Didattica della Matematica per il triennio Geometria sintetica e geometria analitica

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1 Didattica della Matematica per il triennio Geometria sintetica e geometria analitica anno acc. 2012/2013 Univ. degli Studi di Milano Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 1 / 22

2 index Coniche come curve algebriche di ordine due 1 Coniche come curve algebriche di ordine due 2 Classificazione euclidea metrica, euclidea simile, e affine delle Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 2 / 22

3 Coniche come curve algebriche di ordine due Luogo, non insieme Piano euclideo E 2, coordinate (x, y). Conica = luogo del secondo ordine, descritto da f (x, y) = a 1,1 x 2 + 2a 1,2 xy + a 2,2 y 2 + 2a 1,3 x + 2a 2,3 y + a 3,3 = 0 con f polinomio di secondo grado (cioè (a 1,1, a 1,2, a 2,2 ) (0, 0, 0)). Insieme degli zeri del polinomio f, Z(f ) = {p (x, y) f (x, y) = 0}. Ovviamente, per ρ 0, si ha Z(ρf ) = Z(f ) : conta l equazione, non il polinomio. La conica definita da f viene identificata a quella definita da ρf. Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 3 / 22

4 Coniche come curve algebriche di ordine due Conica Γ = coppia (Z(f ), f ), (o meglio, classe di equivalenza di coppie del tipo (Z(f ), f ), modulo la relazione che identifica (Z(ρf ), ρf ) con (Z(f ), f ), se ρ 0.) Può accadere che sia Z(f 1 ) = Z(f 2 ), con f 1 non proporzionale a f 2, (ad esempio nel caso x 2 = 0 e x = 0, oppure nel caso x 2 + y 2 = 0 e 2x 2 + 3y 2 = 0). In tale caso bisogna tenere distinte le coppie Γ 1 = (Z(f 1 ), f 1 ) e Γ 2 = (Z(f 2 ), f 2 ). Sono due distinte, con lo stesso insieme degli zeri. La conica si dice riducibile se il polinomio f lo è (in C). Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 4 / 22

5 Coniche come curve algebriche di ordine due Matrice associata f (x, y) = a 1,1 x 2 + 2a 1,2 xy + a 2,2 y 2 + 2a 1,3 x + 2a 2,3 y + a 3,3 = ( x y 1 ) ( a1,1 a 1,2 a 1,3 a 1,2 a 2,2 a 2,3 a 1,3 a 2,3 a 3,3 ) ( xy A matrice simmetrica, matrice dei coefficienti della conica. 1 ) = 0 TEOREMA - Γ = (Z(f ), f ) è riducibile se e solo se det(a) = 0. traccia della dimostrazione Sappiamo che (a 1,1, a 1,2, a 2,2 ) (0, 0, 0). Se a 1,1 = a 2,2 = 0, allora a 1,2 0 e l equazione diventa 2x(a 1,2 y + a 1,3 ) + 2a 2,3 y + a 3,3 = 0, Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 5 / 22

6 Coniche come curve algebriche di ordine due per cui f è riducibile se e solo se 2(a 1,2 y + a 1,3 ) = ρ(2a 2,3 y + a 3,3 ) ovvero se e solo se a 1,2 a 3,3 2a 1,3 a 2,3 0, e questo accade se e solo se ( 0 a1,2 a 1,3 ) det( a 1,2 a 1,3 0 a 2,3 a 2,3 a 3,3 ) = a 1,2 (2a 1,3 a 2,3 a 1,2 a 3,3 ) = 0. Se invece, ad esempio, a 2,2 0, allora l equazione diviene a 2,2 y 2 + 2(a 1,2 x + a 2,3 )y + (a 1,1 x 2 + 2a 1,3 x + a 3,3 ) = 0 Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 6 / 22

7 Coniche come curve algebriche di ordine due che si spezza in a 2,2 (y α)(y β) = 0 con α, β polinomi, se e solo se 4 = (a 1,2x + a 2,3 ) 2 a 2,2 (a 1,1 x 2 + 2a 1,3 x + a 3,3 ) = (a 2 1,2 a 1,1a 2,2 )x 2 + 2a 1,2 a 2,3 a 2,2 a 1,3 x + (a 2 2,3 a 2,2a 3,3 ) è un quadrato perfetto, ovvero se e solo se 0 = (a 1,2 a 2,3 a 2,2 a 1,3 ) 2 (a 2 1,2 a 1,1a 2,2 )(a 2 2,3 a 2,2a 3,3 ) = a 2,2 det(a) quindi (essendo a 2,2 0) se e solo se det(a) = 0. Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 7 / 22

8 index 1 Coniche come curve algebriche di ordine due 2 Classificazione euclidea metrica, euclidea simile, e affine delle Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 8 / 22

