1 I NUMERI REALI E’ ora il momento di fare un affondo su alcuni problemi che, nati in ambito geometrico, hanno costretto a una riflessione sul concetto di numero e sulla definizione di quelli che oggi chiamiamo insiemi numerici. Presentiamo gli elementi fondamentali dell’intreccio tra geometria e numero ripercorrendo alcuni problemi storici. 1 Dalla misura ai numeri – oltre il senso comune Il nesso più decisivo tra numeri e geometria è dato dall’operazione di misura. Sappiamo che misurare una grandezza significa trovarne il rapporto con un’altra ad essa omogenea presa come unità di misura. Per esempio, potremmo essere interessati a conoscere ‘quante volte’ l’altezza h ‘sta’ nel lato a di un triangolo equilatero, cioè a conoscere il rapporto di lunghezze a/h. Oppure, con un passaggio più ardito, dato un cerchio Γ di raggio r, ci interessa sapere ‘quante volte’ il diametro 2r sta nella circonferenza γ, ma anche quante volte il quadrato r2 ‘sta’ nel cerchio stesso. Sappiamo che in questo caso stiamo esplorando il numero π, sia γ Γ come rapporto di lunghezze π = , sia come rapporto di aree: π = 2 . 2r r In questo ordine di idee stiamo concependo il numero come rapporto, ed è quanto facevano i Greci almeno dal VI secolo a.C. con Pitagora. In generale, date due grandezze omogenee, due lunghezze, o due aree, o due ampiezze di angoli …, il loro rapporto è espresso da un numero. Può capitare che a stia un numero intero n di volte in b: è il caso in cui b è multiplo di a. Allora il rapporto è dato dal numero intero n: b/a = na/a = n Se b non è multiplo di a, può essere che entrambi siano multipli di una stessa grandezza c: b = mc a = nc Nell’uno e nell’altro caso, le due grandezze si dicono commensurabili si misurano a vicenda (con – mensurabili) e il loro rapporto è dato dal numero razionale m/n: b mc m = = a nc n Che può eventualmente ridursi a un numero intero, se n divide m. Pitagora concepiva una misura solo con il rapporto di due numeri interi e pensava che le grandezze fossero tutte commensurabili. Quindi tutto andava bene, tutto era misurabile: ‘tutto è numero’, come dire che c’è un numero – razionale - per ogni rapporto! Possiamo immaginare quanto grande fu lo shock che colpì la scuola pitagorica, quando scoprirono che la diagonale di un quadrato e il suo lato non hanno sottomultiplo comune. Esistono allora 2 grandezze che, nella concezione pitagorica, non possono misurarsi a vicenda, sono incommensurabili come diciamo noi oggi con termine assai suggestivo: non (in-) tra loro (con-) misurabili (-mensurabili). Che cosa dovevano pensare? Che queste grandezze non hanno rapporto? Oppure, che non esiste un numero che rappresenti il loro rapporto? L’intreccio di queste domande dà l’idea dell’impasse che visse la scuola pitagorica, dal quale non riuscì a uscire. Ora sappiamo che il rapporto tra la diagonale del quadrato e il suo lato è dato dal numero irrazionale 2 . ( dimostrazione a pagina 3 del libro di testo) Il numero 2 ha aperto un pertugio, ma che cosa troviamo al di là dell’uscio? Che cosa abbiamo trovato oltre i limiti della nostra iniziale immaginazione? 2 Costruzioni elementari e numeri Partiamo dalla riga e dal compasso. La matematica greca ha nelle costruzioni con riga e compasso, dette anche costruzioni elementari, lo strumento per risolvere un gran numero di problemi. Ne riprendiamo alcune, oggetto di studio della geometria del biennio, approfondendo il loro rapporto con il mondo dei numeri: ritroveremo i numeri naturali N e i numeri razionali assoluti Q+, ma anche molti numeri in più. I numeri naturali N si ritrovano a partire dalla costruzione del multiplo di un segmento. Multiplo di un segmento Il postulato del trasporto consente di riportare un segmento quante volte si vuole su una retta. In figura 1, col compasso è riportato per tre volte consecutive il segmento AB su una retta. A