Il sapere autentico LA MATEMATICA E’ FACILE IN QUESTO LAVORO NON CI SARANNO MAI DIMOSTRAZIONI ANALITICHE Per studiare con profitto ogni disciplina è necessario considerare diversi elementi e tra questi il rispetto verso l’autore del libro, che si sta leggendo, anzi l’amore verso l’opera, che ha richiesto tanto lavoro per la sua realizzazione; poi la necessità di leggere con calma ed attenzione la sua introduzione, che rappresenta, in quel momento, l’unico modo per avvicinarsi all’autore, per capire qualcosa di lui e delle sue intenzioni o raccomandazioni in riferimento all’opera scritta, per stabilire un rapporto di fiducia indispensabile, di amore, quell’amore, che ci rende più intelligenti e che ci porta ad una lettura del testo attenta, serena e veramente produttiva, che ci fa apprezzare sia la funzione implicita del libro, che quella formativa, per la quale l’opera assume il suo maggior valore. Essa non espone soltanto una teoria, fa molto di più: fa sì che il lettore possa assimilare il sapere, la cultura viva dello stesso autore, per trasfigurarsi nella stessa esperienza, ricevendone alla fine un compenso immenso, che inferisce quella sensazione di grande e serena gioia, imprescindibile per ogni essere umano che voglia sottrarsi, per dirla con Hegel, alla più bassa scuola della saggezza o del relativismo. E’ chiaro che quanto anzidetto non può non considerare il relativismo attualmente imperante ed il valore relativo dei libri, attualmente pubblicati, come d’altronde qualsiasi altra opera che ci arriva con qualsiasi mezzo di comunicazione. Per la MATEMATICA verranno pubblicati degli appunti, che faranno riferimento al seguente percorso: 1 Capire bene in concetto di rapporto impostando la sua spiegazione in modo tale che lo si interpreti sempre nel modo seguente: il valore del numeratore corrispondente al valore uno, unitario, del denominatore. E’ indispensabile che, sotto questa forma del rapporto, sia riportato sia il concetto di proporzione che di similitudine. E’ indispensabile fare molti esempi, soprattutto strani, prima di affrontare qualsiasi argomento successivo. Si dovranno considerare anche diversi esempi di rapporti importanti iniziando dai più semplici: costo e numero di caramelle, determinare il costo di una caramella; fare poi l’inverso dello stesso rapporto, spiegando il risultato. Spiegare in tal senso anche il concetto di pressione e di carico unitario. Spiegare il concetto di similitudine tra triangoli simili, soprattutto fra triangoli rettangoli simili, spostando in modo irreversibile il concetto di proporzionalità a quello di rapporto; in modo da poter parlare in futuro solo di rapporto. Spiegare graficamente le funzioni trigonometriche col concetto di rapporto. Spiegare la derivata di una curva (funzione) col concetto di limite, il tutto visto solo in modo grafico, sempre come rapporto, come inclinazione di una retta. Considerare nelle esercitazioni solo esempi pratici, quali pendenze di strade, andamento dei prezzi della benzina in un certo periodo, con relativo studio dell’andamento della curva relativa Integrazione grafica partendo sempre da metodi grafici approssimati per il calcolo di aree, spiegando sui grafici il concetto di limite; Proporre diverse esercitazioni sempre con argomenti sul reale. 2 Grandezze vettoriali, quali sono e come si esprimono graficamente, considerando anche le matrici, nella parte inerente all’argomento trattato. Per impedirci di trattare argomenti solo teorici ed evitare nel lettore qualsiasi convinzione errata sul loro utilizzo, faremo intervenire una specie di congegno per spostare gli scenari( stage machinery), che chiameremo brevemente STANERY; la sua comparsa porterà improvvisamente ad un cambiamento di argomento, che verrà spiegato non interamente e nè in profondità, ma solo per la parte utile, in quel momento, alla prosecuzione della spiegazione dell’argomento che si sta trattando. Si fa notare inoltre che negli esempi utilizzati figureranno solo grandezze comunque utili per una formazione culturale non settaria, pertanto è necessario cercare di ricordare anche i loro concetti. TUTTO CIO’ CHE SEGUE NON HA AVUTO ALCUNA REVISIONE. VIENE PUBBLICATA PER SPIEGARE IL METODO RAPPORTO TRA DUE GRANDEZZE Rivediamo alcuni argomenti semplici di Matematica, già studiati alle elementari, per cercare una migliore comprensione di essi dal punto di vista pratico, per porre il lettore in condizioni di affrontare i futuri argomenti oggetto di studio di qualsiasi tipo, con maggiore autonomia didattica, migliorando sensibilmente le sue attitudini all’apprendimento. Si inizia dal concetto di rapporto tra due grandezze, cioè dalla divisione tra due numeri, eventualmente seguiti per convenzione 3 dalle unità di misura. Consideriamo l’esempio di comprare dieci caramelle e di pagarle cinquanta lire. In questo caso 10, non ha unità di misura, è solo un numero, che ha comunque un suo significato, è il numero di caramelle, mentre cinquanta ha l’unità di misura, in quanto è un costo, che per comodità usiamo le lire, quindi 50£; useremo l’euro quando avremo spiegato i centesimi. Abbiamo: numero di caramelle = 10; costo di 10 caramelle = 50£ 50/10 = 5 Il significato di 5, penso sia chiaro a tutti: rappresenta il costo di una caramella; se si considera invece il rapporto inverso 10/50 = 0,2 il significato del risultato 0,2 non è più immediato. L’allievo con calma provi a dare la sua interpretazione e possibilmente giustificando