Alle origini della geometria analitica - Corso di Studi in Matematica
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Le <strong>orig<strong>in</strong>i</strong><br />
<strong>della</strong><br />
Geometria <strong>analitica</strong><br />
Livia Giacar<strong>di</strong>, 20 novembre 2007<br />
“F<strong>in</strong>o a quando l’algebra e la <strong>geometria</strong><br />
avanzarono su sentieri separati il loro progresso<br />
fu lento e le loro applicazioni limitate.<br />
Ma quando queste due scienze unirono le loro<br />
forze, esse trassero l’una dall’altra fresca<br />
vitalità e da allora <strong>in</strong> poi marciarono a rapi<strong>di</strong><br />
passi verso la perfezione”<br />
(J.-L. Lagrange, OC, VII, p. 271)<br />
1
Grecia<br />
►Talete <strong>di</strong> Mileto - Asia M<strong>in</strong>ore,<br />
primi decenni del VI sec. a.C.<br />
<strong>in</strong>izio <strong>di</strong> una razionalizzazione del sapere<br />
<strong>di</strong>mostrazioni <strong>in</strong> forma embrionale<br />
► Scuola Pitagorica - Crotone <strong>in</strong> Italia meri<strong>di</strong>onale, VI-V sec. a.C.<br />
fondata da Pitagora <strong>di</strong> Samo (VI sec a.C.)<br />
esigenza <strong>di</strong>mostrativa, tutto è numero, aritmo<strong>geometria</strong><br />
scoperta delle grandezze <strong>in</strong>commensurabili<br />
► Zenone <strong>di</strong> Elea - V sec. a.C.<br />
entra l’<strong>in</strong>f<strong>in</strong>ito nella matematica greca con i famosi paradossi<br />
► I tre problemi classici: quadratura del cerchio, duplicazione<br />
del cubo, trisezione dell’angolo - Atene, V-IV secolo a.C.<br />
Storia 2<br />
Un problema geometrico che si può risolvere con un numero<br />
f<strong>in</strong>ito delle seguenti operazioni geometriche elementari, è<br />
risolubile graficamente con riga e compasso:<br />
a) condurre una retta per due punti;<br />
b) determ<strong>in</strong>are il punto comune a due rette;<br />
c) costruire una circonferenza <strong>di</strong> centro e raggio assegnati;<br />
d) determ<strong>in</strong>are i punti comuni ad una retta e ad una circonferenza o a<br />
due circonferenze.<br />
Se un problema geometrico <strong>di</strong> questo tipo viene tradotto<br />
algebricamente, dà luogo a un’equazione risolubile me<strong>di</strong>ante<br />
ra<strong>di</strong>cali quadratici. Inversamente, se questo accade, il problema<br />
si <strong>di</strong>ce risolubile con riga e compasso. [Franci 1979, 103]<br />
I Greci consideravano la retta e il cerchio le figure geometriche<br />
fondamentali e qu<strong>in</strong><strong>di</strong> privilegiavano le costruzioni effettuate con<br />
la riga e il compasso.<br />
2
L’importanza dei problemi <strong>della</strong> duplicazione del cubo,<br />
quadratura del cerchio e trisezione dell’angolo sta nel fatto che i<br />
tentativi falliti <strong>di</strong> risolverli con riga e compasso condussero i<br />
Greci a creare nuove curve ( le coniche, la quadratrice <strong>di</strong><br />
Ippia, Ippia,<br />
…) ) e ad ampliare il campo <strong>di</strong> <strong>in</strong>dag<strong>in</strong>e geometrica. geometrica<br />
L’importanza che ebbero all’epoca è testimoniata anche dai<br />
racconti leggendari collegati con essi e dai riferimenti letterari.<br />
La duplicazione<br />
del cubo<br />
Ippocrate <strong>di</strong> Chio riduce<br />
il problema <strong>della</strong><br />
duplicazione del cubo al<br />
seguente:<br />
Dati due segmenti a, b,<br />
costruirne altri due x, y<br />
che con a e b , form<strong>in</strong>o<br />
la proporzione:<br />
a : x = x : y = y : b,<br />
ma non lo risolve.<br />
⎧x<br />
= ay<br />
⎪<br />
⎨ ab<br />
⎪x<br />
=<br />
⎩ y<br />
2<br />
a<br />
x<br />
=<br />
x<br />
y<br />
=<br />
y<br />
b<br />
3<br />
da cui x =<br />
a b e se<br />
b = 2a<br />
3<br />
x = 2a<br />
Ippocrate <strong>di</strong> Chio (V sec a. C.)<br />
Ippia <strong>di</strong> Elide (V-IV sec. a. C.)<br />
Platone (427-347 a. C.)<br />
Archita <strong>di</strong> Taranto (428-347 a. C.)<br />
Menecmo (IV sec. a. C.),<br />
Diocle (II sec. a. C.) ...<br />
2<br />
3<br />
3
Menecmo (IV sec. a. C.) <strong>in</strong>venta le coniche:<br />
usa tre tipi <strong>di</strong> cono, rettangolo, acutangolo e ottusangolo e<br />
taglia ciascuno <strong>di</strong> essi con un piano perpen<strong>di</strong>colare a una<br />
generatrice<br />
parabola<br />
3 a 2<br />
ellisse<br />
a<br />
x<br />
=<br />
iperbole<br />
y<br />
2a<br />
Risolve il problema <strong>della</strong> duplicazione<br />
del cubo <strong>in</strong>tersecando due parabole<br />
x 2 = ay e y 2 = 2ax<br />
o un’iperbole e una parabola<br />
x<br />
y<br />
► Prima Scuola <strong>di</strong> Alessandria<br />
III sec. a.C. – 30 a.C.<br />
- Euclide (300 a.C.), Elementi<br />
La <strong>geometria</strong> come teoria ipoteticodeduttiva<br />
- Archimede (287-212 a. C.)<br />
La matematica non è concepita solo come analisi dei problemi astratti,<br />
lontani dalle applicazioni, ma anche come stu<strong>di</strong>o <strong>di</strong> problemi<br />
concreti con riferimento alle altre scienze (fisica, astronomia, …)<br />
Sulla sfera e il cil<strong>in</strong>dro, Misura del cerchio, Sulle spirali,<br />
Sull’equilibrio dei piani, Quadratura <strong>della</strong> parabola,<br />
Sui galleggianti, Metodo dei teoremi Meccanici, …<br />
- Apollonio (262-190 a. C.), Coniche<br />
► I commentatori e gli enciclope<strong>di</strong>sti<br />
Pappo (III-IV sec.), Collezione matematica<br />
Proclo (V sec.), Commentario al I libro degli Elementi <strong>di</strong> Euclide<br />
=<br />
Storia 2<br />
4
Apollonio<br />
e l’uso l uso<br />
delle<br />
coor<strong>di</strong>nate<br />
Apollonio <strong>di</strong> Perga<br />
(circa 262-190 262 190 a. C.)<br />
La sua vita trascorse fra Alessandria,<br />
dove ricevette la sua educazione<br />
scientifica, e Pergamo dove c’erano<br />
importanti centri <strong>di</strong> stu<strong>di</strong> superiori e<br />
ricche biblioteche.<br />
Le sue doti <strong>di</strong> matematico erano così<br />
notevoli che era chiamato “il grande<br />
geometra”.<br />
La sua opera più importante sono le<br />
Coniche <strong>in</strong> 8 libri <strong>di</strong> cui l’ottavo è<br />
andato perduto, dove vi è una teoria<br />
completa delle sezioni coniche.<br />
P. Ver Eecke, Les Coniques<br />
d’Apollonius de Perge, 1923<br />
T. Heath, Apollonius of Perga.<br />
Treatise on Conic Sections, 1896<br />
5
Diversamente da Menecmo che utilizzava tre <strong>di</strong>versi tipi <strong>di</strong> cono,<br />
Apollonio ottiene le coniche come sezione <strong>di</strong> un unico cono<br />
(considera le due falde) variando l’<strong>in</strong>cl<strong>in</strong>azione del piano secante.<br />
β<br />
α<br />
B<br />
A<br />
AO asse del cono<br />
L’<strong>in</strong>tersezione del piano β con il<br />
triangolo assiale ABC è detta<br />
<strong>di</strong>ametro <strong>della</strong> conica.<br />
O<br />
base del cono<br />
D<br />
C<br />
E<br />
Libro I, def. 1 “Se una retta,<br />
prolungantesi all’<strong>in</strong>f<strong>in</strong>ito e<br />
passante sempre per un punto<br />
fisso, viene fatta ruotare<br />
lungo la circonferenza <strong>di</strong> un<br />
cerchio che non si trovi nello<br />
stesso piano del punto <strong>in</strong><br />
modo che passi<br />
successivamente attraverso<br />
ogni punto <strong>di</strong> quella<br />
