Le geometrie non euclidee
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<strong>Le</strong> <strong>geometrie</strong> <strong>non</strong> <strong>euclidee</strong><br />
(dal sito http://www.matematicamente.it)<br />
<strong>Le</strong> <strong>geometrie</strong> <strong>non</strong> <strong>euclidee</strong> partono da postulati opposti a quello di Euclide sulla rette parallele, in particolare dalle due<br />
negazioni possibili del V postulato.<br />
Un modo equivalente per esprimere questo postulato di Euclide è il seguente:<br />
P1) In un piano, per un punto esterno a una retta data esiste un'unica retta passante per il punto dato e parallela<br />
alla retta data.<br />
Un teorema che consegue da questo postulato è il seguente:<br />
T1) In un triangolo, la somma degli angoli interni è 180°.<br />
Nel 1829, N. Lobacevskij, e più o meno contemporaneamente l'ungherese J. Bolyai, costruirono una geometria, risultata<br />
poi altrettanto coerente matematicamente di quella di Euclide, secondo la quale<br />
P2) per un punto esterno a una retta data passa più di una retta parallela (se ne esiste più di una ne esistono<br />
infinite).<br />
Come conseguenza,<br />
T2) in un triangolo, la somma degli angoli interni è minore di 180°<br />
Nel 1854, B. Riemann, in uno studio globale sulla geometria, ipotizzo la possibilità di una terza geometria, nella quale<br />
P3) per un punto esterno a una retta data <strong>non</strong> passa alcuna parallela.<br />
Come conseguenza,<br />
T3) in un triangolo, la somma degli angoli interni è maggiore di 180°.<br />
<strong>Le</strong> tre <strong>geometrie</strong> sono state più correttamente definite da F. Klein, rispettivamente, geometria parabolica, iperbolica ed<br />
ellittica.<br />
Per immaginare le due <strong>geometrie</strong> distinte da quella euclidea si può fare ricorso a dei 'modelli'.<br />
Per la geometria ellittica o riemanniana, Invece del piano consideriamo la superficie di una sfera e traduciamo gli elementi<br />
geometrici del piano in corrispondenti elementi geometrici sulla superficie della sfera.<br />
I punti del piano corrispondono a punti della superficie della sfera. <strong>Le</strong> rette del piano corrispondono alle circonferenze<br />
massime della superficie sferica. In generale, si fanno corrispondere alle rette del piano le linee geodetiche di una<br />
superficie curva. Queste ultime infatti conservano la principale caratteristica delle rette e precisamente sono le linee più<br />
brevi che sulla superficie congiungono due punti dati. Sulla superficie della sfera le geodetiche sono proprio le<br />
circonferenze massime, cioè quelle circonferenze che si ottengono intersecando la superficie della sfera con piani<br />
passanti per il centro della sfera. Esempi familiari sono i meridiani e l'equatore, <strong>non</strong> lo sono i paralleli.<br />
Sulla superficie della sfera <strong>non</strong> esistono 'rette' o meglio geodetiche che <strong>non</strong> si incontrano, quindi <strong>non</strong> esistono parallele.<br />
Nella figura sono rappresentati due meridiani perpendicolari<br />
all'equatore e che si incontrano perpendicolarmente al polo Nord. Si<br />
vede che la somma degli angoli interni del triangolo curvilineo ABN è<br />
270°. In generale la somma degli angoli interni di un triangolo di questo<br />
tipo è sempre maggiore di 180° e <strong>non</strong> è costante per tutti i triangoli.<br />
Mentre nella geometria euclidea la somma degli angoli interni di un<br />
triangolo è sempre 180°, nella geometria ellittica la somma degli angoli<br />
interni del triangolo è variabile e dipende dalla grandezza del triangolo.
