La matematica dello spazio le diverse geometrieandreatt/GeoNonEuclidee2017.pdf · Proviamo dunque a...

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La matematica dello spaziole diverse geometrie

Marco Andreatta

Dipartimento di Matematica, Universita di Trento

MUSE, Museo delle Scienze di Trento

Foligno2017 – p. 1/??

le radici...

Platone,Atene 427-347 a.C.

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le radici...

Platone,Atene 427-347 a.C.

...le opinioni vere ... s’incateninocon un ragionamento fondato

sulla causalitá, in questo consistel’ anamnesi, quella reminescenzasu cui sopra abbiamo convenuto.

Se collegate, esse dapprimadivengono scienza e, quindi,

cognizioni stabili.Ecco perché la scienza vale piú

della retta opinione: la differenza trascienza e retta opinione sta,appunto, nel collegamento.

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Il primo: filosofo, matematico...

Talete, Mileto 624-547 a.C.

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Filosofia: tutto viene dall’acqua

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Filosofia: tutto viene dall’acqua

Matematica: la retta,..., teoremi

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e poi molti altri.

Prima ancora: egiziani, babilonesi,...

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e poi molti altri.

Prima ancora: egiziani, babilonesi,...discepoli diretti furono Anassimandro e Pitagora

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e poi molti altri.

Prima ancora: egiziani, babilonesi,...discepoli diretti furono Anassimandro e Pitagorae poi Anassagora, Empedocle, Zenone, Democrito,Eudosso, Menacmo, Archimede, Apollonio, Diocle,..,

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e poi molti altri.

Prima ancora: egiziani, babilonesi,...discepoli diretti furono Anassimandro e Pitagorae poi Anassagora, Empedocle, Zenone, Democrito,Eudosso, Menacmo, Archimede, Apollonio, Diocle,..,Euclide Alessandria 325-265 a.C.

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il libro dei libri

Euclide scrive gli ”Elementi”: una sorta di enciclopediaformata da tredici libri.

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il libro dei libri

Euclide scrive gli ”Elementi”: una sorta di enciclopediaformata da tredici libri.

la pagina dell’edizione del 1482 con il quinto postulato

Foligno2017 – p. 5/??

La Geometria

Nei primi sei libri degli Elementi troviamo formalizzata unateoria, la Geometria, costituita da

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La Geometria

Nei primi sei libri degli Elementi troviamo formalizzata unateoria, la Geometria, costituita daOggetti, definiti a priori, tramite assiomi o postulati, e da un

Foligno2017 – p. 6/??

La Geometria

Nei primi sei libri degli Elementi troviamo formalizzata unateoria, la Geometria, costituita daOggetti, definiti a priori, tramite assiomi o postulati, e da unMetodo, logico deduttivo che si basa su quelle che Euclidechiama nozioni comuni.

Foligno2017 – p. 6/??

La Geometria

Nei primi sei libri degli Elementi troviamo formalizzata unateoria, la Geometria, costituita daOggetti, definiti a priori, tramite assiomi o postulati, e da unMetodo, logico deduttivo che si basa su quelle che Euclidechiama nozioni comuni.

Proviamo dunque a fare i geometri:

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La retta

Una retta é un oggetto a priori caratterizzato dalle seguentiproprietá:

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La retta

i) Si estende all’ infinito in due direzioni

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La retta

i) Si estende all’ infinito in due direzioniii) Dati due punti distinti esiste una ed una sola retta per idue punti

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La retta

i) Si estende all’ infinito in due direzioniii) Dati due punti distinti esiste una ed una sola retta per idue puntiiii) dati due punti su una retta il cammino piú breve perandare da un punto all’altro é dato dalla retta stessa (laretta é una geodetica)

Foligno2017 – p. 7/??

La retta

i) Si estende all’ infinito in due direzioniii) Dati due punti distinti esiste una ed una sola retta per idue puntiiii) dati due punti su una retta il cammino piú breve perandare da un punto all’altro é dato dalla retta stessa (laretta é una geodetica)iv) se togliamo un punto da una retta rimangono due pezziseparati.