9 Invarianti ortogonali Γ E 2 conica di equazione f (x, y) = a 1,1 x 2 +2a 1,2 xy+a 2,2 y 2 +2a 1,3 x+2a 2,3 y+a 3,3 = ( x y 1 ) A ( xy 1 ) = Consideriamo le seguenti quantità estratte da A. I 1 (A) = a 1,1 + a 2,2, I 2 (A) = a 1,1 a 2,2 a 2 1,2, I 3(A) = det(a). Se si considera, come polinomio che definisce Γ, il polinomio ρf in luogo di f, la matrice associata diviene ρa in luogo di A e le quantità sopra definite si trasformano in I 1 (ρa) = ρi 1 (A), I 2 (ρa) = ρ 2 I 1 (A), I 3 (ρa) = ρ 3 I 1 (A). Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 9 / 22

10 Consideriamo ora una traslazione definita da (x = x + a, y = y + b) oppure una rotazione con centro nell origine definita da (x = x cos(θ) y sin(θ), y = x sin(θ) + y cos(θ)) e il polinomio trasformato f (x, y ) = f (x, y). Detta A la matrice associata a f, si ha I 1 (A ) = I 1 (A), I 2 (A ) = I 2 (A), I 3 (A ) = I 3 (A). Le quantità I 1 (A), I 2 (A) e I 3 (A) vengono detti invarianti ortogonali, rispettivamente, lineare, quadratico e cubico di f. Il gruppo delle congruenze (dirette) è generato da traslazioni e rotazioni attorno all origine. L annullarsi di I i (A), per i = 1, 2, 3, il segno di I 2 (A), e il segno del prodotto I 1 (A)I 3 (A), esprimono proprietà di Γ (non solo di f ) invarianti per congruenze (dirette). Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 10 / 22

11 Il caso I 2 (A) 0 OSSERVAZIONE - Se I 2 (A) 0, esiste una traslazione (della forma (x = x + a, y = y + b)) che riduce l equazione di Γ nella forma ( ) a 1,1x 2 + 2a 1,2x y + a 2,2y 2 + a 3,3 = 0. Infatti la condizione a 1,3 = a 2,3 = 0, corrisponde a a 1,1 a + a 1,2 b + a 1,3 = 0, a 1,2 a + a 2,2 b + a 2,3 = 0 e quest ultimo è un sistema di due equazioni in due incognite che, per l ipotesi I 2 (A) 0, è Crameriano. Si noti che questo ci dice che I 2 (A) 0 implica l esistenza di un centro di simmetria. OSSERVAZIONE - Sia Γ una conica di equazione ( ). Esiste una rotazione (della forma (x = x cos(θ) y sin(θ), y = x sin(θ) + y cos(θ))) che riduce l equazione di Γ nella forma ( ) a 1,1x 2 + a 2,2y 2 + a 3,3 = 0. Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 11 / 22

12 Infatti la condizione a 1,2 = 0, corrisponde alla equazione ovvero a 1,2sin 2 (θ) (a 1,1 a 2,2)sin(θ)cos(θ) + a 1,2cos 2 (θ) = 0 a 1,2tang 2 (θ) + (a 1,1 a 2,2)tang(θ) a 1,2 = 0 che ha soluzione poichè il suo disciminante è non negativo (come somma di quadrati). Quanto visto sopra mostra che ogni conica con I 2 0 (conica a centro), è congruente ad ( una di equazione ) a 1,1 x 2 + a 2,2 y 2 + a 3,3 = 0, cioè con a1,1 0 0 matrice A = 0 a 2,2 0, con a 1,1, a 2,2 0, (i cui con invarianti 0 0 a 3,3 ortogonali sono I 1 = a 1,1 + a 2,2, I 2 = a 1,1 a 2,2, I 3 = a 1,1 a 2,2 a 3,3 ). Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 12 / 22

13 Classificazione delle con I 2 0 (ovvero a centro) A) Caso riducibile (I 3 = 0) A 1 ) p 2 x 2 + q 2 y 2 = 0 (I 2 > 0, coppia di rette immaginarie coniugate) A 2 ) p 2 x 2 q 2 y 2 = 0 (I 2 < 0, coppia di rette reali distinte) B) Caso irriducibile (I 3 0) B 1 ) x2 a 2 + y2 b 2 B 2 ) x2 a 2 + y2 b 2 B 3 ) x2 a 2 y2 b 2 = 1 (I 2 > 0, I 1 I 3 < 0, ellisse reale) = 1 (I 2 > 0, I 1 I 3 > 0, ellisse immaginaria) = 1 (I 2 < 0, iperbole) Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 13 / 22

14 Il caso I 2 (A) = 0 OSSERVAZIONE - Se I 2 (A) = 0, la parte quadratica a 1,1 x 2 + 2a 1,2 xy + a 2,2 y 2 di f è un quadrato perfetto. Sia a 1,1 x 2 + 2a 1,2 xy + a 2,2 y 2 = (αx + βy) 2. Con una rotazione si trasforma la retta di equazione αx + βy = 0 nell asse delle ascisse, per cui l equazione della conica si trasforma in (ky ) 2 + 2a 1,3 x + 2a 2,3 y + a 3,3 = 0, con k 0 ovvero y 2 + 2a 1,3 x + 2a 2,3 y + a 3,3 = 0, e quindi la matrice associata diviene 0 o a 1,3 A = 0 1 a 2,3 a 1,3 a 2,3 a 3,3. Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 14 / 22

