Costruzioni con riga e compasso - Università degli Studi di Ferrara
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Costruzioni con riga e compasso Fabio Stumbo Dipartimento di Matematica Università di Ferrara Ferrara, I f.stumbo@unife.it
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<strong>Costruzioni</strong> <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong><br />
Fabio Stumbo<br />
Dipartimento <strong>di</strong> Matematica<br />
<strong>Università</strong> <strong>di</strong> <strong>Ferrara</strong><br />
<strong>Ferrara</strong>, I<br />
f.stumbo@unife.it
INDICE 2<br />
In<strong>di</strong>ce<br />
1 Note storiche 3<br />
2 <strong>Costruzioni</strong> fondamentali 8<br />
2.1 Definizione e notazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
2.2 Operazioni elementari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11<br />
2.3 Operazioni aritmetiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14<br />
3 Risultati principali 18<br />
4 Proprietà geometriche 23<br />
5 Inversione rispetto ad un cerchio dato 29<br />
6 <strong>Costruzioni</strong> <strong>con</strong> il solo <strong>compasso</strong> 38<br />
6.1 <strong>Costruzioni</strong> fondamentali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38<br />
6.2 Teorema <strong>di</strong> Mascheroni–Mohr . . . . . . . . . . . . . . . . . 45<br />
6.3 Dimostrazione alternativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />
7 Il problema <strong>di</strong> Apollonio 52<br />
7.1 PRR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />
7.2 CCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />
8 Altre costruzioni 60<br />
A Proprietà dell’inversione 67<br />
A.1 Inversione <strong>di</strong> rette e cerchi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />
A.2 Invarianza <strong>degli</strong> angoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />
A.3 Inversioni varie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70<br />
Riferimenti bibliografici 73<br />
In<strong>di</strong>ce analitico 74
1 NOTE STORICHE 3<br />
1 Note storiche<br />
I problemi <strong>di</strong> costruzioni <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> sono stati un argomento<br />
chiave nella matematica greca, e quin<strong>di</strong> in tutta la matematica fino a tempi<br />
recenti: la soluzione <strong>di</strong> alcuni problemi classici, tramandatici dai greci, ha<br />
dato un forte impulso per lo sviluppo <strong>di</strong> nuove <strong>di</strong>scipline della matematica<br />
moderna come, ad esempio, la teoria dei campi.<br />
Eseguire una costruzione <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> vuol <strong>di</strong>re, in parole povere,<br />
determinare oggetti geometrici a partire da altri oggetti dati, utilizzando<br />
come unici strumenti la <strong>riga</strong> ed il <strong>compasso</strong>.<br />
Naturalmente, ciò già richiede un primo livello <strong>di</strong> astrazione: le figure<br />
che noi possiamo tracciare sono inevitabilmente approssimative. Si pensi,<br />
ad esempio, allo spessore del tratto lasciato dalla matita: una retta, o un<br />
segmento, se<strong>con</strong>do i greci deve essere formato da “punti” che sono, per<br />
definizione stessa, in<strong>di</strong>visibili. Quel che però è importante, non è il <strong>di</strong>segno<br />
in sè quanto la correttezza del proce<strong>di</strong>mento che descriveremo: se <strong>di</strong>remo<br />
che un tale segmento è lungo 5 unità, all’interno della nostra costruzione<br />
ciò avrà un valore esatto, anche se nella pratica il segno tracciato sarà 5<br />
più o meno qualcosa.<br />
Un’altra precisazione necessaria riguarda gli strumenti da utilizzare.<br />
Con <strong>riga</strong> non si intende uno strumento per misurare o segnare <strong>di</strong>stanze, ma<br />
sempre e soltanto un’asta rigida che permetta solo <strong>di</strong> tracciare una retta,<br />
che sarà sempre determinata da due punti che le appartengono. Un’osservazione<br />
più delicata, e spesso sorvolata, riguarda il <strong>compasso</strong>. Si tende ad<br />
utilizzare il <strong>compasso</strong>, tacitamente, come uno strumento “rigido” mentre<br />
invece, almeno in principio, è da <strong>con</strong>siderarsi “molle”. Spieghiamo meglio<br />
questa sottile, ma delicata, <strong>di</strong>fferenza. Il <strong>compasso</strong> è utilizzato per <strong>di</strong>segnare<br />
delle cir<strong>con</strong>ferenze. Una cir<strong>con</strong>ferenza è determinata dal suo centro<br />
e da un punto su <strong>di</strong> essa: si punta il <strong>compasso</strong> nel centro, si apre fino a<br />
raggiungere <strong>con</strong> la matita del <strong>compasso</strong> il punto della cir<strong>con</strong>ferenza e si<br />