circonferenza, la retta che<br />
ruota traccerà la superficie <strong>di</strong><br />
un cono doppio” (p. 3)<br />
β <strong>in</strong>terseca α<br />
secondo DE. Se prendo BC<br />
(<strong>di</strong>ametro del cerchio base) DE<br />
allora ABC è il triangolo assiale<br />
(contiene l’asse del cono)<br />
6
Caratteri delle Coniche e strumenti usati<br />
♦ Apollonio usa l’orig<strong>in</strong>e stereometrica delle coniche solo per ottenere la<br />
proprietà fondamentale <strong>di</strong> ogni conica (proprietà piana) ed è questa che<br />
costituisce poi la base dei successivi sviluppi <strong>della</strong> teoria<br />
♦ Gli strumenti matematici utilizzati sono:<br />
- l’algebra algebra geometrica (che serve per surrogare la mancanza dell’algebra) i<br />
cui <strong>in</strong>gre<strong>di</strong>enti sono la teoria delle proporzioni (V libro, Elementi) che<br />
permette <strong>di</strong> eseguire operazioni <strong>di</strong> moltiplicazione, <strong>di</strong>visione, elevamento a<br />
potenza, estrazione <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>ce; l’applicazione delle aree ( II libro, Elementi)<br />
che offre il mezzo <strong>di</strong> risolvere problemi che conducono a equazioni <strong>di</strong> 1° e 2°<br />
grado (Elementi, II.5, II.14)<br />
Storia 3<br />
- l’uso uso delle coor<strong>di</strong>nate, il modo <strong>di</strong> dare la relazione fondamentale delle<br />
coniche è stabilire un legame fra ascisse e or<strong>di</strong>nate <strong>di</strong> un sistema <strong>di</strong><br />
riferimento: <strong>di</strong>ametro <strong>della</strong> conica (asse x) e tangente alla conica <strong>in</strong> un<br />
estremo del <strong>di</strong>ametro (asse y). Gli assi possono essere sia ortogonali che<br />
obliqui. Or<strong>di</strong>nata: (tracciata or<strong>di</strong>natamente)<br />
♦ La lettura è <strong>di</strong>fficile perché A. salta spesso i passaggi <strong>in</strong>terme<strong>di</strong>. Pappo e<br />
Eutocio nei loro commenti hanno <strong>in</strong>tegrato il testo con dei lemmi.<br />
Uso <strong>della</strong> teoria delle proporzioni per eseguire le<br />
operazioni <strong>di</strong> moltiplicazione, <strong>di</strong>visione, elevamento<br />
a potenza, estrazione <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>ce<br />
a : b = c : d a ⋅ d = b ⋅c<br />
a0 a1 a2<br />
an−1<br />
= = = ... =<br />
a a a a<br />
1 2 3<br />
n<br />
n<br />
⎛ n a ⎞ 1 = ⎜ ⎟<br />
a1<br />
= n<br />
n<br />
0 0 0 0<br />
a a<br />
a ⎝a ⎠ a a<br />
E d<br />
C b<br />
a<br />
D A<br />
c<br />
B<br />
AB : BC = BD : BE<br />
7
A<br />
D<br />
Uso dell’applicazione dell applicazione delle aree per “risolvere risolvere”<br />
un’equazione un equazione quadratica pura<br />
Trovare un quadrato la cui area sia uguale a quella <strong>di</strong> un dato<br />
rettangolo ABCD<br />
G<br />
Si prolunghi AB <strong>di</strong> un segmento BE = BC.<br />
Si prenda il punto me<strong>di</strong>o F <strong>di</strong> AE, si tracci<br />
il cerchio <strong>di</strong> centro F e raggio FE.<br />
Sia G il punto <strong>di</strong> <strong>in</strong>tersezione del<br />
x<br />
prolungamento del lato BE del rettangolo<br />
dato con la circonferenza, allora BG è il<br />
segmento cercato.<br />
α<br />
a<br />
x 2 = a ⋅ b<br />
β<br />
F<br />
b<br />
C<br />
E<br />
B<br />
A<br />
E<br />
Infatti il triangolo AGE è<br />
rettangolo perché <strong>in</strong>scritto <strong>in</strong> un<br />
semicerchio e per il II teorema <strong>di</strong><br />
Euclide si ha<br />
BG 2 = AB⋅BE = AB⋅BC<br />
Coniche I, 11<br />
PM//AC BC DE<br />
QV//DE<br />
Se PL ∈ β e PL PM e tale che<br />
PL : PA = BC 2 : AB·AC<br />
TH)<br />
QV 2 =PL ·PV<br />
Costruisco HK//BC<br />
HQK ∈ alla sezione (cerchio) con<br />
piano // α, dunque QV 2 = HV ·VK<br />
Considero i triangoli simili PHV~AKH ~ABC<br />
HV : PV = BC : AC<br />
Da PM // AC e dalla similitu<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> AHK e ABC<br />
VK : PA = BC : AB<br />
HV · VK : PV · PA = BC 2 : AC · AB<br />
QV 2 PL : PA<br />
QV 2 : PV · PA = PL : PA QV 2 =PL ·PV<br />
PL : lato retto<br />
8
p<br />
NOI:<br />
2<br />
y =<br />
px<br />
Iperbole,<br />
Coniche, I.12<br />
Apollonio utilizza l’orig<strong>in</strong>e<br />
stereometrica delle coniche come<br />
sezioni del cono solo per ottenere la<br />
proprietà propriet fondamentale delle sezioni<br />
coniche che è piana (sistema <strong>di</strong><br />
riferimento: <strong>di</strong>ametro <strong>della</strong> conica e<br />
tangente alla conica <strong>in</strong> un estremo del<br />
<strong>di</strong>ametro). A partire da questa proprietà<br />
ricava tutti i successivi sviluppi <strong>della</strong><br />
teoria.<br />
Parabola,<br />
Coniche I.11<br />
QV 2 =PL ·PV<br />
Quadrato(QV) è equivalente al Rettangolo (PV·PL)<br />
NOI:<br />
2<br />
d + x<br />
=<br />
VQ'<br />
Quadrato(QV) è equivalente al Rettangolo(PV·VQ’)<br />
y<br />
y<br />
2<br />
QV 2 =PV ·VQ’<br />
= x ⋅VQ'<br />
d<br />
p<br />
= px +<br />
QV = y<br />
PV = x<br />
PL = p<br />
PP’= d<br />
p<br />
d<br />
VQ'=<br />
p +<br />
x<br />
2<br />
p<br />
d<br />
x<br />
9
Quadrato(QV) è equivalente al Rettangolo(PV·VR)<br />
y<br />
2<br />
y<br />
d<br />
p<br />
2<br />
Ellisse,<br />
Coniche, I.13<br />
QV 2 =PV ·VR<br />
= x ⋅VR<br />
d − x<br />
=<br />
VR<br />
= px −<br />
QV = y<br />
PV = x<br />
PL = p<br />
PP’= d<br />
p<br />
d<br />
VR = p −<br />
Scrivere le equazioni dell’ellisse e dell’iperbole<br />
aventi un vertice nell’orig<strong>in</strong>e del sistema <strong>di</strong><br />
riferimento.<br />
Confrontare l’equazione ottenuta con i risultati <strong>di</strong><br />
Apollonio<br />
x<br />
2<br />
NOI:<br />
p<br />
d<br />
x<br />
10
T<br />
P<br />
La tangente alla parabola<br />
V<br />
Q<br />
V’<br />
K<br />
Q’<br />
Prop. I. 33<br />
“Si prenda un punto T<br />
sul <strong>di</strong>ametro <strong>di</strong> una parabola fuori<br />
<strong>della</strong> curva e tale che TP = PV,<br />
dove V è il piede dell’or<strong>di</strong>nata<br />
da Q al <strong>di</strong>ametro PV. La retta TQ<br />
sarà tangente alla parabola”<br />
A. <strong>di</strong>mostra che TQ è tale che ogni suo punto <strong>di</strong>verso da Q giace<br />
fuori dalla parabola.<br />
Ragiona per assurdo:<br />
suppone che K sia un punto <strong>di</strong> TQ o del suo prolungamento, che cada<br />
all’<strong>in</strong>terno <strong>della</strong> parabola e mostra che si arriva ad un assurdo<br />
Quello che A. usa non è un metodo generale che si possa applicare ad<br />
ogni curva (come saranno i meto<strong>di</strong> <strong>in</strong>f<strong>in</strong>itesimali), ma è un teorema<br />
relativo alla parabola.<br />
Schema riassuntivo delle Coniche<br />
LIBRO I def<strong>in</strong>izioni e proprietà fondamentali delle sezioni coniche.<br />
(60 prop.) Nelle Prop. 11, 12, 13 Apollonio trova le proprietà caratteristiche <strong>della</strong><br />
parabola dell’iperbole e dell’ellisse.<br />
Alcune proprietà sulle tangenti (la tangente a una curva C <strong>in</strong> un punto P è<br />
una retta t tale che fra C e t non può essere tracciata nessuna altra retta<br />
passante per P, tale cioè che ogni suo punto <strong>di</strong>verso da P giace fuori <strong>della</strong><br />
curva); per es. Prop. 33: Se si prende un punto T sul <strong>di</strong>ametro PM <strong>di</strong> una<br />