le sue affermazioni, discutendone possibilmente con qualcuno. Alla fine si dovrebbe cercare di stabilire una regola con parole semplici, che fissi, una volta per tutte, un metodo da applicare in modo automatico, che dovrebbe essere all’incirca del tipo seguente: Il risultato di un rapporto prende significato dalla conoscenza del numeratore o in particolare dalla sua unità di misura, nel nostro primo caso è un costo in lire ed il risultato 5 è un costo in lire; la differenza tra 50 e 5 è dovuta al fatto che 50 rappresenta il costo 4 di dieci caramelle, mentre 5 è il costo di una caramella e questa differenza è dovuta al rapporto che ha diviso cinquanta in un numero di volte pari a quello delle caramelle, cioè ogni quantità di lire in cui cinquanta viene suddiviso, corrisponde ad una caramella: abbiamo quindi il costo di una caramella. In definitiva possiamo dire che : STANERY 0,2 è un numero, che può essere scritto 0,2 1 , che moltiplicando per dieci numeratore e denominatore , non cambia il suo valore; infatti diventando 2 10 , conserva sempre il valore di 0,2, solo che diventa più comprensibile il significato di rapporto, che invece di dire che divido l’ intero in decimi, dico che divido la caramella in dieci parti, e se ne prendono due, che è la stessa cosa. Questo significa, considerando la caramella, come il rettangolo in figura, che comunque per considerare la parte corrispondente a 0,2, devo dividere il segmento in dieci parti e prenderne due parti, come si è fatto nella figura seguente Il risultato di un rapporto prende significato dalla conoscenza del numeratore, in particolare dalla sua unità di misura e corrisponde al valore del numeratore quando il denominatore è uno, o al valore unitario del denominatore. Nel secondo esempio il numeratore è un numero di caramelle, e quindi 0,2 è un numero 1di caramelle; in questo caso è il numero di caramelle che ho comprato con una lira, perché al denominatore c’è la somma spesa in lire per comprare dieci caramelle. Un’altra grandezza utile può essere la densità, indicata con ρ, definita dal rapporto tra la massa di un corpo, m2, espressa per esempio in grammi, ed il suo volume corrispondente in centimetri cubici: 1 2 il significato di un numero minore di uno. INTERVENTO DI STANERY STANERY :spiegare il significato di massa col peso che cambia 5 π(π) ρ = π(ππ³) In questo caso possiamo dire che la densità ρ è la massa in grammi di un volume pari ad un centimetro cubo, o più brevemente la massa di un centimetro cubo. In particolare questo ci permette di conoscere non solo la densità di un corpo, di fare un confronto con altri corpi più o meno densi, ma anche, sapendo che la densità è la massa di un centimetro cubo, di calcolare subito la massa di qualsiasi volume; il volume infatti non è altro che il numero dei centimetri cubici, che moltiplicati per la massa di un centimetro cubo si ha la massa totale: m=ρV Il lettore non abbia paura se qualche incertezza rimane, perché di esempi ne faremo diversi, in modo tale che il concetto di rapporto alla fine sarà pienamente assimilato. L’inverso del precedente rapporto, che ora, prima di continuare la lettura bisogna spiegare, facendo contemporaneamente qualche calcolo numerico, è altrettanto interessante perché si incontra una grandezza, il volume specifico, molto utile nello studio di gas e vapori, fluidi che, quando sono liquidi, occupano un volume notevolmente più piccolo. FARE un esempio del vol. acqua e del suo vapore Un altro rapporto importante, anche per la vita di tutti i giorni è quello che definisce la pressione, p, su una superficie. Essa è definita dal rapporto tra la forza, che sulla superficie deve essere 6 costante3, diretta normalmente alla superficie, FβΏ, e la misura della superficie stessa S. DISEGNO di una forza normale ad una superficie Si ha: p = FβΏ / S La pressione può essere dovuta ad un gas contenuto in un recipiente chiuso o ad un liquido in un recipiente aperto superiormente, anche se ci sono molti altri esempi diversi, che verranno considerati singolarmente in un secondo tempo. Nel caso del gas, le particelle che compongono il fluido considerato si suppongono senza peso e pertanto la pressione è dovuta solo all’urto delle particelle sulla parete del recipiente, è quindi costane sulla sua parete e per misurarla o si usa uno strumento, che con un tubo, è messo in comunicazione, attraverso un foro, con l’interno del recipiente o questo presenta una superficie mobile avente, per comodità di calcolo, la direzione del moto verticale, cioè un pistone sul quale si dispone un peso; in quest’ultimo caso la pressione sarà data da un rapporto con al numeratore la somma del peso del pistone, Fp, e del peso aggiunto, Pp, ed al denominatore, il valore della superficie del pistone, normale alla direzione verticale del movimento. Nel caso di un liquido il discorso cambia completamene in quanto le particelle di liquido sono molto vicine e dal peso non più 3 L’esempio della forza non costante sarà considerato successivamente 7 trascurabile. In un recipiente pieno di liquido azzurro, aperto superiormente, come per esempio nella figura seguente ππ h ρgh+ππ consideriamo la pressione atmosferica agente sulla parte superiore ππ , orizzontale del pelo libero del liquido; sul fondo del recipiente agirà la pressione atmosferica ππ con in più la pressione dovuta al peso del liquido ππ . Consideriamo la pressione dovuta al liquido; essa è …. ππ = ππ / S La pressione è