partire da un suo punto C, si costruisce così il segmento CD ≅ 3 AB. figura 1 Procedendo in modo analogo, per qualunque numero naturale n si può costruire il segmento PQ = n AB, di lunghezza n volte AB. Se il segmento AB è preso come unità di misura, allora il segmento PQ ha misura n: PQ = nAB = n ⋅ 1 = n 3 Ecco che a un numero naturale corrisponde un segmento costruito con riga e compasso a partire da un segmento AB preso come unità di misura. In questo caso si dice anche che: Teorema 1 Ogni numero naturale n è costruibile riga e compasso. Un numero costruibile con riga e compasso viene chiamato numero elementare e l’insieme dei numeri elementari è indicato con E. Per quanto detto, l’insieme dei numeri naturali N è contenuto nell’insieme dei numeri elementari E: N ⊂ E Anche l’insieme dei numeri razionali Q+ è contenuto in E. Ciò deriva dalla procedura della costruzione dei sottomultipli di una lunghezza data. Sottomultiplo di un segmento Mostriamo come costruire, per esempio, la terza parte di un segmento assegnato AB. Tracciamo una qualsiasi semiretta t di origine A non passante per B (figura 2). A partire da A riportiamo, col compasso, per tre volte su t un segmento di lunghezza arbitraria, otteniamo così i punti P1, P2, P3. Tracciamo la retta r che passa per P3 e per B e costruiamo le parallele a r passanti per i punti P1 e P2 (per la costruzione della parallela si veda esempio 1 a pagina 4). Tali parallele intersecano il segmento AB in due punti B1, B2. Il teorema di Talete assicura che i segmenti AB1, B1B2, B2B sono congruenti; abbiamo così diviso il segmento AB in tre parti uguali. In particolare abbiamo che il segmento AB1 è un terzo del segmento AB di partenza. Anche in questo caso, se AB è unitario, ecco che con AB1 abbiamo costruito il numero 1/3. Infatti vale: AB1 = 1 1 1 AB = ⋅ 1 = 3 3 3 figura 2 Con il procedimento descritto è possibile dividere un segmento AB in un numero n arbitrario di parti: basta riportare un segmento arbitrario AP1 n volte su t. In particolare, se AB è preso come unità di misura, si ottiene che il segmento AB1 ha misura : il numero è elementare. 4 Se multipli e sottomultipli sono costruibili, allora ogni numero razionale assoluto è costruibile. Basta costruire l’ennesima parte del segmento unitario e poi riportarlo m volte di seguito. Perciò, vale il risultato: Teorema 2 I numeri razionali assoluti sono elementari: Q+ ⊂ E Vediamo ora una costruzione che porta oltre i numeri razionali. Quadrato equivalente a un rettangolo assegnato Sia ABCD il rettangolo che ha un lato unitario e l’altro di lunghezza data da un qualsiasi numero razionale q assoluto. Siano, perciò, AD = 1 e AB = q (figura 3). Col compasso riportiamo il segmento AD sul prolungamento di AB dalla parte di A: sia PA ≅ AD. Costruito il punto medio O di PB, con apertura OB tracciamo la semicirconferenza γ di diametro PB. La retta perpendicolare in A al diametro interseca γ in un punto Q. Il triangolo PBQ insiste su un diametro, quindi è rettangolo in Q. Per il secondo teorema di Euclide il segmento AQ è il lato del quadrato equivalente al rettangolo ABCD: AQ2 = AB.AP da cui: AQ2 = AB.AD (*) figura 3 Indicando con x la misura della lunghezza del lato AQ e ricordando che AD ha misura 1, la relazione (*) diviene: x2 = q 5 Il segmento AQ che abbiamo costruito ha, perciò, misura x = . Allora vale il risultato: Teorema 3 Le radici quadrate dei numeri razionali assoluti sono numeri elementari. Possiamo perciò affermare che E è più ampio di Q perché contiene numeri irrazionali, quali 3 2 , 3, … 2 Mettiti alla Prova 1 1. Dato un segmento AB, costruisci con riga e compasso i segmenti: a. CD = AB b. EF = AB c. PQ = 2. Recuperata la dimostrazione dell’irrazionalità di e 3 AB d. RS = (2 + 3 )AB 2 , dimostra l’irrazionalità dei numeri 3 3 . Quindi dai una loro costruzione. 