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Geometria Classica

In questi capitoli vengono presentati in modo informale alcuni argomenti di geometria classica: di quella geometria cioè che riguarda le costruzioni rese possibili dal solo uso di riga e compasso, all'interno di un piano o uno spazio euclideo.

Sommario:

– Elementi di Euclide: Riga e Compasso
      Il Punto e la Retta
      Il Cerchio
      Riga e Compasso
      Applicazione di una distanza?
      Libro I, Proposizione 1
      Libro I, Proposizioni 2 e 3
      Scorciatoia!
+ Euclide vs. Hilbert: Punti, Linee e Superfici
+ Euclide: il Quinto Postulato
+ Elementi di Euclide: Costruzioni elementari

Gli Elementi

Il merito principale di Euclide (vissuto intorno al 300 a.C.) è stato di codificare in modo organico tutte le conoscenze di geometria (piana e solida), aritmetica (numeri razionali e irrazionali) e altre belle cose note nel mondo antico... insomma ha compilato l'enciclopedia di tutte conoscenze matematiche della sua epoca: stiamo parlando proprio dei suoi "Elementi". Qui ogni argomento è trattato a partire da un certo numero di definizioni e di postulati, per poi proseguire con la dimostrazione di un incredibile numero di teoremi assolutamente validi anche ai giorni nostri (la sua dimostrazione del teorema di Pitagora è di un'eleganza squisita).

I paragrafi che seguono non vogliono essere esaustivi dell'argomento, ma dare qualche spunto che possa incuriosire e possibilmente far apprezzare la grandezza dell'opera di Euclide.   ▲  

Il Punto e la retta
[d. 1] — Un punto è ciò che è privo di parti.
Credo che sia la più celebre definizione della geometria: è la prima fra quelle elencate da Euclide nei Libro Primo suoi "Elementi". Le successive tre invece sono:
[d. 2] — Una linea è una lunghezza senza larghezza.

[d. 3] — Le estremità di una linea sono punti.

[d. 4] — La retta è quella linea che giace sui suoi punti in modo uniforme.
(Se fossi uno che non ne sa niente, non so se da queste definizioni, soprattutto l'ultima, saprei immaginare cos’è una linea retta... meno male che tutti noi abbiamo almeno una volta tracciato una linea con righello e lapis!)

Ricapitolando: secondo queste definizioni, una linea non solo "non ha larghezza", ma è fatta da punti "che sono privi di parti". Questi punti sono quindi piccoli, piccolissimi, diciamo pure infinitesimali: se si potesse tracciare una linea ideale, essa risulterebbe assolutamente invisibile. Questo ci deve far riflettere sul livello di astrazione raggiunto dai geometri greci dell'antichità: le loro costruzioni sono solo ideali, in quanto le "figure" che possiamo realizzare con i mezzi grossolani di cui ci serviamo servono solo per rappresentare le cose in modo da rendercele più facilmente comprensibili.

Per quanto riguarda la retta, Euclide stabilisce anche due "postulati", ovvero enunciati che, pur non essendo dimostrati, sono considerati veri:
[p. 1] — Tra due punti qualsiasi è possibile tracciare uno ed un solo segmento.

[p. 2] — Si può prolungare un segmento oltre i due punti indefinitamente.  ▲  

Il Cerchio

Definizioni (Libro I):
[d. 15] — Dicesi cerchio una figura piana delimitata da un'unica linea tale che tutti i segmenti che terminano su di essa a partire da un medesimo punto fra quelli interni alla figura, siano uguali fra loro.

[d. 16] — Quel punto si chiama centro del cerchio.
Postulato:
[p. 3] — Dato un punto e una lunghezza, è possibile descrivere un cerchio.  ▲  

Riga e Compasso

Andiamo a scuola ci diventano subito familiari gli strumenti chiamati Riga e Compasso, che effettivamente servono per tracciare le Rette e i Cerchi definiti da Euclide. Infatti, dati due punti qualsiasi, essi possono essere congiunti con un segmento rettilineo; e si può anche proseguire il disegno prolungando a piacimento il segmento oltre i punti dati:

Euclide: riga

Per quanto riguarda il cerchio, dato un centro e uno dei punti sulla sua circonferenza, con un compasso è possibile tracciare tutti gli altri punti alla stessa distanza dal centro:

