Carpi, Liceo “Fanti” 23 novembre 2010 Anche Euclide incontrò difficoltà nella geometria Cos’è la matematica? matematica deriva dalla parola greca mâthema (conoscenza o apprendimento) apprendimento matematico deriva da mathematikòs (appassionato del conoscere o dell’apprendere) apprendere studio dei problemi che riguardano la quantità e le forme, basato su definizioni precise e rigorosi procedimenti deduttivi calcolo aritmetico algebra geometria Cos’è la matematica? E’ lo studio dei problemi che riguardano la quantità e le forme, Studio basato su definizioni precise e rigorosi procedimenti deduttivi calcolo aritmetico algebra geometria algebra geometria ugualmente importanti è bravo in matematica non chi sa fare bene i calcoli, ma chi sa ragionare bene !!! Per questa finalità prevale il ruolo della geometria sintetica sull’algebra L’algebra è più facile della geometria So sempre come procedere So qual è l’ordine logico da seguire Per la dimostrazione di un teorema di geometria: 1 - Leggo bene il testo 2 - Costruisco la figura 3 - Scrivo le ipotesi 4 - Scrivo le tesi E poi ? Dalle ipotesi che ho cerco di dedurre la tesi Fino alla fine del 1800 il matematico è detto geometra Platone (Atene, 428/427 a.C. – 348/347 a.C.) - grande filosofo, che ebbe come maestro Socrate e come allievo Aristotele - aveva fondato ad Atene un’Accademia, sul cui ingresso dominava la scritta: "non entri chi non sa la geometria" Vale a dire: "non entri chi non sa la matematica" Per i greci la matematica era essenzialmente geometria I greci sono stati bravissimi nel dare alla geometria una sistemazione che è ancora attuale La geometria ipotetico-deduttiva che voi studiate, coi relativi teoremi e dimostrazioni, è esattamente quella messa a punto dai greci (circa dal 600 a.C al 190 a.C) (si usano solo modi di dire più moderni) Prima dei greci, ad esempio gli egiziani, facevano uso della geometria; altrimenti come avrebbero potuto costruire le piramidi? Ma era una geometria di tipo pratico, non c’erano i teoremi del tipo: in un triangolo equilatero gli angoli sono uguali Matematica greca ha avuto inizio con Talete di Mileto (624-548 a.C. circa) E’ considerato il fondatore dell’impostazione deduttiva della geometria Teorema di Talete: AE/AC = AD/AB La tradizione gli attribuisce anche questi teoremi - Un cerchio è diviso in due parti uguali da qualunque diametro Non c’è nessun documento - Gli angoli alla base di un triangolo antico a prova del fatto che isoscele sono uguali Talete fosse giunto a tali ri- In due rette che si taglino fra loro, gli sultati; ma la tradizione è angoli opposti al vertice sono uguali concorde su questo punto. - Due triangoli sono uguali se hanno un DIMOSTRAZIONI ? lato e i due angoli adiacenti uguali - Un triangolo inscritto in un semicerNO!! Solo enunciati!! chio è rettangolo Un altro significativo passo in avanti si ebbe con: Il cosiddetto Teorema di Pitagora però era già noto da molto tempo a babilonesi ed egiziani Gli egiziani usavano corde con nodi equidistanziati e con 3, 4, 5 nodi costruivano angoli retti Pitagora di Samo (c. 570 – 497 a.C.) Il merito di Pitagora è di avere intuito una dimostrazione del teorema e di aver capito che esso esprime un se e solo se Pare che egli abbia avuto l’intuizione della dimostrazione passeggiando su un pavimento di piastrelle a forma di triangolo rettangolo isoscele e abbia poi proseguito nello studio per i triangoli rettangoli di qualsiasi forma e grandezza. Motto della scuola di Pitagora: tutto è numero ovvero tutto è descrivibile mediante i numeri naturali ei loro rapporti Profonda crisi nella scuola pitagorica si ebbe con la scoperta delle grandezze incommensurabili, Pitagora di Samo (c. 570 – 497 a.C.) come il lato e la diagonale di un quadrato, ovvero che non esiste un sottomultiplo del lato che sia contenuto nella diagonale un numero esatto di volte