2 3. Un passo avanti senza allontanarci troppo: m + p q Le tre costruzioni geometriche proposte mostrano che: Teorema 4 Sono costruibili tutti i numeri del tipo essendo m, p, q dei razionali assoluti. Dim. Dato AB = q siamo in grado di costruire un segmento CD = ricorrendo alla costruzione del quadrato equivalente; quindi, poiché p è razionale, passando ai multipli e . Ora è semplice sommargli RT di sottomultipli di CD, possiamo costruire PQ = p.CD = lunghezza m, ottenendo un segmento RT = . Sfruttando al massimo le procedure introdotte e i numeri già costruiti, possiamo costruire nuovi numeri elementari. Per esempio, grazie alla costruzione del quadrato equivalente a un rettangolo dato, possiamo costruire il numero assai intrigante b = 5 + 2 3 che si presenta come radicale 3 + 5 + 2 3 somma di 2 due costruibili: basta riportare sulla medesima retta uno consecutivamente all’altro i due segmenti 3 che hanno misure a = 6 e b = 5+2 3 . 2 doppio. A partire da questo, possiamo costruire anche il numero x = 6 6 Modificando leggermente la procedura di costruzione di multipli e sottomultipli, possiamo costruire il prodotto a·b di due numeri a, b elementari misure di due lunghezze a, b. Così siamo in grado di costruire infiniti numeri elementari, ma sorgono le domande: 1. Tutti i numeri presentati sono elementari, ma sono i soli? Ovvero, esistono numeri elementari al di fuori di quelli fin qui presentati? Siamo partiti da N, quindi abbiamo costruito in modo elementare Q+. Da qui i numeri espressi dalla forma avendo preso m, p, q in Q+. Quindi, a partire da questi ultimi, abbiamo mostrato come costruire nuovi numeri elementari tutti della medesima forma x = a + b k . E così via all’infinito. La domanda in buona sostanza sta nel chiedersi se, operando solo con queste poche costruzioni, esauriamo tutti e soli i numeri elementari o se ne perdiamo qualcuno. 2. Esistono numeri non elementari? Che equivale a chiedersi se esistono grandezze geometriche non costruibili riga e compasso. In caso affermativo si dovrà ammettere che la misura di queste grandezze darà luogo a numeri non costruibili. Mentre rimandiamo la seconda domanda al prossimo paragrafo sui numeri algebrici, diamo risposta alla questione posta dalla prima: i numeri presentati esauriscono l’insieme E. A partire dai risultati della geometria analitica, infatti, è stato dimostrato che qualsiasi numero elementare può essere costruito reiterando opportunamente le procedure di somma, di prodotto e di estrazione di radice quadrata. In buona sostanza, questo dipende dal fatto che costruendo con la riga e col compasso si intersecano rette con rette, rette con circonferenze o circonferenze con circonferenze. Dal punto di vista analitico, perciò, si va incontro sempre a soluzioni di equazioni di secondo grado. Mettiti alla Prova 2 A partire dall’unità AB = 1, costruisci il numero b = 5 + 2 3 4. I numeri algebrici La matematica greca ha tramandato tre problemi storici con i quali si sono cimentati i matematici di ogni tempo: la duplicazione del cubo, la trisezione dell’angolo, la quadratura del cerchio. Qui ci soffermiamo su uno dei tre, che ci aiuta a proseguire nel percorso di ampliamento degli insiemi numerici; degli altri due, avremo modo di parlarne più avanti. 7 Il problema di Delo “Un tempo, gli abitanti di Delo, straziati dalla peste, interrogarono l’oracolo di Apollo per porre fine all’epidemia. L’oracolo rispose che per placare l’ira del dio, avrebbero dovuto costruire un’ara cubica più grande, di volume doppio rispetto a quella attuale. Ingenuamente gli abitanti di Delo raddoppiarono i lati dell’ara, ma l’ira del dio fu ancora più tremenda: in questo modo infatti il volume non era raddoppiato, come richiesto, ma cresciuto di ben 8 volte.” Così ci è stato tramandato il Problema di Delo da Teone di Smirne, matematico del II secolo d.C.. Il problema, che si riferisce alla peste che