quindi il peso del liquido agente sull’unità di superficie. In questo caso conoscendo il peso specifico ρg possiamo esprimere la pressione in un forma molto più espressiva: Poiché il peso del liquido, come sappiamo è ππ = ρgV = ρgSh 8 si ha che sostituendo il peso di liquido nel rapporto che definisce la pressione sul fondo de recipiente si ha che ππ = ρgSh / S = ρgh = γh BISOGNA CHIARIRE γ La pressione, poiché S compare sia al numeratore sia al denominatore, si ha semplificazione della superficie nel rapporto; possiamo quindi affermare che la pressione dovuta al liquido non dipende in effetti da tutto il volume d’acqua soprastante la superficie ma solo dalla profondità; ciò significa che la pressione è la stessa se il contenitore diventa un semplice tubo d’acqua. A questo punto è necessario ripetere che la pressione è sempre il peso, perpendicolare alla superficie, sulla superficie stessa quindi per esempio i chilogrammi peso su un centimetro quadrato, anche se il tubo ha una sezione di un millimetro quadrato. Quindi ogni volta che parlo dei chilogrammi peso che agiscono sull’unità du superficie, per avere una visione unitaria devo fare riferimento ad un’unica unità di superficie. Diminuendo la profondità la pressione diminuisce in proporzione. A questo punto conviene chiarire che la definizione di pressione permane anche se si parla di pressione in un punto; in quel punto la pressione è sempre la forza normale sull’unità di superficie, dove l’unità di superficie, per esempio il centimetro quadro, passa per il punto, ed è normale alla forza. Inoltre sull’acqua agisce la pressione atmosferica e quindi la pressione totale sul fondo del recipiente è la somma della pressione dovuta all’acqua più quella dovuta all’aria atmosferica: pt = p + Pa 9 Comincia qui la proporzione Anche nelle proporzioni è fondamentale il concetto di rapporto; per esempio se per fare la torta margherita si conosce che per 400g di farina ci vogliono 300 g di zucchero mentre si vuole preparare una torta più con 250g di farina e non si conosce la quantità di zucchero, che diventa l’incognita x. Per calcolarla bisogna rispettare la proporzione conosciuta tra 400 e 300; ma cos’è la proporzione se non il rapporto 400 300 = 1,33 che deve conservare lo stesso valore, lo stesso rapporto. Basterà quindi uguagliare i due rapporti: 400 250 = 300 π₯ col seguente ragionamento, avendo cura di usare dopo l’uguaglianza la stessa proporzionalità: prima la farina e poi lo zucchero, altrimenti la proporzione cambia completamente significato. DETERMINAZIONE DI UNA INCOGNITA nell’uguaglianza è possibile moltiplicare o dividere tutti e due i membri per uno stesso numero in modo tale che essa, l’uguaglianza, si conservi; posso quindi moltiplicare primo e secondo membro per x, per 250 e dividere per 400 o meglio, che 10 è la stessa cosa, moltiplicare primo e secondo membro per 300 400 π₯ in questo modo: 400 300 π₯ 300 = 400 250 300 π₯ 400 π₯ Semplificando i rapporti che sono moltiplicati e divisi per lo stesso numero, si cancellano con un segno si ottiene 300 π₯= 250 400 Tale risultato si può ottenere molto più semplicemente, è come se facessimo le stesse operazioni, seguendo queste regole: 1) devo ricavare l’incognita x, quindi devo scrivere” x = “ quindi devo portare l’incognita al numeratore, dovrei quindi moltiplicare primo e secondo membro per x, sempre perché l’uguaglianza si conservi, ma per fare questo e poi semplificare basta solo prendere il numero e spostarlo all’altro membro, ricordando che se sta al numeratore lo devo mettere al denominatore e se sta al numeratore, va al denominatore; facendo attenzione al fatto che il numero che si sposta, se al numeratore o denominatore c’è una somma, bisogna mettere le parentesi e moltiplicare il numero per tutta la somma: 2) faccio lo stesso lavoro lo per lasciare la x da sola e portare tutte le grandezze all’altro membro. Consideriamo il seguente esempio: x 400 300 = 250 11 π₯ 250 = 300 400 π₯= 300 400 250 Si fa notare che è la stessa cosa se il numero o la x stanno davanti al segno di frazione o sopra ad esso. Un altro esempio (2+π)25 5 2+π 5 = π₯ 25 = x che è la stessa cosa che x = 25(2+π) 5 ; il 25 ed il 5 si possono semplificare dividendoli entrambi per 5 ed ottenendo 5 al numeratore ed 1 al denominatore(si faccia attenzione non 0) e quindi x = 5(2+a) ). Possiamo quindi considerare: 300 x = 250 * 400 E’ importante capire il significato del rapporto 300/400,uguale a 0,75, in modo tale che non si debba più scrivere la proporzione con i relativi calcoli, ma direttamente la relazione precedente. Il rapporto anzidetto definisce la quantità in grammi di zucchero, che devo usare nel dolce, per ogni grammo di farina; moltiplicando per il numero di grammi di farina, che è il suo peso, 250g, ottengo subito la quantità necessaria di zucchero, per preparare la quantità giusta di torta. Ogni volta che devo preparare quel dolce, basterà non cercare di ricordare 0,75, il numero giusto da moltiplicare, ma il suo concetto, che è il quantitativo di zucchero per grammo di farina. Poi a seconda del 12 peso complessivo della torta, varierà la quantità di farina e quindi di zucchero; è necessario fare questi ragionamenti non solo per ricordare, ma anche per esercitarsi la mente al ragionamento logico. Un altro esempio può essere la preparazione di una bevanda, che verrà scritta a questo punto successivamente. ANGOLI UGUALI: Due angoli sono uguali quando sono formati da semirette