Euclide: compasso

Ecco, per quanto Euclide non li nomini mai, Riga e Compasso sono i due soli strumenti ammessi nelle sue costruzioni geometriche. Detto altrimenti, sono gli strumenti soli e sufficienti che consentono la rappresentazione grafica di tutte le sue dimostrazioni!   ▲  

Applicazione di una distanza?

nelle costruzioni geometriche capita di dover riportare (o, più esattamente, "applicare") la lunghezza di un segmento a un altro segmento. E qui viene fuori un problema non da poco, in quanto la riga di Euclide NON è graduata. "Misurare" un segmento con un righello e poi riportare quella misura da un’altra parte non è certo un sistema esatto, e infatti non viene mai preso in considerazione da Euclide.

L'unica altra possibilità dunque è quella di utilizzare il compasso. Visto che, come abbiamo visto, il compasso è in grado di determinare tutti i punti equidistanti da un punto dato (centro), non è che lo si potrebbe usare anche per applicare una lunghezza, come mostrato qui sotto?

Operazione vietata!

La risposta è... Nì. Nel senso che questa è una pratica usata continuamente, ma non è giustificata direttamente dai postulati di Euclide; quindi in teoria è un’operazione vietata. Dobbiamo immaginare che il compasso di Euclide abbia la particolarità di richiudersi automaticamente appena viene allontanato dal foglio: proprio come nell’animazione più sopra, quella dove viene mostrato il disegno della circonferenza.

Ora è ovvio che Euclide non si poteva arenare di fronte a questa difficoltà, infatti dedica le prime tre proposizioni del Libro Primo dei suoi Elementi proprio al superamento di quest’ostacolo.   ▲  

Libro I, Proposizione 1

Nella prima proposizione mostra come si costruisce un triangolo equilatero su un segmento dato (equilatero è quel triangolo che ha i tre lati uguali):

Costruzione triangolo equilatero

Come si vede dall’animazione, vengono tracciati due archi di cerchio, entrambi di raggio pari al segmento dato; ogni volta il compasso viene richiuso e riaperto: ecco che NON stiamo commettendo l’infrazione di tenere il compasso aperto fra il disegno di un arco e l’altro. Non credo che sia necessario dimostrare che le distanze AB, AC e BC sono uguali: per completare il triangolo a questo punto è sufficiente tracciare i due lati mancanti.   ▲  

Libro I, Proposizioni 2 e 3

Nelle proposizioni 2 e 3 del Libro Primo, che qui vengono unite insieme in un’unica animazione, Euclide riesce a trasportare (o, più precisamente, applicare) il segmento AB sul segmento CD:

Dimostrazione 1

Ecco il procedimento (più in basso l'animazione completa):

Dimostrazione 2

— Si traccia un segmento fra i punti A e C, e su questo segmento si costruisce il triangolo equilatero ACE; i lati AC e AE vengono prolungati adeguatamente (disegnati in viola).

— Puntando il compasso in A si riporta la lunghezza di AB in modo da determinare il punto F; il segmento EF è quindi la somma dei due segmenti EA (lato del triangolo) e AF = AB.

— Puntando il compasso in E, si riporta la lunghezza EF in modo da determinare il punto G, per cui EF = EG. Ma siccome EA = EC (lati dello stesso triangolo equilatero), CG non può che essere uguale a AF = AB.

— Puntando il compasso in C posso finalmente riportare la lunghezza CG sul segmento CD: ecco che quindi CH = AB.

Come promesso, qui sotto mostro la costruzione completa:

Trasporto segmento

Ecco dimostrato come una lunghezza può essere trasportata in modo esatto, da un punto a un altro del foglio, senza trasgredire alle "regole" di Euclide. Il fatto che questa operazione sia fattibile basandosi su definizioni e postulati già presenti è il motivo per cui Euclide non ha avuto bisogno di aggiungere, fra i suoi postulati, qualcosa che affermasse la possibilità di trasportare una lunghezza.   ▲  

Scorciatoia!

Per nostra fortuna possiamo usare il procedimento che avevo dichiarato "vietato" (vedi sopra): possiamo liberamente usare quella scorciatoia per semplificarci il lavoro, ma solo dopo aver dimostrato la fattibilità di questa operazione con i metodi "prescritti".