colpì Atene nel 430 a.C., affonda le radici molto lontano nel tempo, tanto che si racconta del commento di Platone, secondo il quale il dio non aveva bisogno di un altare doppio ma voleva punire gli abitanti di Atene per la poca considerazione in cui tenevano la geometria: l’altare costruito, infatti, non è doppio del precedente ma otto volte tanto! Leggenda a parte, resta il problema che enunciamo così: facendo uso solo di riga e compasso, costruire il lato del cubo di volume doppio di un altro assegnato. E’ questo un problema che ha affascinato e intrigato il fior fiore delle menti matematiche per oltre due millenni. Sarà dipeso dal fatto che appare così semplice e accessibile: come sappiamo duplicare il quadrato, così saremo in grado di raddoppiare il cubo! Ci sembra di poterlo affermare con un alto grado di sicurezza. Ma, non è così! Infatti, dopo molteplici soluzioni sbagliate e continui fallimenti, si è potuto sciogliere l’enigma con la sorprendente soluzione: è impossibile raddoppiare il cubo utilizzando solo la riga e il compasso. La soluzione si ritrova all’interno della moderna teoria algebrica tracciata dal giovane matematico francese Evariste Galois (1811 – 1832), con quella che va sotto il nome di teoria di Galois. Esula dagli scopi di questo testo presentare tale teoria, possiamo solo dire che il problema cominciò ad avere una svolta nella storia quando Cartesio lo spostò dall’ambito prettamente geometrico a quello più squisitamente algebrico, operando con i metodi della geometria analitica. Consideriamo l’aspetto numerico del problema e cerchiamo il numero che esprime il rapporto tra il lato x di un cubo doppio e lo spigolo l del cubo dato. La richiesta di volume doppio corrisponde alla relazione: x3 = 2l3 Dividendo per l3 si ottiene 2 Estraendo quindi la radice cubica si ha √2 8 Come dire che la misura del lato del cubo di volume doppio, fatta rispetto al lato del cubo assegnato, vale √2 . Per quanto detto a proposito dell’impossibilità a costruire il cubo doppio, il numero x = √2 non è elementare: è un esempio di numero non costruibile riga e compasso. Così si è potuto rispondere alla seconda domanda del precedente paragrafo in modo pieno e convincente: l’insieme dei numeri è più ampio dell’insieme E dei numeri elementari. Notiamo, ora, un fatto singolare che può indirizzare a caratterizzare i numeri in modo più ampio rispetto alla costruibilità mediante la riga e il compasso, con una fuoriuscita, anzi, dal mondo della pura geometria, con approdo nel pianeta dell’algebra. Il numero x = √2 è soluzione di una particolare equazione: x3 – 2 = 0. E’ un’equazione a coefficienti interi. E’ questa una caratteristica che accomuna tutti i numeri elementari: Teorema 5 Ogni numero elementare è soluzione di un’opportuna equazione algebrica a coefficienti interi. Verifichiamolo per gradi: • • Ogni numero razionale può essere visto come soluzione di un’equazione di primo grado a coefficienti interi. 3 Per esempio, il numero x = è soluzione dell’equazione algebrica 2x – 3 = 0, 2 ottenuta moltiplicando il numero per 2 e spostando il 3 a sinistra dell’uguale. Analogamente il generico numero razionale x = è soluzione dell’equazione px – m = 0. Ogni numero del tipo con m, p, q razionali può essere visto come soluzione di un’opportuna equazione di secondo grado 0 con a, b, c interi. Per esempio, il numero x = 1+ √5 è soluzione dell’equazione algebrica a coefficienti interi: x2 – 2x – 4 = 0. Non è difficile passare dal numero all’equazione, in questo modo: posto: x = 1 + √5 passiamo a: x – 1 = √5 . Elevando al quadrato entrambi i membri, abbiamo: 9 (x – 1)2 = 5 Sviluppando il quadrato e sommando i termini simili, otteniamo l’equazione intera indicata: x2 – 2x – 4 = 0 • Con opportuni accorgimenti lo stesso può essere fatto con qualsiasi numero costruibile del tipo x = a + b q . Così i numeri elementari E entrano a far parte di una più ampia classe di numeri detti numeri algebrici. Si dà la definizione: Def Si dice algebrico un numero che è soluzione di un’equazione algebrica a coefficienti interi. Indicando con A l’insieme dei numeri algebrici, tra gli insiemi numerici fin qui presentati, valgono le relazioni di inclusione: N ⊂Q⊂E⊂ A Mettiti alla Prova 3 1. Ricalcando il metodo con cui si dimostra l’irrazionalità di √2, dimostra che anche √2 è irrazionale. 