scartare i primi k pretendenti e poi scegliere il primo tra<br />
i rimanenti migliore dei primi k, ed il problema è trovare il k che massimizza<br />
la probabilità di successo. Se il miglior partito è tra i primi k, con la strategia<br />
descritta è perso. Se il miglior partito è al posto j > k, allora la strategia ha<br />
successo qualora il migliore tra i primi j 1 partiti sia tra i primi k. Denotando<br />
con A l’evento di riuscire a scegliere il miglior partito e con Bj l’evento che il<br />
miglior partito è il j-esimo, si ha quindi<br />
P [A] =<br />
nX<br />
P [Aj Bi] P [Bj] =<br />
j=1<br />
187<br />
nX<br />
j=k+1<br />
k<br />
k 1<br />
j 1 n :<br />
:::
Se n e k sono grandi questa probabilità risulta approssimativamente uguale<br />
a (k=n) log(n=k). Quando n=k e la probabilità è massima ed è circa 1=e.<br />
La controindicazione a questa strategia è una probabilità di rimaner zitella piuttosto<br />
alta, k=n 1=e, mentre la probabilità di non sposar l’uomo giusto è<br />
minore, circa 1 2=e. Ma torniamo alla storia. Dopo aver perso la prima<br />
moglie, Keplero analizza scienti…camente per un paio d’anni pregi e difetti di<br />
undici possibili candidate, per poi tornare sui suoi passi alla quinta da cui poi<br />
ha sette …gli. Osservando che 11=e = 4; 046:::, si sarebbe risparmiato tempo<br />
e fatica e non avrebbe corso il rischio di trovare la sua bella già sposata con<br />
qualcun altro. La morale, se proprio ci si vuole sposare, è di non dir subito di<br />
sì al primo venuto, ma anche di non tirar troppo per le lunghe.<br />
188
Gauss (1777-1855)<br />
P ROBLEMA DEL<br />
CERCHIO<br />
Un metodo elementare per stimare l’area di una …gura è di riportarla su<br />
della carta a quadretti di lato uno contando poi i quadretti contenuti nella<br />
…gura stessa. Sorge però il problema di quei quadrati che intersecando il bordo<br />
della …gura danno un contributo minore di una all’area e risulta conveniente<br />
contare non i quadrati ma i centri di tali quadrati, che in un opportuno sistema<br />
di coordinate cartesiane sono punti a coordinate intere.<br />
Lo Stomachion di Archimede:<br />
”Disegniamo un quadrato ABCD,<br />
bisechiamo BC in E, tracciamo la<br />
perpendicolare EF , le diagonali AC,<br />
BF e CF ,... Ognuna delle quattordici parti<br />
è in rapporto razionale con il quadrato.”<br />
Nel 1899 Georg Pick (1859-1942) osserva che un poligono semplice con vertici<br />
in punti interi ha area A = I + B=2 1, con I i punti interi interni e B quelli sul<br />
bordo. Si può dimostrare il risultato per i triangoli e poi estenderlo alle …gure<br />
triangolabili, osservando che le funzioni A e I +B=2 1 sono entrambe additive.<br />
Se X e Y sono poligoni disgiunti adiacenti,<br />
A(X [ Y ) = A(X) + A(Y );<br />
I(X [ Y ) + B(X [ Y )=2 1 = (I(X) + B(X)=2 1) + (I(Y ) + B(Y )=2 1) :<br />
189
Infatti, se dei punti su un tratto di bordo comune ad X e Y risultano interni<br />
a X [ Y , nella formula I + B=2 1 per X e Y contano 1=2 + 1=2 e in quella<br />
per X [ Y contano 1, e il conto torna. Ci sono poi i due estremi del tratto di<br />
bordo comune a X e Y che contano 1=2 + 1=2 sia per X e Y che per X [ Y , e<br />
il conto torna sottraendo 1. Per una dimostrazione alternativa, basta associare<br />
ad ogni punto intero la proporzione di questo punto nel poligono. Se il punto<br />
è interno la proporzione è 1, se il punto è su un lato la proporzione è 1/2, se il<br />
punto è un vertice con angolo la proporzione è =2 . Siccome con n vertici<br />
la somma degli angoli interni è (n 2) , il contributo dei vertici è n=2 1, e il<br />
conto torna.<br />
Il teorema di Pick: Un poligono semplice con vertici in punti<br />
interi ha area A = I + B=2 1, con I i punti interi interni e B<br />
quelli sul bordo. Per la dimostrazione basta osservare che sia A<br />
che I + B=2 1 sono funzioni additive, e coincidono sui triangoli.<br />
Un triangolo rettangolo con cateti<br />
paralleli agli assi è metà rettangolo<br />
ed ha area A = I + B=2 1.<br />
Un poligono può essere scomposto in<br />
triangoli ed ha area A = I + B=2 1.<br />
La formula A = I + B=2 1 vale per<br />
quadrati di area uno e per rettangoli<br />
con lati paralleli agli assi.<br />
Un triangolo è un rettangolo<br />
meno tre triangoli rettangoli<br />
ed ha area A = I + B=2 1.<br />
Il teorema di Pick non si estende dai poligoni a …gure generiche. Non si<br />
può sperare di calcolare in modo esatto l’area semplicemente contando i punti<br />
interi, ma questa è pur sempre una buona approssimazione. Infatti nel 1947<br />
Vojt¼ech Jarnik (1897-1970) e Hugo Steinhaus (1887-1972) dimostrano che se<br />
è una curva piana, chiusa, semplice, retti…cabile di lunghezza L 1, l’area A<br />
racchiusa dalla curva ed il numero N di punti a coordinate intere interni alla<br />
curva di¤eriscono al più per il perimetro, jN Aj < L. Se inoltre il dominio<br />
racchiuso dalla curva è convesso, allora L=2 < N A L=2+1 e l’uguaglianza<br />
190
vale solo per rettangoli con vertici interi e lati paralleli agli assi. L’idea della dimostrazione<br />
è la seguente. Si associa ad ogni punto intero il quadrato con centro<br />
nel punto e lati di lunghezza uno paralleli agli assi. Se un quadrato è interno alla<br />
curva, allora contribuisce +1 sia all’area che al numero di punti interi, quindi<br />
contribuisce 0 all’errore N A. Similmente, anche i quadrati esterni alla curva<br />
non danno contributo all’errore. Gli unici quadrati che danno un contributo<br />
all’errore sono quelli che intersecano la curva e il contributo all’errore di uno di<br />
questi quadrati è minore della lunghezza di quella parte della curva contenuta<br />
nel quadrato.<br />
Il teorema di Jarnik e Steinhaus:<br />
Se A è l’area, P il perimetro,<br />
N i punti interi interni, allora<br />
jN Aj < P .<br />
La lunghezza di un tratto di curva in un quadrato di lato uno è sempre<br />
maggiore dell’area della parte di quadrato che non contiene il centro.<br />
Infatti, la lunghezza è maggiore dell’altezza che è maggiore dell’area.<br />
Applichiamo questo metodo per stimare un’area al calcolo di . Su un foglio<br />
di carta a quadretti disegniamo una circonferenza di raggio R quadretti, poi<br />
contiamo i punti interi interni alla circonferenza. Il numero di questi punti N<br />
di¤erisce dall’area del cerchio R 2 per meno di metà circonferenza R, quindi<br />
dividendo per R 2 si ottiene l’approssimazione R 2 N < R 1 + R 2 .<br />
Parecchi problemi in teoria dei numeri conducono alla stima del numero di<br />
punti interi contenuti in una regione del piano o dello spazio. Per studiare una<br />
data successione a(0), a(1), a(2),..., si può immergerla in una serie di potenze<br />
a(0) + a(1)w + a(2)w 2 + :::, e dalla funzione generatrice si può tornare alla<br />
successione. Per esempio, in quanti modi si può cambiare una banconota da<br />
$ n in monete da $ , , ? Si tratta di contare le soluzioni intere (x; y; z)<br />
dell’equazione x + y + z = n, cioè il numero di punti interi nel triangolo<br />
fx; y; z 0; x + y + z = ng. La formula esatta per il numero di soluzioni<br />
191
ha la funzione generatrice<br />
0<br />
+1X<br />
@<br />
X<br />
n=0 x 0; y 0; z 0; x+ y+ z=n<br />
+1X<br />
!<br />
+1X<br />
!<br />
+1X<br />
=<br />
x=0<br />
w x<br />
= (1 w ) 1<br />
y=0<br />
1 w<br />
w y<br />
1<br />
1A<br />
w n<br />
z=0<br />
w z<br />
!<br />
1 (1 w ) 1 :<br />
1 (1 w ) 1 in frazioni elementari<br />
Si può scomporre (1 w ) 1<br />
1 w<br />
con poli nei punti fw = 1g, w = 1 , fw = 1g, c’è un polo triplo in w = 1 e,<br />
nell’ipotesi che il massimo comun divisore tra f ; ; g sia 1, le altre singolarità<br />
hanno ordine minore. E osservando che 1 w = (1 w) 1 + w + ::: + w 1<br />
(1 w) se w ! 1, si ottiene<br />
(1 w ) 1<br />
1 w<br />
=<br />
+1X<br />
n=0<br />
1 (1 w ) 1 = ( ) 1 (1 w) 3 + :::<br />
(n + 2) (n + 1)<br />
w<br />
2<br />
n + :::<br />
In particolare, se n ! +1 il numero di soluzioni è asintotico a n 2 = (2 ).<br />
Si può ottenere la stessa stima in modo più geometrico ed elementare, osservando<br />
che il numero di punti interi nel tetraedro fx; y; z 0; x + y + z ng<br />
è asintotico al volume n 3 = (6 ), ed il numero dei punti interi sulla faccia<br />
fx 0; y 0; z 0; x + y + z = ng è asintotico all’area della faccia, che<br />
è la derivata del volume: d<br />
dn n3 = (6 ) = n 2 = (2 ).<br />
Un altro esempio classico è un problema studiato da Fermat, Eulero, Lagrange,<br />
Legendre, Gauss, Jacobi, ed altri. È possibile decomporre un dato<br />
numero intero nella somma di due quadrati? Un certo numero può non essere<br />
rappresentabile come somma di due quadrati, per esempio un numero congruo a<br />
3 modulo 4 non è somma di due quadrati, al contrario altri numeri possono avere<br />
parecchie rappresentazioni. Per esempio, 25 = 0 2 + 5 2 = 3 2 + 4 2 e 26 = 1 2 + 5 2 ,<br />
ma 27 non è somma di due quadrati, 83 e 84 non sono somme di due quadrati,<br />
mentre 85 = 2 2 + 9 2 = 6 2 + 7 2 . Denotiamo con r(n) il numero delle decomposizioni<br />
di n nella somma di due quadrati,<br />
r(n) = (x; y) 2 Z Z : x 2 + y 2 = n :<br />
Si può mostrare che un numero è somma di quadrati se e solo se nella<br />
sua scomposizione in fattori primi ogni primo della forma 4n + 3 compare un<br />
numero pari di volte. Più precisamente Legendre ha dimostrato che r(n) =<br />
4 (d1(n) d3(n)), dove d1(n) e d3(n) sono i numeri dei divisori di n della forma<br />
4n + 1 e 4n + 3. Questa funzione aritmetica dipende quindi dalla scomposizione<br />
in fattori primi ed è piuttosto irregolare, ma l’irregolarità viene mitigata considerandone<br />
il valor medio. La somma r(0) + r(1) + r(2) + ::: + r(n) è il numero<br />
192
di soluzioni intere della disequazione x 2 + y 2 n ed è uguale al numero di punti<br />
a coordinate intere in un cerchio con centro nell’origine e raggio p n. Il numero<br />
di punti interi in un cerchio è approssimativamente uguale all’area del cerchio,<br />
quindi un numero ha in media rappresentazioni come somma di quadrati,<br />
r(0) + r(1) + r(2) + ::: + r(n)<br />
lim<br />
= :<br />
n!+1<br />
n + 1<br />
Dalla formula r(n) = 4 (d1(n) d3(n)), denotando con [x] il più grande<br />
intero minore o uguale a x, si ricava la seguente formula di Gauss,<br />
r(0) + r(1) + r(2) + ::: + r(n) = 1 + 4 ([n=1] [n=3] + [n=5] [n=7] + :::) :<br />
Al limite per n ! +1 si riconosce la serie di Leibniz 1 1=3+1=5 1=7+::: =<br />
=4. È anche possibile calcolare esplicitamente r(0) + r(1) + r(2) + ::: + r(n)<br />
con un semplice metodo, sempre di Gauss del 1834. Dividiamo i punti interi<br />
nel cerchio in quattro sottoinsiemi: A = { l’origine }, B = { i punti sugli assi,<br />
esclusa l’origine }, C = { i punti nel quadrato di lato 2 p n=2 iscritto nel cerchio,<br />
esclusi i punti sugli assi }, D = { i punti restanti }. Denotando con [x] il più<br />
grande intero minore o uguale a x, si ha<br />
X<br />
r(k) = jAj + jBj + jCj + jDj<br />
0 k n<br />
= 1 + 4 p n + 4<br />
hp i2 n=2<br />
+ 8<br />
X<br />
p n=2 0, mentre Godfrey Harold<br />
Hardy (1877-1947) e Edmund Landau (1877-1937) hanno mostrato che può essere<br />
molto maggiore di cn1=4 . Sempre Hardy ha mostrato che l’errore quadratico<br />
medio è dell’ordine di cn1=4 . Per dare un’idea di questi risultati, accenniamo<br />
ad una generalizzazione del problema del cerchio di Gauss ed al legame con le<br />
193
serie di Fourier. Quanti punti interi stanno in un dominio D in Rd ? Per complicare<br />
un poco la domanda chiediamoci quanti punti interi stanno in un traslato<br />
D t. Questo numero è una funzione periodica della traslazione t che possiamo<br />
sviluppare in serie di Fourier sul toro Td = Rd =Zd = [0; 1) d ,<br />
X<br />
D t(k) = X<br />
0<br />
Z<br />
@<br />
X<br />
D s(k) exp( 2 ij<br />
1<br />
s)dsA<br />
exp(2 ij t)<br />
k2Z d<br />
^<br />
f( ) =<br />
j2Z d<br />
= X<br />
0<br />
@ X<br />
Z<br />
j2Z d<br />
Z<br />
R d<br />
k2Z d<br />
= X<br />
j2Z d<br />
T d<br />
Z<br />
Td k2Zd D(k + s) exp( 2 ij (k + s))dsA<br />
exp(2 ij t)<br />
R d<br />
1<br />
D(x) exp( 2 ij x)dx exp(2 ij t)<br />
= jDj + X<br />
j2Z d f0g<br />
^<br />
D(j) exp(2 ij t):<br />
f(x) exp( 2 i x)dx è la trasformata di Fourier in R d ed il<br />
conto non è nient’altro che la formula di sommazione di Siméon Denis Poisson<br />
(1781-1840) X<br />
f(k) = X ^<br />
f(j). Gli esponenziali exp(2 ij t) hanno media<br />
k2Z d<br />
j2Z d<br />
nulla sul toro, quindi integrando sopravvive solo il termine jDj. Le traslate<br />
D t contengono in media tanti punti interi quanto la misura del dominio<br />
jDj e l’errore quadratico medio è, per l’uguaglianza di Marc Antoine Parseval<br />
(1775-1836),<br />
8<br />
>< Z<br />
>:<br />
T d<br />
0<br />
@ X<br />
k2Z d<br />
1 9<br />
2 >=<br />
D(k + t) jDjA<br />
dt<br />
>;<br />
1=2<br />
8<br />
<<br />
=<br />
:<br />
X<br />
j2Z d f0g<br />
^<br />
D(j) 2<br />
In particolare, la trasformata di Fourier della funzione caratteristica di una<br />
sfera è una funzione speciale,<br />
Z<br />
fx2Rd exp( 2 i x)dx = r<br />
;jxj rg<br />
d=2 j j d=2 Jd=2 (2 r j j) :<br />
Queste ubique funzioni prendono il nome da Friedrich Wilhelm Bessel (1784-<br />
1846), che le ha utilizzate nella risoluzione dell’equazione di Keplero t = A#<br />
B sin(#). È quindi possibile scrivere esplicitamente una serie di Fourier che rappresenta<br />
il numero di punti interi in una sfera e dalla disuguaglianza J d=2 (z)<br />
c jzj 1=2 segue poi che l’errore quadratico medio è dell’ordine di cr (d 1)=2 .<br />
Il problema del cerchio studia in quanti modi si può decomporre un numero in<br />
somma di due quadrati, quello della sfera studia le decomposizioni nella somma<br />
di tre o quattro quadrati. Salendo di dimensione il problema si sempli…ca.<br />
194<br />
9<br />
=<br />
;<br />
1=2<br />
:
Consideriamo ora dei problemi analoghi. In quanti modi si può decomporre un<br />
numero in un prodotto di due numeri, cioè quanti divisori ha un dato numero<br />
intero? Il numero dei divisori è legato alla scomposizione in fattori primi. Un<br />
numero primo ha due soli divisori, mentre i divisori di n = p a q b :::r c con p, q,...,<br />
r primi e a, b,..., c interi positivi, sono (a + 1)(b + 1):::(c + 1). Il numero dei<br />
divisori di n dipende da n in modo abbastanza irregolare. Riformuliamo allora<br />
la domanda. Quanti sono in media i divisori di un numero intero? Indichiamo<br />
con d(n) il numero dei divisori di n,<br />
d(n) = jf(x; y) 2 N N : xy = ngj :<br />
Questo numero è uguale al numero dei punti (x; y) a coordinate intere e<br />
positive sull’iperbole xy = n e d(1) + d(2) + ::: + d(n) è uguale al numero dei<br />
punti interi (x; y) con 0 < y n=x.<br />
Z<br />
Una approssimazione di questo numero<br />
n<br />
dx<br />
è data dall’area sotto l’iperbole n = n log(n), quindi in media il numero<br />
1<br />
x<br />
dei divisori di n è circa log(n). Di fatto, nel 1849 Dirichlet ha dimostrato un<br />
risultato più preciso. Scomponiamo la regione sotto l’iperbole nel quadrato<br />
di vertici (0; 0), (0; p n), ( p n; p n), ( p n; 0), nel trapezio curvilineo di vertici<br />
(0; p n), ( p n; p n), (1; n), (0; n), e nel trapezio curvilineo di vertici ( p n; 0),<br />
(n; 0), (n; 1), ( p n; p n). Siccome il numero di punti interi nei due trapezi è lo<br />
stesso, il numero di punti interi sotto l’iperbole 0 < y n=x è<br />
nX<br />
d(j) = p n 2 [<br />
+ 2<br />
p n]<br />
X<br />
j=1<br />
Per stimare<br />
L’integrale<br />
j=1<br />
j=1<br />
[n=j] p [<br />
n = 2<br />
p n]<br />
X<br />
[n=j]<br />
j=1<br />
j=1<br />
[<br />
= 2n<br />
p n]<br />
X<br />
[<br />
1=j n + 2<br />
p n]<br />
X<br />
([n=j] n=j) + n p n 2<br />
1<br />
nX<br />
1=j, si può sostituire alla serie un integrale,<br />
j=1<br />
Z n<br />
dx<br />
=<br />
x +<br />
Z +1<br />
1<br />
nX 1<br />
j =<br />
Z n<br />
dx<br />
x +<br />
Z n<br />
1<br />
j=1 1<br />
Z +1<br />
1<br />
x [x]<br />
x [x]<br />
x [x]<br />
x [x]<br />
1<br />
[x]<br />
1<br />
x<br />
Z +1<br />
dx + 1<br />
n<br />
p n 2<br />
dx<br />
n<br />
x [x]<br />
x [x]<br />
dx + 1<br />
n :<br />
0<br />
1<br />
nX<br />
dx = limn!+1 @ 1=j log(n) A de…nisce la<br />
costante di Eulero Mascheroni = 0; 577215:::, che con , e, p 2, 1 + p 5 =2,...,<br />
è una delle costanti importanti in matematica. Quindi in media il numero dei<br />
divisori di n è uguale a log(n) + (2 1),<br />
d(1) + d(2) + ::: + d(n)<br />
n<br />
j=1<br />
(log(n) + (2 1))<br />
195<br />
:<br />
c<br />
p n :
Come per il problema del cerchio, questa stima dell’errore può essere migliorata.<br />
I diari di Gauss in data 20 Giugno 1796 contengono la seguente a¤ermazione:<br />
”All’in…nito la somma dei fattori =<br />
6<br />
la somma dei numeri.”<br />
Indichiamo con (n) la somma dei divisori di n. La somma dei numeri interi<br />
nX<br />
da 1 ad n è k = n(n + 1)=2 n2 =2. I divisori di k sono tanti quanti i punti<br />
k=1<br />
(x; y) a coordinate intere e positive sull’iperbole xy = k e la somma dei divisori<br />
dei numeri positivi minori o uguali ad n è<br />
0 1<br />
nX<br />
nX [n=k] X nX<br />
(k) = @ jA<br />
1<br />
h<br />
n<br />
i h<br />
n<br />
i<br />
n<br />
=<br />
+ 1<br />
2 k k 2 nX 1<br />
2 k2 2 2 n<br />
12 :<br />
k=1<br />
k=1<br />
j=1<br />
k=1<br />
Quindi, come enunciato da Gauss, si ha<br />
lim<br />
n!+1<br />
nX<br />
k=1<br />
2<br />
(k)<br />
nX<br />
k<br />
k=1<br />
Un ulteriore esempio del legame tra la teoria dei numeri interi ed i numeri<br />
ed e è dato dal teorema dei numeri primi. I numeri primi hanno sempre<br />
ossessionato i matematici, e tra questi anche Eulero:<br />
”I matematici hanno cercato, …n qui invano, di scoprire un ordine qualunque<br />
nella successione dei numeri primi, e si è portati a credere che questo è un mistero<br />
che lo spirito umano non riuscirà mai a penetrare. Per convincersene basta<br />
gettare un occhio alle tavole dei numeri primi, che alcuni si sono dati la pena<br />
di calcolare …n oltre a centomila, e ci si accorge subito che non vi regna nessun<br />
ordine o regola. Questo è tanto più sorprendente, quanto l’aritmetica ci fornisce<br />
delle regole certe per mezzo delle quali si può continuare la successione di questi<br />
numeri tanto lontano quanto si desidera, senza tuttavia lasciare intravedere il<br />
minimo indizio di un ordine qualunque.”<br />
La prima dimostrazione dell’in…nità dei numeri primi è di Euclide: Se 2, 3,<br />
5,..., p sono primi, allora 2 3 5 ::: p+1 non è divisibile per 2, 3, 5,..., p, quindi<br />
c’è qualche altro primo. La seconda dimostrazione dell’in…nità dei primi è di<br />
Eulero, che mostra che la serie degli inverso dei primi diverge come il logaritmo<br />
della serie armonica, X<br />
+1X<br />
!<br />
1=p = log 1=p = log (log (1)). I numeri primi<br />
p primo<br />
n=1<br />
si diradano via via che diventano grandi ed hanno una distribuzione piuttosto<br />
irregolare. Per cercare una regolarità in questa irregolarità, facciamoci aiutare<br />
dal giovane Gauss.<br />
196<br />
=<br />
2<br />
6 :<br />
k=1
”Da ragazzo ho considerato il problema di quanti primi ci sono …no ad un<br />
certo numero e dai miei conti ho determinato che la densità dei primi intorno<br />
ad x è circa 1= log(x).”<br />
Dalle tavole dei numeri primi si osserva che se n cresce di un fattore 10, la<br />
distanza media tra i primi tra 1 e n cresce di circa 2; 3 e dalle tavole dei logaritmi<br />
risulta che 2; 3 è circa uguale a log(10).<br />
n<br />
(n) = numeri<br />
primi tra 1 e n.<br />
n= (n) = distanza<br />
media tra i primi.<br />
10 4 2; 5<br />
100 25 4<br />
1000 168 5; 952:::<br />
10000 1229 8; 136:::<br />
100000 9592 10; 425:::<br />
1000000 78498 12; 739:::<br />
10000000 664579 15; 047:::<br />
100000000 5761455 17; 356:::<br />
1000000000 50847534 19; 666:::<br />
10000000000 455052511 21; 975:::<br />
Si può quindi congetturare con Gauss che la densità dei primi Zintorno ad x è<br />
x<br />
circa 1= log(x) e che il numero dei numeri primi minori di x è circa dy= log(y),<br />
che è circa x= log(x). Anche Legendre formula una simile congettura e nel 1850<br />
Pafnutii Lvovich Cebicev (1821-1894) mostra che a meno di un fattore (1 ")<br />
l’ordine di grandezza è corretto. In…ne, seguendo la strada aperta Riemann nella<br />
memoria ”Sul numero di primi minori di una certa grandezza”, nel 1898 Charles<br />
Jean de la Vallée Poussin (1866-1962) e Jaques Salomon Hadamard (1865-1963)<br />
provano il teorema dei numeri primi. La dimostrazione si basa sullo studio della<br />
funzione, introdotta da Eulero e studiata nel campo complesso da Riemann,<br />
(s) =<br />
+1X<br />
k=1<br />
k s = Y<br />
p primo<br />
1 p 1 s :<br />