parabola QPQ’ fuori <strong>della</strong> curva e tale che TP=PV, dove V è il piede<br />
dell’or<strong>di</strong>nata da Q al <strong>di</strong>ametro PM, la retta TQ sarà tangente alla<br />
parabola.<br />
LIBRO II Proprietà degli as<strong>in</strong>toti (nella Prop.14 <strong>di</strong>mostra che la <strong>di</strong>stanza fra una<br />
(53 prop.) curva e il suo as<strong>in</strong>toto, se prolungati all’<strong>in</strong>f<strong>in</strong>ito, <strong>di</strong>venta m<strong>in</strong>ore <strong>di</strong> una<br />
qualsiasi lunghezza data), delle tangenti e dei <strong>di</strong>ametri coniugati (Def. I, 4:<br />
Si <strong>di</strong>ce <strong>di</strong>ametro <strong>di</strong> una curva piana la retta che taglia <strong>in</strong> due parti uguali<br />
tutte le corde <strong>della</strong> curva parallele ad una retta qualunque. Def. II, 6:<br />
Chiamo <strong>di</strong>ametri coniugati <strong>di</strong> una curva le rette tali che ciascuna è un<br />
<strong>di</strong>ametro che taglia <strong>in</strong> due parti uguali le rette parallele all’altra).<br />
11
LIBRO III Proprietà armoniche <strong>di</strong> polo e polare (ve<strong>di</strong> per es. Prop. 37)<br />
(56 prop.) Proprietà dei fuochi (furono chiamati così solo nel R<strong>in</strong>ascimento a causa<br />
delle loro proprietà ottiche). Apollonio usa la perifrasi «punti che nascono<br />
dall’applicazione» e li def<strong>in</strong>isce solo per l’ellisse e per l’iperbole: Detto<br />
AA’ il <strong>di</strong>ametro <strong>della</strong> conica e F e F’ i fuochi questi sono def<strong>in</strong>iti come<br />
punti tali che AF.FA’=AF’.F’A’= p AA’/4, dove p è il parametro <strong>della</strong><br />
conica.<br />
Apollonio <strong>di</strong>mostra che <strong>in</strong> un’ellisse la somma (Prop. 52), <strong>in</strong> un’iperbole la<br />
<strong>di</strong>fferenza (Prop. 51) delle <strong>di</strong>stanze <strong>di</strong> un punto dai fuochi è uguale all’asse<br />
AA’.<br />
«Il libro terzo contiene molti teoremi notevoli utili per la costruzione dei<br />
luoghi soli<strong>di</strong>. La maggior parte <strong>di</strong> essi e più belli sono nuovi. Fra l’altro, fu<br />
<strong>di</strong>mostrando questi teoremi che mi resi conto che Euclide non aveva<br />
costruito il luogo geometrico rispetto a tre o quattro l<strong>in</strong>ee …, non era <strong>in</strong>fatti<br />
possibile farlo senza queste mie scoperte» (Prefazione al Libro I). Il<br />
problema è il seguente: Date 3 (4) rette giacenti <strong>in</strong> un piano, trovare il<br />
luogo geometrico dei punti P tali che il quadrato <strong>della</strong> <strong>di</strong>stanza <strong>di</strong> P da una<br />
<strong>di</strong> queste rette sia proporzionale al prodotto delle <strong>di</strong>stanze dalle altre rette<br />
(nel caso <strong>di</strong> 4 rette, il prodotto delle <strong>di</strong>stanze da due <strong>di</strong> esse sia<br />
proporzionale al prodotto delle <strong>di</strong>stanze dalle altre due), le <strong>di</strong>stanze<br />
essendo misurate secondo angoli dati rispetto alle rette. Tale luogo è una<br />
sezione conica. (Cfr. Heath 1896, cap. V). Pappo lo generalizzò a n>4.<br />
Affrontando questo problema Descartes nel 1637 mostrò la potenza <strong>della</strong><br />
sua ‘<strong>geometria</strong> <strong>analitica</strong>’.<br />
LIBRO IV Apollonio trova «In quanti mo<strong>di</strong> le sezioni coniche possono <strong>in</strong>contrarsi<br />
(57 prop.) l’una con l’altra», <strong>in</strong> particolare ottiene dei teoremi nuovi relativi al<br />
numero <strong>di</strong> punti <strong>in</strong> cui una sezione conica <strong>in</strong>contra i due rami <strong>di</strong><br />
un’iperbole (fu Apollonio a considerare i due rami come un’unica curva) e<br />
ne è fiero <strong>in</strong>fatti scrive che sono «degni <strong>di</strong> essere accettati per amore delle<br />
<strong>di</strong>mostrazioni stesse, allo stesso modo che accettiamo molte altre cose nella<br />
matematica per questa e nessuna altra ragione».<br />
LIBRO V È de<strong>di</strong>cato ai segmenti massimi e m<strong>in</strong>imi che si possono condurre da<br />
(77 prop.) un punto ad una conica, «argomento degno <strong>di</strong> essere stu<strong>di</strong>ato per se<br />
stesso». Si tratta <strong>di</strong> teoremi sulle tangenti, normali e subnormali (per es.<br />
Prop. 8); ci sono proposizioni (Prop. 51 e 52) che conducono alla<br />
determ<strong>in</strong>azione dell’evoluta.<br />
LIBRO VI Tratta l’uguaglianza e la similitu<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> coniche «Due coniche si<br />
(33 prop.) <strong>di</strong>cono simili se, tracciando <strong>in</strong> esse, delle or<strong>di</strong>nate <strong>in</strong> egual numero a<br />
<strong>di</strong>stanze proporzionali dal vertice, queste or<strong>di</strong>nate sono rispettivamente<br />
proporzionali alle ascisse corrispondenti» (Def. 2).<br />
Per es. <strong>di</strong>mostra che tutte le parabole sono simili (Prop.11).<br />
LIBRO VII Teoria dei <strong>di</strong>ametri coniugati.<br />
(51 prop.)<br />
12
Me<strong>di</strong>oevo<br />
(476, caduta <strong>di</strong> Roma, 1453<br />
caduta <strong>di</strong> Costant<strong>in</strong>opoli)<br />
Costant<strong>in</strong>opoli<br />
► Grande fioritura <strong>della</strong> cultura islamica 750 - 1400.<br />
traduzioni e commenti dei classici<br />
► Omar Al Khayyam (XI-XII sec.)<br />
soluzione geometrica delle equazioni <strong>di</strong><br />
terzo grado<br />
critica alla teoria euclidea delle parallele<br />
► In Occidente: <strong>geometria</strong> pratica<br />
► Nicole Oresme - Parigi XIV sec.<br />
<strong>in</strong>troduce i <strong>di</strong>agrammi.<br />
Omar al-Khayyam<br />
al Khayyam<br />
(1048 - 1123)<br />
Astronomo, matematico e<br />
poeta persiano, celebre per le<br />
sue Quart<strong>in</strong>e (Rubáiyát)<br />
Il tuo oggi non ha potere sul domani,<br />
e il pensiero del domani non ti frutta che mal<strong>in</strong>conia.<br />
Non buttar via questo istante, se il tuo cuore non è pazzo,<br />
ché questo resto <strong>di</strong> vita non si sa quanto possa valere<br />
13
“Sulle <strong>di</strong>mostrazioni dei problemi <strong>di</strong> al-jabr e<br />
al-muqabala”.<br />
Con al-Khayyam l'algebra <strong>di</strong>venta la teoria generale delle<br />
equazioni algebriche <strong>di</strong> grado m<strong>in</strong>ore o uguale a tre e con<br />
coefficienti <strong>in</strong>teri positivi<br />
I caratteri salienti dell’opera <strong>di</strong> al-Khayyam si possono così<br />
riassumere<br />
Osserva il pr<strong>in</strong>cipio <strong>di</strong> omogeneità <strong>di</strong>mensionale tra le<br />
grandezze<br />
Per le equazioni <strong>di</strong> terzo grado non riconducibili ad equazioni <strong>di</strong><br />
secondo, riconoscendo il suo fallimento nella ricerca delle ra<strong>di</strong>ci<br />
per via algebrica, ricava le soluzioni per via geometrica<br />
me<strong>di</strong>ante <strong>in</strong>tersezione <strong>di</strong> coniche<br />
Considera solo le soluzioni positive (non le ra<strong>di</strong>ci negative)<br />
delle quali <strong>di</strong>scute le con<strong>di</strong>zioni <strong>di</strong> esistenza<br />
Nonostante l’analisi sia profonda e dettagliata gli sfugge il caso<br />