Equivale e dire che il numero 2 non è razionale, cioè non è esprimibile come una frazione Questo fatto causò nella matematica greca una sorta di diffidenza verso i numeri ed il loro impiego, con una spiccata preferenza per la geometria e per le costruzioni realizzabili con riga e compasso La scuola matematica greca raggiunse il suo apice con: EUCLIDE • (Alessandria d’Egitto, 330 – 275 a.C. circa) • Scrisse gli Elementi, 300 a.C. Della vita di Euclide si sa molto poco - visse nel periodo in cui il centro degli studi matematici e filosofici si stava spostando da Atene ad Alessandria d'Egitto, fondata da Alessandro Magno alle foci del Nilo - qui Euclide fondò una sua scuola di matematica presso il Museo Due aneddoti su Euclide - uno studente, iniziando a studiare la geometria, chiese al maestro: "Cosa ci guadagno a studiare queste cose?". Si dice che Euclide chiamò un servo e gli ordinò: "Dagli una moneta, perché vuol lucrare della conoscenza“ - il re Tolomeo I (generale di Alessandro Magno, capostipite di una dinastia di regnanti greci in Egitto che terminò con Cleopatra nel 30 a.C.) gli chiese: "Esiste in geometria una strada più breve degli ELEMENTI ?". Euclide gli rispose: "Non esiste via regia alla geometria" Euclide è autore di diverse opere ma gli ELEMENTI sono la sua opera più importante e più famosa Dopo la Bibbia, è l’opera che nel mondo ha avuto il maggior numero di edizioni Sugli Elementi di Euclide si sono formati generazioni e generazioni di studenti e si formano tuttora Gli ELEMENTI sono un vero e proprio manuale per uno studente che voglia apprendere la geometria; non c’è nulla di non spiegato o sottinteso e lo studente – leggendoli – è in grado di apprendere anche da solo la geometria Ci sono definizioni e teoremi su teoremi (465 + lemmi e corollari); mancano esercizi Costituiscono una pietra miliare per capire, apprendere, utilizzare il procedimento ipotetico - deduttivo Euclide con ogni probabilità ha attinto copiosamente a quanto molti studiosi avevano già prodotto prima Gli Elementi di Euclide costituiscono il punto di arrivo di un periodo di elaborazione trisecolare della matematica Gli Elementi riassumono, utilizzano, coordinano, sistemano l'opera dei matematici predecessori, offrendone una validissima sintesi Federico Enriques dice in proposito: "L'opera non può ritenersi costruzione originale di Euclide, ma appare riduzione in un trattato organico di ciò che il genio greco ha costruito nei tre secoli precedenti." Gli Elementi di Euclide rappresentano anche un punto di partenza: successori immediati di Euclide sono i sommi matematici Archimede e Apollonio Una pagina degli Elementi nel codice più famoso (Oxford, Bodleian Library, Ms. d'Orville 301, f. 325 v., 888 d.C.) Prima traduzione in lingua italiana: L’EUCLIDE MEGARENSE (1543) In una chiesa di Venezia due tre sere la settimana spiegava ed insegnava gli ELEMENTI Niccolò Tartaglia (Brescia, 1499/1500 – Venezia, 1557) E la chiesa era sempre piena!!! Nova Scientia (1537) Opera di balistica ELEMENTI: 13 LIBRI • • • • 1-6 7-9 10 11-13 geometria piana teoria dei numeri incommensurabili geometria solida 23 Definizioni: descrizione intuitiva dei concetti geometrici con riferimento alla realtà 8 Assiomi o Nozioni comuni: verità evidenti per se stesse e che sono universalmente accettata senza dimostrazione 5 Postulati: proposizioni di carattere geometrico da accettare a priori come vere 48 Teoremi: asserti la cui verità deve essere dimostrata 23 definizioni: TERMINI PRIMITIVI (7) E DEFINITI (16) TERMINI PRIMITIVI : basilari per il discorso e viene spiegato il loro significato 1. 2. 3. 4. Un punto è ciò che non ha parti. Una linea è una lunghezza senza larghezza. Gli estremi di una linea sono punti. Una retta (leggi: SEGMENTO) è una linea che giace ugualmente rispetto ai punti su di essa. !!!!!! 5. Una superficie è ciò che ha lunghezza e larghezza. 