traccia la cir<strong>con</strong>ferenza. Questo è il <strong>compasso</strong> “molle”. Più spesso, però, la<br />
cir<strong>con</strong>ferenza è determinata assegnandone il centro ed il raggio. Il problema<br />
è allora <strong>di</strong> andare a rilevare tale lunghezza <strong>con</strong> il <strong>compasso</strong> (ricor<strong>di</strong>amo che<br />
la <strong>riga</strong> non permette <strong>di</strong> misurare le <strong>di</strong>stanze) e poi trasportare il <strong>compasso</strong><br />
fino a poter puntare nel centro e tracciare <strong>con</strong> l’apertura determinata.<br />
In questo proce<strong>di</strong>mento si presuppone che il <strong>compasso</strong> sia “rigido”, vale a<br />
<strong>di</strong>re che sia in grado <strong>di</strong> mantenere inalterata, in modo perfetto, l’apertura<br />
impostata.<br />
È evidente come questa sia una restrizione rispetto all’uso del<br />
<strong>compasso</strong> nel modo più abituale. Se quin<strong>di</strong> si vuole restare nella massima<br />
generalità possibile, bisogna solo <strong>con</strong>siderare il <strong>compasso</strong> “molle”; ad ogni<br />
modo, il problema si aggira facilmente <strong>di</strong>mostrando come prima cosa che<br />
utilizzando <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> “molle” è possibile costruire una cir<strong>con</strong>ferenza<br />
una volta che siano assegnati il centro ed un segmento qualsiasi del piano
1 NOTE STORICHE 4<br />
che funga da raggio, autorizzando in questo modo un utilizzo accettabile<br />
all’interno della teoria del <strong>compasso</strong> “rigido”.<br />
Fra i vari problemi <strong>con</strong>siderati dai greci ve ne sono alcuni che si <strong>di</strong>stinguono<br />
per la brillantezza e l’abilità necessaria per arrivare alla soluzione<br />
e altri per la <strong>di</strong>fficoltà della soluzione stessa, fino ad arrivare a quelli che<br />
hanno impegnato per secoli, se non millenni, generazioni <strong>di</strong> matematici,<br />
portando a soluzioni talvolta sorprendenti.<br />
Un problema classico è il cosiddetto problema <strong>di</strong> <strong>con</strong>tatto <strong>di</strong> Apollonio<br />
(circa 250 a.C.): sono date nel piano tre cir<strong>con</strong>ferenze arbitrarie e si chiede<br />
<strong>di</strong> tracciare una quarta cir<strong>con</strong>ferenza tangente a tutte e tre. Di questo<br />
problema, poi, esistono parecchie varianti, perché si ammette che una o più<br />
delle cir<strong>con</strong>ferenze date possa degenerare ad un punto o ad una retta. Per<br />
esempio, nel caso in cui tutte e tre le cir<strong>con</strong>ferenza degenerano ad un punto<br />
si deve determinare una cir<strong>con</strong>ferenza passante per tre punti dati: questo<br />
è, naturalmente, il caso più facile tra tutti. I casi particolari sono in genere<br />
non troppo <strong>di</strong>fficili, ma il caso generale è notevolmente più <strong>di</strong>fficile.<br />
Altri problemi classici e famosissimi (anzi, in un certo senso, “i” problemi<br />
classici) tramandatici dai greci, sono la duplicazione del cubo, la<br />
trisezione dell’angolo e la quadratura del cerchio. A questi possiamo senz’altro<br />
aggiungere il problema <strong>di</strong> determinare una costruzione del poligono<br />
regolare <strong>di</strong> n lati, dove n è un intero maggiore o uguale a 3. Per quest’ultimo<br />
problema la soluzione era nota fin dall’antichità per alcuni valori<br />
particolari, come per esempio n = 3, 4, 5, 6.<br />
Come già sottolineato, la soluzione <strong>di</strong> tali problemi ammette solo l’uso<br />
della <strong>riga</strong> e del <strong>compasso</strong>: includendo l’uso <strong>di</strong> altri strumenti si allarga notevolmente<br />
il campo delle figure costruibili. Del resto, è naturale aspettarsi<br />
che l’insieme delle figure costruibili aumenti all’aumentare <strong>degli</strong> strumenti<br />
ammissibili: già i greci, per esempio, avevano risolto il problema della<br />
duplicazione del cubo in più mo<strong>di</strong> <strong>di</strong>versi, usando vari strumenti.<br />
Per <strong>con</strong>tro, come ha sorprendentemente <strong>di</strong>mostrato Mascheroni, ogni<br />
costruzione eseguibile <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> può essere eseguita col solo <strong>compasso</strong>.<br />
Naturalmente, non sarà possibile tracciare materialmente una retta,<br />
ma la si dovrà <strong>con</strong>siderare nota tramite due suoi punti. Osserviamo, per<br />
amor <strong>di</strong> precisione, che questo risultato comunemente attribuito a Mascheroni<br />