<strong>della</strong> terza soluzione positiva dell’equazione x 3 + bx = ax 2 + c<br />
Classifica le equazioni secondo il loro grado e il numero <strong>di</strong> monomi che le<br />
compongono, <strong>in</strong> particolare sud<strong>di</strong>vide le equazioni <strong>di</strong> terzo grado <strong>in</strong> b<strong>in</strong>omie,<br />
tr<strong>in</strong>omie e quadr<strong>in</strong>omie, come segue (a, b, c costanti e positive):<br />
- equazione b<strong>in</strong>omia x 3 = c<br />
- equazioni tr<strong>in</strong>omie senza term<strong>in</strong>e <strong>di</strong> secondo grado I.<br />
- tr<strong>in</strong>omie senza term<strong>in</strong>e <strong>di</strong> primo grado II.<br />
x<br />
3<br />
+ bx = c<br />
x<br />
3<br />
+ c = bx<br />
bx + c = x<br />
3<br />
x<br />
3<br />
+ ax<br />
2<br />
= c<br />
x<br />
3<br />
+ c = ax<br />
2<br />
ax<br />
2<br />
+ c = x<br />
3<br />
- quadr<strong>in</strong>omie <strong>in</strong> cui tre term<strong>in</strong>i positivi sono uguali ad un term<strong>in</strong>e positivo<br />
x<br />
3<br />
+ ax<br />
2<br />
+ bx = c<br />
x<br />
3<br />
+ ax<br />
2<br />
+ c = bx<br />
I.<br />
x<br />
3<br />
+ bx + c = ax<br />
2<br />
ax<br />
2<br />
+ bx + c = x<br />
3<br />
- quadr<strong>in</strong>omie <strong>in</strong> cui due term<strong>in</strong>i positivi sono uguali a due term<strong>in</strong>i positivi<br />
x<br />
3<br />
+ ax<br />
2<br />
= bx + c<br />
II. x<br />
3<br />
+ bx = ax<br />
2<br />
+ c<br />
x<br />
3<br />
+ c = ax<br />
2<br />
+ bx<br />
14
L’equazione tr<strong>in</strong>omia del I tipo x<br />
3<br />
+ bx = c ,<br />
(“un cubo più lati sono uguali a un numero”) viene scritta come<br />
x<br />
3<br />
+ p<br />
2<br />
x = p<br />
2<br />
q con b = p 2 e c = p 2 q per il pr<strong>in</strong>cipio <strong>di</strong> omogeneità<br />
<strong>di</strong>mensionale.<br />
La risoluzione si ottiene per <strong>in</strong>tersezione<br />
<strong>della</strong> circonferenza x 2 + y 2 = q x<br />
e <strong>della</strong> parabola y = x 2 /p.<br />
L’ascissa QS del punto<br />
P <strong>di</strong> <strong>in</strong>tersezione delle<br />
curve rappresentate <strong>in</strong><br />
figura è la ra<strong>di</strong>ce cercata.<br />
Al-Khayyam non scrive<br />
equazioni, ma usa<br />
le proporzioni<br />
C(q/2,0)<br />
Al-Khayyam dà una <strong>di</strong>mostrazione <strong>di</strong> tipo s<strong>in</strong>tetico utilizzando la teoria delle<br />
proporzioni.<br />
Applica la proprietà <strong>della</strong> parabola data da Apollonio:<br />
x p<br />
= (1)<br />
PS x<br />
Considera ora il triangolo rettangolo QPR, la sua altezza PS è me<strong>di</strong>a<br />
proporzionale fra QS e RS:<br />
x PS<br />
=<br />
PS q − x<br />
Uguagliando le espressioni precedenti ricava:<br />
p PS<br />
= (2)<br />
x q − x<br />
D’altra parte dalla (1) PS = x 2 /p che sostituito<br />
nella (2) fornisce l’equazione<br />
x<br />
3<br />
+<br />
p<br />
2<br />
x = p<br />
2<br />
q<br />
15
Grafico <strong>della</strong> funzione y = x 3 +3x -10 eseguito con Maple<br />
Visualizzazione con Cabri<br />
Equazioni tr<strong>in</strong>omie senza term<strong>in</strong>e <strong>di</strong> secondo grado<br />
x 3 + bx = c<br />
Equazioni tr<strong>in</strong>omie senza term<strong>in</strong>e <strong>di</strong> primo grado<br />
x 3 + ax 2 = c<br />
Equazioni quadr<strong>in</strong>omie <strong>in</strong> cui tre term<strong>in</strong>i positivi sono<br />
uguali ad un term<strong>in</strong>e positivo<br />
x 3 + ax 2 + bx = c<br />
Equazioni quadr<strong>in</strong>omie <strong>in</strong> cui due term<strong>in</strong>i positivi sono<br />
uguali a due term<strong>in</strong>i positivi<br />
x 3 + bx = ax 2 + c<br />
16
Equazioni tr<strong>in</strong>omie senza term<strong>in</strong>e <strong>di</strong> secondo grado<br />
x 3 + bx = c<br />
Equazioni tr<strong>in</strong>omie senza term<strong>in</strong>e <strong>di</strong> primo grado<br />
x 3 + ax 2 = c<br />
17
Equazioni quadr<strong>in</strong>omie <strong>in</strong> cui tre term<strong>in</strong>i positivi sono uguali ad un term<strong>in</strong>e positivo<br />
x 3 + ax 2 + bx = c<br />
Equazioni quadr<strong>in</strong>omie <strong>in</strong> cui due term<strong>in</strong>i positivi sono uguali a due term<strong>in</strong>i positivi<br />
x 3 + bx = ax 2 + c<br />
18
Caso <strong>di</strong> 3 soluzioni positive<br />
Esercizio<br />
Mostrare con l’algebra che si può risolvere l’equazione cubica<br />
x3 + d = cx <strong>in</strong>tersecando l’iperbole y2 = x2 -(d/c)x e la parabola<br />
. Trovare al variare <strong>di</strong> c e d come variano le<br />
<strong>in</strong>tersezioni delle due coniche. In ciascun caso tracciare il grafico<br />
<strong>della</strong> curva y = x3 2<br />
x = cy<br />
– cx + d e mostrare che il numero <strong>di</strong><br />
<strong>in</strong>tersezioni <strong>di</strong> questa curva con il semiasse positivo delle x è<strong>in</strong><br />
accordo con il numero <strong>di</strong> <strong>in</strong>tersezioni delle coniche.<br />
Visualizzare con Cabri.<br />
In: Katz V. (ed.), Historical Modules for the Teach<strong>in</strong>g and Learn<strong>in</strong>g Mathematics,<br />
The Mathematical Association of America, 2005<br />
19
Lo stu<strong>di</strong>o <strong>della</strong> variabilità variabilit e del moto<br />
[ sec XIV]<br />
Fu uno dei temi preferiti nelle università, <strong>in</strong> particolare a<br />
Oxford e a Parigi. I filosofi scolastici del Merton College<br />
<strong>di</strong> Oxford formularono la cosiddetta regola mertoniana:<br />
se un corpo si muove <strong>di</strong> moto uniformemente<br />
accelerato, la <strong>di</strong>stanza percorsa è uguale a quella<br />
che percorrerebbe nello stesso <strong>in</strong>tervallo <strong>di</strong> tempo un<br />
altro corpo con moto uniforme e velocità pari a quella<br />
raggiunta dal primo corpo nell’istante <strong>di</strong> mezzo<br />
dell’<strong>in</strong>tervallo temporale.<br />
La velocità non era def<strong>in</strong>ita <strong>in</strong> modo rigoroso, ma era <strong>in</strong>tesa come una “qualità del<br />
moto”<br />
Nicole Oresme (1323?-1382),<br />
(1323? 1382), professore a Parigi e vescovo <strong>di</strong> Lisieux, ebbe<br />
l’idea <strong>di</strong> rappresentare geometricamente i vari moti:<br />
lungo una l<strong>in</strong>ea orizzontale segna dei punti che rappresentano gli istanti <strong>di</strong> tempo<br />
(longitu<strong>di</strong>ni) e da ogni punto <strong>in</strong>nalza un segmento perpen<strong>di</strong>colare la cui lunghezza<br />
rappresenta la velocità <strong>in</strong> quell’istante (latitu<strong>di</strong>ni)<br />
Moto uniforme v = costante<br />
Moto uniformemente<br />
accelerato [uniformemente<br />
<strong>di</strong>fforme]<br />
Moto vario [<strong>di</strong>fformemente<br />
<strong>di</strong>fforme]<br />
v 0 =0<br />
Con i suoi <strong>di</strong>agrammi Oresme poteva<br />
“<strong>di</strong>mostrare” la regola mertoniana<br />
v 1<br />
t 1<br />
v 1 + v2<br />
2<br />
Tractatus de latitu<strong>di</strong>nibus formarum<br />
t 2<br />
v 2<br />
v 0 >0<br />
L’area del trapezio<br />
rettangolo, che<br />
rappresenta lo spazio<br />
percorso con moto<br />
uniformemente<br />
accelerato, è uguale<br />
all’area del rettangolo<br />