Un'altra caratteristica di questo tipo di geometria è che il rapporto<br />
tra circonferenza e raggio è minore di PIGRECO.<br />
Infatti, la circonferenza di diametro AB <strong>non</strong> ha centro in C ma in<br />
N, ricorda che siamo sulla superficie della sfera, mentre C è posto<br />
dentro la sfera. Poiché evidentemente l'arco AN è maggiore del<br />
segmento AC, il rapporto tra la circoferenza AB e il suo raggio AN<br />
è minore di PIGRECO.<br />
Un modello intuitivo, dadatticamente utile per la geometria iperbolica o di Lobacevskj è un po' più complesso. In<br />
particolare, <strong>non</strong> esiste un modello che rappresenti globalmente una geometria di questo tipo. Si può prendere<br />
una superficie a forma di sella, o meglio la pseudosfera (vedi scheda sulla pseudosfera di Beltrami).<br />
Per il punto P, esterno alla geodetica r, passano più geodetiche<br />
(p1 e p2) che <strong>non</strong> incontrano la geodetica r e che quindi sono<br />
parallele a r.<br />
http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/HistTopics/Non-Euclidean_geometry.html<br />
P. Parrini, Fisica e geometria dall'Ottocento a oggi, Loescher, Torino, 1979<br />
P. Freguglia, Fondamenti storici della geometria, Feltrinelli, Milano,1982<br />
R. Bonola, La geometria <strong>non</strong> euclidea, esposizione storico critica del suo sviluppo, Zanichelli, Bologna, 1906<br />
R Trudeau, La geometria <strong>non</strong> euclidea, Bollati Boringheri, Torino, 1991<br />
Il triangolo curvilineo ABC su un pezzo di pseudosfera è il<br />
corrispondente di un triangolo rettilineo del piano euclideo, perché<br />
è composto da linee geodetiche. La somma degli angoli interni di<br />
questo triangolo è minore di 180° e dipende dalla grandezza del<br />
triangolo.
Note<br />
Euclide Non si conoscono le date di nascita e di morte di questo grande matematico dell'antichità. Si pensa che fosse<br />
di origine greca e che abbia studiato con Platone. Viene chiamato a insegnare ad Alessandria (Egitto) durante la dinastia<br />
di Tolomeo I Sotere, che va dal 323 al 285 a.C. La sua opera più nota, gli Elementi, si fanno risalire all'anno 300 a.C.<br />
L'opera si compone di tredici libri, nove dei quali di geometria, uno sulle proporzioni e tre di aritmetica. E' autore anche di<br />
altre opere giudicate minori e riguardanti l'astronomia, la geodesia, l'ottica e la musica.<br />
Si attribuiscono a Euclide due celebri battute. La prima è riferita da Proclo (V sec. d.C.). Un giorno Tolomeo gli chiede se<br />
ci sia una strada più breve per imparare la geometria, invece che studiarla dagli Elementi. Euclide gli risponde che <strong>non</strong><br />
esiste una via regia per la geometria. La seconda è riferita da Stobeo (V sec. d.C.). Un giorno, un nuovo allievo di<br />
Euclide chiede al maestro: "Cosa ci guadagno a imparare tutto questo?". Euclide prende delle monete e dice a un suo<br />
aiutante: "Dagliele, dato che vuole guadagnare da ciò che impara".<br />
Lobacevskij N. I. (1793-1856). Matematico russo, rettore dell'Università di Kazan (1827-46) è noto come il<br />
matematico che ha fondato la prima delle <strong>geometrie</strong> <strong>non</strong> <strong>euclidee</strong>, conosciuta con il suo stesso nome. In questa<br />
geometria la somma degli angoli interni di un triangolo è minore di due retti e per un punto esterno a una retta passa più<br />
di una parallela alla retta data. Il primo scritto noto in cui ha esposto la sua teoria è del 1829 ed ha per titolo Sui principi<br />
