Museo di Informatica e Storia del CalcoloPennabilli ( Pesaro ) |
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---------------------------------- LE CURVE FAMOSE----------------------------------- PREMESSALa mostra Le curve famose si inserisce in un fecondo periodo di attività culturali organizzate per “festeggiare” i dieci anni di vita del Museo di Informatica e Storia del Calcolo di Pennabilli. Questa è la ventesima mostra (*) realizzata dal Museo con l’obiettivo di contribuire a diffondere la cultura scientifica fra i suoi visitatori. Le mostre ancora esposte all’interno del Museo e dettagliatamente presentate sul sito internet del Museo www.museoinformatica.it sono: - il Pi greco: storia e curiosità di un numero affascinante - i Frattali: un mondo autosomigliante? - la Matematica nell’Encyclopédie di Diderot e d’Alembert in 100 tavole. In programma per luglio 2001, dopo oltre due anni di lavoro, un convegno scientifico ed una mostra su “la teoria del tutto: un’unica legge alla base della natura?”. Seguiranno, nel biennio successivo, due mostre di matematica: “i poliedri di Luca Pacioli” e “i caleidocicli di Escher” e due di informatica: “la macchina universale di Turing” e “le radici europee del computer”. Una serie di iniziative che rappresentano uno sforzo culturale, organizzativo, finanziario notevole per il Museo che desidera caratterizzarsi sempre più come importante centro di divulgazione scientifica e vuole collocarsi ai primi posti per ciò che riguarda la “memoria” e lo studio della scienza e della tecnologia informatica e della storia del calcolo. La mostra Le curve famose è un invito a riscoprire la storia della matematica in modo divertente e attraente; a ripercorrere, attraverso le curve piane, l’affascinante itinerario del pensiero umano che va dalle origini della geometria fino alle complesse e recenti forme dei frattali. Di ogni curva abbiamo riportato l’equazione, cioè la notazione matematica che consente di rappresentarla graficamente, anche per invogliare i curiosi all’uso del computer: tutte le figure sono state infatti ricavate con semplici programmi su personal computer. (*)
Mostre temporanee realizzate dal Museo: la
storia del calcolo, i grandi matematici, un treno di…matematici, le
tappe e gli uomini della matematica, il teorema di Pitagora, numeri
interessanti, i regoli di Genaille la
storia dell’informatica, le applicazioni dell’informatica,
esploriamo internet, la realtà virtuale, il pendolo di Foucault, teneo
te Luna, il software didattico, l’informatica nella scuola,
professione informatico (in collaborazione con il CNRS francese) (*)Mostre
ancora esposte
all’interno del Museo: -il
Pi greco: storia e curiosità di un numero affascinante -i
Frattali: un mondo autosomigliante? -La
Matematica nell’Encyclopédie di Diderot e d’Alembert in 100 tavole -le
curve famose (*)Mostre
in programma (le date sono ancora da definire; verranno segnalate sul
sito internet): -mostra
e convegno scientifico su “la teoria del tutto:un’unica legge alla
base della natura?” -i
poliedri di Luca Pacioli -i
caleidocicli di Escher -la
macchina universale di Turing -le
radici europee del computer ORIGINE DELLA GEOMETRIASecondo Erodoto la geometria è nata in Egitto e poi è passata in Grecia. Gli agrimensori egizi tracciarono le due linee più importanti della geometria: la retta e il cerchio. La quadratura del cerchio è la ricerca di un quadrato che abbia la stessa area di un cerchio. Il problema stimolò la curiosità e l’interesse di molti matematici, ma soltanto nel 1882 Lindenmann (1852-1939) dimostrò, utilizzando strumenti algebrici, l’impossibilità di quadrare un cerchio. Il rapporto tra circonferenza e diametro di un cerchio è un numero trascendente. Il primo a studiare a fondo la questione delle quadrature fu Ippocrate di Chio (460-380 a.C. circa); egli conosceva i concetti di congruenza, di similitudine, il teorema di Pitagora e vari tipi di costruzioni geometriche. In particolare Ippocrate studiò le lunule, e riuscì ad effettuare la quadratura di molti tipi di tali figure: la ricerca della quadratura anche del cerchio lo portò alla costruzione di tutte le lunule possibili ed immaginabili. Ippia, intorno al 420 a.C., scoprì una curva, la quadratrice, o anche trisettrice, per mezzo della quale era possibile quadrare un cerchio (non però con riga e compasso), e dividere un angolo in tre parti uguali. Dinostrato, intorno al 350 a.C., fece uso della scoperta di Ippia per ottenere la quadratura del cerchio. Il
secondo dei grandi problemi fu la duplicazione del cubo. Se
a è il lato del cubo da duplicare, dobbiamo trovare un cubo di
lato x tale che Il terzo problema è la trisezione. Fu solo nel 1837 che P.L. Wantzel dimostrò l’impossibilità di trisecare un angolo qualsiasi con riga e compasso. Tra l’altro, la dimostrazione di Wantzel utilizza procedimenti algebrici, che consentono anche di dimostrare l’impossibilità di duplicare un cubo. I tre grandi problemi dell’antichità, così come sono generalmente definiti, avevano dunque due peculiarità: non era possibile risolverli, né era possibile accorgersi di tale impossibilità. Ciò infatti fu consentito soltanto nel XIX secolo, quando furono disponibili adeguati strumenti algebrici. La lunula (fig 1) è una figura delimitata da due archi di cerchio di raggio diverso e Ippocrate riuscì non solo a dimostrare la quadratura della lunula, ma anche a realizzare la prima quadratura rigorosa di un’area curvilinea. Con il suo teorema si dimostra infatti facilmente che la lunula ABCD costruita su un semicerchio circoscritto ad un triangolo isoscele, è equivalente al quadrato costruito sul raggio AO: ecco quindi ottenuta la quadratura della lunula.