che rappresenta lo<br />
spazio percorso con<br />
velocità costante pari a<br />
v 1 + v2<br />
2<br />
20
R<strong>in</strong>ascimento<br />
(secoli XV e XVI)<br />
► 1447 primo libro a stampa<br />
Nascita <strong>della</strong> prospettiva<br />
- Leon Battista Alberti (1404-1472)<br />
- Piero <strong>della</strong> Francesca (1410?-1492)<br />
- Albrecht Dürer (1471-1528)<br />
► Nel C<strong>in</strong>quecento si assiste a:<br />
- un formidabile sviluppo dell’algebra ad opera degli algebristi italiani<br />
(S. Dal Ferro, N. Tartaglia, G. Cardano, L. Ferrari, R. Bombelli,<br />
risoluzione delle equazioni <strong>di</strong> terzo e quarto grado)<br />
-la riscoperta dei classici greci (commenti e traduzioni <strong>di</strong> Euclide,<br />
Archimede e Apollonio )<br />
► François Viète (1540-1603) getta un ponte fra algebra e <strong>geometria</strong><br />
classica<br />
► Johann Kepler (1571-1630)<br />
le coniche, calcolo <strong>di</strong> volumi con tecniche <strong>in</strong>f<strong>in</strong>itesimali<br />
Il Seicento<br />
► Nascita <strong>della</strong> <strong>geometria</strong> Analitica<br />
- René Descartes (1596-1650) Géométrie (1637)<br />
- Pierre de Fermat (1601-1665) Ad loco planos et solidos isagoge<br />
(∼1629)<br />
► Nascita <strong>della</strong> <strong>geometria</strong> proiettiva<br />
sostituire lo stu<strong>di</strong>o separato <strong>di</strong> ciascuna conica con una teoria<br />
generale valida per tutte<br />
- Girard Desargues (1591-1661), Brouillon projet d’une atte<strong>in</strong>te<br />
aux événemens des rencontres du cône avec un plan (1639)<br />
- Blaise Pascal (1623-1662) Essai sur les Coniques (1640)<br />
21
Durante tutto il ‘500 i matematici si<br />
erano preoccupati <strong>di</strong> giustificare il<br />
ragionamento algebrico con<br />
<strong>di</strong>mostrazioni<br />
geometriche.<br />
François Fran ois Viète Vi te (1540-1603)<br />
La<br />
creazione<br />
<strong>della</strong><br />
<strong>geometria</strong><br />
<strong>analitica</strong><br />
Isagoge <strong>in</strong> artem analyticem (1591)<br />
►l’<strong>in</strong>terazione fra algebra e <strong>geometria</strong> cambia: l’algebra è usata<br />
per risolvere problemi geometrici.<br />
L’algebra è vista come uno speciale proce<strong>di</strong>mento <strong>di</strong> scoperta:<br />
si parte dall’assunzione <strong>di</strong> ciò che si cerca e me<strong>di</strong>ante la deduzione<br />
si arriva ad una verità nota (ars analytica)<br />
22
► Con Viète l’algebra <strong>di</strong>venta la scienza del calcolo letterale<br />
“speciosa”:<br />
“La logistica numerosa è quella che viene trattata me<strong>di</strong>ante i<br />
numeri. La logistica speciosa è quella che viene trattata me<strong>di</strong>ante<br />
segni o figure, per esempio me<strong>di</strong>ante lettere dell’alfabeto”<br />
♦ egli <strong>di</strong>st<strong>in</strong>gue le quantità <strong>in</strong>cognite dalle note <strong>in</strong><strong>di</strong>cando le<br />
prime con una vocale e le seconde con una consonante<br />
♦ usa i simboli + e -, ma “<strong>in</strong>” per la moltiplicazione e “aequ”per<br />
l’uguale, Aq (A quadratus) e Ac (A cubus) per A2 e A3 Fra i risultati <strong>di</strong> Viète:<br />
- riuscì a risolvere il caso irriducibile delle equazioni <strong>di</strong> terzo<br />
grado usando un’identità trigonometrica,<br />
- <strong>in</strong><strong>di</strong>viduò alcune delle relazioni fra le ra<strong>di</strong>ci e i coefficienti<br />
dell’equazione oggi note come formule <strong>di</strong> Viète - Girard.<br />
René Ren Descartes<br />
(1596-1650)<br />
Padre <strong>della</strong> filosofia moderna.<br />
Dallo stu<strong>di</strong>o del metodo matematico<br />
elaborò un metodo per giungere alla<br />
conoscenza basato sui seguenti<br />
pr<strong>in</strong>cipi:<br />
- “non accettare mai per vera nessuna cosa che non conoscessi con<br />
evidenza essere tale”<br />
- “<strong>di</strong>videre ciascuna <strong>di</strong>fficoltà che stessi esam<strong>in</strong>ando <strong>in</strong> tante<br />
piccole parti quante fosse possibile e necessario per giungere alla<br />
miglior soluzione <strong>di</strong> essa”<br />
- “condurre con or<strong>di</strong>ne i miei pensieri com<strong>in</strong>ciando dagli oggetti<br />
più semplici e più facili … per salire a poco a poco, come per<br />
gra<strong>di</strong> alla conoscenza dei più complessi”<br />
- “procedere <strong>in</strong> ogni caso ad enumerazioni così complete … da<br />
essere certo <strong>di</strong> non aver omesso assolutamente nulla” (p. 134-135)<br />
Opere<br />
scientifiche<br />
<strong>di</strong> Réné<br />
Descartes,<br />
Utet, 1983<br />
23
La Géom ométrie trie (1637)<br />
Lo scopo dell’opera è enunciato f<strong>in</strong> dall’esor<strong>di</strong>o:<br />
“Tutti i Problemi <strong>di</strong> Geometria possono facilmente essere<br />
riportati a term<strong>in</strong>i tali che poi per costruirli, non c’è da<br />
conoscere che la lunghezza <strong>di</strong> alcune l<strong>in</strong>ee rette” (p. 528)<br />
Il programma <strong>di</strong> Descartes è dunque quello <strong>di</strong> utilizzare l’algebra<br />
nell’analizzare i problemi geometrici. Egli crea la <strong>geometria</strong> <strong>analitica</strong>.<br />
“ Volendo risolvere qualche problema, si deve f<strong>in</strong> dal pr<strong>in</strong>cipio<br />
considerarlo come già risolto, e assegnare una lettera ad ogni l<strong>in</strong>ea che<br />
si ritiene necessaria per costruirlo, sia a quelle che non sono note, che<br />
alle altre. Poi, senza far nessuna <strong>di</strong>fferenza tra quelle note e le<br />
<strong>in</strong>cognite, bisogna svolgere il problema seguendo quell’or<strong>di</strong>ne che più<br />
naturalmente <strong>di</strong> ogni altro mostra <strong>in</strong> qual modo le rette <strong>di</strong>pendano<br />
mutuamente le une dalle altre, f<strong>in</strong>o a che non si sia riusciti a trovare il<br />
proce<strong>di</strong>mento per esprimere una stessa quantità <strong>in</strong> due mo<strong>di</strong>, cioè non<br />
si sia pervenuti a ciò che si chiama equazione” (pp. 535-536)<br />
Il simbolismo algebrico nella Géométrie raggiunge il suo massimo<br />
sviluppo ed è sostanzialmente quello attuale, con l’unica <strong>di</strong>fferenza<br />
per il segno <strong>di</strong> uguale :<br />
Descartes utilizza come noi le prime lettere dell’alfabeto per <strong>in</strong><strong>di</strong>care i<br />
parametri e le ultime per le <strong>in</strong>cognite, però mentre noi concepiamo<br />
parametri e <strong>in</strong>cognite come numeri , D. le <strong>in</strong>terpreta come segmenti.<br />
C’è una rottura rispetto alla tra<strong>di</strong>zione classica, <strong>in</strong>fatti <strong>in</strong>terpreta come<br />
segmenti anche x2 , x3 , e non più come aree e volumi.<br />
24
Scopo <strong>della</strong> Géom ométrie trie<br />
Gli scopi <strong>della</strong> Géométrie co<strong>in</strong>volgono<br />
due livelli <strong>di</strong> problemi: uno tecnico e<br />
uno metodologico<br />
tecnico: il programma <strong>di</strong> Descartes è quello <strong>di</strong> usare<br />
l’algebra nello stu<strong>di</strong>are i problemi geometrici<br />
(banco <strong>di</strong> prova è il problema <strong>di</strong> Pappo)<br />
metodologico: come trovare la costruzione geometrica<br />