della geometria. Lobacevskij cercò anche di verificare sperimentalmente se la sua nuova geometria fosse empiricamente<br />
valida a livello astronomico, senza però trovare conferme.<br />
Bolyai J. (1802-1860). Ufficiale del genio ungherese è uno dei fondatori della geometria <strong>non</strong> euclidea iperbolica.<br />
Probabilmente influenzato dal padre Farkas, amico di Gauss, pubblico un saggio sulla nuova geometria come Appendice<br />
a un opera del padre. Tra i suoi può interessanti risultati la dimostrazione che, supposto <strong>non</strong> il vero il postulato di Euclide<br />
sulle parallele, si può quadrare il circolo con riga e compasso.<br />
Riemann B. (1826-1866). E' generalmente considerato uno dei creatori della matematica moderna: nei suoi pochi<br />
scritti, infatti, lanciò diverse idee che furono il punto di partenza per nuovi campi di indagine nella matematica. Nel 1851<br />
scrive i Fondamenti di una teoria generale delle funzioni di variabile complessa, da cui prenderà le mosse la moderna<br />
fisica matematica. Altrettanto celebre la sua memoria del 1854 Sulle ipotesi che stanno alla base della geometria, da cui<br />
prenderà l'avvio una concezione dello spazio e della geometria intesa in senso puramente matematico, svincolata<br />
dall'indagine sullo spazio fisico. In questa memoria si trova uno studio della geometria, con strumenti tipici dell'analisi<br />
matematica, più generale rispetto a quello euclideo, che comprende sia la geometria di Euclide sia quelle <strong>non</strong> <strong>euclidee</strong>.<br />
Klein F. (1849-1925). Ha dato notevoli contributi in numerosi campi della matematica, cercando spesso una via<br />
sintetica per collegare ricerche sviluppatesi in modo separato tra di loro. E' noto per aver dato una prova della coerenza<br />
logica di quelle che lui definiva le "cosiddette <strong>geometrie</strong> <strong>non</strong> <strong>euclidee</strong>", dimostrando che sono casi particolari di una<br />
geometria più generale, quella proiettiva. Nel suo Programma di Erlangen (1872) dà una struttura chiara, completa e<br />
soprattutto unitaria delle diverse <strong>geometrie</strong> note al suo tempo. La base comune per tutte le ricerche geometriche è a suo<br />
avviso nella nozione di gruppo di trasformazioni: ogni geometria studia le proprietà invarianti rispetto a un particolare<br />
gruppo di trasformazioni che la contraddistingue.<br />
Postulato Dal latino postulatum, da postulare, "chiedere". Proposizione posta alla base di una teoria, che si chiede<br />
venga accettata senza dimostrazione.<br />
V postulato o XI assioma di Euclide. Risulti postulato che, se una retta venendo a cadere su due rette forma gli angoli<br />
interni e dalla stessa parte minori di due retti, le due rette prolungate illimitatamente verranno ad incontrarsi da quella<br />
parte in cui sono gli angoli minori di due retti.<br />
Enunciato delle parallele. E' una formulazione equivalente del V postulato di Euclide, essa afferma che per un punto<br />
esterno a una retta data passa una e una sola parallela alla retta data.<br />
Geodetica. Si chiama geodetica di una superficie una linea tracciata su di essa che ha la caratteristica di contenere il<br />
percorso più breve per unire due punti della superficie senza uscire dalla superficie stessa. Nel piano la geodetica è la<br />
retta, su una superficie sferica è un cerchio massimo, su un cilindro e un elica. Il vocabolo ha origine dal greco e significa<br />
"dividere la terra".