È possibile dare una giusti…cazione euristica del teorema dei numeri primi.<br />
I numeri tra 1 ed n divisibili per p sono circa n=p, quelli divisibili per p 2 sono<br />
circa n=p 2 ,... ed indicando con [n] p il più grande intero k tale che p k divide n,<br />
si ha<br />
[n!] p = [1] p + [2] p + [3] p + ::: + [n] p n=p + n=p 2 + n=p 3 + ::: n=p:<br />
Quindi<br />
0<br />
log (n!) = log @<br />
Y<br />
p n; p primi<br />
1<br />
p [n!] pA<br />
n X<br />
197<br />
p n; p primi<br />
2<br />
log (p)<br />
:<br />
p
D’altra parte, per la formula di Stirling,<br />
log (n!) =<br />
nX<br />
log (j) n log(n):<br />
j=1<br />
Confrontando le due approssimazioni di log (n!), si ottiene<br />
X<br />
p x; p primi<br />
p x; p primi<br />
log (p)<br />
p<br />
log(x):<br />
In…ne, assumendo che i primi abbiano una densità D(x), si ottiene<br />
log(x)<br />
X log (p)<br />
p<br />
Z x<br />
log (y)<br />
y D(y)dy:<br />
E, derivando a destra e a manca,<br />
1=x D(x) log (x) =x:<br />
Da questo segue che la presunta densità dei numeri primi è D(x) 1= log(x).<br />
Il difetto di questa derivazione euristica del teorema dei numeri primi è l’assunzione<br />
a priori dell’esistenza di una densità dei primi.<br />
Z x<br />
dy<br />
Li(x) = quasi coincide con<br />
2 y<br />
(x) = numero dei primi minori di x.<br />
x<br />
approssima (x) dal di sotto.<br />
log(x)<br />
Come per il problema del cerchio di Gauss e dei divisori di Dirichlet, trovata<br />
una stima asintotica per il numero di numeri primi, si cerca una stima dell’errore.<br />
In…ne, sempre sul problema dei divisori di un numero, Hardy e Ramanujan nel<br />
1917 dimostrano che un numero n ha in media log (log (n)) fattori primi distinti,<br />
poi nel 1940 Paul Erdös (1913-1996) e Mark Kac (1914-1984) mostrano che il<br />
numero di fattori primi distinti di n ha approssimativamente una distribuzione<br />
normale con media e varianza log (log (n)). ”I numeri primi giocano d’azzardo”!<br />
198<br />
2
Bernoulli (1654-1705) Bernoulli (1667-1748) Gauss (1777-1855)<br />
LEMNISCAT A E MEDIE ARIT MET ICO GEOMET RICHE<br />
Iniziamo con un breve richiamo sugli integrali e le funzioni ellittiche. Nel<br />
1694 i fratelli Bernoulli risolvono il problema, proposto da Leibniz, di determinare<br />
la curvatura di una sbarra elastica con una estremità …ssa e piegata da<br />
un peso attaccato all’estremità libera. La di¤erenza tra le tensioni in due facce<br />
opposte di un tratto in…nitesimo di sbarra risulta inversamente proporzionale<br />
al raggio di curvatura della sbarra ed in condizioni di equilibrio il momento di<br />
questa risultante deve eguagliare il momento del peso. Quindi in un sistema<br />
di coordinate con origine nell’estremo libero ed asse delle ordinate in direzione<br />
del peso si ottiene l’equazione di¤erenziale 1 + (dy=dx) 2 3=2 d 2 y=d 2 x = 2ax.<br />
Una prima integrazione dà (dy=dx) 1 + (dy=dx) 2 1=2 2 = ax + b, quindi<br />
dy=dx = ax2 + b 1 ax2 + b 2<br />
1=2<br />
y = c<br />
Z<br />
e con una seconda integrazione<br />
ax2 q<br />
+ b<br />
1 (ax2 + b) 2<br />
dx:<br />
In particolare, se a = 1 e b = c = 0 la curva elastica risulta uguale all’area<br />
sotto la curva y 2 1 x 4 = x 2 , ma gli sforzi dei Bernoulli per calcolare esplici-<br />
tamente quest’area in termini elementari Z risultano vani. Supponiamo di dover<br />
calcolare un integrale della forma R(x; y)dx con R(x; y) funzione razionale e y<br />
funzione algebrica di x, cioè Q(x; y) = 0 per un opportuno polinomio in due variabili.<br />
Se la curva Q(x; y) = 0 ha una parametrizzazione Z (x; y) = (A(t); B(t)),<br />
con A(t) e B(t) razionali, l’integrale si trasforma in R (A(t); B(t)) A0 (t)dt<br />
ed è quindi calcolabile in modo elementare scomponendo la funzione razionale<br />
R (A(t); B(t)) A0 (t) in frazioni semplici. In particolareZle coniche hanno parametrizzazioni<br />
razionali e quindi tutti gli integrali del tipo R x; p ax2 + bx + c dx<br />
199
sono calcolabili in modo elementare. Gli integrali ellittici sono integrali del tipo<br />
Z<br />
R x; p P (x) dx con R (x; y) razionale e P (x) polinomio di terzo o quarto<br />
grado. Se Q(x) è un polinomio di quarto grado con una radice , la sostituzione<br />
x = + 1=t trasforma Q(x) in t 4P (t) con P (t) di terzo grado e con ulteriori<br />
trasformazioni ci si può poi ricondurre alle tre forme canoniche di Legendre<br />
Z<br />
dx<br />
p P (x) ;<br />
Z<br />
xdx<br />
p P (x) ;<br />
Z<br />
dx<br />
(x ) p P (x) :<br />
Liouville ha mostrato che in generale non è possibile esprimere questi integrali<br />
per mezzo di funzioni elementari. Dato un polinomio P (x) senza radici<br />
multiple, de…niamo<br />
Z x<br />
dt<br />
f(x) = p :<br />
P (t)<br />
0<br />
Abel e Carl Gustav Jacob Jacobi (1804-1851) hanno l’idea di studiare la<br />
funzione inversa di questo integrale. Se x = g(z) è la funzione inversa di<br />
z = f(x), si ha g0 (f(x)) = 1=f 0 (x) = p P (x). In particolare, posto x = g(z) e<br />
y = g0 (z), si ottiene una parametrizzazione della curva y2 = P (x). Per esempio,<br />
se P (x) = 1 x2 allora f(x) = arcsin(x), e (g(z); g0 (z)) = (sin(z);<br />
Z<br />
cos(z)) sono<br />
x<br />
parametrizzazioni del cerchio. L’inversione dell’integrale ellittico dt= p P (t),<br />
con P (t) polinomio di terzo o quarto grado, genera le funzioni ellittiche che<br />
sono delle parametrizzazioni delle curve ellittiche. Se le funzioni trigonometriche<br />
sono semplicemente periodiche, nel campo complesso le funzioni ellittiche<br />
sono doppiamente periodiche, cioè esistono !1 e !2 linearmente indipendenti sui<br />
reali tali che g (z + !1) = g (z + !2) = g (z) e queste funzioni hanno delle formule<br />
di addizione simili alle formule di addizione delle funzioni trigonometriche.<br />
L’ellisse, curva di secondo grado, non è una curva ellittica, ma la lunghezza di<br />
un’ellisse, o di un’iperbole, è un’integrale ellittico.<br />
Gli ovali di Cassini<br />
sono intersezione tra<br />
un piano ed un toro.<br />
L’ellisse è il luogo dei punti in un piano con somma delle distanze da due<br />
punti …ssi costante e l’iperbole il luogo dei punti con di¤erenza delle distanze<br />
costante. Il luogo dei punti con costante il prodotto delle distanze da due<br />
punti …ssi sono gli ovali di Cassini, che non convinto delle teoria copernicana<br />
introduce queste curve nel 1680 per descrivere i moti del Sole e della Luna<br />
200<br />
0
intorno alla Terra. In particolare, se questi punti …ssi sono 1= p 2; 0 ed il<br />
prodotto delle distanze è 1=2, si ottiene la lemniscata di equazione cartesiana<br />
x 2 y 2 = x 2 + y 2 2 . Con x = cos(#) e y = sin(#), l’equazione diventa<br />
2 = cos(2#). In coordinate polari l’equazione = cos( #) descrive una iperbole<br />
se = 2, una retta se = 1, una parabola se = 1=2, un cerchio se<br />
= 1. La curva n = cos(n#) quando n è un intero positivo ha la forma di un<br />
…ore con n petali, quindi la nostra lemniscata di petali ne ha due.<br />
Se A = ( 1= p 2; 0) e B = (1= p 2; 0), la lemniscata<br />
è il luogo dei punti P con jAP j jBP j = 1=2.<br />
Se O = (0; 0), C = ( 1; 0) e D = (1; 0), la lemniscata<br />
è il luogo dei punti P con \CP O \DP O = =2.<br />
Se sulle circonferenze di raggio uno con centri in<br />
A = ( 1= p 2; 0) e B = (1= p 2; 0) si considerano due punti<br />
variabili M e N con jMNj = jABj e MN non parallelo ad AB,<br />
il punto medio del segmento MN descrive la lemniscata. Questo<br />
permette di tracciare la lemniscata con un sistema articolato.<br />
Applicando all’iperbole equilatera w 2 z 2 = 1 l’inversione<br />
circolare w = x= x 2 + y 2 e z = y= x 2 + y 2 , si ottiene la<br />
lemniscata x 2 y 2 = x 2 + y 2 2 .<br />
Nel 1694 i fratelli Bernoulli, indipendentemente, descrivono questa curva<br />
”fatta come un 8 o un nastro annodato” ed una disputa sulla priorità di questa<br />
ed altre scoperte, catenaria, brachistocrona, problema isoperimetrico,..., guasta<br />
i loro rapporti. All’interno della famiglia Bernoulli la matematica è un affare<br />
troppo serio. Il motto del fratello maggiore è ”Contro la volontà di mio<br />
padre studio le stelle”. Un …glio del fratello minore partecipa ad un concorso<br />
dell’Accademia delle Scienze di Parigi in cui anche il padre è concorrente, vince e<br />
viene cacciato da casa. Poi il …glio accusa il padre di averlo derubato dell’intera<br />
”Idrodinamica” mutandone solo il titolo in ”Idraulica”.<br />
201
La lunghezza di un arco di curva in coordinate polari n=2 Z Z = cos (n#=2) :<br />
pd<br />
Z<br />
d<br />
ds = 2 + 2d# = p<br />
1 m :<br />
1=2 = cos (#=2) = cos (#) 3=2 = cos (3#=2)<br />
2 = cos (2#)<br />
Dall’equazione della lemniscata in coordinate polari 2 = cos(2#) e la formula<br />
per l’elemento in…nitesimo di lunghezza ds2 = d 2 + 2d# 2 , si ricava<br />
ds = 1 4 1=2<br />
d . Quindi la lunghezza dell’arco di lemniscata dall’origine<br />
Z x<br />
…no al punto a distanza x è data dall’integrale<br />
Z 0<br />
x<br />
dell’integrale<br />
0<br />
1 t 4 1=2 dt, un analogo<br />
1 t 2 1=2 dt = arcsin(x) che dà la lunghezza di un arco di<br />
cerchio. Nel 1730 Stirling calcola le approssimazioni<br />
Z 1<br />
0<br />
Z 1<br />
ed Eulero dimostra che<br />
4<br />
0<br />
dx<br />
p = 1; 31102877714605987:::;<br />
1 x4 x2dx p = 0; 59907011736779611:::;<br />
1 x4 Z 1<br />
0<br />
dx<br />
p<br />
1 x4 Z 1<br />
0<br />
x2dx p<br />
1 x4 = 4 :<br />
Infatti con il cambio di variabile x t 1=4 i due integrali si riconducono<br />
alla funzione Beta, ( =2) 3=2 2 (3=4) il primo e (2 ) 1=2 2 (3=4) il secondo. Nel<br />
1718 Fagnano scopre come dividere con riga e compasso l’arco di lemniscata nel<br />
primo quadrante in due, tre, o cinque parti uguali e nel 1758 Eulero trova una<br />
formula di addizione per integrali ellittici,<br />
Z x<br />
0<br />
z = xp1 + ay2 y4 + y p 1 + ax2 x4 1 + x2y2 ;<br />
Z y<br />
Z z<br />
dt<br />
dt<br />
dt<br />
p + p = p :<br />
1 + at2 t4 1 + at2 t4 1 + at2 t4 0<br />
Per esempio, se a = 0 e x = y = pp 2 1, allora z = 1. L’arco di lemniscata<br />
in un quadrante è diviso in parti uguali dalla circonferenza con centro nell’origine<br />
e raggio pp 2 1. Anche Gauss si interessa alla lemniscata e dimostra che, come<br />
202<br />
0
per il cerchio, è possibile dividere con riga e compasso l’arco di lemniscata nel<br />
primo quadrante in 2 m p1p2:::pn parti uguali se i pj sono numeri primi distinti<br />
della forma 22k + 1. Questo risultato è poi riscoperto da Abel nel 1826. Dal<br />
1796 in poi i diari di Gauss contengono parecchie a¤ermazioni sugli integrali<br />
ellittici e le medie aritmetico geometriche:<br />
”La lemniscata si divide in cinque parti in modo geometrico.”<br />
”Sulla lemniscata abbiamo trovato le cose più eleganti al di là di tutte le<br />
aspettative e questo con un metodo che apre un intero nuovo campo.”<br />
”Abbiamo provato che la media aritmetico geometrica tra 1 e p 2 è =! …no<br />
a 11 cifre, una volta dimostrata la cosa si aprirà certamente un nuovo campo<br />
in analisi.”<br />
”La media aritmetico geometrica è una quantità integrale. Dimostrato!”<br />
! = 2<br />
= 2<br />
Z 1<br />
0<br />
Z 1<br />
0<br />
1 t 4 1=2 dt è la lunghezza di metà lemniscata, l’analogo di<br />
1 t 2 1=2 dt per il cerchio. Per dividere il cerchio in n parti uguali<br />
Z<br />
basta trovare sin(2 k=n), k = 0; 1; :::; n 1, e sin(x) è la funzione inversa di<br />
x<br />
1 t 2 1=2 dt. Analogamente, per dividere la lemniscata basta trovare<br />
0<br />
Z x<br />
(2!k=n), con (x) funzione inversa di<br />
0<br />
1 t 4 1=2 dt. La media aritmetico<br />
geometrica AGM(x0; y0) tra due numeri positivi x0 e y0 è il limite comune delle<br />
successioni de…nite ricorsivamente da xn+1 = (xn + yn) =2 e yn+1 = p xnyn. Il<br />
legame tra le medie aritmetico geometriche e gli integrali ellittici è trovato da<br />
Lagrange nel 1785 e riscoperto qualche anno dopo da Gauss,<br />
Z +1<br />
1<br />
dx<br />
p = :<br />
(a2 + x2 ) (b2 + x2 ) AGM(a; b)<br />
Per dimostrare l’uguaglianza basta mostrare che questi integrali sono invarianti<br />
rispetto alla trasformazione (a; b) (a + b) =2; p ab e questo segue dal<br />
cambio di variabile x (x ab=x) =2. Iterando la trasformazione gli integrali<br />
ellittici convergono a degli integrali elementari,<br />
=<br />
=<br />
Z +1<br />
1<br />
Z +1<br />
1<br />
Z +1<br />
1<br />
r<br />
dx<br />
p<br />
(a2 + x2 ) (b2 + x2 )<br />
dx<br />
((a + b)=2) 2 + x 2 (ab + x 2 )<br />
dx<br />
p :<br />
(AGM(a; b) 2 + x2 ) (AGM(a; b) 2 + x2 )<br />
Per illustrare la relazione tra le medie aritmetico geometriche e , si può<br />
203
partire dall’integrale ellittico<br />
H(a; b) = 1 Z +1<br />
dx<br />
p :<br />
(1 + x2 =a2 ) (1 + x2 =b2 )<br />
Il cambio di variabile x N=x mostra che<br />
Quindi<br />
Z p N<br />
0<br />
1<br />
dx<br />
p =<br />
(1 + x2 ) (1 + x2 =N 2 )<br />
Z +1<br />
p N<br />
dx<br />
p :<br />
(1 + x2 ) (1 + x2 =N 2 )<br />
H(1; N) = 4 Z p N<br />
dx<br />
p =<br />
0 (1 + x2 ) (1 + x2 =N 2 ) 4 Z p N<br />
1 x<br />
0<br />
2 =2N 2 + :::<br />
p dx<br />
1 + x2 = 4<br />
log( p N + p p p p<br />
N 2 + N log( N + N + 1)<br />
N + 1)<br />
4N 2<br />
!<br />
+ :::<br />
= 2 log(4N) + log(4N)<br />
2 N 2 + O N 2 :<br />
Per ottenere un’approssimazione di a partire dalla funzione H(1; N), basta<br />
osservare che<br />
N<br />
2 (H(1; N + 1) H(1; N)) = 1 + O(N 1 ):<br />
In de…nitiva, si può approssimare con (N (H(1; N + 1) H(1; N)) =2) 1 e<br />
si possono approssimare H(1; N +1) e H(1; N) per mezzo delle medie aritmetico<br />
geometriche. Malgrado le apparenze, questo algoritmo è e¢ ciente perché le<br />
medie aritmetico geometriche convergono rapidamente, con velocità quadratica,<br />
a + b<br />
2<br />
p<br />
ab =<br />
4<br />
(a b) 2<br />
a + b<br />
2 + p ab<br />
Grosso modo, ogni iterazione raddoppia il numero di decimali corretti. Una<br />
variante di questo algoritmo permette di calcolare in modo e¢ ciente i logaritmi,<br />
da cui si possono ricavare con il metodo iterativo di Newton gli esponenziali.<br />
204<br />
:
Huygens (1629-1695) Steiner (1796-1863) Minkowski (1864-1909)<br />
CAT ENARIA<br />
E P ROBLEMA<br />
ISOP ERIMET RICO<br />
Vogliamo presentare due esempi del ruolo di e e di nel calcolo delle variazioni.<br />
Qual’è la posizione di equilibrio di una catena sospesa ai due estremi?<br />
Galileo osserva che:<br />
205
”La corda così tesa, e poco o molto tirata, si piega in linee, le quali assai<br />
si avvicinano alle paraboliche,... e tale adattamento tanto più esser preciso,<br />
quanto la segnata parabola sarà men curva, cioè più distesa; sì che nelle parabole<br />
descritte con elevazioni sotto ai gr. 45, la catenella camina quasi ad unguem<br />
sopra la parabola”.<br />
Secondo Torricelli ”Corpi pesanti collegati tra di loro non si possono muovere<br />
se il baricentro comune non si abbassa”. Anche il diciassettenne Huygens<br />
nel 1646 postula che la posizione di equilibrio di una catena deve renderne il<br />
baricentro il più basso possibile e scopre che parabola e catena non possono<br />
coincidere in più di tre punti:<br />
”Due o più pesi appesi ad una corda …ssata ai due estremi possono avere<br />
una sola posizione di equilibrio, che rende il baricentro il più basso possibile”.<br />
”Si considerino dei pesi S, R, P, Q,..., appesi alla corda A, B, C, D... I<br />
prolungamenti di AB e CD si incontrano in un punto sulla verticale nel mezzo<br />
tra i pesi R e P... I punti di connessione A, B, C, D,..., non possono appartenere<br />
tutti ad una stessa parabola”.<br />
Nel 1691 i fratelli Bernoulli con Huygens e Leibniz trovano la forma esatta<br />
dalla catenaria e Leibniz ipotizza l’utilizzo di una catena per calcolare i logaritmi.<br />
In particolare, secondo Huygens:<br />
”Si possono trovare quanti punti si vogliono della catena se sono date le<br />
quadrature delle curve xxyy = a 4 aayy o xxyy = 4a 4 x 4 ”.<br />
206
”Le tangenti dell’inclinazione rispetto ad un piano orizzontale di un …lo senza<br />
gravità a cui sono attaccati dei pesi uguali crescono con di¤erenze uguali”.<br />
L’equazione<br />
di¤erenziale<br />
della catenaria<br />
di Huygens.<br />
Se x, y, s, sono ascissa, ordinata, e lunghezza della<br />
q<br />
curva,<br />
1 + (dy=dx) 2 .<br />
La soluzione è un coseno iperbolico: y = 1 cosh ( x + ) + .<br />
d=ds (dy=dx) = , cioè d 2 y=dx 2 = ds=dx, cioè d 2 y=dx 2 =<br />
La costruzione<br />
di Leibniz<br />
della catenaria<br />
y = ax + a x<br />
.<br />
2<br />
Dei segmenti verticali con base su una linea orizzontale equispaziati<br />
ed altezze in progressione geometrica continua generano una curva<br />
logaritmica. I punti sulla catenaria si ottengono prendendo per ogni<br />
coppia di ascisse simmetriche rispetto ad un’origine un’ordinata<br />
uguale alla semi somma delle ordinate sulla curva logaritmica.<br />
Viceversa, data una catenaria, si possono ottenere segmenti in<br />
progressione geometrica, cioè si possono trovare i logaritmi dei<br />
numeri ed i numeri dei logaritmi.<br />
Il più vecchio dei fratelli Bernoulli dimostra che tra tutte le curve per due<br />
punti e di data lunghezza, la catenaria è quella con il baricentro più basso e più<br />
tardi Eulero osserva che ”ogni e¤etto in natura segue un principio di massimo o<br />
minimo”. La dimostrazione seguente si trova nelle lezioni del più giovane dei due<br />
Bernoulli a G.F. Marquis de l’Hospital (1661-1704). Denotiamo con V = (v; w)<br />
il vertice e con Q = (x; y) un generico punto sulla catenaria. Le forze che<br />
agiscono sul pezzo di catena da V a Q sono le tensioni T (V ) e T (Q) nei punti V<br />
e Q ed il peso del pezzo di catena P (V; Q). Il pezzo di catena è in equilibrio se la<br />
somma delle forze che agiscono su di essa è nulla, T (V )+T (Q)+P (V; Q) = 0. Il<br />
207
peso ha direzione verticale ed è proporzionale alla lunghezza della curva L(V; Q).<br />
Le tensioni sono tangenti alla curva. La tensione nel vertice T (V ) è orizzontale<br />
e non dipende da Q. Per l’equilibrio, la componente orizzontale di T (Q) deve<br />
essere uguale a T (V ), mentre la componente verticale di T (Q) deve essere<br />
uguale a P (V; Q). Se indichiamo con dy=dx la derivata della curva nel punto<br />
Q, la condizione di equilibrio diventa<br />
dy P (V; Q)<br />
= = L(V; Q) =<br />
dx T (V )<br />
Z xq<br />
1 + (dy=dx) 2 dx:<br />
La costante dipende dalla tensione in V e dal peso speci…co della catena.<br />
Derivando si ottiene l’equazione di¤erenziale<br />
d2y =<br />
dx2 v<br />
q<br />
1 + (dy=dx) 2 :<br />
Con la sostituzione dy=dx = z l’equazione si abbassa di grado e diventa a<br />
variabili separabili, dz= p 1 + z 2 = dx. Quindi z = sinh( x + ) ed integrando<br />
nuovamente,<br />
y = 1 cosh( x + ) + :<br />
Le costanti e hanno il solo e¤etto di spostare la catena a destra o sinistra<br />
e in su o in giù, mentre il parametro è legato alla lunghezza della catena. Se<br />
= = 0,<br />
Z xq<br />
1 + (dy=dx) 2 Z xq<br />
dx = 1 + sinh 2 Z x<br />
( x)dx = cosh( x)dx = sinh( x) :<br />
0<br />
0<br />
Nei suoi lavori sulla catenaria Leibniz suggerisce di studiare la forma di<br />
una catena con densità variabile, di una fune elastica, di una vela al vento,<br />
lamentandosi di non aver abbastanza tempo da dedicare a questi problemi.<br />
Comunque i Bernoulli a¤rontano tutti questi problemi ed anche il problema<br />
inverso, data la forma della catena, determinarne la densità. In…ne, Huygens<br />
osserva che se il peso su un elemento di catena è proporzionale alla lunghezza<br />
della proiezione sull’asse delle ascisse, come nel caso dei cavi che sostengono un<br />
ponte, si ottiene l’equazione dy=dx = x con una parabola per soluzione. Hooke<br />
osserva che una catenaria rovesciata è la forma ideale per un arco e congettura<br />
che la forma ideale per una cupola si ottiene ruotando intorno all’asse delle<br />
ordinate una parabola cubica y = x3 . Invece, sostituendo alla lunghezza di<br />
una curva l’area di una super…cie di rotazione, si ottiene l’equazione<br />
Z x q<br />
dy<br />
= 2 x 1 + (dy=dx)<br />
dx v<br />
2 dx;<br />
Z x<br />
y = sinh x 2 + dx + :<br />
v<br />
La cupola di San Pietro in Vaticano, progetto di Michelangelo Buonarroti, è<br />
formata da un doppio guscio semisferico, con spessore il 15% del raggio. Anche<br />
208<br />
0
se la super…cie ideale è compresa in questo guscio, in questa cupola come in<br />
altre gli stress non tangenziali hanno provocato delle fessure.<br />
Veniamo al problema isoperimetrico, o problema di Didone. Dopo esser fuggita<br />
da Tiro ed approdata sulle coste africane, Didone contratta e compra tanta<br />
terra quanta si può cingere con la pelle di un toro. Questa pelle è allora ridotta<br />