<strong>di</strong> un problema quando la riga e il compasso<br />
sono <strong>in</strong>sufficienti e quali curve accettare nella<br />
costruzione<br />
Salto qualitativo<br />
curve<br />
Caratteri <strong>della</strong> Géom ométrie trie<br />
abolizione del requisito <strong>di</strong> omogeneità nelle formule<br />
algebriche (artificio: <strong>in</strong>troduce un segmento unitario)<br />
considera problemi <strong>in</strong>determ<strong>in</strong>ati. Le due coor<strong>di</strong>nate x e<br />
y sono legate da una sola equazione. I punti che risolvono<br />
il problema sono <strong>in</strong>f<strong>in</strong>iti e descrivono una curva<br />
La Géométrie è una <strong>geometria</strong> <strong>di</strong> curve non <strong>di</strong> teoremi<br />
Non è un’esposizione <strong>di</strong>dattica<br />
Geometriche, che si possono esprimere con<br />
un'equazione algebrica. Sono le sole che D.<br />
considera accettabili <strong>in</strong> <strong>geometria</strong><br />
Meccaniche (quadratrice, spirale, logaritmica,<br />
cicloide,...)<br />
25
Il I libro <strong>della</strong> Géométrie si apre mostrando come <strong>in</strong>terpretare<br />
geometricamente la moltiplicazione, la <strong>di</strong>visione e l’estrazione <strong>della</strong> ra<strong>di</strong>ce<br />
quadrata ed anche la soluzione delle equazioni <strong>di</strong> secondo grado.<br />
D<br />
1<br />
O<br />
E<br />
C<br />
A 1 B<br />
1<br />
a<br />
2<br />
N<br />
L<br />
Per risolvere l'equazione<br />
è il segmento cercato.<br />
2<br />
AB = 1<br />
AB:BC = BD:BE<br />
BD·BC = BE<br />
BE:BD = BC<br />
D. trascura la seconda ra<strong>di</strong>ce perché"<br />
falsa" , cioè negativa.<br />
P<br />
b<br />
2<br />
M<br />
La moltiplicazione<br />
e la <strong>di</strong>visione<br />
L’estrazione <strong>della</strong><br />
ra<strong>di</strong>ce quadrata<br />
FG = 1<br />
FG:IG = IG:GH<br />
IG2 = FG·GH<br />
La risoluzione<br />
delle equazioni<br />
<strong>di</strong> 2° grado<br />
1<br />
D. traccia un segmento LM = b e da L <strong>in</strong>nalza un segmento NL = a<br />
2<br />
1<br />
e perpen<strong>di</strong>colare<br />
a LM.<br />
Con centro <strong>in</strong> N costruisce un cerchio <strong>di</strong> raggio a.<br />
2<br />
Traccia la retta passante per M e N che <strong>in</strong>terseca il cerchio nei punti O e P.<br />
x = OM<br />
x<br />
= ax + b<br />
1 a<br />
OM =<br />
ON + MN = a + + b<br />
2 4<br />
2<br />
2<br />
26
Il banco <strong>di</strong> prova per il nuovo metodo<br />
Il problema <strong>di</strong> Pappo<br />
Il problema <strong>di</strong> Pappo, enunciato nella sua forma più semplice, si presenta così:<br />
Date 2n rette, trovare il luogo dei punti tali che il prodotto delle <strong>di</strong>stanze dalle<br />
prime n rette sia uguale al prodotto delle <strong>di</strong>stanze dalle rimanenti.<br />
Pappo lo aveva risolto <strong>in</strong> casi particolari.<br />
Ora D. può dare la soluzione generale: identificando la curva con la sua<br />
equazione.<br />
NOI:<br />
Siano (x,y) le coor<strong>di</strong>nate <strong>di</strong> un punto generico C e sia d(C, ri ) = | ai x + bi y + ci | la<br />
<strong>di</strong>stanza <strong>di</strong> C dalla retta i-esima, dove ai , bi , ci sono i parametri <strong>della</strong> retta ri<br />
normalizzati <strong>in</strong> modo che ai 2 + bi 2 = 1.<br />
Il luogo cercato ha equazione<br />
n<br />
2n<br />
∏ ( aix + biy + ci ) = ∏<br />
i= 1<br />
i=<br />
n+<br />
1<br />
( aix + biy + ci)<br />
Descartes è qu<strong>in</strong><strong>di</strong> consapevole che una soluzione generale è possibile solo usando<br />
il formalismo dell’algebra:<br />
“ Mi pare <strong>di</strong> aver così <strong>in</strong>teramente sod<strong>di</strong>sfatto alle ricerche che, secondo Pappo, gli<br />
antichi avevano impostato <strong>in</strong> questo campo e proverò a darne la <strong>di</strong>mostrazione <strong>in</strong><br />
pochi tratti, giacché sono già annoiato <strong>di</strong> averne scritto tanto”<br />
“Siano AB, AD, EF, GH, ecc. parecchie l<strong>in</strong>ee date per posizione, e<br />
occorra trovare un punto, come C, dal quale, condotte su quelle date<br />
altre l<strong>in</strong>ee rette, come CB, CD, CF, CH, <strong>in</strong> modo che gli angoli CBA,<br />
CDA, CFE, CHG siano dati e tali che il prodotto <strong>di</strong> una parte <strong>di</strong> queste<br />
l<strong>in</strong>ee sia uguale al prodotto delle rimanenti o che l’uno stia all’altro <strong>in</strong><br />
un rapporto dato: ciò <strong>in</strong>fatti non rende il problema per nulla più<br />
<strong>di</strong>fficile.<br />
Innanzitutto suppongo il problema come già risolto, e per liberarmi dalla<br />
confusione <strong>di</strong> tutte queste l<strong>in</strong>ee, considero una delle rette date e una <strong>di</strong><br />
quelle che bisogna trovare, per esempio AB e CB come le pr<strong>in</strong>cipali, e a<br />
queste cerco così <strong>di</strong> riferire le altre.” (p. 553).<br />
F<br />
E<br />
D<br />
T<br />
A<br />
S<br />
R<br />
B<br />
C<br />
G<br />
H<br />
27
A<br />
y 0<br />
Metodo per la ricerca <strong>della</strong> normale<br />
Géométrie, libro II, pp. 600 segg.<br />
C(y 0 , x 0 )<br />
x 0<br />
s<br />
M P(v,0)<br />
D. suppone il problema risolto. Sia CP la<br />
normale alla curva P(x,y)=0 <strong>in</strong> C<br />
PM = v-y0 Considera il cerchio <strong>di</strong> centro P(v,0) e<br />
raggio s: 2<br />
2 2<br />
x + ( v − y)<br />
= s<br />
Se CP è normale alla curva <strong>in</strong> C il cerchio <strong>di</strong> centro P e raggio CP “tocca la<br />
curva <strong>in</strong> C senza <strong>in</strong>tersecarla”<br />
⎧P(<br />
x,<br />
y)<br />
= 0<br />
⎨<br />
⇒ R(<br />
x)<br />
= 0 oppure R(<br />
y)<br />
= 0<br />
2<br />
2 2<br />
⎩x<br />
+ ( v − y)<br />
= s<br />
R(y) = 0 dovrà avere una ra<strong>di</strong>ce doppia <strong>in</strong> y0 , cioè dovrà essere <strong>della</strong> forma<br />
R( y)<br />
= ( y − y ) Q(<br />
y)<br />
se P(x,y)=0 ha grado m, R(y)=0 ha grado 2m e Q(y) è un pol<strong>in</strong>omio <strong>di</strong> grado 2m-2<br />
0<br />
Uguagliando uno a uno i coefficienti delle potenze omologhe si<br />
otterranno 2m+1 equazioni da cui si possono ricavare i coefficienti <strong>di</strong><br />
Q(y), nonché i due parametri v e s.<br />
Caratteri e limiti del metodo<br />
♦ è un metodo algebrico<br />
♦ l’uso <strong>della</strong> circonferenza raddoppia il grado <strong>di</strong> P(x,y)=0<br />
♦ va bene solo per i pol<strong>in</strong>omi e, anche nei casi più semplici dà luogo<br />
a calcoli lunghi e complessi<br />
Descartes scrive: “Oso Oso anzi <strong>di</strong>re che questo è il problema più pi utile e<br />
generale non solo tra tutti quelli che conosco, ma anche tra tutti tutti<br />
quelli che <strong>in</strong> Geometria ho sempre desiderato conoscere” conoscere (p. 600)<br />
In effetti, mentre nella <strong>geometria</strong> greca e <strong>in</strong> quella anteriore a D. il<br />
problema <strong>della</strong> ricerca <strong>della</strong> retta tangente doveva essere affrontato<br />
caso per caso, ora def<strong>in</strong>endo la curva me<strong>di</strong>ante la sua equazione si<br />
può trovare un metodo che vale per tutta una categoria <strong>di</strong> curve.<br />
2<br />
28
Esercizi<br />