Le coniche. Se disegniamo su un lucido una circonferenza e la proiettiamo da un punto su uno schermo, variando l’inclinazione di esso, la circonferenza può essere trasformata in una circonferenza più grande o più piccola, oppure in una ellisse, in una iperbole o in una parabola. Tali figure prendono il nome di coniche perché si possono ottenere sezionando con un piano un cono a due falde, come è illustrato in fig.6.
L’ellisse ha in particolare due punti, che si chiamano fuochi, situati sul diametro maggiore, tali che la somma delle distanze dai fuochi è la stessa per qualunque punto sulla curva. Questo fatto può essere sfruttato per tracciare l’ellisse, in maniera alquanto approssimata ma sufficiente, ad esempio, per costruire delle aiuole a forma di ellisse (non a caso si chiama ellisse del giardiniere). Una seconda proprietà dei fuochi consiste nel fatto che la perpendicolare all’ellisse in un suo punto qualsiasi divide per metà l’angolo formato dai segmenti che uniscono questo punto con i due fuochi. Di conseguenza, un raggio di luce che parte da uno dei fuochi, e si riflette sull’ellisse, passa per l’altro fuoco. Lo stesso vale per le onde sonore. Nel cerchio i fuochi cadono tutti e due nel centro; via via che l’ellisse si allunga, essi si allontanano sempre di più. La parabola non ha più che un solo fuoco; l’altro, per così dire, è andato all’infinito. I raggi che provengono da questo fuoco all’infinito sono delle rette parallele; riflettendosi sulla parabola vanno a finire nel fuoco rimasto. Se dunque vogliamo concentrare in un punto dei raggi paralleli si dovrà usare uno specchio a forma di parabola. Quello che succede con l’iperbole è un po’ più complicato. Se ci mettiamo all’esterno, un raggio diretto verso un fuoco viene riflesso in direzione dell’altro fuoco. All’interno, un raggio che proviene da un fuoco, dopo una riflessione sull’iperbole sembra provenire dall’altro. L’interesse per le sezioni coniche non si limita però a queste proprietà, per quanto importanti. Esse infatti entrano nella soluzione di problemi scientifici che hanno determinato quella che è stata chiamata la “rivoluzione scientifica”. Nei Discorsi e Dimostrazioni matematiche sopra due Nuove Scienze, G.Galilei (1564-1642) dimostrò che la traiettoria di un proiettile è una parabola. Un altro problema, di cui le sezioni coniche hanno costituito la chiave per giungere a una soluzione, è quello delle orbite dei pianeti. LA NASCITA DELLA GEOMETRIA ANALITICA La possibilità di
studiare metodi e procedimenti generali rende la nuova impostazione
cartesiana più agile e più potente rispetto alle tecniche costruttive
della geometria classica. Le curve possono essere costruite per punti,
risolvendo delle equazioni. Viceversa, le equazioni possono essere
risolte per mezzo dell’intersezione di due curve. Se il grado
dell’equazione è maggiore di 2, le rette e i cerchi non bastano più,
e si deve ricorrere a curve come le sezioni coniche o anche altre meno
familiari. Via via che il grado dell’equazione diventa più elevato,
saranno necessarie curve sempre più complesse.