è stato <strong>di</strong>mostrato in realtà per la prima volta dal matematico danese<br />
Georg Mohr che lo pubblicò nel libro Euclides Danicus nel 1672. Tale libro<br />
però venne pubblicato solo in danese ed olandese e rimase sostanzialmente<br />
s<strong>con</strong>osciuto alla comunità fino al 1928, quando uno studente <strong>di</strong> matematica<br />
ne trovò una copia in un negozio <strong>di</strong> libri usati e venne <strong>di</strong>vulgato.<br />
Se invece si cerca un “analogo” del risultato <strong>di</strong> Mascheroni-Mohr relativamente<br />
all’uso della sola <strong>riga</strong>, ci si <strong>con</strong>vince subito che ciò non è possibile:<br />
usando solo la <strong>riga</strong> si possono costruire solo curve lineari (i.e., rette) e,<br />
col linguaggio che useremo nella <strong>di</strong>mostrazione del teorema, le intersezioni
1 NOTE STORICHE 5<br />
restano all’interno del campo <strong>di</strong> definizione delle curve. Ciò che invece è<br />
possibile, come ha <strong>di</strong>mostrato Jacob Steiner nel 1833, è che tutte le costruzioni<br />
<strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> sono effettuabili <strong>con</strong> la sola <strong>riga</strong> a patto che sia<br />
data anche una cir<strong>con</strong>ferenza (fissa) <strong>con</strong> il suo centro. Non è però possibile<br />
prescindere dal centro: se è data solo la cir<strong>con</strong>ferenza senza il centro, non<br />
si possono più effettuare tutte le costruzioni.<br />
I problemi classici sono stati accanitamente stu<strong>di</strong>ati per secoli, e senza<br />
risultati, al punto da entrare ad<strong>di</strong>rittura nel lessico quoti<strong>di</strong>ano: basti pensare<br />
che quando si <strong>di</strong>ce che si affronta qualcosa <strong>di</strong> <strong>di</strong>fficilissimo si <strong>di</strong>ce che<br />
si sta cercando <strong>di</strong> “quadrare il cerchio” (ciò, in realtà, ha anche originato<br />
delle incomprensioni tra i matematici e i non matematici, come vedremo).<br />
Dopo lungo tempo <strong>di</strong> tentativi infruttuosi, ha iniziato ad insinuarsi l’idea,<br />
tra i matematici, che tali problemi fossero irrisolubili. Si affacciò dunque<br />
un problema <strong>di</strong>verso: come si può <strong>di</strong>mostrare che una data costruzione<br />
non possa essere eseguita?<br />
Per arrivare a stu<strong>di</strong>are la risolubilità o meno dei problemi classici fu<br />
però necessario aspettare che venissero gettate le fondamenta per l’algebra<br />
moderna. Anche in algebra vi era, in particolare, un problema antico che<br />
attirava l’attenzione <strong>degli</strong> stu<strong>di</strong>osi: si trattava <strong>di</strong> determinare le soluzioni <strong>di</strong><br />
un polinomio utilizzando solo espressioni che <strong>con</strong>tenessero dei ra<strong>di</strong>cali. La<br />
soluzione <strong>di</strong> questo problema era ben nota da lungo tempo per le equazioni<br />
<strong>di</strong> grado 2 e nel XVI secolo si era scoperto che esiste una soluzione per le<br />
equazioni <strong>di</strong> terzo e quarto grado. Ciò aveva dato nuovo vigore alle ricerche<br />
finché i lavori <strong>di</strong> Ruffini (1765-1822), Abel (1802-29) (per le equazioni <strong>di</strong><br />
quinto grado), e Galois (1811-32) (per la teoria generale relativa alle equazioni<br />
<strong>di</strong> grado superiore al quinto) non <strong>con</strong>clusero la questione <strong>di</strong>mostrando<br />
che, in generale, non è possibile determinare un’espressione che <strong>con</strong>tenga<br />
solo ra<strong>di</strong>cali e che <strong>di</strong>a tutte le ra<strong>di</strong>ci <strong>di</strong> un polinomio avente grado fissato,<br />
se questo grado è maggiore o uguale a 5. Ciò comunque non vuol <strong>di</strong>re che<br />
il polinomio non abbia ra<strong>di</strong>ci: Gauss aveva già <strong>di</strong>mostrato, nella sua tesi<br />
<strong>di</strong> laurea nel 1799, che ogni polinomio <strong>di</strong> grado n ha esattamente n ra<strong>di</strong>ci<br />
nel campo dei numeri complessi. Tali ra<strong>di</strong>ci possono essere determinate<br />
<strong>con</strong> un grado arbitrario <strong>di</strong> precisione me<strong>di</strong>ante meto<strong>di</strong> <strong>di</strong> approssimazione<br />
opportuni, e ciò ha grande importanza nelle applicazioni, ma non possono<br />
essere determinate in modo esatto tramite ra<strong>di</strong>cali.<br />
La teoria utilizzata per ottenere questo risultato risultò molto efficace<br />
anche per stu<strong>di</strong>are i problemi <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong>. Efficace al punto tale<br />