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Esempio

non rette

Foligno2017 – p. 8/??

Altri oggetti

- Si definiscono poi le semirette, i segmenti, i triangoli ipoligoni,...

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Altri oggetti

- Si definiscono poi le semirette, i segmenti, i triangoli ipoligoni,...-Un angolo é dato da due semirette con vertice comune.

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Altri oggetti

- Si definiscono poi le semirette, i segmenti, i triangoli ipoligoni,...-Un angolo é dato da due semirette con vertice comune.

semiretta

angolo piatto

angolo

poligonotriangolo

segmento

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Congruenza e misura

-Due oggetti o figure si diranno uguali (o congruenti) se(con un movimento rigido del piano) si possonosovrapporre uno all’altro.

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Congruenza e misura

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Congruenza e misura

-Si definisce una unitá di misura per segmenti e angoli:- metro campione di Sevres = quarantamilonesima parte diun meridiano terrestre- angolo unitario = 180-esima parte dell’angolo piatto

Foligno2017 – p. 10/??

Il teorema di Pitagora

Pitagora,Mileto-Crotone 580-500 a.C.

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Teorema.Dato un triangolo rettangolo

Foligno2017 – p. 11/??

Teorema.Dato un triangolo rettangolo

vale l’identitá a2 + b2 = c2

Foligno2017 – p. 11/??

Prova.

Foligno2017 – p. 12/??

Prova.

Prendiamo due quadrati di lato a+ b:a b

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Prova.

Togliamo ad ognuno 4 volte il triangolo dato

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Prova.

le aree delle parti in bianco sono uguali e dunque

c2 = a2 + b2

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Un altro teorema

Teorema. La somma degli angoli interni ad un triangolo =angolo piatto.

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Un altro teorema

Prova. Prendiamo un rettangolo (un quadrilatero con latiopposti uguali e angoli retti) e consideriamo i due triangoliformati dalla diagonale

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Un altro teorema

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Un altro teorema

I due triangoli hanno i lati uguali e dunque sono congruenti.Pertanto il teorema é vero per triangoli rettangoli.

Foligno2017 – p. 15/??

e ancora

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e ancora

Per un trangolo qualunque tracciamo l’altezza econsideriamo i due triangoli rettangoli ottenuti.

Foligno2017 – p. 16/??

Una prova diversa

Foligno2017 – p. 17/??

Una prova diversa

Prova. Consideriamo la parallela ad un lato passante per ilvertice opposto

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Una prova diversa

Prova. Consideriamo la parallela ad un lato passante per ilvertice opposto

(Proposizione) Gli angoli a e b sono uguali tra loro edunque il teorema é dimostrato

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Il quinto postulato di Euclide

Riconsideriamo i seguenti tre enunciati:

I) Data una retta da un punto esterna ad essa passauna ed una sola retta parallela

Foligno2017 – p. 18/??

II) Esistono rettangoli (i.e. quadrilateri con angoliinterni uguali a 90◦ gradi e lati opposti uguali)

Foligno2017 – p. 18/??

III) La somma degli angoli interni ad un triangolo éuguale a 180◦ gradi

Foligno2017 – p. 18/??

Abbiamo visto che I) e II) implicano III).

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Abbiamo visto che I) e II) implicano III).In realtá sono tutte formulazioni equivalenti delquinto postulato di Euclide,

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Abbiamo visto che I) e II) implicano III).In realtá sono tutte formulazioni equivalenti delquinto postulato di Euclide,La prova di uno si ottiene solo ricorrendo ad un altro.

Foligno2017 – p. 18/??

Equivalenza degli enunciati

Abbiamo visto che I) e II) implicano III).