in una sottile stringa e con essa si racchiude il suolo su cui sorge Cartagine.<br />
Tra tutte le curve semplici chiuse di data lunghezza, qual’è quella che racchiude<br />
l’area massima? Di fatto il problema è più antico di Didone. Nell’introdurre<br />
questo problema, Pappo osserva che:<br />
”Dio ha dato all’uomo la forma più perfetta di sapienza, in particolare nelle<br />
scienze matematiche, ma ne ha data un poco anche agli animali... Le api, per<br />
raccogliere il miele, costruiscono delle celle tutte uguali tra loro, contigue una<br />
all’altra e di forma esagonale... Solo tre tipi di …gure regolari possono riempire<br />
lo spazio intorno ad un punto. Le api, con il loro istinto, scelgono la …gura con<br />
più angoli, perché contiene più miele delle altre due.”<br />
Le api, per ottimizzare l’uso della cera nei favi che contengono il miele,<br />
costruiscono delle celle esagonali, perché tra i poligoni regolari che tassellano il<br />
piano, triangoli, quadrati, esagoni, questi ultimi a parità di perimetro rendono<br />
massima l’area. C’è anche chi sostiene che le api non conoscono la matematica<br />
e costruiscono favi esagonali solo perché hanno sei zampe. Ma smettiamola<br />
di disturbare queste laboriose creature e torniamo ad occuparci del problema<br />
isoperimetrico. Nel II secolo a.C. Zenodoro dimostra:<br />
”Tra i poligoni con uguale perimetro e uguale numero di lati, il poligono<br />
equilatero ed equiangolo è il più grande in area.”<br />
”Tra i poligoni regolari di uguale perimetro, il più grande in area è quello<br />
con il maggior numero di lati.”<br />
”Un cerchio è più grande di tutti i poligoni regolari di uguale perimetro.”<br />
”Tra tutte le …gure solide di uguale super…cie, la sfera ha il volume massimo.”<br />
Steiner a partire dal 1838 presenta diverse dimostrazioni elementari ed eleganti<br />
della proprietà isoperimetrica del cerchio. Una soluzione del problema<br />
isoperimetrico deve essere convessa, altrimenti l’involucro convesso avrebbe meno<br />
perimetro e più area. Inoltre, ogni retta che divide in parti uguali il perimetro<br />
divide in parti uguali anche l’area, e viceversa, altrimenti, ribaltando la parte<br />
con area maggiore si otterrebbe una …gura con ugual perimetro e più area. Si<br />
può allora dividere in due il problema, cercando una curva con estremi su una<br />
retta e di lunghezza data che racchiude area massima. Ogni punto A su questa<br />
curva deve vedere gli estremi B e C sulla retta secondo un angolo retto, perché<br />
tra i triangoli con due lati dati quello di area massima è rettangolo. Se il triangolo<br />
CAB non è rettangolo in A, senza variare la forma degli archi CA e AB<br />
e quindi la lunghezza della curva, si può aprire o chiudere l’angolo aumentando<br />
l’area del triangolo e quindi della …gura curvilinea CAB. Ma il luogo dei punti<br />
che vedono un segmento dato secondo un angolo retto è una semicirconferenza,<br />
quindi la curva isoperimetrica è un cerchio.<br />
209
La soluzione del problema isoperimetrico è convessa.<br />
Un segmento che divide in due il perimetro, divide in due anche l’area.<br />
Ogni punto del bordo guarda questo segmento ad angolo retto.<br />
Un’altra dimostrazione di Steiner è la seguente. Se una regione non è circolare,<br />
esistono quattro punti sul suo bordo che non sono ciclici. Se si pongono<br />
delle cerniere in questi punti, la regione si scompone in quattro lunule …sse ed<br />
un quadrilatero snodabile. Basta quindi mostrare che tra tutti i quadrilateri<br />
con lati …ssati, quello ciclico ha area massima. Questo fatto è conseguenza della<br />
formula di Brahmagupta per l’area di un quadrilatero piano con lati a, b, c, d,<br />
ed angoli , , , ,<br />
s<br />
(a + b + c d) (a + b c + d) (a b + c + d) ( a + b + c + d)<br />
16<br />
abcd cos 2<br />
Dati i lati a, b, c, d, l’area risulta massima quando + = + = , cioè<br />
se il quadrilatero è ciclico. Dimostriamo questa formula. La diagonale per e<br />
ha lunghezza<br />
p a 2 + b 2 2ab cos ( ) = p c 2 + d 2 2cd cos ( ):<br />
Questa diagonale divide il quadrilatero in due triangoli di area ab sin( )=2 e<br />
cd sin( )=2. Quindi, se A è l’area del quadrilatero,<br />
= a 2 b 2 + c 2 d 2<br />
4A 2 = (ab sin( ) + cd sin( )) 2<br />
(ab cos( ) cd cos( )) 2<br />
2abcd cos ( + ) :<br />
Osservando che 2 (ab cos( ) cd cos( )) = a 2 +b 2 c 2 d 2 e che cos ( + ) =<br />
2 cos 2 (( + ) =2) 1, si conclude che<br />
16A 2 = 4 a 2 b 2 + c 2 d 2<br />
a 2 + b 2<br />
c 2<br />
2 2<br />
d<br />
8abcd 2 cos 2 +<br />
2<br />
1 =<br />
(a + b + c d) (a + b c + d) (a b + c + d) ( a + b + c + d) 16abcd cos 2 +<br />
2<br />
210<br />
+<br />
2<br />
:<br />
:
In particolare, se d = 0 la formula di Brahmagupta si riduce a quella di<br />
Erone per l’area di un triangolo con lati a, b, c,<br />
r<br />
(a + b + c) (a + b c) (a b + c) ( a + b + c)<br />
:<br />
16<br />
Come osservano Dirichlet, Weierstrass, ed altri, queste dimostrazioni di<br />
Zenodoro e Steiner, per quanto convincenti, non sono completamente rigorose<br />
perché presuppongono l’esistenza di un massimo. Di fatto, ci sono esempi<br />
di problemi di massimo o minimo senza soluzioni. ”Sarebbe come asserire<br />
che 1 è il più grande numero naturale, perché per ogni altro numero x c’è<br />
x 2 che è più grande”. Comunque queste dimostrazioni possono essere completate<br />
utilizzando degli argomenti di compattezza. Se A è l’estremo superiore<br />
per l’area delle …gure con perimetro P , esiste una successione di …gure<br />
con perimetri j@ nj = P ed aree limn!+1 j nj = A. Queste …gure possono<br />
essere prese convesse e contenute in un insieme limitato, infatti prendendo<br />
l’involucro convesso di una …gura non convessa si diminuisce il perimetro<br />
ed aumenta l’area, inoltre una …gura con perimetro P può essere racchiusa<br />
in un cerchio con diametro P . In…ne, de…nita la distanza tra due insiemi<br />
d (X; Y ) = sup x2X infy2Y jx yj + sup y2Y infx2X jx yj, si può mostrare che<br />
da ogni successione di convessi contenuti in un insieme limitato si può estrarre<br />
una sottosuccessione convergente. Nel nostro caso la sottosuccessione converge<br />
ad una …gura con perimetro P ed area A. A questo punto si possono applicare<br />
gli argomenti di Steiner e concludere che una …gura di area massima deve essere<br />
un cerchio.<br />
Esistono molte altre dimostrazioni della disuguaglianza isoperimetrica. Per<br />
esempio, la seguente dimostrazione analitica è dovuta a Adolf Hurwitz (1859-<br />
1919), con un contributo di Lebesgue per una precisa de…nizione del dominio di<br />
applicabilità. Sia una regione piana delimitata da una curva semplice chiusa<br />
@ . Se la curva è retti…cabile con lunghezza uno, può essere parametrizzata<br />
dalla lunghezza d’arco e descritta da una funzione periodica di periodo uno<br />
s z(s) = x(s) + iy(s), Lipschitz, jz (s1) z (s2)j js1 s2j. In particolare<br />
questa funzione è assolutamente continua con jdz=dsj = 1 quasi ovunque ed ha<br />
uno sviluppo in serie di Fourier<br />
z(s) =<br />
+1X<br />
k= 1<br />
bz(k) exp(2 iks):<br />
Siccome jdz=dsj = 1, la lunghezza della curva è<br />
=<br />
j@ j =<br />
( +1X<br />
k= 1<br />
Z 1<br />
0<br />
( Z 1<br />
d<br />
z(s) ds =<br />
ds 0<br />
j2 ikbz(k)j 2<br />
)1=2<br />
= 2<br />
211<br />
d<br />
ds z(s)<br />
)<br />
2<br />
1=2<br />
ds<br />
( +1X<br />
k= 1<br />
k 2 jbz(k)j 2<br />
)1=2<br />
:
Similmente, l’area della regione delimitata dalla curva è<br />
ZZ<br />
j j = dxdy = 1<br />
Z<br />
2<br />
= Im<br />
1<br />
2<br />
@<br />
+1X<br />
k= 1<br />
(xdy ydx) = Im 1<br />
2<br />
!<br />
2 ikbz(k)bz(k)<br />
=<br />
Z 1<br />
0<br />
+1X<br />
k= 1<br />
z(s) d<br />
ds z(s)ds<br />
k jbz(k)j 2 :<br />
Comparando l’area con il quadrato del perimetro, si ottiene<br />
j@ j 2<br />
4 j j = 4 2<br />
+1X<br />
k= 1<br />
k 2<br />
k jbz(k)j 2 :<br />
Poiché tutti i termini della serie sono non negativi, si ha j@ j 2<br />
4 j j,<br />
con uguaglianza se e solo se z(s) = bz(0) + bz(1) exp(2 is), che è l’equazione di<br />
un cerchio. In…ne, se la disequazione j@ j 2<br />
4 j j è veri…cata per curve di<br />
lunghezza uno, per omogeneità è veri…cata per curve di lunghezza arbitraria.<br />
Questa dimostrazione suggerisce anche la possibilità di misurare quantitativamente<br />
la di¤erenza tra la curva z(s) ed il cerchio bz(0) + bz(1) exp(2 is),<br />
sup jz(s) (bz(0) + bz(1) exp(2 is))j<br />
0 s 1<br />
X<br />
jbz(k)j<br />
8<br />
<<br />
:<br />
k6=0;1<br />
4 2 1 X<br />
k 2<br />
k<br />
91=2<br />
(<br />
=<br />
1<br />
4<br />
;<br />
2<br />
+1X<br />
k 2<br />
k jbz(k)j 2<br />
)1=2<br />
k6=0;1<br />
= 2<br />
In particolare, se " = 2<br />
1=2 1 n<br />
j@ j 2<br />
n<br />
1=2 1 j@ j 2<br />
k= 1<br />
o1=2 4 j j<br />
:<br />
o1=2 4 j j<br />
è il de…cit isoperimet-<br />
rico, se S = jbz(1)j è il raggio del cerchio bz(0) + bz(1) exp(2 is), se r e R sono i<br />
raggi del più grande cerchio inscritto e del più piccolo cerchio circoscritto alla<br />
…gura, allora S " r R S + ". Una disuguaglianza un poco più precisa è<br />
dovuta a Tommy Bonnesen,<br />
j@ j<br />
q<br />
j@ j 2<br />
2<br />
4 j j<br />
r R<br />
j@ j +<br />
q<br />
j@ j 2<br />
2<br />
4 j j<br />
:<br />
Nello stesso spirito della dimostrazione di Hurwitz, mostriamo ora che se D<br />
è il diametro e L la lunghezza di una curva convessa, allora L D. Questa<br />
volta per descrivere la curva z(t) si sceglie come parametro l’angolo 2 t della<br />
tangente. Quindi, dz(t)=dt = jdz(t)=dtj exp (2 it) e la lunghezza della curva è<br />
Z 1<br />
0<br />
Z 1<br />
d<br />
d<br />
z(t) dt = z(t) exp ( 2 it) dt = 2 ibz(1):<br />
dt dt<br />
0<br />
212
D’altra parte, si ha anche<br />
bz(1) =<br />
Z 1<br />
0<br />
z(t) exp ( 2 it) dt = 1<br />
2<br />
Z 1<br />
0<br />
(z(t) z(t + 1=2)) exp ( 2 it) dt:<br />
Siccome jz(t) z(t + 1=2)j è minore o uguale al diametro della curva, si<br />
ottiene L D. Il cerchio non è l’unica curva che veri…ca l’uguaglianza.<br />
Questa infatti vale per ogni curva con spessore costante. In…ne, l’area interna<br />
ad una curva con diametro D è al più D2 =4. Assumendo che la curva<br />
passi per l’origine e sia contenuta nel semipiano superiore e sia descritta in<br />
coordinate polari dall’equazione = (#), per il teorema di Pitagora si ha<br />
2 2 (#) + (# + 1=2) 2 D , da cui segue che la stima dell’area<br />
Z Z<br />
d d# = 1<br />
Z<br />
2 0<br />
2<br />
(#)d#<br />
= 1<br />
2<br />
f0< < (#); 0
l’uguaglianza vale solo se ry1(x) = ry2(x) per ogni x in D, cioè se y1(x) =<br />
c y2(x), cioè se il corpo è già simmetrico. Se tra tutti i corpi di volume …ssato<br />
ce n’è uno che minimizza l’area, i suoi simmetrizzati rispetto a piani arbitrari<br />
per il suo baricentro devono coincidere con il corpo stesso. Se P e Q sono due<br />
punti sul bordo @ e se la simmetrizzazione rispetto al piano per il baricentro O<br />
e perpendicolare al segmento P Q lascia questi punti invariati, allora questi punti<br />
P e Q sono equidistanti dal baricentro O. Quindi, se un corpo è invariante per<br />
simmetrizzazione, tutti i punti del suo bordo sono equidistanti dal baricentro.<br />
Quindi, se tra tutti i corpi di volume …ssato ce n’è uno con area minima, questo<br />
è una sfera. Di fatto, si può dimostrare che questo minimo esiste.<br />
Una altra elegante dimostrazione della disuguaglianza isoperimetrica si può<br />
ricavare dalla disuguaglianza di Hermann Karl Brunn (1862-1939) e Hermann<br />
Minkowski (1864-1909). Se X e Y sono insiemi compatti non vuoti in Rd con<br />
volumi jXj e jY j, allora jX + Y j 1=d<br />
jXj 1=d + jY j 1=d . L’uguaglianza vale solo<br />
quando il volume della somma è zero, o un’insieme si riduce ad un solo punto,<br />
o gli insiemi sono omotetici. Dimostriamo la disuguaglianza quando X e Y<br />
sono parallelogrammi con spigoli paralleli agli assi di lunghezza fxjg e fyjg. In<br />
questo caso, anche X + Y è un parallelogrammo con spigoli fxj + yjg. Per la<br />
disuguaglianza tra le medie aritmetiche e geometriche,<br />
Quindi,<br />
0<br />
@<br />
dY<br />
xj<br />
xj + yj<br />
j=1<br />
dX 1<br />
d<br />
xj<br />
1<br />
A<br />
1=d<br />
xj + yj<br />
j=1<br />
jXj 1=d + jY j 1=d 0<br />
dY<br />
= @<br />
0<br />
@<br />
0<br />
dY<br />
+ @<br />
+ 1<br />
dX<br />
d<br />
j=1<br />
1<br />
dY<br />
(xj + yj) A<br />
j=1<br />
yj<br />
xj + yj<br />
j=1<br />
xj<br />
xj + yj<br />
j=1<br />
xj<br />
1=d<br />
1<br />
A<br />
1=d<br />
1<br />
A<br />
1=d<br />
= 1:<br />
0<br />
dY<br />
+ @<br />
j=1<br />
yj<br />
= jX + Y j 1=d :<br />
Dimostriamo ora la disuguaglianza quando X e Y sono unione di parallelogrammi<br />
con spigoli paralleli agli assi, per induzione sul numero di parallelogrammi<br />
in X [ Y . Traslando opportunamente X, si può assumere che<br />
l’iperpiano fxd = 0g lo divida in due parti X sopra e sotto questo iperpiano,<br />
che contengono ciascuna meno parallelogrammi di X. Traslando poi Y ,<br />
si può assumere che risulti diviso dall’iperpiano fxd = 0g in due parti Y con<br />
jX j = jXj = jY j = jY j. Si ha X + Y fxd 0g e X+ + Y+ fxd 0g ed il<br />
numero di parallelogrammi in X [ Y e in X+ [ Y+ risulta minore del numero<br />
214<br />
1<br />
A<br />
1=d
di parallelogrammi in X [ Y . Per l’ipotesi di induzione su questo numero si ha<br />
= jX j<br />
1 +<br />
jX + Y j jX + Y j + jX+ + Y+j<br />
jX j 1=d d<br />
1=d<br />
+ jY j<br />
jY j1=d<br />
jXj 1=d<br />
! d<br />
+ jX+j<br />
1 +<br />
+ jX+j 1=d d<br />
1=d<br />
+ jY+j<br />
jY j1=d<br />
jXj 1=d<br />
! d<br />
= jXj 1=d d<br />
1=d<br />
+ jY j :<br />
In…ne, con un processo di approssimazione la disuguaglianza si estende ad insiemi<br />
compatti arbitrari. Basta ricoprire X e Y con parallelogrammi con unioni<br />
X(") e Y (") tali che jX(")nXj < ", jY (")nY j < ", j(X(") + Y (")) n (X + Y )j <<br />
". Ricordiamo ora la de…nizione di area di Minkowski. Se = fjxj 1g è la<br />
sfera di raggio uno con centro nell’origine e se è un compatto arbitrario, si<br />
può de…nire l’area di @ come il limite, se esiste,<br />
j + j j j<br />
j@ j = lim<br />
:<br />
!0+<br />
Cioè il rapporto tra il volume e l’altezza della buccia f0 < d(x; ) < g tende<br />
all’area j@ j della super…cie @ . La derivata dell’area è il perimetro e la derivata<br />
del volume è l’area. Con questi strumenti la dimostrazione della disuguaglianza<br />
isoperimetrica è immediata. Per la disuguaglianza di Brunn-Minkowski e per la<br />
de…nizione di area di Minkowski,<br />
lim<br />
!0+<br />
j + j j j<br />
j@ j = lim<br />
!0+<br />
j j 1=d d<br />
1=d<br />
+ j j<br />
j j<br />
= d j j 1=d j j (d 1)=d :<br />
In altre parole, j@ j d<br />
dd j j j j d 1 . Quando è una sfera tutte queste<br />
disuguaglianze diventano uguaglianze. In particolare, se la dimensione è uno<br />
j@ j 2, se la dimensione è due j@ j 2<br />
4 j j, se la dimensione è tre j@ j 3<br />
36 j j 2 ,...<br />
Anche la catenaria compare nella teoria delle super…ci minime. Per un teorema<br />
di Pappo, ritrovato poi da Paulus Guldino (1577-1643), la super…cie generata<br />
dalla rotazione di una curva intorno ad un asse è uguale alla lunghezza della<br />
curva per la lunghezza del cerchio percorso dal baricentro della curva. C’è quindi<br />
una relazione tra le super…ci di rotazione minime e le curve con il baricentro<br />
basso. Una curva y = y(x) con a x b e y(a) = A e y(b) = B che ruota in-<br />
Z b q<br />
torno all’asse delle ascisse genera una super…cie di area 2 y 1 + (dy=dx) 2 dx.<br />
Per minimizzare questo integrale rispetto a tutte le curve per (a; A) e (b; B),<br />
si considera una variazione y + "z, si deriva l’integrale rispetto ad " ed impo-<br />
nendo alla derivata di essere nulla per ogni scelta di z con z(a) = z(b) = 0 si<br />
ottiene l’equazione di Eulero-Lagrange y d 2 y=dx 2 (dy=dx) 2<br />
1 = 0, che ha<br />
215<br />
a
come soluzione la catenaria. Questo è un risultato di Eulero. Un’altra super-<br />
…cie minima è l’elicoide (s cos(t); s sin(t); t) ed altre ancora si possono ottenere<br />
con esperimenti con lamine saponate. Con questi esperimenti Joseph Antoine<br />
Ferdinand Plateau (1801-1883) ha trovato un certo numero di proprietà delle<br />
super…ci minime, che sono state poi dimostrate rigorosamente.<br />
216
Roberval (1602-1675) Torricelli (1608-1647) Wren (1632-1723)<br />
Galileo Galilei (1564-1642)<br />
CICLOIDE<br />
La cicloide è la curva descritta da un punto di un cerchio che rotola lungo una<br />
retta. Se alla traslazione del centro del cerchio (#; 1) si somma la rotazione del<br />
punto intorno al centro (sin(#); cos(#)), si ottiene la rappresentazione parametrica<br />
x = # sin(#);<br />
y = 1 cos(#):<br />
In una lettera del 14 Febbraio 1640 Cavalieri scrive a Galileo: ”Mi sono stati<br />
mandati da Parigi due quesiti da quei matematici circa dei quali temo di farmi<br />
poco onore”. La risposta di Galileo è del 24 Febbraio 1640:<br />
”Dei quesiti mandatigli di Francia non so che sia stato dimostrato alcuno.<br />
Gli ho con lei per di¢ cili molto a essere sciolti. Quella linea arcuata sono più di<br />
cinquant’anni che mi venne in mente il descriverla, e l’ammirai per una curvità<br />
graziosissima per adattarla agli archi di un ponte. Feci sopra di essa e sopra lo<br />
spazio da lei e dalla sua corda compreso diversi tentativi per dimostrarne qualche<br />
passione, e parve da principio che tale spazio potesse essere triplo del cerchio<br />
che lo descrive ma non fu così, benché la di¤erenza non sia molta. Ebbi circa<br />
un anno fa una scrittura di un padre Mersenno dei Minimi di San Francesco di<br />
Paola mandatami da Parigi, ma scrittami in caratteri tali che tutta l’Accademia<br />
217
di Firenze non ne potesse intender tanto che se ne potesse trar costrutto alcuno...<br />
Io risposi all’amico che me la mandò che facesse intendere al detto padre che<br />
mi scrivesse in caratteri più intelligibili”.<br />
Se suggerimento di Mersenne, Roberval studia le proprietà di questa curva e<br />
nel 1634 trova l’area sottesa dalla cicloide ed il risultato è riscoperto da Torricelli<br />
nel 1644 :<br />
”Lo spazio compreso fra la cicloide e la sua retta di base è triplo del circolo<br />
generatore. Ovvero è sesquialtero del triangolo avente la sua stessa base ed<br />
altezza”.<br />
Similmente, Wren dimostra la lunghezza della cicloide è otto volte il raggio<br />
del cerchio generatore,<br />
Z 2 Z 2<br />
ydx = (1 cos(#)) 2 d# = 3 ;<br />
Z 2<br />
0<br />
0<br />
p dx 2 + dy 2 =<br />
0<br />
Z 2<br />
0<br />
q<br />
(1 cos(#)) 2 + (sin(#)) 2 d# = 8:<br />
La quadratura di Roberval utilizza gli indivisibili di Cavalieri e l’osservazione<br />
che sezioni parallele alla base della cicloide (# sin(#); 1 cos(#)) sono uguali<br />
a sezioni del cerchio (sin(#); 1 cos(#)) più sezioni della curva compagna della<br />
cicloide (#; 1 cos(#)), la sinusoide. Quindi l’area sotto la cicloide è uguale<br />
all’area del cerchio più l’area sotto la sinusoide e, per simmetria, questa sinusoide<br />
è la metà del rettangolo con base la circonferenza ed altezza il diametro.<br />
La cicloide è<br />
uguale al cerchio<br />
più la compagna,<br />
che è metà rettangolo.<br />
Robenval:<br />
x = # sin(#);<br />
y = 1 cos(#);<br />
x = sin(#);<br />
y = 1 cos(#);<br />
x = #;<br />
y = 1 cos(#):<br />
”La direzione del moto di un punto che descrive una linea curva è<br />
tangente alla curva... Esaminando i diversi movimenti del punto e<br />
tracciandone la risultante, si ottiene la tangente alla curva.”<br />
218
Componendo la rotazione intorno al centro del cerchio con la traslazione<br />
del centro, Roberval dimostra che la tangente ad una cicloide è la retta per il<br />
punto sulla cicloide ed il punto sul cerchio generatore diametralmente opposto al<br />
punto di contatto alla retta base. Poi trova anche il volume del solido generato<br />
dalla rotazione di un arco di cicloide intorno alla base, ma non pubblica le sue<br />
scoperte. Il motivo è che il Collegio Reale di Parigi mette a concorso ogni tre<br />
anni una cattedra con una competizione su argomenti scelti dal titolare. Vinta<br />
la cattedra nel 1634, Roberval riesce a conservala per quarant’anni. Quando<br />
poi le proprietà della cicloide vengono ritrovate da altri, scoppiano le polemiche.<br />
In particolare Torricelli osserva che il principio di composizione delle velocità<br />
di Roberval è già presente in Galileo ed anche Fermat utilizza questo principio<br />
ottenendo, in un certo senso, la nostra de…nizione di derivata. La tangente alla<br />
curva y = f(x) si ottiene componendo gli spostamenti orizzontali (x + h) x<br />