che, in colpo solo, quasi tutti i problemi principali furono risolti!!! Questo,<br />
tra l’altro, è un bellissimo esempio dell’inter<strong>di</strong>pendenza che hanno tra loro<br />
le varie <strong>di</strong>scipline matematiche (algebra, geometria, analisi, ecc.): spesso i<br />
problemi sollevati nell’ambito <strong>di</strong> una <strong>di</strong>sciplina trovano soluzione in un’altra<br />
<strong>di</strong>sciplina, oppure servono da motivazione per lo sviluppo <strong>di</strong> <strong>di</strong>scipline<br />
completamente nuove (nella matematica moderna, un esempio mirabile <strong>di</strong>
1 NOTE STORICHE 6<br />
ciò lo si ha <strong>con</strong> il Teorema <strong>di</strong> Fermat, che ha dato impulso, negli ultimi<br />
decenni, allo sviluppo <strong>di</strong> settori completamente nuovi).<br />
Tornando alle costruzioni <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong>, iniziamo col <strong>con</strong>siderare<br />
il problema <strong>di</strong> costruire il poligono regolare <strong>con</strong> n lati. I greci sapevano<br />
già costruire i poligoni regolari <strong>con</strong> 3, 4 e 5 lati. Dato che era noto come<br />
bisecare un angolo, a partire da questi era possibile costruire i poligoni<br />
regolari <strong>con</strong> un numero <strong>di</strong> lato pari a 2n , 3 · 2n e 5 · 2n . Inoltre, dato che<br />
24 = 2 · 12 = 2 · (72 − 60), si potevano anche costruire tutti i poligoni<br />
regolari <strong>con</strong> 15 ·2n lati. A parte questi valori ben noti ai greci, nessun altro<br />
risultato era stato raggiunto nel corso dei secoli. Fu Gauss il primo a dare<br />
un nuovo esempio: a 18 anni <strong>di</strong>mostrò la costruibilità, <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong>,<br />
del poligono regolare <strong>di</strong> 17 lati, e si <strong>di</strong>ce che questa scoperta lo <strong>con</strong>vinse che<br />
la matematica avrebbe dovuto essere il suo mestiere. Dopo la sua morte a<br />
Gottinga gli fu eretta una statua avente, come base, un poligono regolare<br />
<strong>di</strong> 17 lati. In seguito, Gauss <strong>di</strong>mostrò che un poligono regolare <strong>con</strong> p lati,<br />
<strong>con</strong> p numero primo <strong>di</strong>spari, è costruibile se p è un primo <strong>di</strong> Fermat, vale<br />
a <strong>di</strong>re n = 22m + 1 per qualche intero m. Gauss affermò anche il viceversa,<br />
ma non si trovò tra le sue carte una <strong>di</strong>mostrazione <strong>di</strong> ciò, <strong>di</strong>mostrazione<br />
che fu data da Wantzel. Infine, utilizzando i risultati <strong>di</strong> Galois, fu possibile<br />
<strong>di</strong>mostrare che il poligono regolare <strong>di</strong> n lati (<strong>con</strong> n primo) è costruibile se,<br />
e solo se, n = 2mp1 . . .ps, <strong>con</strong> pi primi <strong>di</strong> Fermat <strong>di</strong>stinti.<br />
I “primi <strong>di</strong> Fermat” son chiamati in questo modo in quanto Fermat<br />
notò che per m = 0, 1, 2, 3, 4 tale intero è un primo e <strong>con</strong>getturò che fosse<br />
primo per ogni valore <strong>di</strong> m; ma già nel 1732 Eulero si accorse che n =<br />
225 + 1 = 6416700417 non è primo. Di più, tutti gli altri valori <strong>di</strong> m<br />
fino ad ora calcolati hanno dato numeri non primi, al punto che adesso<br />
la <strong>con</strong>gettura è esattamente opposta: si pensa che tali numeri siano primi<br />
solo per m = 0, 1, 2, 3, 4. Ad ogni modo, il problema geometrico è risolto:<br />
sono completamente caratterizzati quegli interi per cui il poligono regolare<br />
è costruibile anche se, <strong>di</strong> fatto, questi interi non sono completamente noti.<br />
Passiamo ora ai tre problemi classici dei greci.<br />
Il problema della duplicazione del cubo chiede <strong>di</strong> costruire un cubo che<br />
abbia volume doppio rispetto ad un cubo dato. La leggenda vuole che in<br />
occasione <strong>di</strong> una grande epidemia la peste si era <strong>di</strong>ffusa a Delo e i citta<strong>di</strong>ni,<br />
non trovando altro rime<strong>di</strong>o, si rivolsero all’oracolo <strong>di</strong> Delfi. La sentenza fu<br />
che per far cessare la peste si doveva costruire un altare grande il doppio <strong>di</strong><br />
quello <strong>con</strong>sacrato ad Apollo nell’isola <strong>di</strong> Delo. Tale altare era, per l’appunto,<br />
<strong>di</strong> forma cubica. Naturalmente tutti i tentativi fatti dai greci furono vani, a<br />
partire da quelli più ingenui come costruire un cubo <strong>di</strong> lato doppio (che dava<br />
un cubo <strong>con</strong> un volume uguale a 8 volte il volume originale) o come costruire<br />