2. Dimostra che 2 è algebrico. 3. Per ciascuno dei seguenti numeri costruibili, scrivi un’equazione algebrica a coefficienti interi che lo abbia come soluzione: 1 1 1 2 a. 2 + √3 b. + c. + 5 5 2 3 2 3 4. Il numero 2 + 3 è costruibile? Qual è l’equazione algebrica della quale è soluzione? 5. Il numero c = 4 2 è algebrico? È costruibile? 5. Numeri trascendenti E’ naturale a questo punto chiedersi se con gli algebrici abbiamo terminato il nostro percorso di costruzione dei numeri: abbiamo costruito N, poi Q, quindi tutti i numeri elementari E, adesso gli algebrici A … a questo punto ci sembra di non avere più strumenti per progredire oltre. 10 A ben pensarci, abbiamo tra mano un numero – uno solo, è vero – del quale, però, non sappiamo ancora stabilirne la natura. Il numero π, infatti, è definito come rapporto tra la lunghezza di una circonferenza e il suo diametro: non abbiamo una procedura con riga e compasso per costruire la circonferenza rettificata quindi non possiamo dire che π sia elementare. D'altronde, non abbiamo un’equazione algebrica a coefficienti interi che lo abbia come radice, perciò non possiamo affermarne l’algebricità. Quindi, che numero rappresenta π? Ancora una volta abbiamo un rapporto che spinge la fantasia oltre i limiti della conoscenza acquisita: il numero 2 , rapporto tra la diagonale del quadrato e il suo lato, ha imposto all’attenzione nuovi numeri oltre ai razionali: problema degli incommensurabili in geometria. il numero 3 2 , rapporto tra gli spigoli di due cubi uno doppio dell’altro, ha spinto oltre il confine dei numeri elementari: problema di Delo; il numero π, rapporto tra la circonferenza e il suo diametro, ci invita a indagare oltre l’insieme dei numeri algebrici: problema della quadratura del cerchio. (Paragrafo 3.3 pagina 8 del libro di testo) Infatti, il numero π non è algebrico: non esiste nessuna equazione algebrica a coefficienti interi di cui π sia soluzione. Un numero che non è algebrico è detto trascendente, con una felice espressione con la quale il grande matematico svizzero Leonhard Euler (1707-1783) intendeva caratterizzare quei numeri che trascendono l’usuale operatività algebrica. E’ forse difficile crederlo, ma fino al 1844 non si sapeva che questi numeri esistessero, pur sospettandone l’esistenza. Eppure, se ci pensiamo bene, comprendiamo quanto possa essere difficile dimostrare che un numero sia trascendente: non basta non riuscire a trovare un’equazione algebrica di cui sia soluzione, ma bisogna dimostrare che tutte le equazioni algebriche non hanno quel numero come soluzione. Il numero π ha resistito agli assalti dei matematici fino al 1882, anno in cui Liendemann ne dimostrò la trascendenza. Tra i numeri irrazionali trascendenti famosi, o meglio, di grande rilevanza in matematica, oltre a π è opportuno citare la costante e, che presto incontreremo, detta anche costante di Eulero. Questo numero illustre si definisce attraverso il passaggio al limite di una particolare successione. Introducendo infatti una scrittura per noi nuova, ma che sarà successivamente chiarita e studiata, definiamo: 1 e = lim (1 + ) n = 2,71828 18284 59045 23536 … n → +∞ n (1) Possiamo per il momento attribuire il seguente significato intuitivo alla (1). Se consideriamo la funzione f(n): N → R definita così: f(n) = (1 + 1/n)n, vediamo che, quando n diventa molto grande (si usa dire: n tende a +∞), essa tende a stabilizzare il suo valore. 