con quelli verticali f(x + h) f(x), il coe¢ ciente angolare della tangente è il<br />
limite dei rapporti incrementali (f(x + h) f(x)) =h.<br />
La lunghezza di un arco<br />
di cicloide secondo Wren.<br />
Se si tracciano le tangenti alla cicloide nel suo vertice V ed in un punto P<br />
e se le due tangenti si intersecano in un punto Q, l’arco di cicloide V P<br />
è il doppio del segmento V Q.<br />
Nel 1673 Huygens de…nisce l’evolvente e l’evoluta di una curva.<br />
”Se si considera un …lo avvolto su una linea concava, rimanendo un’estremità<br />
del …lo sempre attaccata alla curva e l’altra restando libera in modo che la parte<br />
non legata rimanga sempre tesa, è chiaro che questa estremità del …lo descriverà<br />
un’altra curva che sarà descritta per evoluzione. La linea alla quale il …lo era<br />
avvolta si chiama evoluta.”<br />
In termini moderni l’evoluta è il luogo dei centri di curvatura di una curva<br />
e, relativamente alle coniche, si trova già nelle Coniche di Apollonio. Dopo<br />
aver mostrato che le rette tangenti all’evoluta incontrano l’evolvente ad angoli<br />
retti, Huygens dimostra che l’evolvente di una cicloide è ancora una cicloide.<br />
In’altra curva con questa proprietà di autoriprodursi è la spirale logaritmica.<br />
Infatti, come mostrato da Bernoulli, l’evoluta di una spirale logaritmica è la<br />
stessa spirale.<br />
219
Huygens e l’evolvente ed<br />
evoluta di una cicloide.<br />
”Se una linea retta è tangente ad una cicloide nel suo vertice e su questa<br />
retta presa come base viene costruita un’altra cicloide uguale alla prima<br />
con inizio nel vertice, una qualunque retta tangente alla cicloide inferiore<br />
incontra ad angoli retti la cicloide superiore... Per evoluzione, a partire<br />
da una semicicloide si descrive un’altra semicicloide uguale all’evoluta,<br />
la cui base coincide con la retta che tocca la cicloide evoluta nel vertice.”<br />
La normale alla cicloide per il punto di parametro # ha equazione<br />
y (1 cos(#)) =<br />
cos(#) 1<br />
sin(#)<br />
(x (# sin(#))) ;<br />
x x cos(#) + y sin(#) + # cos(#) # = 0;<br />
e la normale in un punto in…nitesimamente vicino di parametro # + d#,<br />
(x x cos(#) + y sin(#) + # cos(#) #)<br />
+ (x sin(#) + y cos(#) + cos(#) # sin(#) 1) d# = 0:<br />
Il punto di intersezione di due normali in…nitamente vicine è una cicloide<br />
uguale alla prima ma traslata di ( ; 2), (x; y) = (sin(#) + #; cos(#) 1). Se<br />
A = (# sin(#); 1 cos(#)) è un punto sulla evolvente, B = (sin(#) + #; cos(#) 1)<br />
il punto corrispondente sulla evoluta, C = ( ; 2) il vertice della cicloide evoluta,<br />
la distanza tra A e B è 4 sin(#=2) e la lunghezza dell’arco di cicloide tra<br />
B e C è 4 4 sin(#=2). Quindi la somma del segmento AB più l’arco BC è<br />
costante e uguale a quattro volte il raggio.<br />
Huygens scopre anche che la cicloide è tautocrona.<br />
220
La tautocrona<br />
di Huygens.<br />
”In una cicloide rovesciata, i tempi di discesa di un corpo che parte da punti<br />
qualsiasi della curva e raggiunge il punto più basso sono uguali. Il rapporto<br />
tra questi tempi ed il tempo di caduta verticale lungo l’asse della cicloide<br />
è uguale al rapporto tra metà circonferenza e diametro del cerchio.”<br />
Scivolando senza attrito lungo una cicloide rovesciata (# sin(#); cos(#) 1)<br />
un corpo pesante raggiunge il punto più basso ( ; 2) in un tempo indipendente<br />
dal punto di partenza. Per la conservazione dell’energia cinetica e potenziale,<br />
se in un punto di parametro la velocità iniziale è v( ) = 0, in un punto<br />
di parametro # la velocità è v(#) = p 2g (y( ) y(#)). Siccome tempo =<br />
spazio=velocita, il tempo impiegato per scivolare lungo la cicloide da un punto<br />
di parametro al punto di parametro è<br />
Z<br />
q<br />
(1 cos(#)) 2 + ( sin(#)) 2<br />
p d#<br />
2g ((cos( ) 1) (cos(#) 1))<br />
= 1<br />
Z<br />
p<br />
g<br />
= 2<br />
p g<br />
sin(#=2)<br />
p cos 2 ( =2) cos 2 (#=2) d#<br />
Z 1<br />
0<br />
dw<br />
p<br />
1 w2 = p g :<br />
Il tempo di caduta lungo la verticale da ( ; 0) a ( ; 2) è invece 2= p g,<br />
quindi il rapporto tra il tempo di discesa lungo la cicloide e lungo l’asse verticale<br />
è =2. L’evoluta di una cicloide è ancora una cicloide e la cicloide è tautocrona.<br />
Questi sono i principi utilizzati da Huygens nella costruzione di orologi<br />
a pendolo cicloidali. Se un pendolo oscilla tra due guide cicloidali rovesciate,<br />
descrive una cicloide ed il periodo dell’oscillazione è indipendente dall’ampiezza<br />
dell’oscillazione stessa.<br />
I classici pendoli circolari sono solo approssimativamente tautocroni per piccole<br />
oscillazioni. Infatti il tempo impiegato da un corpo pesante per scivolare<br />
lungo un pendolo circolare (R sin(#); R R cos(#)) da un punto di parametro<br />
al punto di parametro 0 è un integrale ellittico,<br />
s<br />
Z<br />
R<br />
2g 0<br />
d#<br />
p cos(#) cos( ) =<br />
s<br />
R<br />
g<br />
221<br />
Z =2<br />
q<br />
d'<br />
0 1 sin 2 ( =2) sin 2 :<br />
(')
Per piccolo il termine sin 2 ( =2) sin 2 (') risulta trascurabile, quindi, come<br />
osservato da Galileo, il periodo delle piccole oscillazioni di un pendolo circolare<br />
è approssimativamente 2 p R=g. Al contrario, il periodo di tutte le oscillazioni<br />
di un pendolo cicloidale è esattamente 4 p R=g. Tenuto però conto dei vari<br />
attriti che in ogni caso compromettono la precisione di un orologio, le migliori<br />
prestazioni di un pendolo cicloidale sono più teoriche che reali.<br />
Nel 1696 Bernoulli pubblica la seguente s…da.<br />
”Si invitano i matematici a risolvere un problema nuovo. Dati due punti<br />
A e B in un piano verticale, trovare la curva AMB lungo la quale un corpo<br />
mobile M, che parte da A e scende per gravità, arriva a B nel più breve tempo<br />
possibile.”<br />
Il problema è di fatto già presente in Galileo, il quale congettura che ”il<br />
movimento più veloce da punto a punto non ha luogo lungo la linea più breve,<br />
cioè la retta, ma lungo un arco di cerchio”. La soluzione corretta viene data nel<br />
1697 da entrambi i fratelli Bernoulli, de l’Hospital, Leibniz, e da un anonimo:<br />
”Problema: Trovare la curva AB lungo la quale un corpo pesante scende per<br />
gravità da un punto A ad un punto B più velocemente.<br />
Soluzione: Per il punto A tracciare la linea orizzontale e su questa una<br />
cicloide che interseca la linea AB nel punto Q, poi una seconda cicloide con<br />
base e altezza rispetto alla base e altezza della prima cicloide come AB sta a<br />
AQ. Questa seconda cicloide passa per A e B ed è la curva lungo la quale il<br />
corpo discende più velocemente dal punto A a B.”<br />
Osserviamo che si è anche dimostrato che per due punti passa uno ed un solo<br />
arco di cicloide. ”Ex ungue leonem”, l’anonimo viene identi…cato con Newton.<br />
La soluzione del più giovane dei Bernoulli utilizza un’analogia con il principio<br />
di rifrazione di Fermat e ”l’ipotesi di Galileo” secondo la quale la velocità di un<br />
corpo che cade è proporzionale alla radice quadrata dell’altezza. Poniamo un<br />
sistema di assi cartesiani con origine nel punto di partenza ed asse delle ordinate<br />
rivolto verso il basso e denotiamo con ' l’angolo tra questo asse e la tangente<br />
alle curva. La velocità v e l’altezza y del corpo sono legate dalla relazione<br />
v = p 2gy. Se pensiamo a degli strati di materiali dove la velocità della luce è<br />
data da v = p 2gy, il cammino più rapido è quello che in ogni punto soddisfa<br />
la legge di rifrazione v= sin(') = k. Poiché sin(') = 1 + (dy=dx) 2<br />
ottiene l’equazione di¤erenziale<br />
r<br />
2gy 1 + (dy=dx) 2 = k;<br />
dy<br />
dx =<br />
r<br />
2r y<br />
:<br />
y<br />
1=2<br />
, si<br />
La soluzione per (0; 0) è la cicloide (x; y) = r (# sin(#); 1 cos(#)) e<br />
scegliendo il raggio r si può imporre il passaggio per un altro punto. Bernoulli osserva<br />
anche che se la velocità di caduta non è proporzionale alla radice quadrata<br />
222
dell’altezza ma alla radice cubica, allora la brachistocrona è algebrica e la tautocrona<br />
trascendente. Se invece la velocità di caduta è proporzionale all’altezza,<br />
sia la brachistocrona che la tautocrona sono algebriche, la prima è un cerchio<br />
e la seconda una retta. Nel 1715 Taylor osserva che l’equazione di¤erenziale<br />
ottenuta da Bernoulli ha più di una soluzione. Si può seguire la cicloide …no<br />
al vertice y = 2r, poi proseguire per un po’in piano con dy=dx = 0, ed in…ne<br />
risalire sulla cicloide. Comunque, queste soluzioni spurie non minimizzano il<br />
tempo.<br />
Consideriamo ora un modello più realistico di brachistocrona con attrito.<br />
Sia (x(s); y(s)) l’equazione parametrica di una curva, con lunghezza d’arco s.<br />
Sia T = x(s); y(s) la tangente e N = y(s); x(s) la normale alla curva,<br />
F = (0; mg) la forza di gravità e "(F N)T = "mgx(s) x(s); y(s) l’attrito.<br />
Le componenti del peso e dell’attrito lungo la curva sono mgy(s) e "mgx(s)<br />
e, per la legge di Newton,<br />
m d2s = mgy(s) "mgx(s):<br />
dt2 Sostituendo v = ds=dt e dv=dt = vdv=ds = d<br />
ds v2 =2 , si ottiene<br />
d<br />
ds<br />
0<br />
v 2<br />
2<br />
d<br />
= g (y "x) :<br />
ds<br />
Se nell’origine la velocità del corpo è zero si ottiene v = p 2g(y "x) ed il<br />
tempo T per percorrere un tratto L di curva da (0; 0) a (a; b) è<br />
Z L<br />
ds<br />
T =<br />
v =<br />
s<br />
Z a<br />
1 + (dy=dx) 2<br />
2g(y "x) dx:<br />
0<br />
La curva che rende minimo questo integrale si trova risolvendo un’equazione<br />
di Eulero-Lagrange,<br />
Brachistocrone<br />
con e senza attrito.<br />
x = r (# sin(#)) + "r (1 cos(#)) ;<br />
y = r (1 cos(#)) + "r (# + sin(#)) :<br />
Se c’è attrito ci sono punti non raggiungibili da una brachistocrona, se<br />
l’attrito è troppo il corpo non si muove.<br />
223
224
Dedekind (1831-1916) Cantor (1845-1918) Peano (1858-1932)<br />
NUMERI RAZIONALI; ALGEBRICI; T RASCENDENT I<br />
La matematica si è sempre occupata di numeri, ma cosa sia esattamente<br />
un numero non è mai stato chiaro, infatti l’introduzione di un qualche nuovo<br />
numero, lo zero, i negativi, gli irrazionali, gli immaginari, ha sempre creato<br />
sospetti e perplessità. Di fatto una de…nizione rigorosa di numero è relativamente<br />
recente e risale solo alla seconda metà del secolo XIX. Hermann Günther<br />
Grassmann (1808-1877) nel 1861, poi Julius Wilheln Richard Dedekind (1831-<br />
1916) nel 1888 e Giuseppe Peano (1858-1932) nel 1889, mostrano che molte delle<br />
proprietà dei numeri si possono derivare dal processo di induzione. In particolare,<br />
dimenticando l’a¤ermazione di Kronecker, ”Dio ha creato i numeri interi,<br />
tutto il resto è opera dell’uomo”, Peano introduce l’insieme dei numeri naturali<br />
con un sistema di assiomi:<br />
”I primi numeri che si presentano, e con cui si formano tutti gli altri, sono<br />
gli interi e positivi. E la prima questione è: possiamo noi de…nire l’unità,<br />
il numero, la somma di due numeri?... Se il numero non si può de…nire, si<br />
possono enunciare quelle proprietà da cui derivano come conseguenza tutte le<br />
innumerevoli e ben note proprietà dei numeri. I concetti, adunque, che noi<br />
de…niamo sono quelli di numero, N, di unità, 1, e di successivo di un numero<br />
a, che qui si indica per un istante con a+... Le proposizioni primitive, vale a<br />
dire le proposizioni esprimenti le più semplici proprietà dei numeri interi, da<br />
cui derivano tutte le altre, sono:<br />
1. ”L’unità è un numero”.<br />
2. ”Il segno + messo dopo un numero produce un numero”.<br />
3. ”Se a e b sono due numeri, e se i loro successivi sono uguali, anche essi<br />
sono uguali”.<br />
4. ”L’unità non segue alcun numero”.<br />
5. ”Se S è una classe che contiene l’unità, e se la classe formata dai successivi<br />
di S è contenuta in S, allora ogni numero è contenuto nella classe S”.<br />
... Questa proprietà è comunemente chiamata la regola di induzione matematica.”<br />
225
Se si vuole, nel de…nire i numeri naturali N si può anche partire da zero con<br />
i seguenti assiomi: 0 è un numero. Ogni numero a ha un successore S(a). Se<br />
S(a) = S(b) allora a = b. Per ogni a si ha S(a) 6= 0. Se un insieme di numeri<br />
ha la proprietà che 0 appartiene all’insieme e per ogni a nell’insieme anche<br />
S(a) è nell’insieme, allora questo insieme contiene tutti i numeri. L’addizione<br />
e la moltiplicazione tra numeri naturali si de…niscono ricorsivamente ponendo<br />
a + 0 = 0 e a + S(b) = S(a + b), a 0 = 0 e a S (b) = (a b) + a. Si dimostra<br />
poi per induzione che le operazioni così de…nite soddisfano le leggi associative,<br />
distributive, commutative, (a + b) + c = a + (b + c), (a b) c = a (b c),<br />
a (b + c) = (a b)+(a c), a+b = b+a, a b = b a. Per esempio, per dimostrare<br />
la proprietà associativa della somma basta mostrare che per ogni a e b l’insieme<br />
dei numeri c che veri…cano la legge (a + b) + c = a + (b + c) contiene c = 0 e se<br />
contiene c allora contiene anche S(c). In…ne, si può de…nire un ordine ponendo<br />
a < b se esiste c tale che a + c = b. Peano de…nisce poi i numeri interi relativi<br />
Z come coppie di interi (a; b), con addizione (a; b) + (c; d) = (a + c; b + d)<br />
e relazione di equivalenza (a; b) = (c; d) se a + d = b + c. La coppia (a; b)<br />
rappresenta quindi il numero a b. Sia Weierstrass che Peano de…niscono in<br />
modo astratto i numeri razionali Q come coppie ordinate di interi. Nell’insieme<br />
di tutte le coppie di interi relativi (a; b), con b > 0, si de…niscono le operazioni<br />
di somma e prodotto, (a; b) + (c; d) = (ad + bc; bd) e (a; b) (c; d) = (ac; bd).<br />
Si de…nisce poi una relazione di equivalenza, (a; b) = (c; d) se ad = bc, ed una<br />
relazione d’ordine, (a; b) > (c; d) se ad > bc. L’insieme delle coppie di interi<br />
relativi con questa somma e prodotto, quozientato rispetto alla relazione di<br />
equivalenza è il campo dei numeri razionali ed invece di (a; b) si scrive a=b. I<br />
razionali, più che su¢ cienti per tutti i problemi pratici, non esauriscono però<br />
l’insieme di tutti i numeri. Intuitivamente si possono de…nire i numeri reali come<br />
limiti di successioni razionali. Infatti Cantor nel 1872 de…nisce i numeri reali<br />
come classi di equivalenza di successioni di Cauchy di numeri razionali. Una<br />
successione è fondamentale se per ogni " > 0 tutti i suoi termini da un certo<br />
posto in poi di¤eriscono per meno di ", cioè fx(n)g +1<br />
n=1 è fondamentale se dato<br />
" > 0 esiste k tale che jx(n) x(m)j < " se n; m > k. Ogni successione fondamentale<br />
di numeri razionali è per de…nizione un numero reale e due successioni<br />
fx(n)g +1<br />
n=1 e fy(n)g+1 n=1 de…niscono lo stesso numero se jx(n) y(n)j tende a zero<br />
per n ! +1. Le operazioni sui numeri reali sono ereditate delle operazioni sulle<br />
successioni di razionali. In particolare, si può associare ad ogni numero reale<br />
la successione delle somme parziali del suo sviluppo decimale, quindi questa<br />
de…nizione astratta risulta più o meno equivalente alla de…nizione di numero<br />
reale come sviluppo decimale in…nito. Contemporaneamente a Cantor, nel 1872<br />
Dedekind pubblica le sue ri‡essioni su ”Continuità e numeri irrazionali”.<br />
”L’essenza della continuità è nel seguente principio: Se tutti i punti di una<br />
linea retta sono divisi in due classi in modo che ogni punto della prima sia<br />
a sinistra di ogni punto della seconda, allora esiste uno ed un solo punto che<br />
produce questa divisione in classi, questa sezione della retta in due parti.”<br />
Poi Dedekind estende questa osservazione apparentemente banale dalla retta<br />
ai numeri e de…nisce i numeri reali come elementi separatori tra classi contigue<br />
226
di razionali. Di fatto, senza presupporre a priori l’esistenza di un elemento<br />
separatore tra due classi contigue, è possibile de…nire un numero reale come<br />
una coppia di classi contigue di numeri razionali. Anzi, visto che una classe<br />
determina l’altra, è possibile de…nire i reali nel modo seguente. Una sezione del<br />
campo dei numeri razionali Q è un sottoinsieme proprio non vuoto di razionali<br />
con le proprietà: 1) Se x appartiene alla sezione, ogni razionale y minore di x<br />
appartiene alla sezione. 2) I razionali nella sezione non hanno massimo, cioè per<br />
ogni x nella sezione esiste y nella sezione maggiore di x. Denotiamo con , ,<br />
,..., le sezioni e con R l’insieme di tutte le sezioni. Ad ogni razionale z si può<br />
associare la sezione di tutti i razionali x < z. Questo permette di identi…care<br />
Q con un sottoinsieme di R, ma non tutte le sezioni sono ottenute in questo<br />
modo. Per esempio, l’insieme dei razionali negativi e positivi con x 2 < 2, che<br />
de…nisce p 2, non è una sezione razionale. Nell’insieme delle sezioni è possibile<br />
introdurre un ordinamento, ponendo < se è un sottoinsieme proprio di .<br />
Con questo ordinamento, ogni sottoinsieme non vuoto e superiormente limitato<br />
in R ha un estremo superiore de…nito dalla sezione sup 2A = [ 2A . La<br />
somma di due sezioni è la sezione + = fx + y; x 2 ; y 2 g. Il prodotto di<br />
sezioni positive è la sezione = fz < x y; x 2 ; y 2 ; x > 0; y > 0g. Poi,<br />
se < 0 e < 0, = ( ) ( ). Se > 0 e < 0, = ( ( )).<br />
L’insieme R con la somma ed il prodotto così de…niti risulta essere un campo,<br />
il campo dei numeri reali. De…niti i reali, si possono de…nire i numeri complessi<br />
C come coppie di numeri reali (a; b), con addizione (a; b) + (c; d) = (a + c; b + d)<br />
e moltiplicazione (a; b) (c; d) = (ac bd; ad + bc). Ponendo (0; 1) = i, invece<br />
(a; b) si può scrivere a + ib. Questa de…nizioni dei numeri complessi è dovuta<br />
a William Rowan Hamilton (1805-1865). Poiché i 2 = 1, si ha formalmente<br />
i = p 1, quindi si hanno i numeri complessi nella forma a + b p 1. In…ne,<br />
sostituendo x a p 1, si possono identi…care i numeri complessi con l’insieme<br />
dei polinomi a coe¢ cienti reali, modulo x 2 + 1, cioè con l’estensione algebrica<br />
del campo reale per mezzo delle radici di x 2 + 1. A questo punto sorge naturale<br />
una domanda. Si hanno le inclusioni N Z Q R C. C’è qualcosa sopra<br />
C? La risposta di Gauss a questa domanda è la seguente:<br />
”Le relazioni tra oggetti in insiemi con più di due dimensioni non possono<br />
dare origine ad una aritmetica generalizzata.”<br />
In particolare, non è possibile de…nire nello spazio tridimensionale una struttura<br />
di somma e prodotto compatibili con quelli sulla retta reale e sul piano<br />
complesso. Se così fosse, indicata con e = (1; 0; 0) l’unità di questa algebra,<br />
con i = (0; 1; 0) l’unità immaginaria, i i = e, con j = (0; 0; 1)<br />
una terza unità, si avrebbe i j = e + i + j con , , reali. E, assumendo<br />
la proprietà commutativa della somma ed associativa del prodotto,<br />
j = (i i) j = i (i j) = ( )e+( + )i+ 2 j. Quindi, per l’indipendenza<br />
dei vettori e, i, j, si dovrebbe avere 2 = 1, contrariamente all’ipotesi reale.<br />
Più in generale, se fosse possibile estendere le quattro operazioni dell’aritmetica<br />
da R a R n , si tratterebbe di una estensione algebrica e non si andrebbe al di là<br />
di C = R 2 . Comunque, i numeri complessi possono essere immersi nei quater-<br />
227
nioni di Hamilton, a + bi + cj + dk, con i 2 = j 2 = k 2 = 1, ij = ji = k.<br />
jk = kj = i, ki = ik = j, ma si perde la commutatività del prodotto. I<br />
quaternioni possono essere immersi negli ottetti di Arthur Caley (1821-1895),<br />
ma si perde anche la proprietà associativa.<br />
Ma, dopo queste de…nizioni astratte, torniamo ad occuparci di numeri in<br />
modo più concreto. I razionali sono rapporti di interi. Per esempio, gli antichi<br />
egizi usano solo frazioni con numeratore uno, ma ogni razionale può essere scomposto<br />
in somme di razionali distinti con numeratore uno e un algoritmo naturale<br />
per scomporre una frazione in frazioni egizie è dovuto al Fibonacci. Dato m=n,<br />
si sceglie a tale che 1=a m=n < 1=(a 1) e, se 1=a 6= m=n, si sceglie b tale<br />
che 1=b m=n 1=a < 1=(b 1),.... In un numero …nito di passi si ottiene<br />
m=n = 1=a + 1=b + ::: + 1=c. Per dimostrare che l’iterazione ha termine, basta<br />
osservare che m=n 1=a = p=q, con p < m. Infatti m=n 1=a = (ma n)=na<br />
e ma n < m se e solo se m=n < 1=(a 1). Comunque la scomposizione in<br />
frazioni egizie non è unica, per esempio 1=n = 1=(n + 1) + 1=(n 2 + n). Ogni numero<br />
razionale ha sviluppo decimale periodico. Per esempio, dividendo 22 per 7<br />