un altare <strong>di</strong> volume effettivamente doppio <strong>di</strong> quello originale ma che non<br />
era più <strong>di</strong> forma cubica, essendo un parallelepipedo in cui un lato era lungo<br />
due volte quello originale e gli altri lati invece erano invariati. Il problema
1 NOTE STORICHE 7<br />
della duplicazione del cubo si riduce, numericamente, alla costruzione <strong>con</strong><br />
<strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> del numero 3√ 2: grazie alla teoria dei campi sappiamo che<br />
ciò è impossibile.<br />
Per quel che riguarda la trisezione dell’angolo, bisogna osservare che la<br />
risolubilità o meno del problema <strong>di</strong>pende dall’angolo <strong>con</strong>siderato: effettivamente,<br />
in alcuni casi particolari trisecare l’angolo dato è possibile, se non<br />
ad<strong>di</strong>rittura semplice, come per esempio nel caso <strong>degli</strong> angoli <strong>di</strong> 180 e 90<br />
gra<strong>di</strong>. D’altra parte, risolvere in generale il problema vuol <strong>di</strong>re che dato<br />
un qualsiasi angolo si deve avere una costruzione <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> che<br />
come risultato <strong>di</strong>a un angolo pari ad un terzo dell’angolo dato. Sempre utilizzando<br />
la teoria dei campi, si può <strong>di</strong>mostrare che nel caso dell’angolo <strong>di</strong> 60<br />
gra<strong>di</strong> non è possibile effettuare la trisezione usando solo <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong>.<br />
Infine, il problema più famoso: la quadratura del cerchio, vale a <strong>di</strong>re,<br />
dato un cerchio determinare un quadrato che abbia la sua stessa area. È<br />
evidente come ciò si riduca imme<strong>di</strong>atamente a costruire <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong><br />
il numero √ π. Per poter <strong>di</strong>mostrare che ciò è impossibile è stato necessario<br />
attendere che Lindemann nel 1882, riadattando la <strong>di</strong>mostrazione della<br />
trascendenza <strong>di</strong> e <strong>di</strong> Hermite, <strong>di</strong>mostrasse la trascendenza <strong>di</strong> π.<br />
Conclu<strong>di</strong>amo <strong>con</strong> un’osservazione sul <strong>con</strong>cetto <strong>di</strong> “impossibilità” <strong>di</strong> una<br />
<strong>di</strong>mostrazione. Spesso, nel linguaggio comune, si <strong>di</strong>ce che qualcosa è “impossibile”<br />
intendendo <strong>con</strong> ciò <strong>di</strong>re che sia “estremamente <strong>di</strong>fficile”, se non,<br />
ad<strong>di</strong>rittura, che sia così <strong>di</strong>fficile che nessuno sappia come fare. Quin<strong>di</strong><br />
cercare <strong>di</strong> fare qualcosa etichettata in tal modo come “impossibile” può<br />
essere <strong>con</strong>siderato come una sfida per il proprio ingegno, tramite la quale<br />
<strong>di</strong>mostrare la propria superiorità nei <strong>con</strong>fronti <strong>degli</strong> altri. Tale era la soluzione<br />
del problema della quadratura del cerchio prima della <strong>di</strong>mostrazione<br />
<strong>di</strong> Lindemann. Dopo tale <strong>di</strong>mostrazione, tuttavia, il termine “impossibile”<br />
ha preso il suo significato matematico: all’interno della teoria assiomatica<br />
che presupponiamo valere, <strong>di</strong>re che qualcosa è impossibile vuol <strong>di</strong>re che è<br />
stata <strong>di</strong>mostrata la falsità <strong>di</strong> una proposizione o, se si preferisce, la verità<br />
della sua negazione. Se quin<strong>di</strong> si riuscisse anche a <strong>di</strong>mostrare la verità della<br />
proposizione ciò vorrebbe <strong>di</strong>re che nella nostra teoria sarebbe possibile<br />
<strong>di</strong>mostrare sia una proposizione che la sua negazione: una catastrofe! Nonostante<br />
tutto questo, a tutt’oggi esistono ancora persone che si ingegnano <strong>di</strong><br />
scovare costruzioni della quadratura del cerchio che si rivelano, ovviamente,<br />
invariabilmente errate: spesso sono delle ottime, anzi eccellenti, approssimazioni,<br />
ma mai costruzioni esatte, naturalmente. Per trovare l’errore può<br />
essere necessario anche molto tempo, per cui può capitare che quando un<br />
aspirante “quadratore” sottopone alla comunità matematica internazionale<br />
una presunta quadratura del cerchio, la sua soluzione venga <strong>di</strong>rettamente<br />
inoltrata al... cestino! E a nulla valgono, né possono valere, le vibranti<br />
proteste dell’aspirante quadratore <strong>con</strong>tro la “lobby” dei matematici ufficiali<br />
che non vuole ri<strong>con</strong>oscere il suo genio!