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III) implica II).Si prendano due copie di un triangolo rettangolo e le siincollano lungo l’ipotenusa come in figura,

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II) implica I)Con l’aiuto di un rettangolo con un lato sulla retta ed unvertice sul punto esterno si costruisce, come in figura, laparallela alla retta r per il punto P

Foligno2017 – p. 21/??

prima di lasciar la (Magna) Grecia

Archimede,Siracusa 287-212 a.C.

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prima di lasciar la (Magna) Grecia

Archimede,Siracusa 287-212 a.C.

...ed il mistero del palinsesto

Foligno2017 – p. 22/??

Tra le tante scoperte di Archimede

Determinó con la miglior precisione del tempo il valore dell’area del cerchio di raggio unitario, ovvero del valore delnumero trascendente che oggi indichiamo con π(= 3, 14...).

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Tra le tante scoperte di Archimede

Determinó con la miglior precisione del tempo il valore dell’area del cerchio di raggio unitario, ovvero del valore delnumero trascendente che oggi indichiamo con π(= 3, 14...).

Inoltre dimostró il seguente: Teorema. La superfice dellasfera di raggio r é uguale alla superficie laterale del cilindro

circoscritto ovvero 2πr × 2r = 4πr2

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Un gesuita vede, ma non crede

Giovanni Girolamo Saccheri1667-1733, gesuitaprofessore di Teologia edi Matematica a PaviaSi propose di dimostrarel’esistenza di un rettangolo(quadrilatero di Saccheri),di fatto sviluppó dellageometria non euclidea.

Foligno2017 – p. 24/??

Un gesuita vede, ma non crede

Giovanni Girolamo Saccheri1667-1733, gesuitaprofessore di Teologia edi Matematica a PaviaSi propose di dimostrarel’esistenza di un rettangolo(quadrilatero di Saccheri),di fatto sviluppó dellageometria non euclidea.

Foligno2017 – p. 24/??

Il mondo é tondo

Diventa importante fare misure, dividere territori, tracciarerotte, su scala terrestre.

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Il mondo é tondo

Nel 1493 una bolla papale assegna le terre a ovest del”meridiano che sta 100 leghe ad ovest delle Azzorre” allaSpagna. Nessuno peró sa come determinare questomeridiano. Si bandiscono dei premi in denaro, il primodalla Spagna nel 1567.

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Il mondo é tondo

Nel 1493 una bolla papale assegna le terre a ovest del”meridiano che sta 100 leghe ad ovest delle Azzorre” allaSpagna. Nessuno peró sa come determinare questomeridiano. Si bandiscono dei premi in denaro, il primodalla Spagna nel 1567.

Gerardo Mercatore, 1512-1594,matematico, astronomo, cartografo, ereticosi sforza di ridurre la geometria del globo terrestre allageometria piana.

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Le proiezioni di Mercatore

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Le proiezioni di Mercatore

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Gauss, il Teorema Egregium

Gauss,Gottinga, 1777-1855

Foligno2017 – p. 28/??

Gauss, il Teorema Egregium

Gauss,Gottinga, 1777-1855

Teorema Egregium.

Non é possibile rappresentare lasfera su un piano in modo tale che larappresentazione preservi le misure,

nemmeno per porzioni limitate!

(Piú precisamente il teorema dicedue superfici con curvatura diversanon sono localmente isometriche)

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La geometria sferica

Una Sfera é il luogo dei punti nello spazio equidistanti unalungezza r da un punto fisso detto 0. Pensiamo di potermuoverci solo sulla superficie della sfera e che il raggio rsia enormemente grande rispetto alle nostre dimensioni.

Foligno2017 – p. 29/??

La geometria sferica

Una Sfera é il luogo dei punti nello spazio equidistanti unalungezza r da un punto fisso detto 0. Pensiamo di potermuoverci solo sulla superficie della sfera e che il raggio rsia enormemente grande rispetto alle nostre dimensioni.

Una retta vogliamo sia come prima caratterizzata da:ii) Si estende all’ infinito in due direzioniii) Dati due punti distinti esiste una ed una sola retta per idue puntiiii) dati due punti su una retta il cammino piú breve perandare da un punto all’ altro é dato dalla retta stessa (laretta é una geodetica)iv) se togliamo un punto da una retta rimangono due pezziseparati.