6. Gli estremi di una superficie sono linee. 7. Una superficie piana è quella che giace ugualmente rispetto alle rette su di essa. Tartaglia dirà: retta (ovvero segmento) è la linea più breve che congiunge due punti TERMINI DEFINITI (a partire dai termini primitivi) 8.Un angolo piano è l'inclusione reciproca di due linee in un piano le quali si incontrino e non giacciano in linea retta. 9.Quando le linee che comprendono l'angolo sono rette, l'angolo è detto rettilineo. 10.Quando una retta innalzata a partire da un'altra retta forma con essa angoli adiacenti e uguali fra loro, ciascuno dei due angoli è retto, e la retta si dice perpendicolare a quella su cui si è innalzata. 11.Dicesi ottuso l'angolo maggiore di un angolo retto. 12.Dicesi acuto l'angolo minore di un angolo retto. 13.Dicesi termine ciò che è estremo di qualche cosa. !!!!!! 14.Dicesi figura ciò che è compreso da uno o più termini. 15.Dicesi cerchio una figura piana delimitata da un'unica linea tale che tutte le rette che terminano su di essa a partire da un medesimo punto fra quelli interni alla figura siano uguali fra loro. 16. Quel punto si chiama centro del cerchio. 17.Dicesi diametro del cerchio una retta condotta per il centro e terminata da ambedue le parti dalla circonferenza del cerchio, la quale retta taglia anche il centro a metà. 18.Dicesi semicerchio la figura compresa dal diametro e dalla circonferenza da esso tagliata, e centro del semicerchio è quello stesso che è anche centro del cerchio. 19.Diconsi rettilinee le figure delimitate da rette, vale a dire: figure trilatere quelle comprese da tre rette, quelle quadrilatere comprese da quattro rette e multilatere quelle comprese da più di quattro rette. 20.Dicesi triangolo equilatero la figura trilatera che ha i tre lati uguali, isoscele quella che ha due lati uguali e scaleno quello che ha i tre lati disuguali. 21.Dicesi triangolo rettangolo la figura trilatera che ha un angolo retto, triangolo ottusangolo quella che ha un angolo ottuso e acutangolo quello che ha i tre angoli acuti. 22.Dicesi quadrato la figura quadrilatera che ha i lati uguali e gli angoli retti. 23.Si dicono parallele rette giacenti nello stesso piano che, prolungate illimitatamente in entrambe le direzioni, non si incontrino fra loro da nessuna delle due parti. 8 Assiomi o Nozioni comuni: verità evidenti per se stesse e che sono universalmente accettate senza dimostrazione I. Cose che sono uguali a una stessa sono uguali anche fra loro. II. E se cose uguali sono addizionate a cose uguali, le totalità sono uguali III. E se da cose uguali sono sottratte cose uguali, i resti sono uguali. IV. E se cose uguali sono addizionate a cose disuguali, le totalità sono disuguali. V. E doppi di una stessa cosa sono uguali tra loro. VI. E metà di una stessa cosa sono uguali fra loro. VII. E cose che coincidono fra loro sono uguali. VIII. E il tutto è maggiore della parte. Postulati Proposizioni di carattere geometrico costruttivo da accettare a priori come vere. 5 • I. II. III. IV. V. Risulti postulato che: Sia possibile condurre una linea retta (SEGMENTO) da un qualsiasi punto ad ogni altro punto Una retta terminata (SEGMENTO) si possa prolungare continuamente per diritto Si possa descrivere un cerchio con qualsiasi centro e qualsiasi raggio Tutti gli angoli retti siano uguali tra loro ???? In una teoria assiomatica moderna Euclide Termini primitivi sono quegli enti che si sceglie di non definire e che servono da punto di partenza per la definizione degli altri enti Definisce gli enti geometrici dando una descrizione idealizzata di oggetti che ci circondano e che fanno parte della nostra esperienza immediata. Assiomi sono quelle proposizioni che si sceglie di non dimostrare e che servono da punto di partenza per dimostrare tutti i teoremi In modo analogo i postulati (assiomi) descrivono il