2 COSTRUZIONI FONDAMENTALI 8<br />
2 <strong>Costruzioni</strong> fondamentali<br />
Iniziamo <strong>con</strong> in<strong>di</strong>viduare quelle che sono le operazioni <strong>di</strong> base: le regole fondamentali<br />
che si usano per qualunque altra costruzione e che verranno poi<br />
sempre utilizzate senza ulteriori riferimenti. Alla base <strong>di</strong> queste costruzioni<br />
ci sono le più elementari definizioni e proprietà geometriche come, ad esempio,<br />
il fatto che il luogo dei punti equi<strong>di</strong>stanti da due punti dati è la retta<br />
passante per il punto me<strong>di</strong>o del segmento in<strong>di</strong>viduato dai due punti e ad<br />
esso perpen<strong>di</strong>colare (il cosiddetto asse del segmento). Oppure, il fatto che<br />
la bisettrice <strong>di</strong> un angolo è il luogo dei punti equi<strong>di</strong>stanti da due semirette<br />
(uscenti da uno stesso punto) date. E così via, senza <strong>di</strong>menticare i teoremi<br />
fondamentali sui triangoli: proporzioni, similitu<strong>di</strong>ni, Euclide, Pitagora. . .<br />
2.1 Definizione e notazioni<br />
Inizieremo, come già osservato, supponendo che il <strong>compasso</strong> sia molle, vale<br />
a <strong>di</strong>re che non sia in grado <strong>di</strong> mantenere inalterata la sua apertura quando<br />
lo si trasporta a zonzo per il piano. Con esso è quin<strong>di</strong> possibile costruire<br />
una cir<strong>con</strong>ferenza solo una volta che ne siano dati il centro ed un suo punto.<br />
Appena possibile vedremo che, in realtà, usando il <strong>compasso</strong> molle e la <strong>riga</strong><br />
è possibile “simulare” il <strong>compasso</strong> rigido e quin<strong>di</strong>, a partire da quel punto<br />
in poi, faremo un uso libero del <strong>compasso</strong>: per definire una cir<strong>con</strong>ferenza<br />
andrà bene sia il centro ed un suo punto, che il centro ed un segmento<br />
qualsiasi che ne sia il raggio.<br />
Per prima cosa, cerchiamo <strong>di</strong> capire come si può passare a co<strong>di</strong>ficare in<br />
termini algebrici il <strong>con</strong>cetto <strong>di</strong> “costruzione <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong>”, in modo<br />
da poter tradurre un problema geometrico in uno algebrico, e viceversa.<br />
Per effettuare una costruzione <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> si effettua una successione<br />
<strong>di</strong> operazioni scelte tra quattro operazioni fondamentali. Le operazioni<br />
sono:<br />
1. <strong>con</strong>giungere due punti (già costruiti) <strong>con</strong> una retta;<br />
2. trovare il punto <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> due rette (già costruite);<br />
3. tracciare una cir<strong>con</strong>ferenza, dato il centro ed un suo punto;<br />
4. trovare i punti <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> una cir<strong>con</strong>ferenza <strong>con</strong> un’altra cir<strong>con</strong>ferenza<br />
(già costruita) o <strong>con</strong> una retta (già costruita).<br />
Una figura sarà determinata nel piano dai punti necessari a definirla:<br />
due punti per un segmento, 5 punti per un pentagono, i due fuochi ed i due<br />
assi per un’ellissi, eccetera.<br />
Una costruzione C è, per definizione, una successione <strong>di</strong> punti, rette e<br />
cir<strong>con</strong>ferenza {Γ0 = (0, 0), Γ1 = (1, 0), Γ2, . . .,Γm; Γm+1, . . .,Γn} in cui gli
2 COSTRUZIONI FONDAMENTALI 9<br />
elementi Γi, i ≤ m, sono dati mentre per ogni Γi, i > m, vale una delle<br />
seguenti <strong>con</strong><strong>di</strong>zioni:<br />
a. se Γi è un punto esso o è un punto già presente nella costruzione<br />
(uno dei Γh, <strong>con</strong> h < i) oppure esistono due curve <strong>di</strong>stinte Γh, Γk, <strong>con</strong><br />
h, k < i, tali che Γi sia uno dei loro punti <strong>di</strong> intersezione;<br />
b. se Γi è una retta esistono due punti <strong>di</strong>stinti Γh, Γk, <strong>con</strong> h, k < i, tali<br />
che Γi sia la retta che li unisce;<br />