si ottiene 3 con resto 1, dividendo 10 per 7 si ottiene 1 con resto 3, dividendo 30<br />
per 7 si ottiene 4 con resto 2,..., il resto è sempre compreso tra 0 e 6 e quando si<br />
ripetere si ottiene il periodo, 22=7 = 3; 142857 142857::: Viceversa, ogni numero<br />
con sviluppo decimale periodico è razionale. Per esempio<br />
3; 142857 142857 142857::: = 3 + 142857<br />
1000000<br />
+1X<br />
n=0<br />
1000000 n = 3 + 142857<br />
999999<br />
= 22<br />
7 :<br />
Un corollario di quanto mostrato è che ogni numero con sviluppo decimale<br />
non periodico non è razionale. Lo sviluppo decimale è solo uno delle tante possibili<br />
rappresentazioni dei numeri. Nel 1703 Leibniz pubblica una ”Spiegazione<br />
dell’aritmetica binaria”, ma questa ed altre basi sono state utilizzate anche in<br />
precedenza. E ci sono anche sviluppi in basi variabili. Per ogni successione<br />
di interi fq(n)g +1<br />
n=1 , tutti maggiori di uno e per ogni numero reale 0 x < 1<br />
esistono degli interi 0 p(n) < q(n) tali che<br />
x =<br />
+1X<br />
n=1<br />
p(n)<br />
q(1)q(2):::q(n) :<br />
Se q(n) = 2 per ogni n si ha lo sviluppo binario e se q(n) = 10 quello<br />
decimale. Friedrich Engel (1861-1941) trova una generalizzazione delle frazioni<br />
egizie. Per ogni reale 0 < x < 1 esiste una ed una sola successione di interi<br />
q(1) q(2) q(3) ::: tale che<br />
x =<br />
+1X<br />
n=1<br />
1<br />
q(1)q(2):::q(n) :<br />
Inoltre, x è razionale se e solo se i q(n) sono costanti da un certo posto in<br />
poi. Cantor trova uno sviluppo di un numero in prodotto in…nito. Per ogni<br />
228
x > 1 esistono degli interi fq(n)g +1<br />
n=1 , con q(n + 1) q(n)2 tali che<br />
x =<br />
+1 Y<br />
n=1<br />
1 + 1<br />
q(n)<br />
Inoltre, x è razionale se q(n + 1) = q(n) 2 da un certo posto in poi.<br />
:<br />
Leibniz domanda<br />
ai Bernoulli se nello<br />
sviluppo binario di<br />
è presente qualche<br />
regola o struttura.<br />
Nel 1874 Cantor dimostra che i numeri razionali sono tanti quanti i naturali,<br />
ma gli irrazionali sono molti più. I numeri razionali sono numerabili, cioè possono<br />
essere messi in corrispondenza biunivoca con gli interi 1, 2, 3,... ed allineati<br />
in una successione. Infatti, per ogni n esiste solo un numero …nito di razionali<br />
p=q con jpj + jqj = n e questi possono essere ordinati per modulo crescente. In<br />
particolare, se n = 1 si ha solo 0=1, se n = 2 si ha 1=1 e 1=1, se n = 3 si ha<br />
2=1, 1=2, 1=2, 2=1,... In questo modo si ottiene l’ordinamento 0=1, 1=1,<br />
1=1, 2=1, 1=2, 1=2, 2=1, 3=1, 1=3, 1=3, 3=1, 4=1, 3=2, 2=3, 1=4, 1=4,<br />
2=3, 3=2, 4=1,... Più in generale, con questo processo diagonale Cantor dimostra<br />
che l’unione numerabile di insiemi numerabili è numerabile. Invece, i numeri<br />
reali non sono numerabili. Assumendo il contrario, esisterebbe un ordinamento<br />
di tutti i reali 0 < x < 1, con x(1) = 0; x11x12x13:::, x(2) = 0; x21x22x23:::,<br />
x(3) = 0; x31x32x33:::. A partire da questa lista numerabile è però possibile<br />
costruire un numero reale 0 < y < 1 non nella lista. Per esempio, ogni numero<br />
y = 0; y1y2y3::: con yj 6= xjj non è nella lista. Più in generale, Cantor dimostra<br />
che l’insieme delle parti di un dato insieme ha cardinalità maggiore dell’insieme<br />
di partenza. Infatti, per ogni funzione y = F (x) da un insieme X nell’insieme<br />
delle parti P (X), si può costruire un sottoinsieme A di X ponendo x 2 A se e<br />
solo se x =2 F (x). Se la funzione fosse suriettiva, si dovrebbe avere A = F (x)<br />
per un qualche x, ma per questi x ed A si avrebbe contemporaneamente x 2 A<br />
e x =2 A. Ogni numero reale 0 < x < 1 si può identi…care con la successione di<br />
0 e 1 del suo sviluppo binario. Questa corrispondenza non è uno a uno, perché<br />
gli sviluppi x0111::: e x1000::: rappresentano lo stesso numero, ma questo insieme<br />
dove la corrispondenza non è uno a uno è numerabile. Le successioni di<br />
0 e 1 sono in corrispondenza biunivoca con i sottoinsiemi dei naturali, dove le<br />
successioni valgono uno. Quindi i numeri reali 0 < x < 1 hanno la cardinalità<br />
dell’insieme delle parti dei numeri naturali. I numeri algebrici sono le radici di<br />
229
equazioni algebriche a coe¢ cienti interi. L’insieme di questi numeri è numerabile,<br />
infatti per ogni n esiste solo un numero …nito di equazioni algebriche a<br />
coe¢ cienti interi ax k + bx k 1 + cx + d = 0 con k + jaj + jbj + ::: + jcj + jdj = n,<br />
le soluzioni di queste equazioni possono essere ordinate per modulo crescente<br />
ed in questo modo si ottiene un ordinamento dei numeri algebrici. Un immediato<br />
corollario del fatto che i numeri algebrici sono numerabili ed i reali no, è<br />
l’esistenza di numeri trascendenti, non soluzioni di equazioni algebriche a coef-<br />
…cienti interi. In particolare, …ssato esplicitamente un ordinamento dei numeri<br />
algebrici, è possibile costruire esplicitamente un numero trascendente scegliendo<br />
la sua n esima cifra decimale di¤erente da quella del n esimo numero algebrico.<br />
Ma se è semplice dimostrare che esistono numeri irrazionali ed anche trascendenti,<br />
può essere più complicato mostrare che un particolare numero ha questa<br />
proprietà.<br />
Si attribuisce alla scuola pitagorica la scoperta che p 2, p 3, p 5,... non sono<br />
rapporti tra numeri interi p=q. Duemila anni dopo Stifel osserva che anche np m o<br />
è intero o è irrazionale. Questi numeri np m sono radici del polinomio x n m = 0<br />
e, come osserva Gauss, le radici razionali di un polinomio con coe¢ cienti interi<br />
si possono determinare esplicitamente in un numero …nito di tentativi. Infatti<br />
se un polinomio a coe¢ cienti interi ax n + bx n 1 + ::: + cx + d = 0 ha una<br />
radice razionale x = p=q, sostituendo p=q nell’equazione e moltiplicando per q n<br />
si ottiene<br />
dq n n 1<br />
= p cq<br />
ap n n 1<br />
= q bp<br />
::: bp n 2 q ap n 1 ;<br />
::: cpq n 2 + dq n 1 :<br />
Se p e q non hanno divisori comuni, dalla prima uguaglianza si ricava che p<br />
deve dividere d e dalla seconda che q deve dividere a. In particolare, se tra i<br />
divisori di a e d non si trovano radici p=q, il polinomio non ha radici razionali.<br />
Dimostriamo, per esempio che 2p 2 + 3p 3 non è razionale:<br />
x 6<br />
x = 2p 2 + 3p 3;<br />
x<br />
3 2p<br />
2 = 3;<br />
x 3 + 6x 3 = p 2 3x 2 + 2 ;<br />
6x 4<br />
6x 3 + 12x 2<br />
36x + 1 = 0:<br />
Per quanto visto sopra, poiché questo polinomio non ha radici intere, le<br />
radici non sono neanche razionali.<br />
Lo sviluppo in serie della funzione esponenziale exp(x) =<br />
+1X<br />
n=0<br />
x n =n! converge<br />
rapidamente e con la formula exp(x) = (exp(x=2)) 2 la convergenza è accelerata.<br />
È poi semplice calcolare per ricorrenza le somme parziali,<br />
nX xk k=0<br />
k!<br />
= A(x; n)<br />
n!<br />
n A(x; n 1) + xn<br />
= :<br />
n!<br />
230
Per esempio, se x = 1 si ha A(1; 10)=10! = 9864101=3628800. Questo approssima<br />
e per difetto a meno di 1= (10 10!), meno di tre centomilionesimi. Di<br />
fatto<br />
e = 2; 7182818284 5904523536 0287471352 6624977572 4709369995<br />
9574966967 6277240766 3035354759 4571382178 525166427:::<br />
I numeri razionali hanno uno sviluppo decimale periodico, ma almeno in<br />
queste cento cifre decimali non sembra essere presente nessuna periodicità. Con<br />
un poco di fatica, dallo sviluppo decimale si riescono ad ottenere i primi termini<br />
dello sviluppo in frazione continua e si intuisce anche quale è lo sviluppo completo.<br />
Dallo sviluppo in frazioni continue segue immediatamente l’irrazionalità<br />
di e. La semplice dimostrazione che segue è invece di Fourier del 1815. Poiché<br />
e =<br />
+1X<br />
n=0<br />
1=n!, si ha<br />
<<br />
1<br />
(N + 1)!<br />
0 < e<br />
NX<br />
1=n! =<br />
n=0<br />
+1X<br />
n=N+1<br />
1=n!<br />
1 + 1<br />
N + 2 +<br />
1<br />
1 N + 2<br />
+ ::: =<br />
(N + 2) 2 (N + 1)! N + 1 :<br />
Se per assurdo e fosse razionale, e = p=q, prendendo N q e moltiplicando<br />
NX<br />
per N! la disuguaglianza 0 < e 1=n! < 1=NN! si otterrebbe l’assurdo di<br />
n=0<br />
un intero maggiore di zero e minore di uno. A questa dimostrazione si può<br />
dare una veste geometrica. Partiamo dall’intervallo I(1) = [2; 3] e per induzione<br />
de…niamo I(n) dividendo I(n" 1) in n intervalli uguali e scegliendo il secondo<br />
nX nX<br />
#<br />
di questi intervalli, I(n) = 1=k!; 1=k! + 1=n! . Allora e = T +1<br />
n=1 I(n).<br />
k=0<br />
Da questa costruzione ricava che je<br />
k=0<br />
m=n!j > 1=(n + 1)!, in particolare e deve<br />
essere irrazionale. Similmente si può mostrare che e non è radice di un polinomio<br />
di secondo grado con coe¢ cienti interi, ae2 + be + c 6= 0. Sostituendo in ae +<br />
b + ce 1 = 0 gli sviluppi in serie di e e di e 1 , poi moltiplicando per N! con N<br />
grande si ottiene un assurdo. Il principio su cui si basa questa dimostrazione<br />
è così fondamentale, che vale la pena di enfatizzarlo. Ogni numero razionale<br />
non può essere approssimato troppo bene da altri razionali. In particolare, se<br />
m, n, p, q sono interi e se p=q 6= m=n, allora jp=q m=nj = j(pn mq) =qnj<br />
1=qn. Quindi, se per ogni q esistono frazioni m=n con 0 < jx m=nj < 1=qn,<br />
allora x non è razionale. Questo principio si applica anche alle dimostrazioni di<br />
trascendenza.<br />
Presentiamo ora una semplice dimostrazione dell’irrazionalità di dovuta a<br />
I.Niven. Partiamo dal polinomio P (x) = xn (1 x) n mente per parti P (x) sin( x),<br />
=n! ed integriamo ripetuta-<br />
Z 1<br />
P (0) + P (1)<br />
P (x) sin( x)dx =<br />
0<br />
:::<br />
P (2n) (0) + P (2n) (1)<br />
:<br />
2n+1<br />
231
Se 0 x 1 si ha jP (x)j < 1=n! e tutte le derivate di P (x) sono numeri<br />
interi se valutate in x = 0 o x = 1. Fissato un intero p, se n è abbastanza grande<br />
si ha<br />
0 < p 2n+1<br />
Z 1<br />
0<br />
P (x) sin( x)dx < p 2n+1 =n! < 1:<br />
Se fosse per assurdo = p=q, con p e q interi, la quantità<br />
p 2n+1<br />
Z 1<br />
0<br />
P (x) sin( x)dx<br />
= p 2n q (P (0) + P (1)) ::: q 2n+1 P (2n) (0) + P (2n) (1)<br />
sarebbe un intero maggiore di zero e minore di uno.<br />
In modo analogo si può mostrare che se m è intero allora exp(m) è irrazionale.<br />
Si parte dal polinomio P (x) = (m2 x2 ) n =n! e si osserva che tutte le derivate<br />
P (j) ( m) sono intere. Se per assurdo fosse exp (m) = p=q con p e q interi,<br />
pq exp( m) sarebbe un intero, e sarebbe un intero anche l’integrale<br />
Z +m<br />
2nX<br />
pq exp(x)P (x)dx = pq ( )<br />
m<br />
j=0<br />
j exp (m) P (j) (m) exp ( m) P (j) ( m) :<br />
Ma, se n ! +1,<br />
0 < pq<br />
Z +m<br />
m<br />
exp(x)P (x)dx pq exp (m) m2n<br />
n!<br />
! 0:<br />
Dimostriamo in…ne che non è commensurabile con arccos(1=p) per ogni<br />
primo p > 2. Dall’identità cos ((n + 1)x) = 2 cos(x) cos(nx) cos ((n 1)x)<br />
segue per induzione che cos(nx) è un polinomio in cos(x), il polinomio di<br />
Cebicev cos(nx) = Tn (cos(x)). Questo polinomio di grado n ha coe¢ cienti<br />
interi con coe¢ ciente del termine di grado massimo 2 n 1 . Per assurdo, assumiamo<br />
arccos(1=p) = m=n, con m e n interi e n 1. Segue allora che<br />
Tn (1=p) = cos(m ) = 1, cioè 1=p è radice del polinomio a coe¢ cienti interi<br />
0 = Tn (1=p) 1 = 2 n 1 p n + Ap (n 1) + ::: = p n 2 n 1 + pB :<br />
Da qui segue che p divide 2 n 1 .<br />
Ogni numero reale può essere approssimato arbitrariamente bene con razionali<br />
ma, interessati all’economia, cerchiamo approssimazioni con razionali di denominatore<br />
non troppo grande. Per esempio, ridimostriamo l’approssimazione<br />
di Archimede 3+10=71 < < 3+1=7 con un metodo non archimedeo. Partiamo<br />
dall’integrale<br />
Z x<br />
=<br />
0<br />
x 6<br />
Z x<br />
0<br />
x4 (1 x) 4<br />
1 + x2 dx<br />
4x 5 + 5x 4<br />
= 1<br />
7 x7 2<br />
3 x6 + x 5<br />
4x 2 + 4<br />
4<br />
1 + x2 4<br />
3 x3 + 4x 4 arctan(x):<br />
232
Ponendo x = 1 si ottiene<br />
Poi osserviamo che<br />
1=1260 = 1<br />
2<br />
Quindi<br />
Z 1<br />
0<br />
x 4 (1 x) 4<br />
1 + x 2 dx = 22=7 :<br />
Z 1<br />
x<br />
0<br />
4 (1 x) 4 Z 1<br />
x<br />
dx <<br />
0<br />
4 (1 x) 4<br />
1 + x2 Z 1<br />
dx < x<br />
0<br />
4 (1 x) 4 dx = 1=630:<br />
22=7 1=630 < < 22=7 1=1260:<br />
Una formula simile, ma più complicata, dà l’approssimazione di Metius,<br />
= 355<br />
113<br />
1<br />
3164<br />
Z 1 x8 (1 x) 8 25 + 816x2 0<br />
1 + x 2<br />
Un’altra ancora dà un’approssimazione dell’ordine di 10 9 ,<br />
Z 1<br />
0<br />
x12 (1 x) 12<br />
16 (1 + x2 431302721<br />
dx =<br />
) 137287920<br />
La frazione 22/7 è la migliore approssimazione di con denominatore minore<br />
o uguale a 7 e 355/113 la migliore approssimazione con denominatore al più<br />
113. Lagrange ha mostrato che dallo sviluppo in frazioni continue di un numero<br />
irrazionale x si possono costruire in…niti razionali p=q tali che jx p=qj < 1=q 2 .<br />
Per esempio je 2721=1001j < 1001 2 . Dirichlet ha ridimostrato questo risultato<br />
utilizzando il principio che se n scatole contengono n + 1 oggetti, allora<br />
c’è una scatola con almeno due oggetti. Le n scatole sono gli intervalli [0; 1=n),<br />
[1=n; 2=n),..., [(n 1)=n; 1) e gli n+1 oggetti sono le parti decimali dei numeri 0x,<br />
1x, 2x,..., nx, almeno due tra le parti decimali di 0x, 1x,..., nx di¤eriscono per<br />
meno di 1=n, cioè esistono interi h, k, j, con 0 h < k n e con jkx hx jj <<br />
1=n. Quindi jx j=(k h)j < 1=n(k h) 1=(k h) 2 . In particolare, per approssimare<br />
p m con una frazione p=q a meno di q 2 , basta risolvere l’equazione<br />
mq 2 p 2 = 1. Infatti, p m p=q = ( p m + p=q) 1 mq 2 p 2 q 2 . Questo<br />
metodo risale alla scuola pitagorica. Osserviamo che si è anche ottenuta la disuguaglianza<br />
j p m p=qj ( p m + p=q) 1 q 2 , il metodo pitagorico è ottimale,<br />
non si può approssimare p m con p=q a meno di q 2 . Similmente j 3p m p=qj<br />
3p<br />
m2 3 + p mp=q + p2 =q2 :<br />
dx:<br />
1<br />
q 3 , e così per le altre radici. Osserviamo in…ne<br />
che se m=n e p=q sono numeri razionali distinti, allora jm=n p=qj > 1=nq, un<br />
numero razionale può essere ben approssimato solo da se stesso. Liouville ha<br />
mostrato che se è un numero irrazionale algebrico di grado n, allora esiste<br />
una costante c tale che per ogni razionale p=q si ha j p=qj > c=q n . Infatti,<br />
se è radice di un polinomio irriducibile con coe¢ cienti interi P (x) =<br />
A (x 1) (x 2) ::: (x n), se p=q è un razionale diverso dalle radici f jg,<br />
233
e se jp=qj B e j jj B, allora<br />
q n<br />
0<br />
jP (p=q)j = @jAj Y<br />
1<br />
jp=q jjA<br />
jp=q j jAj (2B) n 1 jp=q j :<br />
j6=<br />
Quindi jp=q j jAj 1 (2B) 1 n q n . In particolare, se x è irrazionale e se<br />
per in…niti n e p=q si ha jx p=qj < q n , allora x è trascendente. Per esempio,<br />
+1X<br />
se x = 10 k! nX<br />
e p=q =<br />
+1X<br />
k=1<br />
k=1<br />
k=1<br />
10 k! , allora jx p=qj < q n . Il numero di Liouville<br />
10 k! è trascendente. Come osservato da P.Erdös, ogni numero è somma o<br />
prodotto di due numeri di Liouville. Infatti, se z =<br />
basta de…nire x =<br />
+1X<br />
n=1<br />
"(n) = 0 altrimenti, y =<br />
+1X<br />
n=1<br />
(n)2 n con (n) = 0; 1,<br />
"(n)2 n con "(n) = (n) se (2k 1)! n < (2k)! e<br />
+1X<br />
n=1<br />
(n)2 n con (n) = (n) se (2k)! n < (2k + 1)!<br />
e (n) = 0 altrimenti. Sia x che y sono numeri di Liouville e x + y = z.<br />
L’esponente nel teorema di Liouville non è il migliore possibile, infatti Klaus<br />
Friedrich Roth ha dimostrato che per ogni numero algebrico x ed ogni > 2<br />
esiste c > 0 tale che jx p=qj > c=q per ogni razionale p=q 6= x. Comunque<br />
la costante c nel teorema di Liouville è calcolabile esplicitamente, mentre quella<br />
di Roth non lo è. Un numero x è approssimabile se per in…niti p=q si ha<br />
jx p=qj < q . Un razionale è sono solo 1 approssimabile con razionali diversi<br />
dal numero stesso, se m=n 6= p=q allora jm=n p=qj 1=nq. Per il teorema di<br />
Dirichlet ogni irrazionale è 2 approssimabile, mentre i numeri di Liouville sono<br />
quelli approssimabili per ogni . Se '(q) > 0 e<br />
+1X<br />
q=1<br />
'(q) < +1, l’insieme degli<br />
x con jqx pj < '(q) per in…niti p e q ha misura nulla. Infatti, un 0 x 1<br />
con jqx pj < '(q) per in…niti 0 p q deve appartenere ad in…niti intervalli<br />
[p=q 1=q'(q); p=q + 1=q'(q)], la misura dell’unione di questi intervalli è …nita,<br />
+1X qX<br />
2=q'(q) < +1, quindi l’intersezione di un numero in…nito di questi inter-<br />
q=1p=0<br />
valli ha misura zero. In particolare, l’insieme dei numeri reali approssimabili<br />
ha misura di Lebesgue zero se > 2. Più precisamente, M.V.Jarnik e Abram<br />
Samoilovich Besicovitch hanno dimostrato che questo insieme ha dimensione di<br />
Hausdor¤ 2= . Se dal punto di vista della misura i numeri ben approssimabili<br />
sono pochi, dal punto di vista della categoria sono la maggioranza. Infatti i nu-<br />
meri di Liouville sono intersezione di aperti densi, T<br />
S<br />
n p=q fjx p=qj < q ng. Kurt Mahler ha dimostrato che non è approssimabile se è troppo<br />
grande, cioè non è un numero di Liouville. Anche il numero e non è un<br />
234
numero di Liouville, anzi per ogni > 2 esiste c > 0 tale che je p=qj > cq .<br />
Per mostrare questo occorre ricordare lo sviluppo in frazioni continue di e =<br />
1; 2n; 1 +1<br />
, di cui presentiamo una semplice dimostrazione. Le convergenti<br />
n=0<br />
p(j)=q(j) di [1; 0; 1; 1; 2; 1; 1; 4; :::] soddisfano le relazioni di ricorrenza:<br />
p(3n) = p(3n 1) + p(3n 2); q(3n) = q(3n 1) + q(3n 2);<br />
p(3n + 1) = 2np(3n) + p(3n 1); q(3n + 1) = 2nq(3n) + q(3n 1);<br />
p(3n + 2) = p(3n + 1) + p(3n); q(3n + 2) = q(3n + 1) + q(3n):<br />
De…niamo<br />
A(n) =<br />
B(n) =<br />
C(n) =<br />
Z 1<br />
xn (x 1) n<br />
n!<br />
0<br />
Z 1<br />
xn+1 (x 1) n<br />
n!<br />
0<br />
Z 1<br />
xn (x 1) n+1<br />
0<br />
n!<br />
exp(x)dx;<br />
exp(x)dx;<br />
exp(x)dx:<br />
Si ha A(0) = e 1, B(0) = 1, C(0) = 2 e, valgono inoltre le relazioni di<br />
ricorrenza:<br />
A(n) = B(n 1) C(n 1);<br />
B(n) = 2nA(n) + C(n 1);<br />
C(n) = B(n) A(n):<br />
Confrontando condizioni iniziali e relazioni di ricorrenza, si ricava:<br />
A(n) = e q(3n) p(3n);<br />
B(n) = p(3n + 1) e q(3n + 1);<br />
C(n) = p(3n + 2) e q(3n + 2):<br />
In…ne, da A(3n) ! 0 se n ! +1, si ricava p(3n)=q(3n) ! e.<br />
Se x = [a(0); a(1); a(2); a(3); :::] e se jxq pj < 1=2q, la frazione p=q è una<br />
convergente di x. Per ogni convergente p(n)=q(n) e per ogni p=q 6= p(n)=q(n)<br />
con 0 < q q(n) si ha jxq(n) p(n)j < jxq pj. Inoltre<br />
1<br />
< x<br />
2q(n)q(n + 1)<br />
p(n)<br />
q(n) <<br />
1<br />
q(n)q(n + 1) :<br />
Si ha anche q(n+1) = a(n+1)q(n)+q(n 1) < (a(n + 1) + 1) q(n) e quindi,<br />
x<br />
p(n)<br />
q(n) ><br />
1<br />
2q(n)q(n + 1) ><br />
1<br />
:<br />
2 (a(n + 1) + 1) q(n) 2<br />
Osserviamo in…ne che la successione fq(n)g ha una crescita almeno esponenziale,<br />
infatti deve crescere almeno come la successione di Fibonacci associata<br />
235
allo sviluppo di [1; 1; 1; 1; :::] = 1 + p 5 =2, F (1) = F (2) = 1, F (n + 2) =<br />
F (n + 1) + F (n),<br />
F (n) = 1<br />
p 5<br />
1 + p ! n<br />
5<br />
2<br />
1 p ! n!<br />
5<br />
:<br />
2<br />
Quindi, se x = [a(0); a(1); a(2); a(3); :::] e se la successione fa(n)g non ha<br />
crescita esponenziale, cioè per ogni " > 0 esiste c > 0 tale che ja(n)j c exp ("n),<br />
allora per ogni > 2 esiste c > 0 tale che jx p=qj > cq . Per esempio,<br />
dall’ottava convergente di (e 1)=2 = [0; 1; 6; 10; 14; :::] si ricava la stima<br />
e<br />
848456353<br />
= 2; 718281828459045234:::<br />
312129649<br />
L’ultima cifra corretta è 5. Con un denominatore di nove cifre si sono ottenuti<br />
quasi diciotto decimali corretti, come previsto l’errore è circa l’inverso del<br />
quadrato del denominatore.<br />
Nel 1873 Hermite dimostra che e è trascendente e nel 1882 Lindemann dimostra<br />
che anche è trascendente. Nel 1885 Weierstrass dimostra la trascendenza<br />
di log(2). Nel 1934 Gelfond e Schneider dimostrano che se e sono<br />
numeri algebrici, con diverso da 0 o 1 e irrazionale, allora è trascendente.<br />
In particolare 2 p 2 e e = ( 1) i sono trascendenti. Mahler dimostra<br />
che se P (x) è un polinomio a coe¢ cienti interi, allora il numero con sviluppo decimale<br />
0; P (1)P (2)P (3)::: è trascendente. In particolare 0,12345678910111213...<br />
è trascendente. Esiste una qualche relazione algebrica tra e e ? Per esempio,<br />
almeno uno dei due numeri e + e e deve essere irrazionale, perché e e<br />
sono radici di x2 p p<br />
p 2<br />
e e<br />
2<br />
(e + )x + e = 0. ? e ? ? 2<br />
236<br />
?...