I quali metodi prescritti sono: usare righe non graduate e compassi che si richiudono non appena allontanati dal foglio. Con l'aiuto di questi due soli strumenti Euclide è riuscito a costruire un castello incredibile... che inizieremo ad "esplorare", un po' per volta, a partire dal prossimo capitolo.   ▲  

Teorema delle Corde

Sommario:
Euclide, Elementi, Libro II, Proposizione 5
Euclide, Elementi, Libro III, Proposizione 35
Corollario


Se in un cerchio due corde si intersecano fra loro, allora il rettangolo con lati congruenti alle due parti di una corda ha la stessa area del rettangolo con lati congruenti alle due parti dell'altra. Questo teorema compare negli Elementi di Euclide, più precisamente è la Proposizione 35 del Libro III.

Per dimostrare il teorema delle corde, Euclide si basa su un'altra proposizione contenuta negli Elementi:

Proposizione 5 del Libro II        TOP ▲

Se si divide una retta in parti uguali e disuguali, il rettangolo compreso dalle parti disuguali della retta, insieme con il quadrato della parte compresa fra i punti di divisione, è uguale al quadrato della metà della retta.

Corde

In altre parole, il teorema afferma che, dato un segmento AB, tagliato in un punto arbitrario D e il cui punto medio è C, si ha

AD ּ DB + CD² = CB²

Per la dimostrazione, si costruiscano il rettangolo ADGE di lati congruenti ad AD e DB (a sinistra nell'immagine) ed il quadrato CBKH sul segmento CB (a destra). Osservando i due disegni, è facile vedere che i rettangoli ACFE e DBKJ (colorati in rosso) sono congruenti. Il rettangolo CDGF (in verde) è in comune: per completare il quadrato CBKH manca il quadrato FGJH (in blu), chiaramente congruente al quadrato costruito sul segmento compreso fra i punti di divisione C e D.


Proposizione 35 del Libro III        TOP ▲
Se in un cerchio due corde si tagliano fra loro, il rettangolo compreso dalle parti dell'una è uguale al rettangolo compreso dalle parti dell'altra.

Corde2a

In altre parole, se AB ed EF sono due corde di un cerchio incidenti in un punto D, la proposizione afferma che

AD ּ DB = ED ּ DF

Per la dimostrazione, inizialmente si prendano in esame la sola corda AB e si costruisca il rettangolo con lati congruenti a DB e DA = DA'.

Corde2b

Si traccino inoltre le seguenti linee:

— congiungente fra il centro C del cerchio e l'estremo A della corda,
— congiungente fra il centro C del cerchio e il punto D di intersezione delle corde,
— la perpendicolare dal centro C sulla corda AB, che la interseca nel punto G.

Ora, quando in un cerchio un raggio è ortogonale a una corda, la divide per metà (Elementi di Euclide, Libro III Proposizione 3): G quindi è il punto medio della corda AB. Inoltre, si possono ricavare le seguenti relazioni fra i vari segmenti e aree:

— il quadrato costruito sul segmento CA ha area uguale a quella quadrato costruito su CG più quella del quadrato costruito su AG (teorema di Pitagora):

CA² = CG² + AG²

— il quadrato costruito su CG ha area uguale a quella del quadrato costruito su CD meno l'area del quadrato costruito su DG (teorema di Pitagora):

CG² = CD² - DG²

— il quadrato costruito su AG ha area uguale al quadrato costruito su DG più l'area del rettangolo con lati DB e A'D (Elementi di Euclide, Libro II, Proposizione 5)

AG² = DG² + AD ּ DB

Inserendo le ultime due equazioni nella prima si ottiene:

CA² = CG² + AG² = CD² - DG² + DG² + AD ּ DB = CG² + AG² = CD² + AD ּ DB

da cui si ricava:

AD ּ DB = CA² - CD²

ovvero l'area del rettangolo con lati DB e A'D è uguale alla differenza fra il quadrato costruito su CA (il raggio del cerchio) e il quadrato costruito sul segmento CD (distanza fra il centro e il punto d'intersezione delle corde).


Lo stesso procedimento si può ripetere a proposito della corda EF:

Corde2c

ED ּ DF = CA² - CD²

Di conseguenza, i due rettangoli hanno area pari alla differenza della stessa coppia di quadrati, e quindi hanno la stessa area:

AD ּ DB = ED ּ DF


Corollario        TOP ▲

Il calcolo delle aree dei rettangoli che abbiamo visto qui sopra dà un risultato che dipende solo dal raggio del cerchio e dalla posizione del punto di intersezione delle corde. Ciò vuol dire che l'area è indipendente dalla corda scelta: nell'animazione accanto l'area blu conserva sempre la stessa grandezza al variare dell'angolo di rotazione intorno al punto D.