parallele fra loro o alle volte anche coincidenti come nell’esempio seguente: MISURA DELL’ANGOLO L’angolo si può misurare in gradi o in radianti. Il grado corrisponde alla trecentosessantesima parte di un angolo giro, cioè di quattro angoli retti. Per quanto riguarda il radiante, si considera una circonferenza di raggio unitario, in modo che la stessa, cioè il perimetro del cerchio, è pari a 2π, che in radianti corrisponde a 360Ν§β°; in pratica è come se misuriamo l’angolo con un arco di circonferenza particolare, quella di raggio unitario. Per esempio 30β° corrispondono a, sono 1/3 di 90, 1/3 di π/2 e cioè 0,52 rad . Questo è stato possibile perché da ora in poi quando parleremo di angoli espressi in radianti faremo sempre riferimento alla circonferenza di raggio unitario. α α Triangoli rettangoli simili 13 A’ A B C B’ In un triangolo qualsiasi la somma degli angoli interni è di 180β°, quindi in un triangolo rettangolo, oltre all’angolo retto, la somma dei due angoli acuti deve essere di 90β°. Affinché due triangoli rettangoli siano quindi simili è sufficiente che abbiano uno dei due angoli acuti uguali, perché necessariamente avranno gli altri due uguali. I lati corrispondenti di due triangoli simili, sono i lati opposti ad angoli uguali, come si evidenzia dalle seguenti figure dove i lati corrispondenti, opposti ad angoli uguali, hanno lo stesso colore come gli angoli opposti. 14 C’ A S h = 10 cm x T U O b =1cm u d 3 cm e b=5 cm v e st a r nel senso che se uno I triangoli simili hanno i lati in proporzione, e dei tre lati è il doppio di un altro lato di un altro triangolo ad esso s simile, anche gli altri due lati sono il doppio dei lati corrispondenti o come da figure seguenti: Per i lati corrispondenti di triangoli simili tt è possibile scrivere il loro legame dovuto oalla proporzionalità, che si spiegherà quando studieremo l’equazione di una retta vista U H C graficamente: conoscendo il valore del rapporto tra due lati e la misura di un terzo lato, è possibile ricavare la misura del suo lato corrispondente. Consideriamo i triangoli rettangoli OAH e OSC, che avendo gli angoli uguali sono simili; essendo simili, i lati corrispondenti sono in proporzione come nella seguente relazione: 15 AH : HO = SC : CO che si può scrivere: π΄π» π₯ = π»π πΆπ per ricavare x è necessario portare CO all’altro membro, e poiché sta al denominatore si porta al numeratore o ciò che è lo stesso vicino al segno di frazione: π΄π» π»π ∗ πΆπ = x invece di cambiare di membro la x ed il prodotto, continuo utilizzando la relazione già scritta: π΄π» π»π ∗ πΆπ = x = 3* 10 5 = 3*2 2 è il risultato del rapporto che ha un significato, come sappiamo molto importante, in quanto mette in relazione l’altezza AH del triangolo con la sua base HO, anzi seguendo le istruzioni precedenti, dovrebbe corrispondere all’altezza di un triangolo che ha la base pari ad un centimetro; ma quale triangolo? 16 A S h = 10 cm x T U O b =1cm d u 3 cm e b=5 cm v e Riprendiamo la figura precedente e suddividiamo la base in unità st per il punto U della di un centimetro e tracciamo la parallela figura. Dalla figura possiamo vedere che ail triangolino OTU ha gli r angoli interni uguali a quelli del triangolo OAH; pertanto i due e triangoli sono simili ed i lati in proporzione e quindi il lato TU è il s corrispondente di AH, anzi poiché ho opreso la base OU un centimetro, ho diviso la base in cinque tt parti e quindi devo dividere l’altezza in cinque patri per determinare l’altezza TU del o U in proporzione, ed in triangolino, perché sappiamo che i lati sono H C particolare nel nostro caso abbiamo visto che il triangolo grande OAH ha i lati cinque volte i lati più piccoli; In conclusione possiamo dire, avendo volutamente costruire il triangolo piccolo in quel modo, con la base unitaria, che il rapporto 10/ 5 mi dà il valore del numeratore, l’altezza del triangolo(simile), quando il denominatore, la base del triangolino, è uguale a uno. 17 Questa dimostrazione molto semplice, ma che deve essere capita, si potrebbe fare semplicemente scrivendo la proporzione sui due triangoli: AH : OH = TU : OU e quindi constatare che TU che è 2cm è l’altezza con la base uno. Tutto questo discorso fatto per il calcolo di SC, da ora in poi si dovrà evitare, determinando col rapporto l’altezza del triangolino unitario per moltiplicarlo per il numero di volte in cui si è divisa in unità la base del triangolo grande, cioè cinque volte che coincide col numero che definisce la lunghezza della base. ALTRO ESERCIZIO come il precedente Il discorso del rapporto si ripeterà ogni volta che si incontra non solo il semplice rapporto, ma anche nelle formule di ogni disciplina, contenenti una serie di prodotti al numeratore ed al denominatore; in questo caso è possibile considerare il tutto come una serie di prodotti di rapporti per noi significativi. In tal caso, spiegando col concetto anzidetto tutti i rapporti significativi considerati, è possibile capire cosa rappresenta tutto l’insieme dei rapporti considerati. ESEMPIO DA RIPORTARE Consideriamo il rapporto, indicato con la lettera u, tra lo spazio s=420metri percorso da un pedone ed il tempo t = 60 secondi impiegati per percorrerlo; Il numero, che si ottiene come risultato, prende significato dal numeratore, sono 70m, che sono 18 percorsi in un secondo, è quindi la velocità media del pedone, nel senso che può essere cambiata lungo il percorso, per esempio alla fine diminuita per stanchezza. Trigonometria