comportamento evidente e facilmente sperimentabile degli oggetti geometrici. Poi Euclide inizia a dimostrare le sue proposizioni: Prop. 1: dato un segmento, posso costruire un triangolo equilatero avente per lato quel segmento Prop. 2: Dato un segmento, a partire da un qualunque punto posso costruirne uno ad esso uguale Due triangoli sono uguali se hanno uguali due lati e l’angolo fra essi compreso ( primo criterio di congruenza dei triangoli) In un triangolo isoscele gli angoli alla base sono uguali Se in un triangolo gli angoli alla base sono uguali, allora il triangolo è isoscele ....... Le proposizioni enunciate da Talete ...... • Proposizione 16 – In ogni triangolo, se si prolunga uno dei lati, l’angolo esterno è maggiore di ciascuno dei due angoli interni ed opposti. • Proposizione 17 – In ogni triangolo la somma di due angoli, comunque presi, è minore di due retti. Teorema (n. 27) diretto sulle parallele Se una retta intersecando altre due rette forma con esse angoli alterni interni uguali fra loro, le due rette saranno fra loro parallele E A B C D F Hp: AEF = EFD → Th: AB // CD Dimostrazione Bisogna dimostrare che le rette AB e CD sono parallele ossia che per quanto prolungate non si incontrano mai. Dimostrazione per assurdo E A B G C F D Supponiamo invece che prolungandole si incontrino nel punto G. Allora per il teorema (16) dell’angolo esterno di un triangolo (che è maggiore di ciascuno dei due angoli interni e opposti) risulta che AEF > EFG. Il che è assurdo perché contraddice l’ipotesi. Teorema (n. 29) inverso delle parallele Una retta che cada su due parallele forma gli angoli alterni interni uguali fra loro. Non è possibile dimostrare questo teorema basandosi solo sui primi IV postulati Dimostrazione Hp: rette Th: AEF = EFD Dimostrazione per assurdo Suppongo AEF > EFD AEF + BEF > EFD + BEF ma AEF + BEF = 2 angoli retti per cui EFD + BEF < 2 angoli retti Euclide vorrebbe da ciò dedurre che le 2 rette si intersecano dalla parte di B e D; da cui un assurdo che andrebbe contro l’Hp. V postulato Se una retta (r), intersecando due altre rette (s, t), forma con esse, da una medesima parte, angoli interni la cui somma è minore di due angoli retti, allora queste due rette illimitatamente prolungate si incontrano dalla parte detta. α s P r β t sul teorema delle rette parallele tagliate da una trasversale Anomalia Per dimostrare il teorema diretto NON è necessario il V postulato Per dimostrare il teorema inverso è necessario il V postulato PUNTO NERO: il V postulato a differenza degli altri quattro è formulato in modo complesso e non ha la stessa evidenza immediata Se una retta, intersecando due altre rette, forma con esse, da una medesima parte, angoli interni la cui somma è minore di due angoli retti, allora queste due rette illimitatamente prolungate si incontrano dalla parte detta. fa pensare ad un teorema più che ad un postulato EUCLIDE EVITA finché gli è possibile di utilizzare questo postulato Dimostra i primi 28 teoremi senza di esso, MA senza di esso non si possono dimostrare teoremi basilari come: • il teorema sulla somma degli angoli interni di un triangolo (uguale a un angolo piatto) • il teorema di Pitagora • i teoremi sulla similitudine delle figure piane In modo particolare … Proposizione 32 In ogni triangolo, se si prolunga uno dei lati, l’angolo esterno è uguale alla somma dei due angoli interni ed opposti, e la somma dei tre angoli interni del triangolo è uguale a due retti. C A E B Se si considerano le proposizioni 16, 17 e 32, si nota che l’ultima è più completa e contiene implicitamente le prime due: è ovvio che: se un angolo esterno è uguale alla somma degli angoli interni non adiacenti ==> è maggiore di ciascuno di essi se la somma degli angoli interni di un triangolo è due retti ==> la somma di due soli angoli è minore di due retti Come mai Euclide ha dimostrato anche i