Foligno2017 – p. 29/??

I cerchi massimi

Le rette sulla sfera sono i cerchi massimi, ovvero i cerchiche si ottengono intersecando la sfera con un pianopassante per l’origine

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I cerchi massimi

Le rette sulla sfera sono i cerchi massimi, ovvero i cerchiche si ottengono intersecando la sfera con un pianopassante per l’origine

Di questo fatto se ne puódare una prova matematica.

Per convincersene bastaprovare a tendere un filo tra

due punti su un pallone.Oppure considerare la rotta

che percorre un aereoda Milano a New-York, ...

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altri oggetti

Si definiscono poi le semirette, i segmenti, i triangoli ed ipoligoni. Un angolo é dato da due semirette con verticecomune. Due oggetti o figure si diranno uguali (ocongruenti) se (con un movimento rigido della sfera) sipossono sovrapporre uno all’altro. Infine si definiscono lemisure.

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altri oggetti

Un definizione nuova é quella di luna, ovvero la parte disfera delimitata da due rette che formano un angolo A.

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altri oggetti

Proposizione.L’area della luna formata

da un angolo A su unasfera di raggio r si

ottiene con laproporzione4πr2

π= Area

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altri oggetti

Proposizione.L’area della luna formata

da un angolo A su unasfera di raggio r si

ottiene con laproporzione4πr2

π= Area

i.e.Area = 4r2A

Foligno2017 – p. 31/??

Teorema dell’ eccesso- Gauss

Teorema Dato un triangolo sferico con angoli A,B,C

Foligno2017 – p. 32/??

Teorema dell’ eccesso- Gauss

Teorema Dato un triangolo sferico con angoli A,B,C

la sua area é data dalla formula

Area = r2(A+B + C − π)

Foligno2017 – p. 32/??

Dimostrazione

Foligno2017 – p. 33/??

Dimostrazione

osserviamo che le tre lunedefinite dagli angoli A,B,C

coprono tutta la sfera,precisamente ricoprono

tre volte il triangolo edil triangolo antipodale,

ogni altro punto stasolo su una luna.

Foligno2017 – p. 33/??

Dimostrazione

Abbiamo dunque che vale:area luna A + area luna B + area luna C =

area della sfera + 4 volte area del triangolo

Foligno2017 – p. 33/??

Dimostrazione

Ovvero:4r2(A+B + C) =

4πr2 + 4 area triangolo

Foligno2017 – p. 33/??

Corollari

Foligno2017 – p. 34/??

Corollari

- non vale il quinto postulato di euclide

Foligno2017 – p. 34/??

Corollari

- non vale il quinto postulato di euclide- gli angoli determinano il triangolo.( In geometria euclideadue triangoli con gli stessi angoli non sono congruenti,sono simili.)

Foligno2017 – p. 34/??

Corollari

- non vale il quinto postulato di euclide- gli angoli determinano il triangolo.( In geometria euclideadue triangoli con gli stessi angoli non sono congruenti,sono simili.)- la curvatura dello spazio determina la geometria, forniscemaggiori elementi di conoscenza. Su questo principio sibasa anche la teoria della relativitá.

Foligno2017 – p. 34/??

Geometria iperbolica

La geometria iperbolica é una geometria piana nella quale-la somma degli angoli interni di un triangolo é minore di180 gradi- per ogni punto esterno ad una retta passano infinite retteparallele alla retta stessa- non esistono rettangoli.

Foligno2017 – p. 35/??

La geometria iperbolica é una geometria piana nella quale-la somma degli angoli interni di un triangolo é minore di180 gradi- per ogni punto esterno ad una retta passano infinite retteparallele alla retta stessa- non esistono rettangoli.

Questa geometria é stata teorizzata da Bolyai eLobatchewski. Dalla teorizzazione alla costruzione di unmodello la strada é lunga (Hilbert dimostró che non puóessere realizzata nello spazio) .