Euclide (III secolo a.C.)<br />
Cartesio (1596-1650)<br />
RIGA;<br />
COMP ASSO;<br />
ORIGAMI<br />
La riga ed il compasso sono gli strumenti principe della geometria greca e<br />
l’origami è l’arte giapponese di piegare la carta. Nella geometria della riga e<br />
compasso si possono introdurre i seguenti postulati:<br />
(RC-1) Si può tracciare una retta per due punti.<br />
(RC-2) Si può trovare l’intersezione tra due rette.<br />
(RC-3) Si può tracciare una circonferenza di centro e raggio dati.<br />
(RC-4) Si può trovare l’intersezione tra una retta ed un cerchio.<br />
(RC-5) Si può trovare l’intersezione tra due cerchi.<br />
Questi postulati, geometricamente evidenti, hanno una semplice interpretazione<br />
algebrica. Partendo da due punti, con riga e compasso si può tracciare<br />
la retta congiungente e la perpendicolare a questa retta per uno dei punti. Si<br />
ottiene così in un sistema di assi cartesiani un punto di coordinate (0; 0) ed uno<br />
di coordinate (1; 0). È anche possibile identi…care questo piano cartesiano con<br />
il campo dei numeri complessi. Con riga e compasso si possono poi trovare i<br />
punti con coordinate ottenibili a partire dai numeri 0 e 1 con un numero …nito<br />
di somme, sottrazioni, moltiplicazioni, divisioni, estrazioni di radici quadrate.<br />
Questo è conseguenza del fatto che analiticamente l’intersezione tra rette e cerchi<br />
porta a risolvere equazioni di primo e secondo grado, cosa che richiede appunto<br />
delle somme, sottrazioni, moltiplicazioni, divisioni, estrazioni di radici quadrate.<br />
Ricordiamo ora qualche nozione di teoria dei campi. Dati due campi H K,<br />
si può vedere il più grande come spazio vettoriale sul più piccolo. Se [K : H]<br />
è la dimensione di questo spazio vettoriale e se H K L, allora [L : H] =<br />
[L : K] [K : H]. Un numero è radice di un polinomio di grado n con coe¢ cienti<br />
in K se e solo 1, , a 2 ,..., n sono linearmente dipendenti su K. Se inoltre<br />
1, , a 2 ,..., n 1 sono linearmente indipendenti, gli elementi del più piccolo<br />
237
campo K( ) che contiene sia K che hanno la rappresentazione k0 + k1 +<br />
::: + kn 1 n 1 , con kj in K. In particolare, è algebrico su K se e solo se<br />
[K( ) : K] < +1. L’equazione [K( ; ) : K] = [K( ; ) : K( )] [K( ) : K]<br />
mostra in…ne che se e sono algebrici su K, allora anche , e<br />
= sono algebrici. Quindi i numeri algebrici formano un campo. Se K è un<br />
campo e k un elemento di K con p k non in K, l’estensione quadratica di K<br />
con p k è il più piccolo campo che contiene sia K che p k. Questa estensione<br />
K p k può essere identi…cata con le espressioni della forma u + v p k, con<br />
u e v in K. Un punto (x; y) è costruibile con riga e compasso a partire dai<br />
punti (0; 0) e (1; 0) se e solo se il numero complesso x + iy è in una estensione<br />
quadratica iterata del campo dei numeri razionali. In particolare, siccome ogni<br />
estensione quadratica ha grado due, la dimensione di un campo K costruibile<br />
con riga e compasso come spazio vettoriale sui razionali Q è una potenza di due,<br />
[K : Q] = 2 n . Un corollario di questo fatto è l’impossibilità di risolvere con riga<br />
e compasso delle generiche equazioni con grado primo p > 2, che portano ad<br />
estensioni di grado multiplo di p. Se pp n è contenuto in un campo K, allora<br />
[K : Q] = [K : Q ( pp n)] [Q ( pp n) : Q]. In parole povere, non si possono ottenere<br />
le radici cubiche mettendo insieme delle radici quadrate. Ridimostriamo in altro<br />
modo questo risultato. Se un’equazione cubica a coe¢ cienti razionali non ha<br />
radici razionali, allora nessuna radice appartiene ad una estensione quadratica<br />
iterata del campo razionale. Per dimostrare questa proposizione, assumiamo<br />
che x sia una radice di un polinomio x 3 +ax 2 +bx+c = 0 a coe¢ cienti razionali<br />
ed esista una catena di campi Q = K0 K1 ::: Kn con Kj estensione<br />
quadratica di Kj 1 e x in Kn. Assumiamo inoltre questo indice n minimale, cioè<br />
nessuna radice del polinomio appartenga ad estensioni quadratiche di lunghezza<br />
minore di n. Posto x = u + v p k e y = u v p k, con u, v, k in Kn 1 ma p k<br />
non in Kn 1, si ha<br />
u v p k 3<br />
+ a u v p k 2<br />
+ b u v p k + c<br />
= u 3 + 3uv 2 k + au 2 + av 2 k + bu + c 3u 2 v + v 3 k + 2auv + bv p k:<br />
Se x = u + v p k è una radice del polinomio, allora u 3 + 3uv 2 k + au 2 + av 2 k +<br />
bu + c = 0 e 3u 2 v + v 3 k +2auv + bv = 0. Quindi anche y = u v p k è una radice<br />
e questo implica che la terza radice del polinomio z = x y a = 2u a<br />
appartiene a Kn 1, in contraddizione con la minimalità di n.<br />
Applichiamo questo risultato alla duplicazione del cubo. L’equazione x 3<br />
2 = 0 non ha radici razionali, quindi neppure in estensioni quadratiche del<br />
campo razionale. La duplicazione del cubo con riga e compasso è impossibile.<br />
Applichiamo ora il risultato alla trisezione dell’angolo. Ricordando la formula<br />
cos(#) = 4 cos 3 (#=3) 3 cos(#=3), si deduce che se # è l’angolo da dividere in<br />
tre parti uguali e x = cos(#=3) l’incognita, si deve avere 4x 3 3x = cos(#). In<br />
particolare, se # = =3 si ha 8x 3 6x = 1. Sostituendo ad x un numero razionale<br />
p=q si ottiene 2p 4p 2 3q 2 = q 3 , ma questa uguaglianza con p e q primi tra<br />
loro è impossibile. Quindi il polinomio 8x 3 6x 1 = 0 non ha radici razionali,<br />
e neppure in estensioni quadratiche del campo razionale. È impossibile trisecare<br />
238
con riga e compasso un angolo di sessanta gradi.<br />
Nel pentagono regolare<br />
la diagonale è 1 + p 5<br />
2<br />
volte il lato, quindi si<br />
può costruire con<br />
riga e compasso.<br />
I triangoli ABD e ABF sono simili. Se l è il lato e d la diagonale,<br />
d : l = l : (d l), quindi d = 1 + p 5<br />
l.<br />
2<br />
Consideriamo in…ne il problema della costruzione dei poligoni regolari. Iniziamo<br />
osservando che se è possibile costruire un poligono regolare con pq lati,<br />
allora congiungendo i vertici di indici 1, p, 2p,..., si ottiene un poligono regolare<br />
con q lati. Viceversa, se sono costruibili i poligoni con p e q lati, p e q<br />
primi tra loro, anche il poligono con pq lati è costruibile. Basta infatti costruire<br />
due poligoni con p e q lati inscritti nella stessa circonferenza e con un vertice in<br />
comune, congiungendo un opportuno vertice del primo poligono con uno del secondo<br />
si ottiene il lato cercato. Infatti, w m = exp(2 im=p) e z n = exp(2 in=q)<br />
sono i vertici di poligoni regolari con p e q lati inscritti nella circonferenza<br />
con centro nell’origine e raggio uno. Si ha w m z n = z n (w m z n 1) e<br />
w m z n = exp (2 i(mq np)=pq) e, se p e q sono primi tra loro, esistono m<br />
e n con mq np = 1. Quindi dati exp(2 i=p) e exp(2 i=q) è possibile trovare<br />
exp (2 i=pq). In…ne, dato un poligono con p lati, bisecando gli angoli al centro se<br />
ne costruisce uno con 2p lati. Concludendo, si possono costruire tutti i poligoni<br />
regolari con 2 n pq::: lati, se p, q,... sono primi distinti e se i poligoni con questi<br />
numeri primi di lati sono costruibili. Le lunghezze dei lati dei poligoni regolari<br />
con 3, 4, 5, 6 lati iscritti in un cerchio di raggio uno sono rispettivamente p 3,<br />
p q<br />
2,<br />
5 p 5 =2, 1, questi poligoni sono costruibili con riga e compasso. Per<br />
procedere in modo più sistematico, osserviamo che i punti z = exp (2 ik=n),<br />
k = 0; 1; 2; :::, sono le radici del polinomio z n 1 = 0 e sono i vertici di un<br />
poligono regolare con n lati inscritto nella circonferenza jzj = 1. Per individuare<br />
questi vertici è su¢ ciente determinarne le ascisse (z + 1=z) =2 = cos (2 k=n), o<br />
le ordinate.(z 1=z) =2i = sin (2 k=n). Il polinomio z n 1 si fattorizza in<br />
z n<br />
In particolare, se n = 3 si ha<br />
1 = (z 1) z n 1 + z n 2 + ::: + z + 1 :<br />
z 2 + z + 1 = z ((z + 1=z) + 1) :<br />
Quindi cos (2 =3) = (z + 1=z) =2 = 1=2. Se n = 5 si ha<br />
z 4 + z 3 + z 2 + z + 1 = z 2<br />
(z + 1=z) 2 + (z + 1=z) 1 :<br />
239
Quindi cos (2 =5) = (z + 1=z) =2 = p 5 1 =4. Se n = 7,<br />
z 6 + z 5 + z 4 + z 3 + z 2 + z + 1 = z 3<br />
(z + 1=z) 3 + (z + 1=z) 2<br />
2 (z + 1=z) 1 :<br />
Quindi, se z 6= 1 è un vertice dell’eptagono, x = z + 1=z è soluzione<br />
dell’equazione x3 + x2 2x 1 = 0. Sostituendo ad x un numero razionale<br />
p=q si ottiene p p2 + pq 2q2 = q3 , un’uguaglianza impossibile. L’equazione<br />
non ha radici razionali e quindi neanche radici in estensioni quadratiche iterate<br />
del campo razionale. Se z fosse costruibile, anche x = z + 1=z lo sarebbe,<br />
cosa che abbiamo appena mostrato essere falsa. Quindi l’eptagono regolare non<br />
è costruibile con riga e compasso. Per la costruzione è però su¢ ciente risolvere<br />
un’equazione di terzo grado, o trisecare un angolo. Infatti dalle formule di<br />
Cardano o da quelle di Viète si ottiene<br />
cos(2 =7) = 1<br />
q<br />
3p 3<br />
28 1 + 3<br />
12<br />
p 3i + 3<br />
q<br />
1 3 p 3i 2<br />
=<br />
6p<br />
21952<br />
cos<br />
6<br />
arctan 3 p 3<br />
3<br />
Accenniamo in…ne alla costruzione dell’eptadecagono di Gauss. Si ordinano<br />
le potenze di z = exp (2 i=17) secondo la successione 3 n modulo 17,<br />
z; z 3 ; z 9 ; z 10 ; z 13 ; z 5 ; z 15 ; z 11 ; z 16 ; z 14 ; z 8 ; z 7 ; z 4 ; z 12 ; z 2 ; z 6 :<br />
Poi si costruiscono i periodi:<br />
!<br />
1<br />
6 :<br />
(0) = z + z 9 + z 13 + z 15 + z 16 + z 8 + z 4 + z 2 ;<br />
(1) = z 3 + z 10 + z 5 + z 11 + z 14 + z 7 + z 12 + z 6 ;<br />
8<br />
><<br />
>:<br />
(0) = z + z 13 + z 16 + z 4 ;<br />
(1) = z 3 + z 5 + z 14 + z 12 ;<br />
(2) = z 9 + z 15 + z 8 + z 2 ;<br />
(3) = z 10 + z 11 + z 7 + z 6 ;<br />
8<br />
><<br />
>:<br />
(0) = z + z 16 ;<br />
:::<br />
(4) = z 13 + z 4 ;<br />
:::<br />
Con calcoli noiosi, o come Gauss ”concentrandosi profondamente”, si può<br />
veri…care che (0) + (1) = 1 e (0) (1) = 4, (0) + (2) = (0) e<br />
(0) (2) = 1, (1) + (3) = (1) e (1) (3) = 1, (0) + (4) = (0)<br />
e (0) (4) = (1),... Quindi i periodi (j) sono soluzioni di una equazione<br />
quadratica con coe¢ cienti interi, i (j) sono soluzioni di equazioni quadratiche<br />
con coe¢ cienti (j) ed i (j) sono soluzioni di equazioni quadratiche con coef-<br />
…cienti (j). In…ne, (0) = 2 cos (2 =17),<br />
1<br />
16<br />
cos (2 =17) =<br />
1 + p q<br />
17 + 34 2 p r<br />
17 + 2 17 + 3 p 17<br />
240<br />
q<br />
34 2 p q<br />
17 2 34 + 2 p !<br />
17 :
Veniamo ora all’origami, l’arte giapponese di piegare la carta. Nel 1936<br />
Margherita Piazzolla Beloch mostra come applicare quest’arte alla matematica:<br />
”Sul metodo del ripiegamento della carta per la risoluzione dei problemi<br />
geometrici”, ”Sulla risoluzione dei problemi di terzo e quarto grado col metodo<br />
del ripiegamento della carta”. Poi, nel 1989, H.Huzita e Benedetto Scimeni<br />
propongono dei veri e propri postulati:<br />
(O-1) Si può trovare la piega che congiunge due punti.<br />
(O-2) Si può trovarne il punto d’intersezione tra due pieghe.<br />
(O-3) Si può trovare la piega che porta un punto su un altro punto.<br />
(O-4) Si può trovare una piega che porta una piega su un’altra piega.<br />
(O-5) Si può trovare una piega che …ssa un punto e porta un altro punto su<br />
una piega.<br />
(O-6) Si può trovare una piega che manda un punto su una piega ed un altro<br />
punto su un’altra piega.<br />
In…ne, K.Hatori ne aggiunge un altro:<br />
(O-7) Si può trovare una piega perpendicolare ad una prima piega che manda<br />
un dato punto su una seconda piega.<br />
Prima di analizzare in dettaglio questi postulati, vediamoli all’opera nel<br />
problema della trisezione di un angolo, che è un problema di terzo grado insolubile<br />
con riga e compasso. Date due rette y = 0 e y=x = tan(#), con<br />
=4 # =2, si costruisce la retta x = 0 ortogonale a y = 0, poi altre<br />
due rette, y = 1 e y = 2. Fin qui si sono utilizzati solo i primi postulati. Ora<br />
entra in gioco l’ultimo. Si costruisce la piega che porta il punto A = (0; 2) in<br />
un punto Q sulla retta y=x = tan(#) ed il punto O = (0; 0) in un punto P sulla<br />
retta y = 1. In…ne, si costruisce la piega da O a P . Il trapezio OP QA è un<br />
241
isoscele, quindi OQ = P A, ma anche P A = OP . Se ' è l’angolo tra l’asse y = 0<br />
ed il segmento OP , risulta 2' = [OP A = \P OQ, quindi 3' = #. In particolare, la<br />
piega da O a P ha equazione y=x = tan(#=3) e realizza la trisezione dell’angolo.<br />
Per trisecare un angolo minore di =4 o maggiore di =2, basta trisecarne un<br />
opportuno multiplo o sottomultiplo con =4 2 n # =2.<br />
La trisezione dell’angolo<br />
nel ”Libro di Lemmi” di<br />
Archimede.<br />
”Prolungando una corda AB di un cerchio con centro O …no ad un punto<br />
C, con BC uguale al raggio, se la retta CO incontra la circonferenza<br />
prima in D e poi in E, l’arco AE risulta lungo tre volte l’arco BD”.<br />
La trisezione dell’angolo piegando<br />
la carta. Si costruiscono le pieghe<br />
x = 0 e y = 0, y = 1,y = 2, poi la<br />
piega che manda O = (0; 0) su y = 1<br />
e A = (0; 2) sulla retta y=x = tan (#)<br />
che si vuole trisecare. Se P è simmetrico<br />
ad O rispetto all’ultima piega, la retta<br />
per OP ha equazione y=x = tan (#=3) .<br />
Per illustrare il signi…cato algebrico dei postulati dell’origami, immaginiamo<br />
un foglio molto grande che identi…chiamo con il piano cartesiano. Una piega<br />
non spiegazzata è una retta e realizza una simmetria del piano rispetto a questa<br />
retta. I postulati (O-1) e (O-2) dell’origami sono i corrispondenti dei postulati<br />
(RC-1) e (RC-2) di riga e compasso, si può tracciare la retta per due punti e<br />
trovare l’intersezione tra due rette. La piega in (O-3) realizza l’asse del segmento<br />
con i due punti per estremi. In (O-4) le possibili pieghe sono le due bisettrici tra<br />
le due rette, ma ce n’è una sola se le rette sono parallele. In (O-5), se un punto è<br />
…sso l’altro si muove su una circonferenza. È l’intersezione tra una retta ed una<br />
circonferenza. Quindi i primi cinque postulati dell’origami permettono di trovare<br />
le intersezioni di rette con rette e rette con cerchi. Siccome in geometria analitica<br />
l’intersezione tra due circonferenze si riduce all’intersezione tra una retta ed<br />
una circonferenza, i primi cinque postulati dell’origami risultano equivalenti<br />
242
ai cinque postulati di riga e compasso. Rimane in…ne da analizzare il sesto<br />
postulato, ma per far questo diamo un’altra interpretazione del quinto. Una<br />
piega che …ssa un punto P e manda un altro punto F su una retta d è tangente<br />
ad una parabola con fuoco F e direttrice d. Per un punto ci sono due tangenti<br />
ad una parabola e trovarle è un problema di secondo grado. Una piega che<br />
manda un punto su una retta ed un altro punto su un’altra retta è tangente a<br />
due parabole. Due parabole hanno, in generale, tre rette tangenti in comune<br />
e trovarle è un problema di terzo grado. Questo suggerisce che con il sesto<br />
postulato dell’origami si possono estrarre le radici cubiche. Dato un numero<br />
a, la parabola con fuoco (0; a) e direttrice y = a ha equazione y = x 2 =4a e<br />
quella con fuoco (1; 0) e direttrice x = 1 equazione x = y 2 =4. Queste parabole<br />
hanno una sola tangente comune y = a 1=3 x a 1=3 e la radice cubica 3p a<br />
si trova intersecando la tangente con gli assi. Con i primi quattro postulati<br />
dell’origami si possono risolvere le equazioni di primo grado, anzi, bastano i<br />
primi tre se in partenza si hanno a disposizione tre punti non allineati. Con i<br />
primi cinque postulati si possono risolvere le equazioni di secondo grado ed il<br />
sesto postulato permette di risolvere le equazioni di terzo grado ed anche quelle<br />
di quarto. Infatti queste ultime si risolvono con estrazioni di radici quadrate<br />
e cubiche, perché le radici quarte sono radici quadrate iterate. In particolare,<br />
con l’origami si possono duplicare cubi e trisecare angoli. In…ne, un poligono<br />
regolare è costruibile con riga e compasso se e solo se ha 2 n pq::: lati, con p,<br />
q,... primi distinti della forma 2 m + 1. Un poligono regolare è costruibile con<br />
l’origami se e solo se ha 2 n 3 m pq::: lati, con p, q,... primi distinti della forma<br />
2 h 3 k + 1.<br />
Terminiamo con una digressione, illustrando il metodo di Lagrange per la<br />
risoluzione in serie dell’equazione z = x + y'(z), con '(0) = 0. Si tratta di<br />
trovare lo sviluppo di Taylor centrato in (x; 0) e valutato in (x; y) della soluzione<br />
z = z(x; y) di questa equazione. Derivando l’equazione si ottiene<br />
(1 y' 0 (z)) @z=@y = '(z); (1 y' 0 (z)) @z=@x = 1:<br />
Da queste formule si ricava che per ogni (z) e (z), con (0) = (z) = 0,<br />
@<br />
@x<br />
Poi, per induzione,<br />
(z) @<br />
@y<br />
(z) = @<br />
@y<br />
(z) @<br />
@x<br />
@k @yk 1<br />
@k @<br />
(z) = '(z)k<br />
@xk 1 @x<br />
(z) :<br />
(z) :<br />
Poiché z = x se y = 0, sviluppando (z) in serie di potenze di y si ottiene<br />
(z(x; y)) = (x) +<br />
+1X<br />
k=1<br />
yk k!<br />
k 1 @ @<br />
'(x)k<br />
@xk 1 @x<br />
(x) :<br />
Se '(z) e (z) sono funzioni analitiche, le derivate che compaiono nella formula<br />
crescono al più come c k k!, quindi la serie converge almeno per y abbastanza<br />
243
piccolo. In particolare, una generica equazione algebrica az N + bz N 1 + ::: +<br />
cz + d = 0 con dei cambi di variabili si può riportare alla forma<br />
z = 1 + z 2 + ::: + z N :<br />
Per il teorema della funzione implicita, in un intorno di = ::: = = 0<br />
c’è una soluzione analitica z = z ( ; ::; ) con z (0; ::; 0) = 1 e, per la formula di<br />
Lagrange con x = y = 1 e '(z) = z 2 + ::: + z N ,<br />
z = 1 +<br />
n 1<br />
I termini (d=dx)<br />
+1X<br />
n=1<br />
n d 1<br />
dxn 1<br />
x2 + ::: + x<br />
n!<br />
N n<br />
!<br />
x=1<br />
x 2 + ::: + x N n =n! x=1 sono polinomi omogenei di<br />
grado n in ; :::; . In particolare, la soluzione dell’equazione trinomia z =<br />
1 + tz N è<br />
z = 1 +<br />
+1X<br />
n=1<br />
n d 1<br />
dxn 1<br />
t n x Nn<br />
= 1 +<br />
n! x=1<br />
+1X<br />
n=1<br />
Nn(Nn 1):::(Nn n + 2)<br />
t<br />
n!<br />
n :<br />
Il rapporto tra i coe¢ cienti di due potenze successive t n+1 e t n è una funzione<br />
razionale di n, quindi la serie è ipergeometrica.<br />
244<br />
:
I postulati di riga e compasso. Si possono trovare:<br />
Una retta r<br />
per due punti A e B.<br />
Una circonferenza c<br />
con centro A e raggio r.<br />
245<br />
L’intersezione A<br />
tra due rette r e s.<br />
Le intersezioni A e B tra<br />
una retta r ed un cerchio c.<br />
Le intersezioni A e B tra<br />
due circonferenze c e d.