Eugenio Beltrami (1835-1900)<br />
Scheda: La pseudosfera di Beltrami<br />
Verso la fine degli anni sessanta del XIX secolo, il dibattito sulle <strong>geometrie</strong> <strong>non</strong><br />
<strong>euclidee</strong> è particolarmente acceso.<br />
Lobacevskj nel 1829 e Bolyai nel 1832 avevano scritto dei saggi in cui<br />
dimostravano la possibilità di <strong>geometrie</strong> differenti da quella di Euclide, in<br />
particolare <strong>geometrie</strong> nelle quali il famoso quinto postulato sulle parallele era<br />
diverso da quello euclideo: per un punto esterno a una retta passa più di una<br />
parallela alla retta data.<br />
<strong>Le</strong> ricerche di questi matematici erano rimaste pressoché ignorate fino a che con<br />
la morte di Gauss (1855) e la pubblicazione del suo epistolario si viene a sapere<br />
che anche il sommo Gauss aveva avuto la stessa idea. L'interesse per questo<br />
problema fa emergere una memoria che Riemann, allievo di Gauss, aveva<br />
scritto nel 1854 ed era rimasta inedita: Sulle ipotesi che stanno a fondamento<br />
della geometria. La memoria pubblicata nel 1867 forniva un nuovo modo di<br />
intendere la geometria. Da un lato presentava la geometria come un caso<br />
particolare di un nuovo concetto matematico, la varietà pluridimensionale;<br />
dall'altro presentava un secondo caso di geometria <strong>non</strong> euclidea, la geometria<br />
ellittica, nella quale <strong>non</strong> esistono rette parallele.<br />
Incoraggiato dalle pubblicazioni di personaggi così celebri, il giovane matematico<br />
italiano Eugenio Beltrami si decide a dare alle stampe un suo manoscritto<br />
redatto qualche anno prima e messo da parte per paura delle aspre critiche che<br />
coinvolgevano chi si occupava di <strong>geometrie</strong> 'astrali' o 'da manicomio'. Il suo<br />
Saggio di interpretazione della geometria <strong>non</strong> euclidea segna un punto di svolta<br />
nella ricerca geometrica su questo millenario problema.<br />
Beltrami aveva trovato un 'substrato reale' per la geometria di Lobacevskj, ossia<br />
aveva trovato all'interno della geometria euclidea, una superficie di rotazione, la<br />
pseudosfera, che poteva essere interpretata come un modello euclideo di<br />
geometria <strong>non</strong> euclidea. In questo modo dimostrava che la geometria di<br />
Lobacevskj ha lo stesso diritto logico-matematico della classica geometria di<br />
Euclide. Alla superficie aveva dato il nome di pseudosfera perché ha curvatura<br />
costante come una sfera ma di segno negativo.<br />
Per capire come avviene questa 'traduzione' occorre introdurre la nozione di<br />
geodetica. Nel piano il percorso più breve che unisce due punti si trova sulla<br />
retta passante per i due punti. Estendendo questo concetto alle superfici, il<br />
percorso più breve che unisce due punti della superficie si trova su di una linea,<br />
generalmente curva, detta geodetica. Per esempio, dovendosi muovere sulla<br />
superficie di una sfera, il percorso più breve <strong>non</strong> è quello rettilineo, perché <strong>non</strong><br />
esistono percorsi di questo tipo, ma è l'arco di cerchio massimo, che in questo<br />
caso è una geodetica.<br />
La 'traduzione' si ottiene interpretando la superficie pseudosferica come piano di<br />
Lobacevski, le rette di questo piano sono le geodetiche della superficie.