Foligno2017 – p. 35/??

geometri europei della fine 800

Eugenio Beltrami 1835-1900, Felix Klein 1849-1925, Henry Poincaré 1854-1912

Foligno2017 – p. 36/??

i sogni diventano...modelli

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i sogni diventano...modelli

Foligno2017 – p. 37/??

Il luogo di questa geometria (detto anche l’universo) é datodai punti di un disco nel piano di raggio r (abbastanzagrande rispetto all’osservatore) detto Disco Iperbolico.

Foligno2017 – p. 38/??

Si definisce una distanzaparticolare tra due punti A e Bnel disco in modo taleche il cammino piú breve,ovvero la retta, per andareda A a B sia quello datodal cerchio passanteper i due punti e perpendicolareal bordo del disco.

Foligno2017 – p. 38/??

Piú precisamente la distanzasi definisce considerandoil cerchio per A e Bintersecante ortogonalmente ilbordo del disco nei punti A’ e B’.Allora d(A,B) =1/2|log[(AA′/BA′)(BB′/AB′)]|.Si noti che se tengo fisso Ae mi muovo con B versoil bordo del disco la distanzad(A,B) tende ad infinito.

Foligno2017 – p. 38/??

Teorema di geometria iperbolica

Teorema Dato un triangolo iperbolico con angoli A,B,C

Foligno2017 – p. 39/??

Teorema di geometria iperbolica

Teorema Dato un triangolo iperbolico con angoli A,B,C

Area = r2(π − (A+ B + C))

Foligno2017 – p. 39/??

Conclusione

A concludere enunciamo uno dei teoremi piú belli e difficilidel secolo scorso.

Foligno2017 – p. 40/??

Conclusione

A concludere enunciamo uno dei teoremi piú belli e difficilidel secolo scorso.Teorema di uniformizzazione di Riemann-Poincaré.Ogni geometria piana é riconducibile a una delle tregeometrie sopra descritte (euclidea, sferica, iperbolica).

Foligno2017 – p. 40/??

Conclusione

Foligno2017 – p. 40/??

Conclusione

Un teorema simile per dimensionisuperiori non é stato dimostrato;

quel che é certo é che legeometrie di tipo iperbolicosono le piú diffuse e ignote.

Foligno2017 – p. 40/??

Kant - Riemann

Lo spazio non e un concetto che si deriva dalla

esperienza esterna... la rappresentazione dello

spazio deve gia esistere come ”fondamento” (a priori).

Di conseguenza la rappresentazione dello spazio

non puo essere acquisita dalla relazione con

fenomeni esterni attraverso l’esperienza.

Kant 1724-1804 - Critica della Ragion Pura

Foligno2017 – p. 41/??

Kant - Riemann

Lo spazio non e un concetto che si deriva dalla

esperienza esterna... la rappresentazione dello

spazio deve gia esistere come ”fondamento” (a priori).

Di conseguenza la rappresentazione dello spazio

non puo essere acquisita dalla relazione con

fenomeni esterni attraverso l’esperienza.

Kant 1724-1804 - Critica della Ragion Pura

Nasce quindi il problema del trovare il dato piu semplice

dal quale dedurre le relazioni metriche dello spazio....

il sistema piu importante e quello concepito

a fondamenta della geometria da Euclide.

Questo dato e, come tutti i dati, non necessario,

ma solo di certezza empirica, e una ipotesi...

Riemann 1826-1866 -

Sulle ipotesi che stanno a fondamento della geometriaFoligno2017 – p. 41/??

M.C. Escher

Tassellatura iperbolica di Coxeter

Foligno2017 – p. 42/??

M.C. Escher

Rielaborazione di EscherFoligno2017 – p. 42/??

M.C. Escher

Escher: Cerchio limite IIIFoligno2017 – p. 42/??

M.C. Escher

Poster premiato con il 2003 Math AwarenessFoligno2017 – p. 42/??

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