A r =1 STANERY α O H Hβ nella trattazione seguente si useranno semplicemente numeri, come d’altronde in altre parti della matematica; in realtà rappresentano misure e quindi potranno essere centimetri, metri o tante altre unità di misure anche composte. Considerando la circonferenza in figura di raggio unitario, abbiamo che il triangolo AOH è definito solo dall’angolo α, e quindi è possibile conoscere, attraverso tabelle, i cateti OH e AH per ogni valore di α. Questa possibilità è molto importante nella tecnica, perché vedremo che il calcolo dei cateti sarà possibile poi per qualsiasi valore del raggio r; conviene quindi approfondire tale argomento. Bisogna subito dire che i cateti anzidetti hanno un nome particolare, che tiene conto della loro dipendenza dall’angolo ed infatti si chiamano: AH seno dell’angolo alfa scritto senα 19 e OH coseno dell’angolo alfa scritto cosα A questo punto potremo affermare che, se l’ipotenusa del triangolo rettangolo ha la misura i qualsiasi, i cateti rispettivamente opposto all’angolo e quello ad esso adiacente, si potranno calcolare facilmente col prodotto dell’ipotenusa per il seno o il coseno dell’angolo α, che rappresentano le misure dei cateti quando l’ipotenusa è uguale ad uno. In questo caso i due triangoli, che sono rappresentati nella figura seguente, che sono simili, hanno la misura dell’ipotenusa una unitaria e l’altra un valore qualsiasi, per esempio dieci: l’ipotenusa col valore dieci significa semplicemente che è dieci volte il lato OA, unitario; per tale motivo ogni lato del triangolo OTS è dieci volte il lato corrispondente del triangolo OAH; questo perché, ripeto, avendo scelto il triangolo di riferimento con l’ipotenusa uguale ad uno, qualsiasi misura dell’ipotenusa di qualsiasi altro triangolo, rappresenterà il numero di volte che il triangolo, nei suoi lati, è più grande dell’altro. Indicando più semplicemente TS, il cateto opposto all’angolo con h, OS, il cateto ad esso adiacente, con b, ed infine OT con i, potremo scrivere in generale le seguenti relazioni: T a i A r =1 s O α c i b H S TS = a = i senα 20 OS = b = i cosα Il termine i, l’ipotenusa del triangolo grande OT, essendo unitaria l’ipotenusa OA del triangolo piccolo, rappresenta sia per l’ipotenusa che per gli altri lati, automaticamente, per il nostro concetto di rapporto, il numero di volte che i lati del triangolo OTS sono più grandi rispetto a quelli di OAH; tale numero si può chiamare rapporto di moltiplica; infatti una volta determinato il valore del rapporto delle ipotenuse corrispondenti: OT / OA = i/ 1 = i che è proprio l’ipotenusa, si è determinato il rapporto di moltiplica per tutti i lati del triangolo rettangolo; ogni lato del triangolo rettangolo OAH, moltiplicato per i, mi dà il lato corrispondente di OTS. Il triangolo OAH è molto importante nella scienza, perché permette, conoscendo il semplice angolo α, di determinare i cateti s e c del particolare triangolo rettangolo con l’ipotenusa di lunghezza unitaria. Da questi con la semplice similitudine tra triangoli rettangoli è possibile determinare qualsiasi dimensione di qualsiasi triangolo rettangolo di cui si abbia solo una sola dimensione. Una grandezza molto utile nella tecnica è il rapporto tra i due cateti considerati precedentemente, chiamato tangente dell’angolo α, che sinteticamente si scrive tgα: senα tg α = cosα 21 la tangente dell’angolo α è, allo stesso modo delle grandezze seno e coseno, dipendente solo dall’angolo e può rappresentare l’inclinazione di una curva in un punto o di una strada in salita o in discesa o tante altre caratteristiche molto utili alla conoscenza di un certo fenomeno. Bisogna considerare ancora il significato interessante del rapporto, che definisce la tangente: essa, come rapporto, essendo il seno un’altezza di un triangolo rettangolo, il valore del rapporto è ancora un’altezza di un altro triangolo rettangolo, l’altezza in corrispondenza della base unitaria, cioè l’altezza MN nella figura seguente: La tangente di α è T ovviamente anche uguale al rapporto TS / OS, che rappresenta M come rapporto l’altezza del triangolo rettangolo r =1 quando la base è uno, α cioè MN del triangolo S O N MNO con la base ON uguale ad uno, che è diverso dal triangolo considerato prima, ma che il rapporto è sempre fra due triangoli simili, come nella figura. 22 Prima uno era l’ipotenusa, per fare in modo che il valore dell’altra ipotenusa risultasse il rapporto di moltiplica, nella proporzione dei triangoli simili. Attraverso calcolatrici o tabelle è possibile dall’angolo determinare il valore corrispondente del seno, coseno o tangente o a sua volta, conoscendo il valore numerico di queste grandezze, determinare l’angolo con la funzione inversa arco-x, dove al posto di x si può mettere la grandezza ricorrente, che può essere seno, coseno o tangente, e quindi arcoseno, arco coseno o arcotangente. STANERY Si ricorda che l’angolo può essere espresso in gradi o in radianti con 2π = 360 da cui π = 180 cioè 3,14 = 180 volendo determinare quanti gradi corrispondono ad un radiante sappiamo come procedere: 180 πππππ = 57,3 π πππππππ‘π o se interessa i radianti per un grado basta π πππππππ‘π = 0,017 180 πππππ Per esempio: Il simbolismo per le funzioni considerate può a volte essere diverso come sin al posto di sen o tg o tag al posto di tang o invece di arcotang più semplicemente la inv di tang. seno 45β¦ = 0,71 arcotang1,73 = 60 Esempi con tabelle: GEOMETRIA Nella geometria