Lobacevski, le rette di questo piano sono le geodetiche della superficie.<br />
Geodetiche sulla sfera traduzione<br />
Un disegno nel piano del modello di<br />
Beltrami. La regione C colorata è il<br />
modello. Per il punto P esterno alla retta r<br />
passano almeno due rette, t e t', che <strong>non</strong><br />
incontrano la retta r.<br />
L'immagine è presa da<br />
• superficie pseudosferica<br />
• punto della superficie<br />
• geodetica<br />
• arco di geodetica<br />
• due punti determinano una<br />
geodetica<br />
• per un punto esterno a una<br />
geodetica passano infinite<br />
geodetiche che <strong>non</strong> si<br />
incontrano con quella data<br />
• regione di piano <strong>non</strong> euclideo<br />
• punto del piano<br />
• retta del piano<br />
• segmento del piano<br />
• due punti determinano una retta<br />
del piano<br />
• per un punto esterno a una retta<br />
passano infinite rette parallele alla<br />
retta data<br />
Tuttavia, alcuni matematici hanno perplessità circa la validità del ragionamento<br />
di Beltrami. Il punto più debole dell'argomentazione sta nel fatto che il modello<br />
ha valore locale e <strong>non</strong> può rappresentare globalmente la geometria <strong>non</strong><br />
euclidea. Infatti, tra le infinite forme che una superficie pseudosferica può<br />
assumere si conosce l'espressione analitica solo di qualche caso particolare.<br />
Beltrami l'aveva ottenuta dalla rotazione di una curva studiata da F. Minding, la<br />
trattrice. Questa curva ha il difetto di avere un punto cuspidale, che ruotando dà<br />
origine a un cerchio di punti singolari della superficie: la superficie ottenuta dalla<br />
rotazione della trattrice quindi <strong>non</strong> è regolare e <strong>non</strong> può rappresentare<br />
interamente il piano <strong>non</strong> euclideo.<br />
Il problema è allora se tra tutte le superfici, delle quali <strong>non</strong> si conosce<br />
l'espressione analitica, ne esiste almeno una che sia regolare. Beltrami ne è<br />
convinto ma <strong>non</strong> riesce a provarlo.<br />
"Ho avuto un'idea bizzarra", scrive Beltrami a un suo amico matematico<br />
francese, Hoüel, "ho voluto tentare di costruire materialmente la superficie<br />
pseudosferica sulla quale si realizzano i teoremi della geometria <strong>non</strong> euclidea". Il<br />
modello materiale costruito in cartone aveva il diametro di 1,04 m; oggi è<br />
custodito presso il dipartimento di matematica dell'Università di Pavia.<br />
Soltanto nel 1901 Hilbert dimostra rigorosamente che il modello descritto da<br />
Beltrami ha un valore esclusivamente locale e <strong>non</strong> può essere accettato come<br />
prova matematica. Nel frattempo però altre dimostrazioni erano state già<br />
ottenute.<br />
Il modello di Beltrami, pur <strong>non</strong> essendo un modello rigoroso, ha avuto un grande<br />
ruolo storico perché ha fornito la chiave per interpretare le nuove <strong>geometrie</strong> <strong>non</strong><br />
<strong>euclidee</strong>.<br />
Antonio Bernardo<br />
Beltrami E., Saggio di interpretazione della geometria <strong>non</strong>-euclidea, in "Giornale<br />
di matematiche", (6) 1868, pp. 284-312.<br />
Beltrami E., Sulla superficie di rotazione che serve di tipo alle superficie
The MacTutor History of Mathematics<br />
archive<br />
pseudosferiche, in "Giornale di matematiche", (10) 1872, pp. 147-159.<br />
Beltrami E. Opere matematiche, Hoepli, Milano, 1902.<br />
Bonola R., Il modello di Beltrami di superficie a curvatura costante negativa, in<br />
"Bollettino di bibliografia e storia delle scienze matematiche, 1906, pp. 33-38.<br />
Capelo A.C., Ferrari M., La cuffia di Beltrami: storia e descrizione, in "Bollettino<br />
di storia delle scienze matematiche", 1982, pp. 233-247.<br />
Nella rete<br />
http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Beltrami.html<br />
http://www.britannica.com/bcom/eb/article/2/0,5716,15522+1,00.html<br />
http://chronomath.irem.univ-mrs.fr/chronomath/Beltrami.html<br />
http://chronomath.irem.univ-mrs.fr/chronomath/DisqueBeltrami.html<br />
http://chronomath.irem.univ-mrs.fr/chronomath/tractrice.html