c. se Γi è una cir<strong>con</strong>ferenza esistono due punti Γh, Γk, <strong>con</strong> h, k < i, tali<br />
che Γi sia la cir<strong>con</strong>ferenza <strong>con</strong> centro Γh e raggio ΓhΓk (questo, si<br />
osservi, è il <strong>compasso</strong> molle).<br />
Un punto P = (α, β) del piano è detto costruibile a partire da C =<br />
{Γ0, . . . , Γm} se esiste una costruzione C ′ = {Γ0, . . .,Γm; Γm+1, . . .,Γn} in<br />
cui esso compaia. P è semplicemente detto costruibile nel caso in cui C sia<br />
formata solo dal segmento unitario: C = {(0, 0), (1, 0)}. Il numero complesso<br />
z = α + iβ si <strong>di</strong>ce costruibile se è costruibile il punto (α, β) oppure equivalentemente<br />
(come vedremo) se lo sono i punti (α, 0) e (0, β). Osserviamo<br />
che i numeri reali vengono <strong>con</strong>siderati come caso particolare dei complessi:<br />
a = a+i·0 è quin<strong>di</strong> costruibile se è costruibile il punto (a, 0), essendo (0,0)<br />
costruibile per ipotesi.<br />
Abbiamo quin<strong>di</strong> dato una definizione sod<strong>di</strong>sfacente dal punto <strong>di</strong> vista<br />
matematico del <strong>con</strong>cetto intuitivo <strong>di</strong> “costruibilità”. Il problema è ora<br />
capire quali siano le figure costruibili.<br />
Notazione 2.1. In questi appunti, useremo la seguente notazione:<br />
• AB: retta passante per A e B;<br />
• AB: lunghezza del segmento avente come estremi A e B;<br />
• O(A) (oppure anche OA): cerchio <strong>di</strong> centro O e passante per A;<br />
• O(AB) (oppure anche OAB): cerchio <strong>di</strong> centro O e raggio AB;<br />
Un accorgimento che può semplificare la lettura <strong>di</strong> una costruzione è<br />
quello <strong>di</strong> in<strong>di</strong>care i punti in or<strong>di</strong>ne alfabetico via via che vengono costruiti:<br />
in questo modo <strong>di</strong>venta più agevole, anche solo guardando una figura, capire<br />
quali sono, ed in quale sequenza, le operazioni fatte.<br />
Dato che in una costruzione si costruis<strong>con</strong>o punti successivi come intersezioni<br />
<strong>di</strong> curve passanti per punti precedenti, una <strong>con</strong>venzione che può<br />
rendere più compatta e schematica una costruzione altrimenti prolissa da<br />
descrivere è quella <strong>di</strong> usare una tabella in cui sulla prima <strong>riga</strong> si mettono i
2 COSTRUZIONI FONDAMENTALI 10<br />
punti dati e nella se<strong>con</strong>da i (nuovi) punti risultanti come intersezione delle<br />
curve determinati dai punti dati. Per esempio, la tabella<br />
A(BC), DF<br />
E, G<br />
in<strong>di</strong>ca che i punti E, G sono l’intersezione del cerchio <strong>di</strong> centro A e raggio<br />
BC <strong>con</strong> la retta DF. Useremo la prima colonna per in<strong>di</strong>care i punti dati<br />
della costruzione, da cui si parte, mentre nell’ultima colonna in<strong>di</strong>cheremo i<br />
punti che in<strong>di</strong>viduano la soluzione al problema.<br />
Con questa notazione, la costruzione dell’esagono regolare data nella<br />
figura<br />
può essere schematizzata <strong>con</strong><br />
B<br />
C<br />
D<br />
A<br />
AB, BA CA, AC EA, AE FA, AF BCEFGD<br />
A, B C, D B, E C, F E, G<br />
Il significato dovrebbe essere chiaro: si parte dai punti A, B e <strong>con</strong> i<br />
vari passaggi descritti si arrivano a costruire i punti B, C, E, F, G, D che<br />
determinano i vertici dell’esagono regolare avente B come uno dei vertici<br />
ed inscritto nel cerchio <strong>di</strong> centro A e passante per B.<br />
E<br />
G<br />
F
2 COSTRUZIONI FONDAMENTALI 11<br />
2.2 Operazioni elementari<br />
• Asse <strong>di</strong> un segmento. Dato il segmento AB, costruire A(B) e B(A).<br />
I due punti C e D <strong>di</strong> intersezione delle due cir<strong>con</strong>ferenze in<strong>di</strong>viduano una<br />
retta che è l’asse del segmento dato.<br />
C<br />
A<br />
B<br />
• Cerchio passante per tre punti. Dati i 3 punti (non allineati)<br />
A, B e C, costruire come nel punto precedente gli assi dei segmenti AB<br />