si considerano le forme degli oggetti e si parte da quelle più semplici come il punto, la retta o una curva, che combinandosi fra loro danno origine prima nel piano a delle figure come il triangolo, il rettangolo ed altri poligoni più complessi con confini non ugualmente rettilinei, per poi arrivare alle figure solide nello spazio. Il loro interesse è notevole e 23 riguarda tutto il sapere umano, che cerca di utilizzare le forme anzidette per esprimere i propri concetti, per comunicarli con il mezzo più espressivo che l’uomo abbia mai introdotto. Iniziamo dal punto, che pur non avendo dimensioni, serve moltissimo in alcuni schemi, come per indicare una posizione su una carta geografica di un oggetto qualsiasi, che può essere uno spillo o una cattedrale o una città ecc. o per formare una retta o interi corpi. Per definire il punto consideriamo due assi cartesiani come riferimento, cioè due rette perpendicolari fra loro con delle frecce indicanti il verso positivo scelto da noi. Assi cartesiani 24 y P(---2; 3) 3 P(4; 2) -2 P(-1; -2) 4 -1 25 x Ogni punto è individuato, nel piano xy, da due coordinate, l’ascissa x e l’ordinata y, come indicato nella figura precedente. Si possono individuare nella figura quattro porzioni di piano, ognuna delle quali ha una coordinata di segno diverso dalle altre porzioni. Una retta, formata da infiniti punti, ha la caratteristica che due suoi punti, comunque presi su di essa, hanno come distanza minima, il segmento che li unisce, che appartiene completamente alla retta. La retta, in qualunque sua parte, forma sempre lo stesso angolo con l’asse x orientato. Lo stesso discorso con l’asse y, che essendo orientato, definisce con la retta un solo determinato angolo, come da figura seguente: y α T α S R 2 α b=1 h H -2 O L 4,3 -1 26 C x Guardando la figura è possibile notare che i punti T,S e C appartengono sia alla retta e che ai triangoli rettangoli simili, quali THC, SLC e TRS. Consideriamo per esempio il triangolo TSR, che ha i punti T ed S sulla retta e utilizzando le coordinate del piano xy, applichiamo i rapporti di similitudine tra i cateti del triangolo anzidetto ed il triangolino simile che ha la base unitaria come nella figura precedente. Possiamo scrivere il rapporto caratteristico dei triangoli simili, ricordando il significato di h e b del triangolino con base unitaria, che sono funzioni solo di α: ππ π π = β π = β = π‘ππππΌ possiamo quindi scrivere in definitiva, sostituendo ai cateti i valori delle coordinate corrispondenti: π¦π − π¦π π¦π − π¦π β = = = π‘ππππΌ. π₯π − π₯π π₯π − π₯π π Come si può constatare per una retta l’angolo α è costante e quindi possiamo scrivere, indicando tangα con m: π¦π − π¦π = π‘ππππΌ = π π₯π − π₯π che portando il denominatore all’altro membro, abbiamo la seguente relazione : π¦π − π¦π = (π₯π − π₯π )π 27 Conoscendo l’angolo si può considerare fisso il punto S e variare il punto T; in pratica si può fissare a piacere un qualsiasi valore dell’ascissa π₯π e determinare, con l’equazione precedente, l’ordinata corrispondente del punto T sulla retta, π¦π . Considerando inoltre la condizione che con m si fissa l’inclinazione di una retta, basterà un punto per individuare la retta in oggetto CONTINUARE. Inoltre per una retta passante per l’origine, le coordinate di T sono nulle, per cui : π¦π = π₯π m Studio di una curva y = f(x) per indicare che l’ordinata y dipende, è funzione della sola x. Per esempio π¦ = 2π₯ 2 Bisognava spiegare la corrispondenza dei punti grafici e dei punti formula e di come si legge una formula azzerando un’ascissa e vedendo cosa succede. 28 y = 2π₯ 2 y 98 50 32 8 2 2 3 4 5 DERIVATA DI UNA FUNZIONE L a derivata o primitiva di una funzione, interpretata graficamente, esprime in modo completo e significativo il suo concetto, rendendo immediata la sua apprensione e facile la sua 29 utilizzazione. Consideriamo una curva regolare, che ammetta sempre in ogni suo punto la tangente geometrica, ed abbia il verso di percorrenza dal punto π0 a P. E’ necessario fissare il verso perché come in una strada a seconda di come la si percorre si può avere davanti una solita o una discesa. Consideriamo una retta secante, avente lo stesso verso della curva, che forma con la direzione dell’asse x, preso con verso positivo, l’angolo α. Se avessimo scelto come verso di percorrenza della secante da P a π0 , avremmo avuto che l’angolo che la secante forma con l’asse x 30 sarebbe stato il complementare di α, cioè α’ = 180-α. Anche la tangente alla curva, nel punto Pβ ha il verso della curva da π0 a P, e l’angolo che forma con lo stesso asse orientato, nel senso che si conosce la direzione ed il verso da Pβ a P, è l’angolo αβ: La retta secante, che interseca la curva nei punti Pβ e P, si fa ruotare intorno al punto Pβ, questo punto, mantenuto fisso, con retta secante y’ y = f(x) y P Δy= y-yβ retta tangente α T πΌ° π° π¦° H Δx = x-xβ α π₯° x α’ = 180-α 31 x’ la conseguenza che l’altro punto d’intersezione P si sposta lungo la curva avvicinandosi sempre più al punto Pβ: esiste una posizione limite per cui il punto P coincide con Pβ e la retta secante con la tangente, così che α diventa αβ. Lo stesso movimento considerato può esprimersi considerando i cateti del triangolo PPβH della figura seguente; infatti il loro rapporto dato dalla variazione delle ordinate y-yβ =Δy ,sulla variazione delle ascissex-xβ = Δx: Δy Δx rappresenta la secante nella sua posizione iniziale ed è la tangente trigonometrica dell’angolo