primi due? Semplicemente perché la loro dimostrazione non fa uso del V postulato. D Viste le perplessità sul V POSTULATO per oltre 2000 anni numerosi studiosi hanno cercato: 1) di sostituirlo con un altro equivalente più evidente e più intuitivo, eventualmente riformulando la definizione di parallelismo tra rette 2) di stabilire se il V postulato è effettivamente un postulato o no, cercando di dimostrarlo a partire dagli altri 4 postulati ALCUNI ENUNCIATI EQUIVALENTI AL V POSTULATO Rette parallele sono equidistanti (POSIDONIO, I sec. a.C.; PROCLO, 410 – 485) Una perpendicolare e un’obliqua a una stessa retta si incontrano dalla parte in cui l’obliqua forma un angolo acuto con la retta (Postulato dell’obliqua) Per un punto esterno a una retta passa una e una sola parallela alla retta data (JOHN PLAYFAIR, fine sec. XVIII) La somma degli angoli interni di ogni triangolo è di 180 gradi (GEROLAMO SACCHERI, 1733) Dato un triangolo è possibile costruirne uno simile (JOHN WALLIS, 1616 – 1703) Per tre punti del piano non allineati passa sempre una circonferenza (FARKAS BOLYAI, inizio XIX secolo) TENTATIVI DI DIMOSTRAZIONE DEL V POSTULATO Numerosi soprattutto dal 1500 in poi La presenza del quinto postulato senza dimostrazione sembrava un difetto gravissimo degli Elementi La Geometria rimase intrappolata nel problema del postulato delle parallele... tanto che D’Alambert lo chiamò lo “scandalo della geometria” - 1767 Era assolutamente necessario liberare,purificare l'opera di Euclide da tale macchia, da tale neo Il contributo più significativo è di Gerolamo Saccheri con l’opera: Euclides ab omni naevo vindicatus (Euclide liberato da ogni neo) Gerolamo Saccheri (1667-1733) IDEA: dimostrazione del V postulato a contrariis cioè a partire dalla negazione di esso, ma accettando gli altri 4 postulati se la NEGAZIONE durante la dimostrazione porterà a qualcosa di FALSO o ASSURDO V postulato è VERO Saccheri credeva di aver ottenuto tale lo avremo dimostrato risultato; ma si è poi visto che aveva comsarà un teorema messo un errore L'opera di Saccheri rappresenta un punto di svolta: a. per aver aperto la strada (con la sua dimostrazione per assurdo) alla possibilità di ipotizzare la non validità del V postulato b. per aver inaugurato, involontariamente, la strada verso le Geometrie Non Euclidee (cioè geometrie in cui non vale il V postulato di Euclide) c. per l’idea di fondare la validità di una geometria non sull'evidenza intuitiva, ma sulla sua non contraddittorietà logica Geometria Assoluta Geometria ottenuta dalla Geometria Euclidea escludendo il V postulato e tutti i teoremi dimostrati con l'ausilio di questo Geometria Parabolica Geometria Euclidea Felix Klein (1849 – 1925) Geometria Iperbolica Geometria che accetta i primi quattro Postulati della Geometria Euclidea e che sostituisce il V postulato con la sua negazione: dato un punto e una retta non passante per esso, esistono infinite rette per il punto dato e parallele alla retta data Geometria Ellittica Geometria che accetta i primi quattro Postulati della Geometria Euclidea e che sostituisce il V postulato con la sua negazione: dato un punto e una retta non passante per esso, non esiste alcuna retta per il punto dato e parallela alla retta data Le tre geometrie vengono definite da Klein Parabolica (Euclidea) – la parabola ha un solo “punto” all’infinito – una parallela Iperbolica (Lobacevskij) – l’iperbole ha “due punti” all’infinito – due parallele Ellittica (Riemann) – l’ellisse non ha “nessun punto” all’infinito – nessuna parallela parabola Punto all’infinito iperbole Punto all’infinito Punto all’infinito ellisse INVENTORI della Geometria Iperbolica Jànos Bolyai (1802-1860) Ungherese Nicolai Ivanovich Lobachevsky (1793- 1856) russo INVENTORE della Geometria Ellittica MODELLI DI GEOMETRIE NON EUCLIDEE Bernhard Riemann (1826 – 1866) Tedesco Geodetica