IL CALCOLO INFINITESIMALE Nella nuova formulazione cartesiana, i due problemi prendono un aspetto diverso: non più quadrare questa o quella figura, o trovare la tangente a questa o quella curva, ma individuare un metodo uniforme, che permetta di tracciare la tangente a una curva arbitraria, o dare un procedimento per quadrare una figura delimitata da una curva qualsiasi. Il primo di questi problemi, risolto in parte dallo stesso Descartes, condurrà alla scoperta del calcolo differenziale per opera di Newton e Leibniz (1646-1716). Il secondo sarà l’oggetto del calcolo integrale. Più difficile è il cosiddetto problema inverso delle tangenti, o in termini moderni l’integrazione di un’equazione differenziale. Dal punto di vista geometrico, il problema consiste nel trovare una curva conoscendo una relazione tra i suoi punti e le tangenti relative. Analiticamente, esso si traduce in un’equazione che lega le variabili x ed y con i loro differenziali. Le equazioni differenziali portano alla ribalta una nuova classe di curve,le curve trascendenti. Si tratta di curve che non si possono esprimere mediante un’equazione algebrica, ma richiedono per essere descritte analiticamente l’introduzione di nuove funzioni, tra cui le funzioni trigonometriche, i logaritmi, gli esponenziali (fig 8).
Gli sviluppi del calcolo infinitesimale nel diciottesimo secolo permettono di compiere notevoli progressi nello studio delle proprietà delle curve. Ad esempio: tra tutti i cerchi che passano per P ce n’è uno che si adatta meglio degli altri all’andamento della curva nelle vicinanze di P. Questo cerchio prende il nome di cerchio oscuratore. Possiamo così misurare la curvatura di una curva. Al variare del punto P sulla curva, i centri di curvatura (cerchi dei centri oscuratori) descriveranno una seconda curva, che si chiama evoluta della prima. Questa curva è anche l’inviluppo delle rette perpendicolari alla curva data. Reciprocamente, la prima curva è l’evolvente della seconda (fig 9). La relazione evoluta-evolvente può essere utile anche per risolvere problemi tecnici.
LE CURVE PATOLOGICHE Nel primo caso la curva, nel punto semplice P(x) ammette due tangenti, nel secondo caso essa ha in quel punto una brusca variazione, ed infine nel terzo caso siamo in presenza di un asintoto verticale. Nella figura 11 sono riportate la “curva a gradini” ed una curva che oscilla sempre di più quando ci avviciniamo all’origine. Una vera e propria rivoluzione nella geometria si è avuta con le ricerche di G.Cantor (1845-1918) e di G.Peano (1858-1932) i quali hanno costruito tutta una serie di mostri geometrici (curve patologiche) che mettevano a repentaglio le stesse fondamenta della geometria di Euclide, cioè il concetto di “dimensione”. Nel 1890 Peano costruiva la sua celebre curva che riempie il quadrato. Nella figura 12 sono riportati i primi tre stadi di costruzione della curva: si divida il quadrato di partenza in un numero sempre più grande di quadrati, prendiamo il centro di ognuno di essi e lo congiungiamo col centro dei due quadrati adiacenti. Al limite, la curva passerà per ogni punto del quadrato e quindi, invece di una dimensione, ne ha due! Si aprì allora il dibattito sul concetto di “dimensione”, che ha condotto agli “spazi frattali” di B. Mandelbrot, aventi dimensione non intera. Si giunge in tal modo alla sconcertante conclusione che le “curve regolari” (per esempio la circonferenza e l’ellissi) sono delle pure astrazioni geometriche, mentre le curve ritenute patologiche sono quelle che si riscontrano effettivamente in natura. Per esempio, la linea di una costa ci appare sempre più frastagliata, man mano che ci avviciniamo: non è quindi possibile definire la lunghezza della costa in modo univoco, essa infatti tende a diventare infinita. GLI SPAZI FRATTALI -La curva di von Koch: si parte da un segmento, lo si divida in tre parti, e si costruisce un sistema di quattro segmenti, nel modo indicato in figura 14. Si vede subito che dopo m passi della costruzione si ha : N0 = 3m ; N = 4m . Si ha quindi la dimensione d = log 4m/log 3m = log 4 / log 3 = 1,2698 che è maggiore di 1. Passando al limite, quando m tende all’infinito, il perimetro del fiocco di neve tende a diventare infinito, mentre la sua area rimane finita. E’ interessante poi osservare che la curva frattale di von Koch non possiede tangenti, perché essa cambia bruscamente direzione in ogni suo punto, e quindi risulta infinitamente irregolare. -Gli insiemi di Julia e di Mandelbrot (fig 16 e 17). I frattali sono un linguaggio della matematica, perché i loro elementi fondamentali non possono essere osservati direttamente. Essi sono quindi essenzialmente diversi dalle semplici figure della geometria