α; facendo ruotare la secante con tutto quello che segue, non si fa altro che far avvicinare il punto P a Pβ e quindi le coordinate di P si avvicinano a quelle di Pβ; questo significa fare tendere a zero il numeratore e denominatore del rapporto precedente, che diventano grandezze infinitesime, che indicheremo con dx e dy, le quali diventano i cateti del triangolino di dimensioni infinitesime, la cui ipotenusa coincide con la tangente geometrica considerata ed inclinata rispetto all’asse x positivo dell’angolo αβ. Si faccia attenzione che il tendere a zero non significa mai che si arriva allo zero, perché altrimenti le grandezze perderebbero completamente di significato. Possiamo scrivere il rapporto precedente come limite che tende a zero nel modo seguente: π₯π¦ ππ¦ lim = = π = π′β Δx→0 π₯π₯ ππ₯ 32 Dove con Δx che tende a zero si intende non è il semplicistico tendere a zero del solo termine Δx, ma tutto il fenomeno che abbiamo visto, cioè la rotazione della secante che viene a coincidere con la tangente, formando l’angolo αβ. retta secante y ’’ y = f(x) P y Δy= y-yβ retta tangente T πΌ° π° π¦° dx h dy h 1 H Δx = x-xβ Il triangolino infinitesimo è rappresentato grossolanamente dal triangolino rosso in Pβ; in realtà è così piccolo che non si dovrebbe vedere. α π₯° x In altri termini con Δx tende a zero, diventando dx, anche Δy tende a zero, diventando a sua volta dy; se a volte nel considerare un limite di una funzione, in una somma di termini in cui compare x alcuni autori pongono x = 0, non significa semplicemente questo, ma è conseguenza di un ragionamento in cui la x, vicina allo zero, 33 Inoltre il rapporto tra infinitesimi, grandezze molto piccole, vicine allo zero, che sono i cateti del triangolo infinitesimo, rappresentato in figura dal triangolo rosso in Pβ, non è una grandezza infinitesima, in quanto anche nel rapporto tra grandezze infinitesime, ritorna sempre il significato del rapporto, che fa riferimento all’altezza di un altro triangolo, avente, come sappiamo, l’altezza h quando la base è uno, simile sia al triangolo infinitesimo, sia al triangolo PβTH, rappresentato nella figura, con la base uno e con l’altezza h. Si ripeti concettualmente il movimento del triangolo PβPH, che diventa il triangoloPβTH, del quale si considera il triangolino simile non infinitesimo. Infinitesime, ripeto, sono le due variazioni, il risultato del rapporto delle due variazioni è l’altezza del triangolino, che non è infinitesimo: ππ¦ ππ₯ =h A questo punto abbiamo definito la derivata di una funzione, una curva definita da un y variabile al variare di x, che ci permette di calcolare il coefficiente angolare di una retta tangente ad una curva in un certo punto, che può comunque essere anche generico, in quanto non fissiamo il punto numericamente. Bisogna considerare ora il significato del segno della derivata. Nel diagramma precedente abbiamo tracciato la curva nel quarto di piano positivo, e la retta tangentema i punti, di cui dobbiamo considerare le variazioni Δx e Δy, come anche dx e dy, possono essere disposti in qualsiasi posizione del piano e quindi le variazioni, che sono sempre il valore finale meno il valore iniziale 34 possono risultare sia positive che negative. Anche il rapporto sarà quindi condizionato dal segno e la derivata, che rappresenta l’inclinazione di una retta può essere sia positiva che negativa; inclinazione che corrisponde rispettivamente, comunque, ad una π¦1π π¦8π π£1 π£8 π¦10 π¦80 π¦70 π£7 π£2 π¦7π π₯60 π₯70 π₯7π π₯6π π¦20 π₯80 π₯50 π₯8π π₯5π π¦6π π¦2π π¦3π π₯10 π₯40 π₯1π π₯4π π₯20 π₯30 π₯2π π₯3π π£3 π£6 π¦60 π¦30 π¦50 π¦40 π£4 π£5 π¦5π π¦4π retta in “salita” o in “discesa”. Nella figura seguente si sono disegnate delle rette orientate e, per non occupare troppo spazio si sono disegnati dei segmenti orientati, che vedremo rappresenteranno anche le grandezze vettoriali. Per ogni retta orientata si deve determinare l’inclinazione attraverso le 35 coordinate; questa inclinazione rappresenta, come abbiamo visto precedentemente e come vedremo poi, la derivata di una qualsiasi curva che ha come tangente la retta considerata. Diamo le coordinate iniziali e finali degli otto segmenti orientati. ESERCIZIO SULLA INCLINAZIONE DI UNA RETTA Dalla figura precedente π£π π£1 Coordinate iniziali in cm π₯π0 ; π¦π0 Coordinate finali in cm π₯ππ ; π¦ππ π₯1π = 2,8; π¦1π = 4,6 π₯10 = 0,6; π¦10 = 3,0 π£2 π₯20 = 3,3; π¦20 = 2,1 π₯2π = 5,6; π¦ 2π = 0,8 π£3 π₯30 = 3,7; π¦30 =2,0 π₯3π = 6,7 ; π¦3π = 0,6 π£4 π₯40 = 0,7; π¦40 = 2,2 π₯4π = 3,2; π¦4π = 3,7 π£5 π₯50 = 2,7; π¦50 = 2,3 π₯5π = 0,7; π¦5π = 3,7 π£6 π₯60 = 5,3; π¦60 = 2,0 π₯6π = 3,3; π¦6π = 0,8 π£7 π₯70 = 4,9; π¦70 = 2,2 π₯7π = 3,2; π¦7π = 1,0 π£8 π₯80 = 2,8; π¦80 = 2,8 π₯8π = 1,0; π¦8π = 4,3 F I N I R E LA Δxπ = π₯ππ − π₯π0 Δyπ = π¦ππ − π¦π0 cm Δx1 = 2,2 Δy1 = 1,6 Δx2 = 2,3 Δy2 = −1,3 Δx3 = 3,0 Δy3 = −1,4 Δx4 = 2,5 Δy4 = 1,5 Δx5 = −2,0 Δy5 = 1,4 Δx6 = −2,0 Δy6 = −1,2 Δx7 = −1,7 Δy7 = −1,2 Δx8 = −1,8 Δy8 = 1,5 T A Rapporto π₯π¦π /π₯π₯π Angolo= arctgΔy/Δx deg 0,73 36 -0,56 -29 -0,47 -25 B E L L A ALTRECONSIDERAZIONI SULLEDERIVATE anche sul significato della derivata della funzione inversa Alcune volte capita di conoscere la primitiva di una funzione, che invece non è determinata; è necessario quindi rivedere alcune 36 considerazioni e lo facciamo considerando due diagrammi generici di una funzione e della sua derivata, disposti in modo che dalla derivata si ricava la funzione: y A’ f’(x) E’ B’ D’ x y C’ B