15 Classificazione delle con I 2 = 0 C) Caso riducibile (I 3 = 0) I 3 = 0 se e solo se a 1,3 = 0, quindi in questo caso l equazione della conica trasformata è y 2 + 2a 2,3 y + a 3,3 = 0, e pertanto la conica è costituita da C 1 ) due rette parallele C 2 ) insieme vuoto (due fattori lineari complessi coniugati) C 3 ) due rette coincidenti Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 15 / 22

16 D) Caso irriducibile (I 3 0) Se I 3 0, ovvero a 1,3 0, con una traslazione l equazione y 2 + 2a 1,3 x + 2a 2,3 y + a 3,3 = 0, si trasforma in y 2 2px = 0, con p 0, e pertanto D) la conica è una parabola. Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 16 / 22

17 Classificazione euclidea metrica Ogni conica è congruente ad una tra le seguenti (forme canoniche) B 1 ) x2 a 2 + y2 b 2 = 1 (I 3 0, I 2 > 0, I 1 I 3 < 0, ellisse reale) B 2 ) x2 vuoto) + y2 a 2 b 2 = 1 (I 3 0, I 2 > 0, I 1 I 3 > 0, ellisse immaginaria: insieme B 3 ) x2 a 2 y2 b 2 = 1 (I 3 0, I 2 < 0, iperbole) D) y 2 2px = 0 (I 3 0, I 2 = 0, parabola) A 1 ) p 2 x 2 + q 2 y 2 = 0 (I 3 = 0, I 2 > 0, coppia di rette immaginarie: un solo punto reale) Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 17 / 22

18 A 2 ) p 2 x 2 q 2 y 2 = 0 (I 3 = 0, I 2 < 0, coppia di rette reali incidenti) C 1 ) x 2 a 2 = 0 (I 3 = 0, I 2 = 0 coppia di due rette reali parallele) C 2 ) x 2 + a 2 = 0 (I 3 = 0, I 2 = 0 coppia di rette immaginarie: insieme vuoto) C 3 ) x 2 = 0 (I 3 = 0, I 2 = 0, retta doppia) N.B. Due che appartengono a famiglie diverse, tra le B1), B2),..., C 3 sopra elencate, non sono equivalenti dal punto di vista euclideo. Due di una stessa famiglia, con valori diversi dei parametri coinvolti, in alcuni casi, possono essere equivalenti: ad esempio l ellisse di equazione x2 a 2 + y2 b 2 = 1 è congruente a quello di equazione x2 b 2 + y2 a 2 = 1. Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 18 / 22

19 Classificazione euclidea simile Dal punto di vista simile, la classificazione è ovviamente ancora meno fine: ad esempio due ellissi di equazioni x2 + y2 = 1 e x2 + y2 = 1 sono simili se e a 2 b 2 c 2 d 2 solo se a b = c d oppure a b = d c (cioè se e solo se hanno lo stesso rapporto tra semiasse maggiore e minore: hanno la stessa forma). Dal punto di vista simile tutte le parabole sono equivalenti: l omotetia di equazioni y = y a, x = x a trasforma y = x2 in y = ax 2. Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 19 / 22

20 Nessuno direbbe che la circonferenza rossa è più stretta della circonferenza blu. Tutte le circonferenze hanno la stessa forma. Lo stesso accade per le parabole: hanno tutte la stessa forma! Dal punto di vista metrico, quello che cambia è la curvatura. Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 20 / 22

21 Classificazione affine Sia Γ una conica nel piano affine A 2. Con le trasformazioni usate per la classificazione metrica (che sono congruenze e quindi affinità) l equazione di Γ si riduce ad una delle forme viste sopra. Con un ulteriore affinità della forma (x = ax, y = by ), l equazione della conica si riduce ad una delle seguenti: x 2 + y 2 = 1 ellisse reale x 2 + y 2 = 1 ellisse immaginaria x 2 y 2 = 1 iperbole y 2 2x = 0 parabola x 2 y 2 = 0 coppia di rette reali incidenti x 2 + y 2 = 0 coppia di rette immaginarie incidenti in un punto reale x 2 1 = 0 coppia di rette reali parallele x = 0 coppia di rette immaginarie parallele x 2 = 0 retta doppia Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 21 / 22

22 Classificazione proiettiva Dal punto di vista proiettivo, esistono solo 5 tra loro distinte: 1 conica reale irrducibile 2 conica immaginaria irriducibile 3 due rette reali distinte 4 due rette immaginarie distinte (conplesse coniugate) 5 retta doppia Cristina Turrini (Univ. degli Studi di Milano) Didattica della Matematica per il triennio 22 / 22