piana euclidea, come i poligoni e le circonferenze. Infatti i frattali non si esprimono mediante forme primarie, bensì mediante “algoritmi”, cioè insiemi di procedure geometriche o algebriche, che vengono poi tradotte in immagini con i computer. Le curve algebriche piane possono essere “lineari”, come la retta, che viene descritta da un’equazione di primo grado; ci sono poi le curve “non lineari” descritte da equazioni di grado superiore (coniche, cubiche…). Analogamente i frattali possono essere lineari e non lineari. Nei frattali lineari gli algoritmi ci dicono come ingrandire, rimpicciolire o spostare la figura iniziale, che rimane sempre autosimile. Molto più ricchi di forme geometriche sono i frattali non lineari, tra i quali hanno particolare importanza quelli quadratici. Essi sono stati studiati a partire dal 1918 dal matematico francese G. Julia, e più recentemente da B. Mandelbrot. Secondo Mandelbrot nello studio delle curve piane appare una gerarchia di complessità crescenti: -al primo livello si collocano le curve regolari come la retta e la circonferenza, che localmente si confonde con la retta. A tale livello appartengono pure le curve classiche elementari. -al secondo livello possiamo porre le curve frattali classiche, nelle quali la complicazione non cambia quando ci avviciniamo: possono diventare più o meno complicate, ma c’è una invarianza della forma rispetto alla distanza. Abbiamo allora una dimensione frattale che è compresa tra 1 e 2, e tale dimensione rimane la stessa quando ci avviciniamo alla curva. - al terzo livello troviamo l’insieme di Mandelbrot: quando ci avviciniamo sempre di più riconosciamo in alcuni particolari ciò che si osserva globalmente. Però abbiamo un costante aumento della complessità, e possiamo dire che il caos aumenta, ma esso ha una struttura ordinata, perché descrivibile matematicamente. Infine, al quarto livello tutto è davvero caotico e se ci avviciniamo non si scorge più nei dettagli ciò che si vedeva globalmente, ma si osservano delle cose nuove e impreviste. Possiamo quindi concludere che il livello più semplice era quello studiato dalla geometria elementare. Il secondo livello è di grande importanza nelle applicazioni perché si riscontra facilmente in natura.Il terzo livello è quello dell’insieme di Mandelbrot, ed il quarto corrisponde al caos più completo ed incontrollabile. Con questa classificazione si passa da ciò che è semplice e regolare a quello che risulta estremamente caotico, ed emergono allora le categorie di fondo del pensiero scientifico, cioè il rapporto locale-globale e ordine-caos. Mandelbrot arriva alla inattesa conclusione che questi oggetti che venivano considerati “mostruosi” sono in effetti ciò che osserviamo in natura. Queste forme di ordine entro il caos possono essere formalizzate con i metodi della geometria frattale.
Per una trattazione più esauriente sui frattali rimandiamo alla mostra I frattali: un mondo autosomigliante? ancora in esposizione presso il Museo di Informatica e Storia del Calcolo con la relazione, ad esclusione degli approfondimenti, scaricabile dal sito internet www.museoinformatica.it TAVOLE (delle curve con equazioni)TAV 1: asteroide, bicorno, cardioide, ovale cartesiana TAV 2: ovale di Cassini, curva di Cayley, cerchio, cissoide di Diocle TAV 3: concoide, concoide di Sluze, cicloide, curva del diavolo TAV 4: doppio folium, curva di Durer, curva a otto, ellisse TAV 5: epicicloide, epitrocoide, spirale equiangolare, spirale di Fermat TAV 6: folium, folium di Descartes, nefroide di Freeth, curva di frequenza TAV 7: iperbole, spirale iperbolica, ipocicloide, ipotrocoide TAV 8: involuta di un cerchio, curva di Eudosso, curva a K, curva di Lamé TAV 9: lemniscata di Bernoulli, curva di Pascal, curve di Lissajous, lituo TAV10:parabola di Neile, nefroide, parabole divergenti di Newton, parabola TAV11:perla di Sluze, curva a pera, curva plateau, curva pursuit TAV12:quadratrix di Ippia, curve rodonee, strofoide destra, serpentina TAV13:spirali sinusoidali, spirale di Archimede, spiric sections, linea retta TAV14:curva di Talbot, tricuspide, tridente di Newton, trifoglio TAV15:trisettrice di Maclaurin, cubica di Tschirnhaus, curva di Watt, versiera(strega di Agnesi) BIBLIOGRAFIA- Curve piane speciali algebriche e trascendenti, teoria e storia di G.Loria-MI-Hoepli,1930,2 voll - Le curve celebri di L. Cresci, MI, Aries, 1998 -
A
book of curves di E.H. Lockwood, Cambridge University Press, 1961 -Gli oggetti frattali, forma, caso e dimensione di B.B. Mandelbrot, TO, Einaudi, 1987 SITI INTERNETwww.best.com/-xah/specialplanecurves_dir/ www.history.mcs.st-and.ac.uk/-history/curves/curves.html a cura del prof.
Renzo Baldoni, direttore del Museo |