f(x) E A C D x Infatti quando la derivata è positiva, il tratto A’B’, la funzione ha la tangente in salita, e poiché l’altezza positiva della derivata diminuisce, la pendenza della retta diminuisce, fino ad arrivare in B’, dove la derivata si annulla, quindi l’angolo della retta tangente 37 si annulla e la retta tangente diventa orizzontale nel punto corrispondente B. Da B’ a D’ la derivata è negativa e quindi la funzione sarà sempre in discesa, solo che la pendenza della retta tangente aumenterà sempre come discesa, è negativa, da B’ a C’, mentre da C’ la discesa della curva diminuirà fino a diventare nulla in D, è infatti nulla la derivata in D’. Da questo punto la derivata è di nuovo positiva e quindi la curva sarà in salita. Poiché il valore della derivata dopo D’, non solo è positivo, ma aumenta sempre più, si avrà che la funzione sarà in salita con una pendenza che aumenta sempre di più. Se il tratto D’E’ fosse stato negativo, cioè sotto l’asse x, simmetrico a quello in figura, la curva avrebbe avuto un punto di flesso in D ed il tratto DE si sarebbe trovato sotto l’asse x, come nella figura seguente. Nel caso in cui la funzione derivata ha un tratto rettilineo, parallelo all’asse x, la funzione ha in quel tratto una retta inclinata dell’angolo pari all’altezza della derivata rettilinea. 38 y A’ B’ D’ x f’(x) y E’ C’ B f(x) A C D E x INTEGRALI Consideriamo una curva y = f(x), definita e continua in ogni suo punto, avente l’ordinata funzione regolare dell’ascissa x, nel senso che la curva possiede in ogni suo punto una tangente ben definita. Gli estremi della curva sono A e Z, che hanno come proiezioni sull’asse x i punti 0 ed n, e la curva si trova nel quarto 39 di piano positivo. Si vuole calcolare l’area sottesa alla curva, cioè l’area OAZn. Per quanto è nelle nostre conoscenze attuali non abbiamo la possibilità di calcolare aree con lati curvi. E’ necessario l’utilizzo di metodi approssimati; si suddivide la base in un certo numero di parti, si è scelto per ora n=7 in prima approssimazione, cioè si suddiviso il segmento 0n in sette parti uguali; si sono tracciati segmenti paralleli all’asse y, che partendo dai sette punti 0,1.2.3.4.5.6.in cui si è diviso il segmento, arrivano sulla curva. come nella figura seguente, ottenendo sette porzioni di trapezoidi: ognuno di essi ha tre lati rettilinei ed un lato formato da un pezzo della nostra curva. Per esempio il primo a sinistra ha per lati 01, yβ, π¦1 e il lato curvo AB. y Z B A π¦0 π¦1 Δx 0 π¦2 Δx Δx 1 π¦3 2 Δx Δx 3 π¦5 π¦4 4 π¦6 Δx Δx 6 5 π¦7 n=7 x Poiché non è possibile determinare tale area, dobbiamo limitarci all’area del rettangolo, che ha come altezza l’ordinata iniziale della curva yβ, che sul diagramma è colorata, la cui are è facilmente determinabile ed è pari a yβ Δx. Lo stesso discorso per 40 gli altri trapezoidi per i quali è possibile determinare solo l’area complessiva dei rettangoli colorati ππ , nel modo seguente: y’ Z A 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Δx 13 15 19 22 2425 n=28 x ’ ππ = y0 Δx + y1 Δx + y2 Δx + y3 Δx + y4 Δx + y5Δx + y6 Δx = =∑6π=0 π¦ππ₯π₯ Si è fatto questo discorso perché si può constatare dalla figura successiva che aumentando nella stessa figura il numero dei rettangoli, da sette si è passati a ventotto rettangoli, avendo suddiviso il segmento 0n in ventotto parti, l’area dei rettangoli si è avvicinata a quella dei trapezoidi. Si deduce che l’approssimazione migliorerà e la somma calcolata ππ si avvicinerà sempre più all’area sottesa alla curva S, che stiamo cercando, se aumentiamo sempre di più il numero di suddivisioni n, come si può dedurre dalla figura seguente: 41 Possiamo quindi riscrivere la sommatoria precedente per i nuovi elementi rettangolari: 28 ππ = ∑ π¦ππ₯π₯ π=0 Il valore di ππ , come abbiamo già detto, sarà più vicino a quello di S ed aumentando ancora le suddivisioni i due valori si avvicineranno sempre di più. Facendo tendere le suddivisioni all’infinito si arriva che n tende al numero di suddivisioni infinito, l’ampiezza dei rettangoli Δx ovviamente tende a zero, in pratica diventa lo spessore delle linee del disegno e quindi risulta chiaro che non abbiamo più problemi perché l’ordinata y sarà quella che corrisponde ad x ed il valore di ππ coinciderà col valore di S. In tal caso, per sottolineare il fatto che non abbiamo una grandezza finita Δx, chiameremo la variazione infinitesima di x con dx. Da ora in poi ci ricorderemo che anche se incontreremo spesso le variazioni infinitesime e le rappresenteremo come in figura, queste in realtà hanno dimensioni molto più piccole. Infine la sommatoria che abbiamo usato finora per le grandezze finite sarà sostituita dal seguente simbolismo, che in pratica è una S allungata per ricordarci che si tratta comunque di una sommatoria, una sommatoria di grandezze infinitesime: 0 ∫ π¦ππ₯ π Dove y dx rappresenta il generico rettangolo elementare o infinitesimo, corrispondente al rettangolo finito yΔx, mentre 0 ed 42 n rappresentano i punti sull’ascissa x, che definiscono gli estremi dell’area sottesa che devo calcolare. Nella seguente figura vediamo la rappresentazione dell’integrale, col rettangolo elementare, che per semplicità di disegno non è nelle sue dimensioni infinitesime, per le quali si dovrebbe vedere come un segmento e che vedremo spesso,con i dati utili alla risoluzione del problema. y B y = f(x) esempio ; y = 2π₯ 2 π΄0 = 4; π΅0 = 20 A π΄0 π΅0 x dx Si ha quindi che y0a = 32 e y0b = 800 43 x