La piega r che<br />
congiunge due punti A e B.<br />
La piega r che porta un punto<br />
A su un altro punto B.<br />
La piega r che …ssa un punto A e<br />
porta un punto B su una retta s.<br />
I postulati dell’origami. Si possono trovare:<br />
246<br />
L’intersezione A<br />
tra due pieghe r e s.<br />
La piega t che porta una retta<br />
r su un’altra retta s.<br />
La piega t che manda un punto A su<br />
una retta r ed un punto B su una retta s.
Ippocrate (V secolo a.C.)<br />
Duomo di Monza (1300)<br />
LUNULE<br />
Una lunula è una …gura piana concava convessa delimitata da due archi di<br />
cerchio. Nel 1724 D.Bernoulli (1700-1782), poi Eulero ed altri, traducono in<br />
formule le quadrature geometriche delle lunule di Ippocrate. Se un arco ha<br />
raggio R e angolo 2' e l’altro ha raggio S e angolo 2 , la corda comune misura<br />
2R sin(') = 2S sin( ) e l’area della lunula è<br />
R 2 ' R 2 sin(2')=2 S 2 S 2 sin(2 )=2 :<br />
La lunula è una parte di piano delimitata<br />
da archi di cerchio. Se (R; 2') e (S; 2 )<br />
sono i raggi e gli angoli degli archi di<br />
cerchio, l’area della lunula è<br />
R 2 (' sin(2')=2) S 2 ( sin(2 )=2) :<br />
Una lunula è costruibile e quadrabile algebricamente, se la corda con i<br />
due raggi e l’area sono numeri algebrici, è costruibile e quadrabile in modo<br />
elementare con riga e compasso se la corda con i due raggi e l’area stanno<br />
in estensioni quadratiche iterate del campo razionale. Le aree dei triangoli<br />
R 2 sin(2')=2 e S 2 sin(2 )=2 sono già funzioni algebriche dei raggi R e S e della<br />
corda 2R sin(') = 2S sin( ). Quindi, le lunule algebriche sono quelle con R, S,<br />
R 2 ' S 2 algebrici. Nel 1903 Landau osserva che se raggi e area e rapporto tra<br />
gli angoli '= sono algebrici, allora anche = R 2 ' S 2 = R 2 '= S 2<br />
247
è algebrico. Ma, per il teorema di Lindemann, se e algebrico e non nullo,<br />
allora sin( ) = 1=S è trascendente. Per evitare questa contraddizione si deve<br />
quindi avere R 2 ' = S 2 . Per il teorema di Gelfond e Schneider, se e sono<br />
numeri algebrici, con diverso da 0 o 1 e irrazionale, allora è trascendente.<br />
Quindi, se exp (i ) = p 1 1=S 2 + i=S è algebrico e '= è algebrico<br />
e irrazionale, allora p 1 1=R 2 + i=R = exp (i') = (exp (i )) '= è trascendente.<br />
Per evitare questa contraddizione, si deve quindi assumere che se '=<br />
è algebrico, allora è anche razionale. In…ne, nel 1966 A.Baker dimostra che<br />
ogni combinazione lineare con coe¢ cienti algebrici di logaritmi di numeri algebrici<br />
o è zero o è trascendente. Da questo segue che se exp (i') e exp (i )<br />
sono algebrici e se R e S sono algebrici, allora R 2 ' S 2 o è zero, o è trascendente.<br />
Riassumendo, nelle lunule algebriche, R 2 ' = S 2 e '= = S 2 =R 2 è<br />
razionale. Si può quindi porre ' = m# e = n#, con m e n interi, e la condizione<br />
R sin(') = S sin( ) si trasforma in n sin 2 (m#) = m sin 2 (n#). Con le<br />
sostituzioni sin(k#) = exp 2k (i#) 1 = 2i exp k (i#) e exp (i2#) = z, si ottiene<br />
una equazione algebrica con coe¢ cienti interi,<br />
nz n (z m 1) 2 = mz m (z n<br />
1) 2 :<br />
Questa equazione si abbassa immediatamente di grado eliminando le radici<br />
z = 0 e z = 1 e si possono anche eliminare le radici che non corrispondono a<br />
lunule reali. Quando l’equazione ridotta è risolubile per radicali quadratici, la<br />
lunula risulta costruibile e quadrabile con riga e compasso. In particolare sono<br />
costruibili e quadrabili elementarmente le lunule con rapporto '= uguale a 2/1,<br />
3/1, 3/2, 5/1, 5/3. Le prime tre sono di Ippocrate e le ultime due di Eulero,<br />
poi ritrovate da Clausen:<br />
'= = 2=1; cos(') = 1<br />
p ;<br />
2<br />
'= = 3=1; cos(') = 1 p p<br />
1 + 3 ;<br />
2<br />
'= = 3=2; cos(') = 1 p<br />
33 1 ;<br />
8<br />
'= = 5=1; cos(2') = 1 p p<br />
5 + 4 5 1 ;<br />
4<br />
'= = 5=3; cos( 2<br />
0s<br />
1<br />
') = @<br />
20<br />
3 4 3 +<br />
r<br />
20<br />
3 +<br />
r<br />
5<br />
3<br />
1<br />
1A<br />
:<br />
Applicando la teoria di Galois all’equazione sopra ricavata, L.Chakalov,<br />
N.G.Cebotarev e A.W.Dorodnov dimostrano che queste cinque sono le sole<br />
lunule costruibili e quadrabili con riga e compasso. In particolare, come già<br />
osservato da Viète, le lunule con '= = 4=1, 4=3, 7=1, 7=3, 7=5, conducono ad<br />
equazioni cubiche e sono quindi quadrabili per mezzo di sezioni coniche. Nel<br />
248
caso 4=1,<br />
4z 4 (z 1) 2<br />
z z 4<br />
= 4z 4 (z 1) 2<br />
1 2 = z (z 1) 2 z 6 + 2z 5 + 3z 4 + 3z 2 + 2z + 1<br />
2<br />
z + z 1<br />
2<br />
3<br />
+ 2<br />
z + z 1<br />
Ponendo cos (2#) = z + z 1 =2 = x, si ottiene l’equazione cubica 2x 3 +<br />
2x2 1 = 0, la cui sola soluzione reale x = 1 p p 3<br />
2<br />
46 + 6 57 +<br />
6<br />
3 3p 46 + 6 p 1<br />
57 3 .<br />
Due archi di cerchi con centri da parti opposte della corda comune danno<br />
una …gura a forma di lente. Se un arco ha raggio R e angolo 2' e l’altro ha<br />
raggio S e angolo 2 , la corda comune misura 2R sin(') = 2S sin( ) e l’area<br />
della lente è<br />
R 2 ' R 2 sin(2')=2 + S 2 S 2 sin(2 )=2 :<br />
Con un’analisi simile a quanto sopra, si può mostrare che nessuna lente è<br />
costruibile e quadrabile elementarmente. Esistono comunque altre …gure delimitate<br />
da archi di cerchio quadrabili in modo elementare o la cui quadratura si<br />
può ricondurre a quella del cerchio. In particolare, gli appunti di Leonardo da<br />
Vinci contengono molte di queste …gure.<br />
Lune falcate di Leonardo. Se<br />
gli archi sono simili e il più<br />
grande è doppio dei piccoli,<br />
le regioni hanno la stessa area.<br />
La rosa camuna con otto archi di cerchio<br />
ha perimetro 10 e area 16 + .<br />
249<br />
2<br />
2<br />
1<br />
!<br />
Un rosone con sei archi<br />
di cerchio ha perimetro<br />
4 ed area 2 3 p 3.<br />
:
”Libro dei Lemmi”<br />
di Archimede.<br />
”Sia AB il diametro di un semicerchio e<br />
C un punto di AB. Nel semicerchio si<br />
traccino due altri semicerchi con diametri<br />
AC e CB e la perpendicolare al diametro<br />
CD. Se due cerchi toccano da parti opposte<br />
il segmento CD e due semicirconferenze,<br />
questi due cerchi sono uguali”.<br />
”Se AB è il diametro di un semicerchio e<br />
C un punto di AB, e se nel semicerchio si<br />
tracciano due altri semicerchi con diametri<br />
AC e CB, la …gura delimitata dalle tre<br />
semicirconferenze è quella che Archimede<br />
chiama Arbelo ed ha area uguale al cerchio<br />
con diametro CD perpendicolare dal<br />
semicerchio al diametro”.<br />
Il Fuso, il Salino ed il Drepanpide di Archimede. Trova l’area!<br />
250
Hermite (1822-1901) Lindemann (1852-1939) Hilbert (1862-1943)<br />
DEF INIZIONE AST RAT T A DI<br />
Abbiamo de…nito come il rapporto tra lunghezza della circonferenza e<br />
diametro di un cerchio, o il rapporto tra area e quadrato del raggio. Questa<br />
de…nizione è solo apparentemente elementare, perché di fatto presuppone le<br />
nozioni di lunghezza e di area, che per quanto intuitive non sono banali. Poi,<br />
per il calcolo di abbiamo sistematicamente usato il calcolo di¤erenziale ed<br />
integrale. In particolare, se è una curva semplice che circonda un punto w e<br />
se f(z) è una funzione olomorfa, si ha la formula di Cauchy<br />
Z<br />
1 f(z)<br />
dz = f(w):<br />
2 i z w<br />
Questo spiega perché compare così spesso nel calcolo di integrali. Anzi, si<br />
può de…nire come valore di certi integrali, per esempio,<br />
8<br />
Z +1<br />
0<br />
4<br />
Z +1<br />
1<br />
Z 1<br />
0<br />
dx<br />
=<br />
1 + x2 ;<br />
p<br />
1 x2dx = ;<br />
Z b<br />
dx<br />
p = ;<br />
(x a)(b x)<br />
a<br />
Z +1<br />
1<br />
sin(x 2 )dx<br />
exp( x 2 )dx<br />
2<br />
= 8<br />
Z +1<br />
0<br />
2<br />
= ;<br />
sin(x 2 )dx<br />
2<br />
= :<br />
Abbiamo visto come per molti secoli si sia cercato di costruire con riga<br />
e compasso o, più in generale, si sia cercato di esprimere questo numero come<br />
251
adice di un polinomio a coe¢ cienti interi. Ma se con i polinomi non funziona,<br />
perchè non provare con altre funzioni? Landau nelle sue lezioni all’università<br />
di Göttingen de…nisce =2 come il primo zero positivo della funzione cos(x) =<br />
1 x 2 =2 + x 4 =24 ::: e con questo ed altri pretesti nel 1934 viene brutalmente<br />
allontanato dall’insegnamento. Un suo collega tenta di giusti…care l’accaduto<br />
a¤ermando che ”Il suo stile non germanico di insegnamento e ricerca è diventato<br />
intollerabile per la sensibilità germanica... Si devono ri…utare insegnanti<br />
di un’altra razza che lavorano per imporre idee estranee...”. Da Cambridge<br />
Hardy commenta amaramente: ”Molti di noi, sia inglesi che tedeschi, durante<br />
la guerra hanno detto cose che a malapena volevamo dire che ora ricordano con<br />
rincrescimento. L’ansia per la propria posizione, il timore di essere lasciati indietro<br />
il nascente torrente di follia, la determinazione a tutti i costi di non essere<br />
da meno, possono essere delle scusanti naturali anche se non particolarmente<br />
eroiche. La reputazione del professor Bieberbach esclude tali spiegazioni per le<br />
sue a¤ermazioni ed io sono portato alla non caritatevole conclusione che lui le<br />
creda vere”. Casi simili a questo descritto si sono veri…cati in molti altri paesi,<br />
compreso il nostro. Ma torniamo a . Anche se un po’astratta e niente a¤atto<br />
geometrica, la de…nizione di Landau è rigorosa e da questa seguono le principali<br />
proprietà di questo numero.<br />
Iniziamo col de…nire in modo astratto le funzioni trigonometriche e la funzione<br />
esponenziale, la funzione più importante dell’analisi. Ecco più o meno<br />
come Eulero introduce la formula del binomio di Newton e gli sviluppi in serie<br />
della funzione esponenziale a z e del logaritmo l(1 + x) nella ”Introduzione<br />
all’analisi dell’in…nito”.<br />
”Le funzioni irrazionali si possono trasformare in serie per mezzo di questo<br />
teorema universale,<br />
P m<br />
n + m<br />
n<br />
P m n<br />
n Q +<br />
(P + Q) m<br />
n =<br />
m(m n) m 2n<br />
P n Q<br />
n 2n 2 +<br />
m(m n)(m 3n) m 3n<br />
P n Q<br />
n 2n 3n<br />
3 + etc:<br />
... Poiché a 0 = 1... se ! è in…nitamente piccolo... a ! = 1 + k!... a i! =<br />
(1 + k!) i qualunque sia i. Quindi<br />
a i! = 1 + i i(i 1)<br />
k! +<br />
1 1 2 k2 ! 2 +<br />
i(i 1)(i 2)<br />
k<br />
1 2 3<br />
3 ! 3 + etc:<br />
Ponendo i = z=!, se z è un numero …nito e ! un numero in…nitamente<br />
piccolo, i diventa un numero in…nitamente grande...<br />
a z = 1 + kz<br />
i<br />
i<br />
= 1 + 1 1(i 1)<br />
kz +<br />
1 1 2i k2z 2 +<br />
1(i 1)(i 2)<br />
k<br />
1 2i 3i<br />
3 z 3 + etc:<br />
... Poiché i è in…nitamente grande, (i 1) =i = 1, (i 2) =i = 1,...<br />
a z = 1 + kz<br />
1 + k2z2 1 2 + k3z3 1 2 3 + k4z4 + etc: all’in…nito.<br />
1 2 3 4<br />
252
... Ponendo a i! = (1 + k!) i = 1 + x, si ha l(1 + x) = i!...<br />
... Inoltre<br />
(1 + k!) i = 1 + x; ::: i! = i<br />
k<br />
(1 + x) 1=i = 1 + 1<br />
i x<br />
1(i 1)<br />
i 2i x2 +<br />
(1 + x)1=i<br />
1 :<br />
1(i 1)(2i 1)<br />
x<br />
i 2i 3i<br />
3<br />
Se i è in…nito, (i 1) =2i = 1=2, (2i 1) =3i = 2=3,... conseguentemente<br />
l(1 + x) = 1<br />
k<br />
x<br />
1<br />
xx<br />
2<br />
+ x3<br />
3<br />
x 4<br />
4<br />
+ etc: :<br />
... Poiché si può scegliere arbitrariamente la base a dei logaritmi, si può fare<br />
questa scelta in modo da avere k = 1. Ponendo k = 1 nella serie sopra trovata,<br />
a = 1 + 1 1<br />
+<br />
1 1 2 +<br />
1<br />
1 2 3 +<br />
1<br />
+ etc:<br />
1 2 3 4<br />
= 2; 71828182845904523536028 etc:<br />
I logaritmi in questa base si chiamano naturali o iperbolici, perché con essi è<br />
possibile quadrare l’iperbole. Per brevità chiamiamo questo numero 2,718281828459<br />
etc. con la lettera e...”<br />
In notazione odierna si sono dimostrate le formule<br />
(1 + z) =<br />
exp(z) = lim<br />
n!+1<br />
log(1 + z) =<br />
+1X<br />
n=0 n zn ;<br />
1 + z<br />
n<br />
n<br />
=<br />
+1X<br />
+1X ( )<br />
n=0<br />
n 1zn n=1<br />
zn n! ;<br />
Osserviamo che Eulero deriva tutti questi sviluppi in serie a partire dalla formula<br />
del binomio di Newton, ma di fatto non è in possesso di una dimostrazione<br />
completamente rigorosa di questa formula, per ogni esponente reale o complesso.<br />
Tra l’altro non è su¢ ciente dimostrare che la serie binomiale è la serie di Taylor<br />
della funzione (1 + z) . Esistono infatti funzioni con serie di Taylor che non<br />
convergono alle funzioni che le hanno generate. Un esempio di Cauchy è la<br />
funzione exp 1=x 2 , che ha tutte le derivate nell’origine nulle e quindi anche<br />
il suo sviluppo in serie nell’origine è identicamente nullo. Il paradosso è<br />
reale, nel campo complesso la funzione exp 1=z 2 ha una singolarità essenziale<br />
nell’origine. Osserviamo anche che ponendo a ! = 1 + k! si assume implicitamente<br />
la di¤erenziabilità della funzione esponenziale. Per evitare questi<br />
problemi, può essere conveniente partire direttamente dallo sviluppo in serie<br />
253<br />
n<br />
:<br />
etc:
per de…nire l’esponenziale e ricavare dallo sviluppo in serie le altre proprietà di<br />
questa funzione.<br />
TEOREMA: De…niamo<br />
cos(z) =<br />
sin(z) =<br />
exp(z) =<br />
+1X<br />
n=0<br />
exp(iz) + exp( iz)<br />
2<br />
exp(iz) exp( iz)<br />
2i<br />
zn n! ;<br />
=<br />
+1X ( )<br />
n=0<br />
nz2n ;<br />
(2n)!<br />
+1X ( )<br />
n=0<br />
nz2n+1 (2n + 1)! :<br />
1) Queste serie convergono per ogni numero complesso.<br />
2) Le funzioni esponenziali e trigonometriche veri…cano le equazioni di¤erenziali<br />
d<br />
exp(z) = exp(z);<br />
dz<br />
=<br />
d<br />
sin(z) = cos(z);<br />
dz<br />
d<br />
cos(z) = sin(z):<br />
dz<br />
3) Le funzioni esponenziali e trigonometriche veri…cano le equazioni funzionali<br />
exp(z + w) = exp(z) exp(w);<br />
cos(z + w) = cos(z) cos(w) sin(z) sin(w);<br />
sin(z + w) = sin(z) cos(w) + cos(z) sin(w);<br />
cos 2 (z) + sin 2 (z) = 1:<br />
4) Esiste un numero positivo tale che exp(z+2 i) = exp(z) e exp(z+iy) 6=<br />
exp(z) se 0 < y < 2 .<br />
5) La funzione esponenziale ristretta all’asse reale è positiva e crescente,<br />
con limx! 1 exp(x) = 0+ e limx!+1 exp(x) = +1. Inoltre, applica l’asse<br />
immaginario sulla circonferenza jwj = 1, cioè jexp(iy)j = 1 se y è reale. In…ne,<br />
per ogni w 6= 0 esistono in…niti z tali che w = exp(z).<br />
Dimostrazione: 1) z n+1 =(n + 1)! = jz n =n!j = jzj =(n + 1) ! 0 e per il<br />
criterio del rapporto la serie esponenziale converge per ogni z.<br />
2)Derivando termine a termine si veri…ca che (d=dz) exp(z) = exp(z) e<br />
analogamente si veri…cano le altre relazioni.<br />
3) Per dimostrare la formula di addizione dell’esponenziale basta moltiplicare<br />
due serie,<br />
+1X<br />
n=0<br />
(z + w) n<br />
=<br />
n!<br />
+1X<br />
n=0<br />
1<br />
n!<br />
nX n!<br />
k!(n k)! zkw k=0<br />
254<br />
n k<br />
!<br />
=<br />
+1X<br />
n=0<br />
zn n!<br />
! +1X<br />
n=0<br />
wn !<br />
:<br />
n!