1. Trovare la normale alla curva y = x 3 <strong>in</strong> P(1,1) con il metodo <strong>di</strong><br />
Descartes e con il nostro<br />
3 ⎧ ⎪y=<br />
x<br />
⎨ 2 2 2<br />
⎪⎩ ( x− v) + y = s<br />
2 2 2 2<br />
x − 2xv+<br />
v + y = s<br />
6 2 2 2<br />
Rx ( ) = x + x − 2xv+ v − s = 0<br />
2 4 3 2 4 3 2<br />
( x − 1) ( x + ax + bx + cx + d) = ( x − 2x+ 1)( x + ax + bx + cx + d)<br />
=<br />
6 5 6 2 2 2<br />
= x + ( a− 2) x + ... ≡ x + x − 2xv+<br />
v −s<br />
eguaglio i coefficienti delle potenze omologhe ottengo 6 equazioni<br />
da cui ricavo<br />
v = 4<br />
2. Trovare la normale alla curva y = 1/x <strong>in</strong> P(2,1/2) con il metodo metodo<br />
<strong>di</strong> Descartes e con il nostro<br />
⎧ 1<br />
⎪<br />
y =<br />
x<br />
⎨<br />
⎪ 2 1<br />
⎪<br />
( x − v)<br />
+ = s 2<br />
⎩ x<br />
15<br />
... v =<br />
8<br />
“E spero che i posteri mi saranno grati, non solo<br />
per quello che ho qui spiegato, ma anche per tutto<br />
ciò che ho omesso <strong>in</strong>tenzionalmente al f<strong>in</strong>e <strong>di</strong><br />
lasciar loro il piacere <strong>della</strong> scoperta” (p. 685)<br />
In effetti la Géométrie presentava delle oscurità, per<br />
cui ne uscirono varie e<strong>di</strong>zioni successive con commenti e<br />
<strong>in</strong>tegrazioni.<br />
Particolarmente importante è la traduzione lat<strong>in</strong>a con commenti <strong>di</strong><br />
Frans van Schooten Geometria a Renato De Cartes, Cartes,<br />
Leida 1649<br />
che ebbe nel secolo XVII un’altra e<strong>di</strong>zione con<br />
aggiunte e commenti <strong>di</strong> Jan de Witt e Jan Hudde<br />
(1659-1661, rist. 1683,1695)<br />
Queste e<strong>di</strong>zioni ne favorirono la rapida <strong>di</strong>ffusione.<br />
Ch. Adam, P. Tannery,<br />
Oeuvres de Descartes,<br />
12 voll, Paris 1897-1913<br />
2<br />
De Witt<br />
Hudde<br />
29
Pierre de Fermat (1601-1665) (1601 1665)<br />
Figlio <strong>di</strong> un mercante, compì stu<strong>di</strong><br />
giuri<strong>di</strong>ci a Tolosa, dove esercitò la<br />
professione <strong>di</strong> magistrato f<strong>in</strong>o al 1648<br />
quando <strong>di</strong>venne consigliere del re.<br />
Non fu qu<strong>in</strong><strong>di</strong> un matematico <strong>di</strong><br />
professione, ma <strong>di</strong>ede contributi rilevanti<br />
alla nascita dell’analisi <strong>in</strong>f<strong>in</strong>itesimale e<br />
<strong>della</strong> <strong>geometria</strong> <strong>analitica</strong>. Fu l’<strong>in</strong>iziatore<br />
del calcolo delle probabilità e <strong>della</strong><br />
teoria dei numeri vera e propria.<br />
La maggior parte dei suoi risultati hanno il carattere <strong>di</strong> brevi saggi o compaiono<br />
nelle lettere che scriveva agli amici. Pubblicò poco e molti dei suoi lavori<br />
apparvero solo dopo la sua morte. Sarà il maggiore dei suoi figli Samuel a<br />
<strong>di</strong>vulgare le sue ricerche <strong>in</strong> teoria dei numeri sulla base delle annotazioni a<br />
marg<strong>in</strong>e <strong>della</strong> Arithmetica <strong>di</strong> Diofanto e<strong>di</strong>ta da C. G. Bachet de Méziriac.<br />
Ad loco planos et solidos isagoge<br />
[Introduzione Introduzione ai luoghi geometrici rappresentati da rette<br />
e da curve <strong>di</strong> secondo grado] grado<br />
(∼1629, p. 1779)<br />
È probabile che F. sia giunto alla <strong>geometria</strong> delle<br />
coor<strong>di</strong>nate dallo stu<strong>di</strong>o dell’opera <strong>di</strong> Apollonio e<br />
dalla traduzione dei risultati <strong>in</strong> forma algebrica.<br />
“Gli antichi hanno trattato i luoghi, ma non<br />
erano <strong>in</strong> grado <strong>di</strong> trattarli <strong>in</strong> modo generale”<br />
“Ogni volta che <strong>in</strong> un’equazione f<strong>in</strong>ale si trovano due quantità<br />
<strong>in</strong>cognite abbiamo un luogo, <strong>in</strong> quanto l’estremità <strong>di</strong> una <strong>di</strong> esse<br />
descrive una l<strong>in</strong>ea retta o curva” (OF, I, p. 91)<br />
P. Tannery, Ch. Henry, Oeuvres de Fermat, 4 voll. Paris, 1891-1912<br />
30
N<br />
La presentazione <strong>di</strong> Fermat è più <strong>di</strong>dattica rispetto a quella <strong>di</strong><br />
Descartes. Parte dall’equazione <strong>della</strong> retta e via via considera<br />
equazioni <strong>di</strong> grado superiore (circonferenza, coniche)<br />
A<br />
x<br />
I(x,y)<br />
E y<br />
Z<br />
M<br />
Sia NMZ una retta data <strong>in</strong> posizione [asse x],<br />
si fissi N [orig<strong>in</strong>e], si ponga<br />
NZ = A (x, quantità <strong>in</strong>cognita) e<br />
ZI (sotto l’angolo dato NZI, non<br />
necessariamente retto) = E (y, altra <strong>in</strong>cognita)<br />
Sia D·A = B · E, allora I starà su una retta<br />
data <strong>in</strong> posizione.<br />
Infatti sarà B/D=A/E, dunque<br />
è dato il rapporto A/E, e, essendo dato l’angolo NZI, il triangolo INZ è<br />
dato, dunque I sarà su una retta data <strong>in</strong> posizione.<br />
D <strong>in</strong> A aequetur B <strong>in</strong> E →→ Dx = By<br />
(semiretta con estremo nell’orig<strong>in</strong>e, Fermat non usa ascisse negative)<br />
Considera poi l’equazione l<strong>in</strong>eare più generale:<br />
Zpl – D <strong>in</strong> A aequetur B <strong>in</strong> E<br />
C2 -Dx= By<br />
Si ponga D · R = C2 B/D = (R-x) /y<br />
Sia MN=R, sarà allora dato M e MZ = R-x, dunque<br />
MZ/ZI è dato come è dato l’angolo <strong>in</strong> Z, pertanto<br />
I<br />
è dato anche il triangolo IZM, allora<br />
y<br />
I starà su una retta data <strong>in</strong> posizione.<br />
x R-x<br />
N<br />
Z<br />
R<br />
Aq aequatur D <strong>in</strong> E parabola x 2 = Dy<br />
A <strong>in</strong> E aequatur Zpl iperbole xy= C 2<br />
Bq –Aq aequatur Eq cerchio B 2 – x 2 = y 2<br />
M<br />
31
La nascita dell’analisi dell analisi <strong>in</strong>f<strong>in</strong>itesimale<br />
Isaac Newton (1642-1727) Gottfried Wilhelm Leibniz<br />
(1646-1716)<br />
1665-66 biennium mirabilissimum<br />
1684 Nova methodus<br />
Nel secolo successivo le <strong>in</strong>terazioni fra la <strong>geometria</strong> <strong>analitica</strong> e<br />
i meto<strong>di</strong> <strong>in</strong>f<strong>in</strong>itesimali sono all’orig<strong>in</strong>e <strong>della</strong> Geometria <strong>di</strong>fferenziale<br />
Sviluppi <strong>della</strong> <strong>geometria</strong> <strong>analitica</strong><br />
Nella seconda metà del ‘700 si assiste a un grande sviluppo<br />
<strong>della</strong> <strong>geometria</strong> <strong>analitica</strong>, che assume la forma moderna.<br />
1748 L. Euler, Introductio <strong>in</strong> Analys<strong>in</strong> <strong>in</strong>f<strong>in</strong>itorum<br />
Il volume II è il primo trattato <strong>in</strong> stile “moderno” <strong>di</strong> <strong>geometria</strong> <strong>analitica</strong>: vi è<br />
lo stu<strong>di</strong>o sistematico delle coniche e delle cubiche, …, cenni alla <strong>geometria</strong><br />
<strong>in</strong> tre <strong>di</strong>mensioni.<br />
1750 G. Cramer, Introduction à l’analyse des lignes courbes algébriques<br />
A.-C Clairaut, J.-L- Lagrange, G. Monge, …<br />
1797, 1802 compare il term<strong>in</strong>e géométrie analytique (S.-F. Lacroix, J.-B.<br />
Biot)<br />
1804-1816 Si pubblica la rivista Correspondance sur l’École<br />