11 Mettiti alla Prova 4 Costruisci una tabulazione dei valori della funzione f(n) che definisce il numero e, attribuendo alla variabile n successivamente i valori: n = 1, 10, 102, 103, 104, 105, 106. Confronta i valori trovati con il valore riportato nella (1) della costante e. Quante cifre decimali esatte si stabilizzano di volta in volta? UNA VISIONE SINTETICA SULL'INSIEME R E' opportuno a questo punto tornare a considerare un argomento che abbiamo dato per acquisito: la definizione e il concetto di numero reale, le operazioni nell'insieme ℜ dei reali e le loro proprietà. Siamo consapevoli, infatti, che si tratta di uno dei concetti più ricchi e più importanti della matematica, frutto di una elaborazione di pensiero che ha origine nella matematica greca e culmina tra la fine dell'ottocento e l'inizio del novecento nell'opera di "giganti" della matematica quali Cauchy (1798-1857), Cantor (1845-1918), Dedekind (1831-1916), Weierstrass (1815-1897), Peano (1858-1932). L'idea e la definizione di numero reale coinvolgono in modo determinante concetti chiave della matematica, quali l'infinito matematico e i procedimenti infiniti, il continuo e le sue problematiche. La trattazione della teoria dei numeri reali può seguire più strade: essi possono essere introdotti, per esempio, a partire dalle coppie di classi contigue di numeri razionali con Cantor (Georg 18451918), oppure dalle sezioni del campo razionale con Dedekind (Richard 1831-1916), o anche facendo riferimento alle successioni convergenti di numeri razionali con Peano (Giuseppe 18581932). Sono visioni di grande interesse e rilevanza, ma richiederebbero un tempo eccessivo rispetto agli obiettivi della scuola superiore. Tutte queste visioni derivano la loro impostazione dal tentativo ben riuscito di sciogliere il nodo della continuità in ambito geometrico, soluzione che ha immediatamente gettato luce sul mondo numerico portando alle diverse definizioni di ℜ. Prima di dare una definizione di numero reale, perciò, recuperiamo il secondo dei tre problemi storici della geometria, quello della trisezione dell’angolo. Le questioni che solleveremo lavorandoci sopra, saranno di guida per la comprensione in profondità del problema storico della continuità in ℜ, secondo la visione data da Cantor. 6. La trisezione dell’angolo Il problema che va sotto questo nome richiede di: costruire con riga e compasso l’angolo che sia la terza parte di un angolo assegnato. Ci aspettiamo di poter suddividere con riga e compasso un angolo in un arbitrario numero n di parti. Siamo sostenuti in questa aspettativa da alcuni fatti già noti: • • l’esistenza di una costruzione eseguibile con riga e compasso che divide un segmento in n parti uguali; la conoscenza della costruzione con riga e compasso della bisettrice di un angolo, che consente di dividere un angolo in due parti uguali. La stessa costruzione, 12 • applicata ripetutamente, permette di dividere lo stesso angolo in quattro, otto e, in generale, 2n parti uguali; la trisecabilità di alcuni angoli notevoli quali l’angolo piatto e l’angolo retto. Tuttavia i tentativi di suddividere con riga e compasso un generico angolo sono sempre falliti finché, ancora attraverso la teoria di Galois, si è dimostrato che il problema della trisezione dell’angolo è insolubile: facendo uso solo di riga e compasso non si può costruire la terza parte di un generico angolo. Le costruzioni riga e compasso rassicurano sull’esistenza dell’elemento costruito, perché operano in piena coerenza ipotetico-deduttiva con l’impianto teorico della geometria, fondata sugli assiomi di Euclide. Intuitivamente pensiamo che esista la terza parte di un angolo, ma come dimostrarlo rigorosamente visto che non esiste una sua costruzione elementare? Rispondiamo a questa domanda costruendo due classi di grandezze opportune a cui