RotazioneCorde

Euclide: il "Secondo" Teorema

Sommario:

+ Gli Elementi di Euclide
+ Euclide: Il "Primo" Teorema
– Euclide: Il "Secondo" Teorema
      Un po' di confusione?
      Elementi, Libro VI, Proposizione 8
      Geometria vs. Proporzioni

Un po' di confusione?

Così come già evidenziato a proposito del Primo Teorema, nei suoi Elementi Euclide non enuncia mai esplicitamente ciò che tradizionalmente viene indicato come suo "Secondo Teorema":

Il secondo teorema di Euclide
In un triangolo rettangolo, il quadrato costruito sull'altezza relativa all'ipotenusa è equivalente al rettangolo che ha per lati le proiezioni dei due cateti sull'ipotenusa".
Questo enunciato è estratto da vari teoremi, come vedremo qui di seguito.   ▲  

Elementi, Libro VI, Proposizione 8
Se in un triangolo rettangolo si conduce la perpendicolare dell'angolo retto sulla base, la stessa perpendicolare divide il triangolo in due triangoli simili e tutto quanto il triangolo e fra loro

Euclide 2

Dato il triangolo ABC, rettangolo in B, tracciamo l'altezza BD relativa all'ipotenusa. Questa divide l'ipotenusa stessa in due segmenti che sono la proiezione dei cateti, e divide il triangolo iniziale in due più piccoli ABD e BCD.

Prendiamo in esame il triangolo iniziale ABC e quello di sinistra ABD: sono entrambi rettangoli (rispettivamente in B e in D), e hanno l'angolo α in comune; di conseguenza sono uguali anche gli angoli rimanenti (in C e in B).

Discorso analogo se si prendono in esame il triangolo iniziale ABC e quello di destra BCD: sono entrambi rettangoli (rispettivamente in B e in D), e hanno l'angolo β in comune; di conseguenza sono uguali anche gli angoli rimanenti (in A e in B).

I tre triangoli hanno quindi tutti gli angoli corrispondenti uguali fra loro e dunque, per il primo criterio di similitudine dei triangoli, sono simili fra loro. (Chiaramente Euclide nei suoi Elementi non manca di dimostrare la validità di questo criterio di similitudine).   ▲  

Geometria vs. Proporzioni




L'angolo α è in comune fra il triangolo originale ABC e il triangolo di sinistra ABD, menree l'angolo β è in comune fra il triangolo originale ABC e il triangolo di destra BCD. Tutti e tre i triangoli sono rettangoli (per definizione quello originale e per costruzione i due più piccoli): allora si può applicare il "primo criterio di similitudine dei triangoli", secondo il quale

Affinché due triangoli siano simili occorre che siano uguali tutti e tre gli angoli (in realtà ne bastano due: il terzo viene di conseguenza, grazie al fatto che la somma degli angoli interni di qualsiasi triangolo è sempre 180°). Quindi vediamo: i tre triangoli sono rettangoli (quello originale in B, gli altri in D); l'angolo α è in comune fra il triangolo originale e il triangolo di sinistra; l'angolo β è in comune fra il triangolo originale e il triangolo di destra: tutti e tre i triangoli hanno quindi gli angoli uguali.

In due triangoli simili, il rapporto fra i lati corrispondenti è costante. Si può scrivere in forma di proporzione:

AD : DB = DB : DC

oppure in forma di frazioni:

AD    DB
---- = ----
DB    DC

Moltiplicando a destra e sinistra sia per DB che per DC

AD x DB x DC    DB x DB x DC
--------------------- = ---------------------
        DB                   DC

ed eliminando i termini che compaiono sia al numeratore che al denominatore otteniamo:

AD x DC = DB x DB

Quindi:

AD x DC = DB²

Ecco che il quadrato costruito sull'altezza DB del triangolo (quindi DB²) è equivalente al rettangolo che ha per lati le proiezioni dei due cateti sull'ipotenusa (AD x DC), come volevasi dimostrare. Le aree uguali sono quelle evidenziate in azzurro nell'immagine iniziale.