Polytechnique <strong>di</strong> J.-N. Hachette, de<strong>di</strong>cata quasi completamente alla<br />
<strong>geometria</strong> <strong>analitica</strong><br />
32
Laboratorio<br />
Ve<strong>di</strong> documenti allegati<br />
Prop. I, 11 delle Coniche <strong>di</strong> Apollonio (III sec. a.C.), dove si<br />
ricava la proprietà fondamentale (equazione) <strong>della</strong> parabola<br />
Prop. I, 33 delle Coniche <strong>di</strong> Apollonio (III sec. a.C.), dove si<br />
trova la tangente alla parabola<br />
Problema “un cubo più lati è uguale a un numero” (x3 + bx = c)<br />
risolto da O. Al Khayyam me<strong>di</strong>ante l’<strong>in</strong>tersezione <strong>di</strong> coniche<br />
La ricerca <strong>della</strong> normale ad una curva ed altri passi <strong>della</strong><br />
Géométrie <strong>di</strong> R. Descartes (1637)<br />
http://web.math.unifi.it/archimede/archimede/mostra_calcolo/guida/node7.html<br />
Passi da Ad locos plano set solidos isagoge (ca.1629) <strong>di</strong> P.<br />
Fermat.<br />
Passi dalla II parte dell’ Introductio <strong>in</strong> Analys<strong>in</strong> Inf<strong>in</strong>itorum<br />
(1748) <strong>di</strong> L. Euler e da S. F. Lacroix, Trattato elementare <strong>di</strong><br />
applicazione dell’algebra alla <strong>geometria</strong> (1834).<br />
APPENDICE<br />
Il concetto <strong>di</strong> numero<br />
nel `500 e nel `600<br />
33
♦Lo zero era accettato come numero.<br />
♦ Gli irrazionali erano usati liberamente, ma sul loro status <strong>di</strong><br />
numeri c'erano delle <strong>di</strong>vergenze:<br />
M. STIFEL nell’Aritmetica <strong>in</strong>tegra (1544) sostiene che<br />
"poiché nel provare le figure geometriche, quando i numeri razionali ci<br />
vengono a mancare, i numeri irrazionali prendono il loro posto e<br />
<strong>di</strong>mostrano esattamente quelle cose che i numeri razionali non potevano<br />
<strong>di</strong>mostrare ... siamo mossi e sp<strong>in</strong>ti ad asserire che essi sono veramente<br />
numeri, sp<strong>in</strong>ti cioè dai risultati che percepiamo essere reali, certi e<br />
costanti. Dall'altro lato, altre considerazioni ci sp<strong>in</strong>gono a negare che i<br />
numeri irrazionali siano numeri. Vale a <strong>di</strong>re, quando cerchiamo <strong>di</strong><br />
assoggettarli a enumerazione [rappresentazione decimale]...troviamo che<br />
essi volano perpetuamente via, cosicché nessuno <strong>di</strong> essi può essere<br />
appreso con precisione <strong>in</strong> sé ... Ora, ciò che è <strong>di</strong> natura tale da mancare<br />
<strong>di</strong> precisione non può essere chiamato un vero numero ... Perciò, proprio<br />
come un numero <strong>in</strong>f<strong>in</strong>ito non è un numero, così un numero irrazionale<br />
non è un vero numero, ma giace nascosto <strong>in</strong> una specie <strong>di</strong> nuvola <strong>di</strong><br />
<strong>in</strong>f<strong>in</strong>ito”<br />
Per STIFEL i veri numeri sono gli <strong>in</strong>teri e i frazionari.<br />
S. STEVIN riconosce agli irrazionali il loro stato <strong>di</strong> numeri e li approssima<br />
con razionali. Ancora nel `600 B. PASCAL e I. BARROW li consideravano<br />
simboli che non hanno esistenza <strong>in</strong><strong>di</strong>pendente dalle grandezze geometriche.<br />
R. DESCARTES (1628) <strong>in</strong>vece li ammette come numeri astratti che<br />
possono rappresentare grandezze geometriche e J. WALLIS nella sua<br />
Algebra (1685) li accetta come numeri.<br />
♦I numeri negativi benché fossero usati dagli In<strong>di</strong>ani f<strong>in</strong> dal XII secolo e<br />
fossero resi noti dagli arabi, non erano accettati come numeri dalla maggior<br />
parte dei matematici del `500, o se lo erano, non erano accettati come ra<strong>di</strong>ci<br />
<strong>di</strong> equazioni.<br />
G. CARDANO (Ars magna, 1545) li considera come meri simboli e li<br />
chiama "fittizi", F. VIÈTE li scartava e R. DESCARTES li accettava solo<br />
parzialmente nel senso che un'equazione con ra<strong>di</strong>ci "false" (negative) poteva<br />
essere trasformata <strong>in</strong> una con ra<strong>di</strong>ci "reali" (positive).<br />
STEVIN accettava sia i numeri negativi che le ra<strong>di</strong>ci negative. A. GIRARD<br />
(Invention nouvelle en l'algèbre, 1629) li mette sullo stesso piano dei positivi<br />
e dà entrambe le ra<strong>di</strong>ci <strong>di</strong> un'equazione <strong>di</strong> secondo grado anche quando sono<br />
negative. R. BOMBELLI li def<strong>in</strong>isce <strong>in</strong> modo chiaro.<br />
34
♦ Per quanto riguarda i numeri complessi, BOMBELLI li <strong>in</strong>troduce nella<br />
sua Algebra (1572) e ne dà le regole <strong>di</strong> calcolo.<br />
DESCARTES <strong>in</strong>vece resp<strong>in</strong>ge le ra<strong>di</strong>ci complesse e le chiama<br />
"immag<strong>in</strong>arie” GIRARD (Invention nouvelle en l'algèbre, 1629) li<br />
riconosce come soluzioni formali delle equazioni:<br />
"Si potrebbe <strong>di</strong>re: quale utilità hanno queste soluzioni impossibili [le<br />
ra<strong>di</strong>ci complesse]? Io rispondo: servono a tre cose, alla certezza delle<br />
regole generali, alla loro utilità e perché non ci sono altre soluzioni"<br />
I. NEWTON non le considerava forse perché non avevano all'epoca<br />
nessun significato fisico (Arithmetica universalis, 1728, p.193) e G. W.<br />
LEIBNIZ sebbene lavorasse con i numeri complessi non ne comprendeva<br />
appieno la natura:<br />
“Lo spirito <strong>di</strong>v<strong>in</strong>o trovò una via d'uscita sublime <strong>in</strong> quel mostro dell’<br />
analisi quel portento del mondo ideale, quell'anfibio fra essere e nonessere<br />
che chiamiamo ra<strong>di</strong>ce immag<strong>in</strong>aria dell'unità negativa"<br />
(LMS, V, pp. 350-361)<br />
Bibliografia essenziale<br />
Boyer C., History of analytic geometry, The Scripta Mathematica Stu<strong>di</strong>es, New<br />
York, 1956<br />
Freguglia P., La <strong>geometria</strong> tra tra<strong>di</strong>zione e <strong>in</strong>novazione 1550-1650, Bollati<br />
Bor<strong>in</strong>ghieri, Tor<strong>in</strong>o, 1999, Cap. 4<br />
Kl<strong>in</strong>e M., Storia del pensiero matematico, (1972), Tor<strong>in</strong>o, E<strong>in</strong>au<strong>di</strong>, I vol., 1991,<br />
pp. 106-118, 227-228, 246-248, 353-354, 359-369, 636-647<br />
Lojacono E., Cartesio, I Gran<strong>di</strong> <strong>della</strong> Scienza, Le Scienze, 2000<br />
Katz V. (ed.), Historical Modules for the Teach<strong>in</strong>g and Learn<strong>in</strong>g Mathematics,<br />
The Mathematical Association of America, 2005<br />
I testi<br />
Heath T., Apollonius of Perga. Treatise on Conic Sections, Cambridge<br />
University Press, 1896.<br />
Ver Eecke P., Les Coniques d’Apollonius de Perge, De Brouwer, Bruges, 1923<br />
Al Khayyam O., L’oeuvre algébrique, etablie, traduite et analysée par R. Rashed et<br />
A. Djebbar, Paris 1979<br />
Adam CH., Tannery P., Oeuvres de Descartes, 12 voll., Paris, 1897-1913<br />
Descartes R., Opere scientifiche, Classici <strong>della</strong> scienza, Utet, Tor<strong>in</strong>o, 1983<br />
Tannery P., Henry Ch., Oeuvres de Fermat, 4 voll, Paris, 1891-1912<br />
Euler L., Introductio <strong>in</strong> analys<strong>in</strong> <strong>in</strong>f<strong>in</strong>itorum , II vol. Lausannae, 1748<br />
35