Per capire i modelli di geometria non euclidea è indispensabile la nozione di geodetica. Nel piano euclideo si può definire la retta come il percorso più breve che unisce due punti Su una superficie qualsiasi il percorso più breve che unisce due punti si chiama geodetica piano Q P P retta superficie Q geodetica Modello di geometria di Riemann Piano • Punto del piano • Retta del piano • Per due punti passa una retta • Per un punto esterno a una retta non passa nessuna parallela alla retta data α + β + γ < 3× 180° Superficie sferica Punto sulla sfera Circonferenza max (geodetica) Per due punti passa una circonf. max Non esistono rette parallele Nella geometria di Riemann La circonferenza di diametro AB non ha centro in C ma in N Circonferenza è il luogo dei punti equidistanti da uno stesso punto, il centro Siamo sulla superficie della sfera, mentre C è posto dentro la sfera Poiché evidentemente l'arco AN è maggiore del segmento AC, il rapporto tra la circonferenza AB e il suo raggio AN è minore di π Nella geometria euclidea C/2r = π C/2r < π Modello di Klein (di geometria iperbolica): piano punti interni ad una circonferenza; quindi cerchio privato della circonferenza punto punto interno al cerchio retta corda (come, ad esempio, PQ) Due punti determinano una retta e per un punto passano infinite rette Per un punto esterno a una retta passano infinite rette parallele a quella data (che non la intersecano) somma angoli di un triangolo < 180° iperparallela BQ, AP sono semirette AB segmento semipiano CP e CQ rette separatrici delle rette parallele da quelle non parallele secante Modello di Poincaré (di geometria iperbolica): piano punto retta cerchio privato della circonferenza punto interno al cerchio diametro oppure un arco di circonferenza,interno al cerchio e ortogonale alla circonferenza che lo delimita Per un punto esterno a una retta passano infinite rette parallele a quella data (che non la intersecano) iperparallela la somma degli angoli di un triangolo è sempre minore di 180° e varia da triangolo a triangolo Un cerchio di centro D Un cerchio di centro O, due Un ottagono regolare diametri tra di loro perpen- e il cerchio ad esso dicolari e il quadrato inscritto circoscritto Maurits Cornelis Escher (1898 –1972) incisore e grafico olandese Geometria Euclidea La sistemazione definitiva dell’argomento viene da Klein attraverso la classificazione delle geometrie in tre classi fondamentali Geometria Ellittica È la geometria delle superfici a curvatura nulla Vale l’assioma dell’esistenza e unicità della parallela. La somma degli angoli interni di un triangolo è uguale ad un angolo piatto È la geometria delle superfici a curvatura positiva (Riemann) . In essa non esistono rette parallele. La somma degli angoli interni di un triangolo è maggiore di un angolo piatto Geometria Iperbolica È la geometria delle superfici a curvatura negativa (Lobacevskij). Per un punto esterno ad una retta vi sono più parallele. La somma degli angoli interni di un triangolo è minore di un angolo piatto CONCLUDENDO Abbiamo quindi diverse geometrie Sono tutte corrette Uso quella che mi serve a secondo del mondo in cui lavoro Le GEOMETRIE NON EUCLIDEE sono importantissime per le applicazione alla fisica ed in particolare alla teoria della relatività di Einstein Bibliografia • • • • • • • • • Euclide, Gli elementi, UTET, 1970 R. Bonola, La geometria non-euclidea, Zanichelli, 1906 F. Klein, Il programma di Erlangen, La Scuola, Brescia, 1998 L. Magnani, Le geometrie non euclidee, Zanichelli, 1978 R. Trudeau, La rivoluzione non euclidea, Bollati Boringheri, 1991 P. Parrini, Fisica e geometria dall’Ottocento a oggi, Loescher, 1979 M Kline, Storia del pensiero matematico, Einaudi, 1996 C. Boyer, Storia della matematica, Mondadori, 1968 U. Bottazzini, Il flauto di Hilbert, storia della matematica moderna e contemporanea, UTET, 1990