applicare il postulato di continuità di Cantor. Postulato di continuità di Cantor Se due classi di grandezze sono una coppia di classi contigue, allora esiste una grandezza che non è minore di alcuna grandezza della prima classe e non è maggiore di alcuna grandezza della seconda classe. Se α è l’angolo che vogliamo trisecare, definiamo due classi di grandezze A, B in questo modo: • • la classe A contiene le ampiezze degli angoli β’ tali che 3β’ < α la classe B contiene le ampiezze degli angoli β” tali che 3β” > α Si dimostra che le classi A, B sono una coppia di classi contigue, grazie all’assioma di continuità, perciò, esiste un angolo β tale che 3β non è superato da alcun elemento della classe A e non supera alcun elemento della classe B. Diremo, quindi, che 3β = α e che β è la terza parte di α, scrivendo simbolicamente: β= . Ecco che in questo modo la terza parte di un angolo resta definita per continuità. Ora siamo certi che esiste, resta poi aperto il problema di come determinare la terza parte di un angolo definito e non generico. Ma questo è un problema che ora non ci riguarda, vediamo piuttosto che ruolo gioca la continuità nella definizione dei numeri reali. 7. I numeri reali L’ insieme dei numeri reali assoluti ℜ+ è l’unione dell’insieme dei numeri razionali assoluti e di quello dei numeri irrazionali assoluti. Come è definito un numero reale? Esula dagli scopi del nostro testo la costruzione rigorosa e completa dell’insieme dei numeri reali assoluti attraverso ampliamenti successivi dell’insieme dei naturali e dei razionali assoluti. Ci 13 limitiamo a dare la definizione di numero reale ricalcando il procedimento seguito nei paragrafi precedenti per definire alcune grandezze geometriche, per esempio la terza parte di un angolo assegnato. Attraverso il postulato di continuità di Cantor, infatti, si giunge alla definizione: Def Un reale α è definito da una coppia di classi contigue di numeri razionali. Data la sua importanza nella storia della matematica, diamo un’idea di come risulta così definito il numero irrazionale per eccellenza, √2. Costruiamo le due classi numeriche: A formata da numeri razionali i cui quadrati sono inferiori a 2, B formata da numeri razionali i cui quadrati sono superiori a 2. Riferendoci alla notazione decimale dei numeri razionali, la ricerca degli elementi delle due classi viene fatta acquisendo di volta in volta una cifra decimale, in modo da ottenere numeri i cui quadrati siano sempre più prossimi a 2. Riportiamo di seguito i primi risultati. Considerando che valgono le disuguaglianze: 12 < 2 < 2 2 (1.4)2 < 2 < (1.5)2 (1.41)2 < 2 < (1.42)2 (1.414)2 < 2 < (1.415)2 (1.4142)2 < 2 < (1.4143)2 (1.41421)2 < 2 < (1.41422)2 se ne deducono le altre sulle basi: a 1 = 1 < 2 = b1 a2 = 1.4 < 1.5 = b2 a3 = 1.41 < 1.42 = b3 a4 = 1.414 < 1.415 = b4 a5 = 1.4142 < 1.4143 = b5 a6 = 1.41421 < 1.41422 = b6 grazie alle quali possiamo individuare alcuni elementi delle due classi A e B: A = ⎨ a1 = 1, a2 = 1.4, a3 = 1.41, a4 = 1.414, a5 = 1.4142, a6 = 1.41421, ...⎬ 14 B = ⎨ b1 = 2, b2 = 1.5, b3 = 1.42, b4 = 1.415, b5 = 1.4143, b6 = 1.41422, ...⎬ Si dimostra che queste due classi sono separate. Infatti, per ogni n vale la catena di disuguaglianze: a1 < a2 < a3 < ... < an < bn< ... < b3 < b2 < b1 grazie alla quale si può affermare che ogni elemento della classe A è minore di ogni elemento della classe B. Quindi, si dimostra che le due classi sono anche indefinitamente ravvicinate, cioè che per ogni numero ε > 0 che si consideri, per quanto piccolo possa essere, esistono un numero a in A e un numero b in B per i quali risulta b - a < ε. Diamo, comunque, un’idea qualitativa di questa proprietà considerando le differenze degli elementi corrispondenti (di uguale indice nella numerazione): b1 - a1 = 1 = 100 b2 - a2 = 0.1 = 10-1 b3 - a3 = 0.01 = 10-2 b4 - a4 = 0.001 = 10-3 b5 - a5 = 0.0001 = 10-4 b6 - a6 = 0.00001 = 10-5 ............ bn+1 - an+1 = 0.0...01 = 10-n Si dimostra che pur di prendere n sufficientemente grande la differenza bn+1 - an+1 = 10-n può essere inferiore a ogni arbitrario valore ε > 0, conseguendo così l’indefinita ravvicinatezza delle due classi. A e B risultano, perciò, due classi contigue e definiscono il numero (A, B) che ha quadrato uguale a 2, indicato simbolicamente con √2 . Mettiti alla prova 5 Costruisci i primi elementi delle classi che definiscono i numeri: a) √5 b) 1 + √5 c) √2 8. Le proprietà dei numeri reali Abbiamo solo accennato alla definizione costruttiva dei numeri reali mediante le classi contigue di numeri razionali, osservandola in azione sul numero √2. Non tralasciamo, invece, di sintetizzare 15 quale sia la struttura complessiva dell’insieme ℜ dei numeri reali, evidenziando implicitamente le sue relazioni con gli insiemi N, Z e Q da noi più conosciuti. E’ importante, infatti, che rimangano chiare le proprietà che caratterizzano ℜ, il quale costituisce l’ambito di operatività nel quale ci muoveremo ordinariamente. Le proprietà che caratterizzano l'insieme R dei reali si possono suddividere in tre gruppi: • • • le proprietà algebriche, che descrivono le operazioni eseguibili su di essi, le loro proprietà formali, il loro ambito di validità e le loro eventuali limitazioni (paragrafo 2.2 pag 30 del libro di testo) le proprietà dell'ordinamento, che stabiliscono la possibilità del confronto tra qualsiasi coppia di numeri reali (paragrafo 2.3 par 31 – 32 del libro di testo) la proprietà di completezza, che rende rigorosi i contenuti della nostra intuizione a proposito della numerosità dell'insieme dei numeri reali e della corrispondenza di ℜ con il continuo geometrico. E’ su questa proprietà che fondiamo la rappresentazione dei numeri reali sulla retta geometrica, che dà origine all'espressione usuale di retta reale. (paragrafo 2.3 pag 33 del libro di testo) 16 Soluzioni Mettiti alla prova 3 1. Conduciamo una dimostrazione per assurdo, perciò neghiamo la tesi e supponiamo che √2 sia razionale. Se è cosi esiste un numero razionale, rappresentato dalla frazione ridotta ai minimi termini , tale che: = √2 Eleviamo al cubo i due termini dell’equazione e riduciamo allo stesso denominatore: m3 = 2n3 Analizziamo ciascuno dei due membri: • • il membro di sinistra m3 è un numero pari essendo, essendo uguagliato a un numero pari, perciò la base m è multiplo di 2k (k numero naturale). Di conseguenza nella scomposizione in fattori primi di m3 è presente il fattore 23k. A secondo membro invece il fattore 2 è presente a primo grado, in quanto n non può essere divisibile per 2 per l’ipotesi fatta sulla riduzione ai minimi termini della frazione . Per l’unicità della scomposizione in fattori di un numero dovrebbe essere 3k = 1, ma questa uguaglianza non è soddisfatta per nessun numero naturale k . Abbiamo così trovato l’assurdo e dimostrato che √2 è irrazionale. 2. Il numero 2 è algebrico perché soddisfa l’equazione algebrica a coefficienti interi: x2 – 2 = 0. 3. a. x2 – 4x +1 = 0. 1 2 + 5 conviene moltiplicare entrambi i membri per mcm(2, 3)=6, 2 3 ottenendo: 6 x = 3 + 4 5 . Spostando il 3 a sinistra dell’uguale e elevando al quadrato … si ha l’equazione: 36x2 – 36x – 71 = 0. b. Posto x = c. 12x2 – 12x - 97 = 0. 4. Sappiamo che il numero q = 2 + √3 è elementare. Grazie alla costruzione del quadrato equivalente, anche il numero q = 2 + 3 è elementare. E’ anche algebrico essendo soluzione dell’equazione x 4 − 4 x 2 + 1 = 0 , ottenuta dalla 2.a avendo sostituito x2 al posto di x. 5. Il numero 4 2 è soluzione dell’equazione a coefficienti interi x4 – 2 = 0, quindi è algebrico. E’ anche costruibile: basta applicare due volte la procedura del quadrato equivalente, prima sul rettangolo 1 e 2 per ottenere 2 ; quindi sul rettangolo di lati 2 appena costruito e 1.