Per dimostrare le formule di addizione del seno e coseno basta osservare che<br />
cos(z + w) + i sin(z + w) = exp (i (z + w))<br />
= exp(iz) exp(iw) = (cos(z) + i sin(z)) (cos(w) + i sin(w))<br />
= (cos(z) cos(w) sin(z) sin(w)) + i (sin(z) cos(w) + cos(z) sin(w)) :<br />
Si ha inoltre il teorema di Pitagora,<br />
cos 2 (z) + sin 2 (z) =<br />
exp(iz) + exp( iz)<br />
2<br />
2<br />
+ exp(iz) exp( iz)<br />
2i<br />
2<br />
= 1:<br />
Le formule di addizione sono anche conseguenza immediata della formula di<br />
Taylor f(z + w) =<br />
+1X<br />
f (n) (z)wn =n!. La relazione cos2 (z) + sin 2 (z) = 1 si può<br />
n=0<br />
veri…care osservando che cos2 (z)+sin 2 (z) vale 1 nell’origine ed ha derivata nulla.<br />
Di fatto si può dimostrare che le equazioni funzionali per l’esponenziale e delle<br />
funzioni trigonometriche caratterizzano quasi completamente queste funzioni.<br />
Per esempio, derivando '(x + y) = '(x)'(y) rispetto a y si ottiene '(x + y) =<br />
'(x)'(y) e ponendo y = 0 si ricava '(x) = '(0)'(x). Quindi, per il teorema<br />
di unicità per soluzioni di un’equazione di¤erenziale, '(x) = C exp '(0)x<br />
e dalla relazione '(0 + 0) = '(0)'(0) si deduce che C = 0 o C = 1. In<br />
de…nitiva, '(x) = 0 oppure '(x) = a x , con a = exp '(0) . Di fatto l’ipotesi di<br />
derivabilità di '(x) può essere sostituita dalla misurabilità, ma esistono soluzioni<br />
non misurabili.<br />
4) Si ha cos(1) > 1 1=2! = 1=2 e cos(2) < 1 2 2 =2! + 2 4 =4! = 1=3, quindi<br />
la funzione coseno ha uno zero tra 1 e 2. Denotiamo con =2 il primo zero<br />
positivo del coseno, cos( =2) = 0. Siccome la funzione seno cresce se il coseno è<br />
positivo e siccome cos 2 (y) + sin 2 (y) = 1, nell’intervallo 0 y =2 la funzione<br />
sin(y) cresce da 0 a 1, mentre cos(y) decresce da 1 a 0. Inoltre, per le formule<br />
di addizione,<br />
cos(y) = sin(y + =2) = cos(y + ) = cos(y + 2 );<br />
sin(y) = cos(y + =2) = sin(y + ) = sin(y + 2 ):<br />
In particolare, le funzioni seno e coseno sono periodiche di periodo 2 e la<br />
funzione esponenziale è periodica di periodo 2 i,<br />
exp(z + 2 i) = exp(z) exp(2 i) = exp(z) (cos(2 ) + i sin(2 )) = exp(z):<br />
Una dimostrazione complessa della periodicità della funzione esponenziale è<br />
la seguente. Se F (z) = z 1 Z z<br />
exp w<br />
1<br />
1dw , allora dF (z)=dz = 0, quindi F (z)<br />
Z<br />
è costante. D’altra parte w 1dw = 2 i se la curva compie un giro intorno<br />
all’origine. Quindi exp(z) è periodica con periodo 2 i.<br />
255
5) Se x > 0 allora exp(x) > 0, inoltre exp(x) > x n =n! ! +1 se x !<br />
+1. Dalla relazione exp(x) exp( x) = 1 si ricava che anche exp( x) > 0 e<br />
exp( x) ! 0+ se x ! +1. Da (d=dx) exp(x) = exp(x) > 0 si deduce in…ne<br />
che sull’asse reale la funzione esponenziale è monotona crescente. Se y è reale,<br />
exp(iy) = cos(y) + i sin(y) è un numero complesso di modulo uno e, per la<br />
continuità delle funzioni seno e coseno, ogni numero complesso di modulo uno<br />
si può ottenere in questo modo. Per concludere, se w è un numero complesso<br />
non nullo, per opportuni x e y si ha<br />
p a 2 + b 2 = exp(x);<br />
a<br />
p = cos(y);<br />
a2 + b2 b<br />
p = sin(y):<br />
a2 + b2 x è unicamente determinato e y è determinato a meno di multipli di 2 .<br />
Quindi,<br />
w = a + ib = p a 2 + b 2<br />
a<br />
p a 2 + b 2<br />
b<br />
+ ip<br />
a2 + b2 = exp(x) (cos(y) + i sin(y)) = exp(x) exp(iy) = exp(x + iy):<br />
Dopo aver introdotto in modo astratto i numeri e e e le funzioni esponenziali<br />
e trigonometriche, riproponiamo un rompicapo proposto da Clausen nel<br />
1827:<br />
e 1+2 i = e =) e 1+2 i 2 i = e 2 i 2<br />
2 i 4<br />
=) e = e 2 i =) e<br />
4 2<br />
= 1:<br />
La soluzione sta in una precisa de…nizione di se e sono numeri complessi.<br />
TEOREMA: De…niamo<br />
log(1 z) =<br />
Questa serie converge per jzj 1, z 6= 1, inoltre si ha (d=dz) log(z) = 1=z e<br />
log (exp(z)) = exp (log(z)) = z.<br />
+1X<br />
n=1<br />
z n<br />
n :<br />
Dimostrazione: Per il criterio del rapporto la serie<br />
+1X<br />
n=1<br />
z n =n converge per<br />
ogni jzj < 1 e si può mostrare che converge anche se jzj = 1 e z 6= 1. Derivando<br />
la serie del logaritmo si ottiene la serie geometrica,<br />
+1X<br />
d<br />
d z<br />
(log(1 z)) =<br />
dz dz<br />
n<br />
!<br />
+1X<br />
= z<br />
n<br />
n 1 1<br />
=<br />
1 z :<br />
n=1<br />
Per dimostrare che log (exp(z)) = exp (log(z)) = z basta poi osservare che<br />
d<br />
dz<br />
exp (log(z))<br />
z<br />
= 0;<br />
n=1<br />
d<br />
(log (exp(z)) z) = 0:<br />
dz<br />
256
TEOREMA: Se de…niamo (1 + z) = exp ( log(1 + z)), si ha (1 + z) 1 =<br />
1 + z e (1 + z) (1 + z) = (1 + z) + . Inoltre,<br />
(1 + z) = 1 + 1 z +<br />
( 1)<br />
z<br />
1 2<br />
2 +<br />
( 1)( 2)<br />
z<br />
1 2 3<br />
3 + ::::<br />
Dimostrazione: Le formule (1 + z) 1 = 1+z e (1+z) (1 + z) = (1 + z) +<br />
sono conseguenza della formula di inversione exp(log(w)) = w e di addizione<br />
exp( w) exp( w) = exp(( + )w). Per dimostrare lo sviluppo in serie basta osservare<br />
che sia la serie 1+ z+ ( 1)z2 soddisfano l’equazione di¤erenziale<br />
=2+::: che la funzione exp ( log(1 + z))<br />
(<br />
(1 + z) dw<br />
=<br />
dz<br />
w(0) = 1:<br />
w;<br />
La dimostrazione di Abel, ”oserei dire la prima dimostrazione rigorosa della<br />
formula del binomio”, è di¤erente. La serie<br />
jzj < 1, infatti<br />
+1X<br />
n=0<br />
+1X<br />
n=0 n zn converge almeno per<br />
n + 1 zn+1 = n z n ! jzj se n ! +1. Inoltre,<br />
nX<br />
+1X<br />
zn<br />
n<br />
n=0 n zn +1X<br />
=<br />
n=0k=0<br />
k n k zn +1X<br />
=<br />
n=0<br />
Quindi, per z …ssato ed variabile, entrambi complessi, la serie binomiale<br />
veri…ca l’equazione funzionale '( + ) = '( )'( ), cioè, a meno di multipli di<br />
2 i, log ('( + )) = log ('( )) + log ('( )). Si può dimostrare che le soluzioni<br />
misurabili di questa equazione funzionale sono lineari, log ('( )) = c , con<br />
c = log ('(1)) = log (1 + z). Quindi '( ) = exp ( log (1 + z)).<br />
Torniamo ora ad occuparci della quadratura del cerchio.<br />
TEOREMA: La lunghezza della circonferenza x 2 + y 2 = R 2 è 2 R e<br />
l’area del cerchio x 2 + y 2 R 2 è R 2 .<br />
Dimostrazione: Parametrizziamo la circonferenza x 2 + y 2 = R 2 ponendo<br />
x = R cos(#);<br />
y = R sin(#);<br />
0 # < 2 :<br />
L’elemento in…nitesimale di lunghezza è p dx 2 + dy 2 = Rd#, quindi la lunghezza<br />
dell’arco con estremi (R; 0) e (R cos(#); R sin(#)) è R# e la lunghezza dell’intera<br />
circonferenza x 2 + y 2 = R 2 è<br />
Z<br />
fx 2 +y 2 =R 2 g<br />
p dx 2 + dy 2 =<br />
257<br />
Z 2<br />
0<br />
Rd# = 2 R:<br />
+<br />
n<br />
z n :
L’area del cerchio x 2 + y 2 R 2 è<br />
Z Z<br />
fx 2 +y 2 R 2 g<br />
Z Rp<br />
dxdy = 4 R2 x2dx = 4R 2<br />
Z =2<br />
0<br />
0<br />
sin 2 (#)d# = R 2 :<br />
In particolare le funzioni trigonometriche sopra de…nite coincidono con quelle<br />
introdotte in geometria e la de…nizione astratta di coincide con quella classica.<br />
Per …nire, seguendo le dimostrazioni di Hilbert ed altri, mostriamo che i numeri<br />
di Archimede e di Nepero sono trascendenti.<br />
TEOREMA: Il numero e è trascendente.<br />
Dimostrazione: Per ogni polinomio P (x) si ha<br />
Z x<br />
P (t) exp(x t)dt = exp(x)<br />
0<br />
+1X<br />
j=0<br />
P (j) (0)<br />
+1X<br />
j=0<br />
P (j) (x):<br />
Per dimostrare questa identità di Hermite si può integrare per parti, oppure<br />
osservare che exp( t)P (t) = d<br />
0<br />
@exp(<br />
dt<br />
+1X<br />
t) P (j) 1<br />
(t) A. Se, per assurdo, e fosse<br />
j=0<br />
radice di un polinomio a coe¢ cienti interi c0 + c1e + c2e2 + ::: + cnen = 0 con<br />
c0 6= 0, si avrebbe<br />
nX<br />
k=0<br />
ck<br />
Z k<br />
P (t) exp(k t)dt =<br />
0<br />
nX<br />
+1X<br />
k=0j=0<br />
ckP (j) (k):<br />
Scelto un numero primo p maggiore di c0 e di n, in questa identità si pone<br />
P (x) = x p 1 (x 1) p (x 2) p :::(x n) p :<br />
Se 0 x n, allora jP (x)j (n!) p . Quindi<br />
nX<br />
k=0<br />
Ora valutiamo<br />
ck<br />
Z k<br />
P (t) exp(k t)dt (n!) p<br />
0<br />
nX<br />
nX<br />
k=0<br />
e k<br />
1 jckj :<br />
+1X<br />
ckP (j) (k). Si ha P (0) = ::: = P (p 2) (0) = 0 e<br />
P<br />
k=0j=0<br />
(p 1) (0) = ( ) np (n!) p (p 1)!, le altre derivate da P (p) (0) in poi sono di-<br />
visibili per p!. Similmente si mostra che tutte le derivate P (j) (k), k = 1; 2; :::; n,<br />
nX +1X<br />
sono divisibili per p!. In conclusione ckP (j) (k) è un intero divisibile per<br />
k=0j=0<br />
258
(p 1)! ma non per per p. Quindi<br />
=<br />
nX<br />
k=0<br />
ck<br />
(p 1)!<br />
nX<br />
+1X<br />
k=0j=0<br />
ckP (j) (k)<br />
Z k<br />
P (x) exp(t k)dx (n!) p<br />
0<br />
nX<br />
k=0<br />
e k<br />
1 jckj :<br />
Per concludere la dimostrazione basta osservare che (p 1)! cresce più rapidamente<br />
di (n!) p se p ! +1.<br />
La dimostrazione della trascendenza di è un poco più complicata ed utilizza<br />
le proprietà dei polinomi simmetrici, cioè invarianti per permutazioni delle<br />
variabili P (x1; x2; :::; xn) = P x (1); x (2); :::; x (n) . I polinomi simmetrici ele-<br />
mentari sono s1 = X<br />
1 i n<br />
de…niti dalle relazioni<br />
= x n<br />
0<br />
@ X<br />
1 i n<br />
xi<br />
xi, s2 = X<br />
1 i
coe¢ cienti interi in a, b, c,.... Se a, b, c,... sono interi, anche un polinomio<br />
a coe¢ cienti interi e simmetrico nelle variabili ax1, ax2,..., axn ha un valore<br />
intero.<br />
TEOREMA: Il numero è trascendente.<br />
Dimostrazione: Per rendere la dimostrazione più digeribile, la dividiamo<br />
in una serie di passi.<br />
(1) I numeri algebrici formano un campo. In particolare, se x è algebrico,<br />
anche ix lo è.<br />
Questo si può anche veri…care direttamente come segue:<br />
a(ix) n<br />
a(ix) n<br />
ax n + bx n 1 + cx n 2 + dx n 3 + ::: = 0;<br />
c(ix) n 2 n 1<br />
+ ::: + i b(ix)<br />
c(ix) n 2 + ::: 2 n 1<br />
+ b(ix)<br />
d(ix) n 3 + ::: = 0;<br />
d(ix) n 3 + ::: 2 = 0:<br />
La terza uguaglianza deriva dalla seconda perché U 2 +V 2 = (U iV )(U+iV ).<br />
(2) Se fosse algebrico, esisterebbe un polinomio c(x y1)(x y2):::(x ym)<br />
con coe¢ cienti interi e radici y1, y2,..., ym non nulle, ed un intero k non nullo<br />
tali che e y1 + e y2 + ::: + e ym = k.<br />
Se è algebrico, lo è anche i . Se i è una delle radici x1, x2,..., xn di un<br />
polinomio irriducibile a coe¢ cienti interi, per la formula di Eulero e i + 1 = 0,<br />
Quindi,<br />
1 + X<br />
1 i n<br />
(e x1 + 1) (e x2 + 1) ::: (e xn + 1) = 0;<br />
e xi + X<br />
1 i
multiplo dei denominatori, si ottiene un polinomio a coe¢ cienti interi con le<br />
radici non nulle y1, y2,..., ym.<br />
(3) Se c e fykg sono come in (2), se p è un numero primo su¢ cientemente<br />
grande, se<br />
P (x) = x p 1 (c(x y1)(x y2):::(x ym)) p ;<br />
e se<br />
X =<br />
mX<br />
Z yk<br />
P (x) exp (yk x) dx;<br />
k=1<br />
0<br />
allora X è un intero divisibile per (p 1)!, ma non per p. In particolare, jXj<br />
(p 1)!.<br />
Ricordando che le usuali regole di integrazione valgono anche nel campo<br />
complesso ed integrando per parti, si ottiene<br />
mX<br />
Z yk<br />
P (x) exp (yk<br />
0<br />
mX<br />
x) dt = @e yk<br />
+1X<br />
P (j) (0)<br />
+1X<br />
P (j) 1<br />
(yk) A<br />
k=1<br />
0<br />
=<br />
mX<br />
e yk<br />
! 0<br />
@<br />
k=1<br />
+1X<br />
j=0<br />
k=1<br />
1<br />
P (j) (0) A<br />
j=0<br />
+1X<br />
j=0<br />
j=0<br />
mX<br />
P (j) !<br />
(yk) :<br />
mX<br />
eyk è un intero non nullo. Il polinomio P (x) ha coe¢ cienti interi, quindi<br />
k=1<br />
ogni P (j) (0) è un intero. In particolare, P (j) (0) = 0 se j < p 1, P (p 1) (0) =<br />
(p 1)! (( ) mcy1y2:::ym) p è divisibile per (p 1)! ma non per p se questo primo<br />
non divide cy1y2:::ym, e P (j) (0) è divisibile per p! se j > p 1. Ed anche<br />
mX<br />
P (j) 2<br />
(yk) =<br />
n<br />
X<br />
P (j) (yk) (2n m) P (j) (0) è un intero divisibile per p!, perché<br />
k=1<br />
k=1<br />
è un polinomio simmetrico nelle variabili ay1,..., ay2 n, e perché P (j) (yk) 6= 0 solo<br />
se il fattore (x yk) p è derivato almeno p volte. Quindi X è un intero divisibile<br />
per (p 1)! ma non per p.<br />
(4) Se P (x) = x p 1 (c(x y1)(x y2):::(x ym)) p , esiste una costante C =<br />
C (c; y1; :::; ym) indipendente da p, tale che<br />
Infatti,<br />
jXj =<br />
k=1<br />
mX<br />
Z yk<br />
P (t) exp (yk t) dt C p :<br />
k=1<br />
Z x<br />
P (t) exp(x t)dt = x<br />
0<br />
0<br />
Z 1<br />
0<br />
P (sx) exp ((1 s) x) ds<br />
jxj e jxj max<br />
0 s 1 jP (sx)j jcj jxj ejxj max<br />
0 s 1 fjsx y1j jsx y2j ::: jsx ymjg<br />
261<br />
p<br />
:
(5) La disuguaglianza (p 1)! jXj C p è assurda se p ! +1.<br />
Più in generale, i precedenti risultati sono contenuti nel seguente.<br />
TEOREMA: Se , ,..., sono numeri complessi algebrici distinti e se a,<br />
b,..., c sono numeri complessi algebrici non nulli, allora ae +be +:::+ce 6= 0.<br />
Dimostrazione: Scomponiamo la dimostrazione in una serie di passi, premettendo<br />
qualche de…nizione. I coniugati di un numero algebrico sono le radici<br />
f (j)g di un polinomio irriducibile a coe¢ cienti interi di cui è radice. Un<br />
insieme …nito di numeri complessi f ; ; ; :::g si dice coniugato completo se<br />
questi numeri sono radici di un polinomio a coe¢ cienti interi, anche non irriducibile.<br />
Scomponendo questo polinomio in fattori irriducibili, si ottiene una<br />
scomposizione di f ; ; ; :::g in blocchi di coniugati di numeri algebrici.<br />
(1) Se fa; b; c; :::g sono interi e se f ; ; :::g sono algebrici, allora, al variare<br />
di (i) tra i coniugati di , di (j) tra i coniugati di , di (k) tra i<br />
coniugati di ,..., l’insieme fa (i) + b (j) + c (k) + :::g è coniugato completo.<br />
Basta mostrare che il polinomio<br />
Y<br />
(x (a (i) + b (j) + c (k) + :::))<br />
(i) coniugato di ; (j) coniugato di ;:::<br />
ha coe¢ cienti razionali.<br />
=<br />
=<br />
Y<br />
(i) coniugato di ; (j) coniugato di ;:::<br />
Y<br />
(j) coniugato di ;:::<br />
=<br />
=<br />
Y<br />
(j) coniugato di ;:::<br />
Y<br />
0<br />
@<br />
(j) coniugato di ;:::<br />
Y<br />
Y<br />
(i) coniugato di :<br />
0<br />
@<br />
(j) coniugato di ;:::<br />
Y<br />
(i) coniugato di :<br />
(x a (i) + b (j) + :::)<br />
1<br />
((x b (j) :::) a (i)) A<br />
1<br />
(y a (i)) A<br />
y n + Ry n 1 + Sy n 2 + :::<br />
(x b (j) :::) n + R (x b (j) :::) n 1 + ::: :<br />
Siccome i numeri fR; S; :::g sono razionali, i coe¢ cienti di questo polinomio<br />
non dipendono da . Ma esattamente per lo stesso motivo, scambiando con<br />
, ,..., si ricava che questi coe¢ cienti non dipendono da , ,....<br />
(2) Date due collezioni f (1) ; (2) ; :::g e f (1) ; (2) ; :::g di numeri complessi<br />
distinti, e due collezioni f (1) ; (2) ; :::g e f (1) ; (2) ; :::g di numeri<br />
262
non nulli, si consideri il prodotto<br />
X<br />
i<br />
= X<br />
0<br />
@<br />
k<br />
(i) exp ( (i))<br />
X<br />
(i)+ (j)="(k)<br />
! 0<br />
@ X<br />
j<br />
1<br />
(j) exp ( (j)) A<br />
1<br />
(i) (j) A exp (" (k)) :<br />
Se si sono raccolti i termini con lo stesso esponente in modo da avere tutti gli<br />
esponenti f" (1) ; " (2) ; :::g distinti, almeno una somma<br />
X<br />
(i) (j)<br />
(i)+ (j)="(k)<br />
non è nulla.<br />
Se si ordinano gli esponenti ponendo x > y se Re(x) > Re(y), o se Re(x) =<br />
Re(y) e Im(x) > Im(y), nella somma associata a " (k) = max f<br />
c’è un solo addendo non nullo.<br />
(i)g+max f (j)g<br />
(3) Se f (1) ; (2) ; :::g sono le radici non nulle di un polinomio con coe¢ -<br />
cienti interi e se e sono interi non nulli, allora<br />
+ X<br />
exp ( (j)) 6= 0:<br />
j<br />
Se f (j)g sono le radici di un polinomio a coe¢ cienti interi P (x) = ux n +<br />
::: + v con u e v non nulli, e se p è un numero primo, si de…niscono<br />
Q(x) = xp 1 un 1P (x) p<br />
= xp 1 (ux u (1)) p ::: (ux u (n)) p<br />
(p 1)!<br />
Z z<br />
(p 1)!<br />
I(z) = Q(x) exp(z x)dx:<br />
0<br />
Sostituendo al numero complesso z le radici (j) ed integrando per parti si<br />
ottiene<br />
0<br />
nX<br />
I ( (j)) =<br />
j=1<br />
= @ +<br />
nX<br />
+1X<br />
j=1k=0<br />
1<br />
nX<br />
exp ( (j)) A<br />
j=1<br />
In particolare, se +<br />
+1X<br />
k=0<br />
exp ( (j)) Q (k) (0)<br />
Q (k) (0)<br />
+1X<br />
k=0<br />
Q (k) (0)<br />
nX<br />
exp ( (j)) = 0, allora<br />
j=1<br />
nX<br />
I ( (j)) =<br />
j=1<br />
+1X<br />
k=0<br />
Q (k) (0)<br />
263<br />
nX<br />
+1X<br />
j=1k=0<br />
nX<br />
+1X<br />
j=1k=0<br />
nX<br />
Q (k) ( (j))<br />
+1X<br />
j=1k=0<br />
Q (k) ( (j)) :<br />
;<br />
Q (k) ( (j)) :
Per ottenere una contraddizione basta mostrare che gli integrali a sinistra<br />
I ( (j)) tendono a 0 se p ! +1, mentre le somme a destra sono un intero non<br />
nullo. Infatti, Q (k) (0) = 0 per ogni k < p 1, Q (p 1) (0) = v (m 1)pP (0) p<br />
è un intero non divisibile per p se p è grande, e Q (k) (0) è divisibile per p se<br />
k p. Quindi<br />
+1X<br />
k=0<br />
Q (k) (0) è un intero non nullo e non divisibile per p. In…ne,<br />
mX<br />
Q (k) ( (j)) è un polinomio simmetrico delle radici (j), quindi è un intero,<br />
j=1<br />
ed è divisibile per p perché Q (k) ( (j)) 6= 0 solo se il fattore (x (j)) p è stato<br />
derivato p volte. In particolare<br />
+1X<br />
Q (k) (0) +<br />
nX +1X<br />
Q (k) ( (j)) è un intero<br />
k=0<br />
j=1k=0<br />
non divisibile per p, quindi non nullo. In…ne,<br />
jI(z)j =<br />
Z z<br />
Q(x) exp(z x)dx<br />
exp (jzj) (jzj juz u 1j + ::: + juz u nj) p<br />
(p 1)!<br />
:<br />
0<br />
Quindi per I (z) ! 0 se p ! +1.<br />
(4) Se f (j; 1) ; (j; 2) ; :::g sono le radici non nulle di polinomi con coef-<br />
…cienti interi Pj(x) = u(j)xn(j) + ::: + v(j) con u(j) e v(j) non nulli, e se<br />
f (1); (2); :::g e sono interi non nulli, allora<br />
+ X<br />
(j) X<br />
exp (<br />
!<br />
(j; k)) 6= 0<br />
j<br />
k<br />
Si può assumere v(j)u(j) n(j) 1 = U per ogni j. Basta moltiplicare Pj(x)<br />
per v(j)u(j) n(j) 1 1 Y<br />
i<br />
v(i)u(i) n(i) 1 . Come in (3), si de…nisce<br />
Qj(x) = xp 1 u(j) n(j) 1Pj(x) p<br />
; Ij(z) =<br />
(p 1)!<br />
Allora, per ogni scelta di (j),<br />
X<br />
= (j)<br />
n(j) X<br />
(j) (Ij (j; i))<br />
n(j) +1X<br />
exp (<br />
i=1<br />
(j; i)) Q<br />
i=1 k=0<br />
(k)<br />
j (0)<br />
n(j) X+1X<br />
(j)<br />
0<br />
n(j)<br />
i=1 k=0<br />
1<br />
+1X<br />
X<br />
= @ (j) + (j) exp ( (j; i)) A<br />
k=0<br />
i=1<br />
+1X<br />
(j) Q (k)<br />
X<br />
j (0) (j)<br />
264<br />
n(j) +1X<br />
i=1 k=0<br />
Z z<br />
Qj(x) exp(z x)dx:<br />
0<br />
k=0<br />
Q (k)<br />
j ( (j; i))<br />
Q (k)<br />
j (0)<br />
Q (k)<br />
j ( (j; i)) :
Come in (3) si ha<br />
+1X<br />
k=0<br />
Q (k)<br />
j (0) = v(j)u(j)<br />
n(j) +1X<br />
X<br />
i=1 k=0<br />
n(j) 1 p<br />
+ (multipli di p) ;<br />
Q (k)<br />
j ( (j; i)) = (multipli di p) :<br />
Quindi, per la de…nizione di U, se p > U e se X<br />
j<br />
i=1<br />
j<br />
n(j)<br />
XX<br />
(j)Ij ( (j; i))<br />
i=1<br />
j<br />
(j) = si ha<br />
0<br />
= @ + X<br />
1<br />
n(j) X<br />
(j) exp ( (j; i)) A U p + (intero non nullo) :<br />
Come in (3), I (z) ! 0 se p ! +1, e se + XX<br />
(j) exp ( (j; i)) = 0 si<br />
ottiene una contraddizione.<br />
(5) Se f (1) ; (2) ; :::g sono algebrici distinti e se f (1) ; (2) ; :::g sono<br />
interi non nulli, allora X<br />
(j) exp ( (j)) 6= 0:<br />
j<br />
Dividendo per un esponenziale, basta mostrare che se f (j)g sono algebrici<br />
distinti non nulli e se f (j)g e sono interi non nulli, allora<br />
+ X<br />
(j) exp ( (j)) 6= 0:<br />
j<br />
Assumendo il contrario, se f (j; k)g sono i coniugati di (j), con (j; 1) =<br />
(j) e se è una funzione che ad ogni (j) associa una coniugata (j; k), si<br />
ha<br />
0<br />
Y<br />
@ + X<br />
1<br />
(j) exp ( ( (j))) A = 0:<br />
j<br />
Il prodotto è su tutte le scelte, e tra queste scelte c’è ( (j)) = (j) per<br />
ogni j, ed in questo caso il fattore è per ipotesi 0. Sviluppando il prodotto e<br />
ricordando (2), si ottiene<br />
" + X<br />
(j) X<br />
!<br />
exp ( (j; k)) = 0:<br />
j<br />
k<br />
265<br />
j<br />
n(j)<br />
i=1
I coe¢ cienti " e f (j)g sono interi non nulli e gli esponenti f (j; k)g sono<br />
somme di f (j; k)g. Se con una combinazione #(1) (1; 1) + #(2) (2; 1) + :::,<br />
con f#(j)g interi, si ottiene un coe¢ ciente (j), allora tutte le analoghe combinazioni<br />
di coniugati #(1) (1; h) + #(2) (2; k) + ::: danno lo stesso coe¢ ciente<br />
(j). Inoltre, per (1), f#(1) (1; h) + #(2) (2; k) + :::g è un insieme coniugato<br />
completo. La contraddizione segue da (4).<br />
(6) Se f (1) ; (2) ; :::g sono algebrici distinti e se f (1) ; (2) ; :::g sono<br />
algebrici non nulli, allora<br />
X<br />
(j) exp ( (j)) 6= 0:<br />
j<br />
La dimostrazione è simile a quella in (5). Assumendo il contrario, se f (j; k)g<br />
sono i coniugati di (j), con (j; 1) = (j), e se è una funzione che ad ogni<br />
(j) associa una coniugata (j; i), si ha<br />
0<br />
Y<br />
@ X<br />
1<br />
( (j)) exp ( (j)) A = 0:<br />
j<br />
Il prodotto è su tutte le scelte, tra queste scelte c’è ( (j)) = (j) per ogni<br />
j, ed in questo caso il fattore è per ipotesi 0. Ricordando (2) e sviluppando il<br />
prodotto, si ottiene una somma del tipo<br />
X<br />
(j) exp ( (j)) = 0:<br />
j<br />
I coe¢ cienti f (j)g sono non nulli e gli esponenti f (j)g sono distinti.<br />
I numeri f (j)g sono polinomi a coe¢ cienti interi simmetrici nelle variabili<br />
f (h; k)g. Quindi sono razionali. Moltiplicando per il minimo comun denominatore,<br />
ci si riconduce a degli interi, e quindi a (5).<br />
COROLLARIO: Se x è algebrico non nullo, allora exp(x), log(x), cos (x),<br />
sin (x), tan (x), sono trascendenti.<br />
266
In un interessante saggio del 1974 Achille Campanile ha analizzato in dettaglio<br />
le relazioni tra asparagi e immortalità dell’anima, giungendo alla sorprendente<br />
conclusione che, da qualunque parte si esamini la questione, non c’è nulla<br />
in comune tra gli asparagi e l’immortalità dell’anima. Noi, al contrario, speriamo<br />
di aver dimostrato ad abundantiam l’esistenza di molteplici relazioni tra<br />
i numeri e, ed il resto della matematica. Le relazioni sono comunque molte<br />
di più di quelle a cui abbiamo accennato e certamente abbiamo dimenticato<br />
qualcosa di importante.<br />
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