e BC. L’intersezione D <strong>di</strong> queste due rette è il centro della cir<strong>con</strong>ferenza<br />
cercata.<br />
A<br />
D<br />
• Perpen<strong>di</strong>colare ad una retta per un punto della retta stessa.<br />
Data la retta a ed il punto A su <strong>di</strong> essa, centrare il <strong>compasso</strong> in A. Sia B<br />
un punto dato su a <strong>di</strong>verso da A e costruire A(B). Sia C l’altro punto <strong>di</strong> intersezione<br />
<strong>di</strong> intersezione della cir<strong>con</strong>ferenza <strong>con</strong> la retta; la perpen<strong>di</strong>colare<br />
cercata è l’asse DE del segmento BC.<br />
B<br />
C<br />
D
2 COSTRUZIONI FONDAMENTALI 12<br />
D<br />
a B A C<br />
• Perpen<strong>di</strong>colare ad una retta per un punto esterno (o, anche,<br />
simmetrico <strong>di</strong> un punto rispetto ad una retta). Dati una retta a ed un<br />
punto A ad essa esterno, sia B un punto dato della retta. Costruire A(B).<br />
Se A(B) ∩ a = {B}, allora A(B) è tangente ad a e AB è perpen<strong>di</strong>colare<br />
ad a. Altrimenti, sia C l’ulteriore punto <strong>di</strong> intersezione: la retta cercata è<br />
l’asse del segmento BC. Pertanto, costruire B(A) e C(A); tali cir<strong>con</strong>ferenze<br />
si intersecheranno in A ed in un ulteriore punto D, che è simmetrico <strong>di</strong> D<br />
rispetto ad a. La retta AD è la perpen<strong>di</strong>colare richiesta.<br />
a B C<br />
• Parallela ad un retta per un punto esterno. Siano dati una retta<br />
a ed un punto A ad essa esterno. Una prima costruzione è quella che prevede<br />
<strong>di</strong> costruire la perpen<strong>di</strong>colare b ad a passante per A e, successivamente, la<br />
perpen<strong>di</strong>colare a b in A.<br />
E<br />
A<br />
D
2 COSTRUZIONI FONDAMENTALI 13<br />
Per una costruzione più rapida ed elegante, scegliere un qualsiasi punto<br />
dato B su a. Costruire B(A). Sia C un punto <strong>di</strong> intersezione <strong>con</strong> a. Costruire<br />
A(B) e C(B). L’ulteriore intersezione D <strong>di</strong> queste ultime due cir<strong>con</strong>ferenze<br />
è tale che il quadrilatero ABCD ha tutti i lati <strong>di</strong> lunghezza uguale, quin<strong>di</strong><br />
è un rombo e dunque la retta AD è parallela ad a.<br />
a<br />
A<br />
B<br />
• Dal <strong>compasso</strong> molle al <strong>compasso</strong> rigido. Dati un punto A ed<br />
un segmento BC, si deve costruire la cir<strong>con</strong>ferenza <strong>con</strong> centro A e raggio<br />
BC. Per far ciò, tracciare la retta AB e costruire le parallele ad AB e BC<br />
passanti per C e per A rispettivamente. Il punto D <strong>di</strong> intersezione tra<br />
queste due rette è sul centro cercato.<br />
D<br />
A<br />
Quanto appena visto mostra come <strong>con</strong> l’uso della <strong>riga</strong> e del <strong>compasso</strong><br />
“molle” sia possibile simulare un <strong>compasso</strong> rigido. A partire da ora, quin<strong>di</strong>,<br />
non faremo più <strong>di</strong>stinzione tra <strong>compasso</strong> rigido e <strong>compasso</strong> molle, per cui<br />
D<br />
C<br />
C<br />
B
2 COSTRUZIONI FONDAMENTALI 14<br />
una cir<strong>con</strong>ferenza per noi sarà data dal centro ed un suo punto oppure,<br />
in<strong>di</strong>fferentemente, dal centro ed una lunghezza che determini il raggio.<br />
• Bisezione <strong>di</strong> un angolo. Sia dato l’angolo BÂC. Costruire A(B) e<br />
sia D il suo punto <strong>di</strong> intersezione <strong>con</strong> AC. Costruire D(B) e B(D). I punti<br />
<strong>di</strong> intersezione E ed F delle due cir<strong>con</strong>ferenze in<strong>di</strong>viduano una retta che<br />
passa per A ed è la bisettrice dell’angolo dato.<br />
A<br />
E<br />
D<br />
• Trasporto <strong>di</strong> un angolo. Sia dato l’angolo BÂC e lo si voglia<br />
trasportare sul segmento DE, <strong>con</strong> l’angolo in D. Costruire A(B) e determinare<br />
la sua intersezione F <strong>con</strong> AC. Costruire D(AB) e determinare la<br />
sua intersezione G su DE. Costruire G(BF) e determinare H, intersezione<br />
<strong>di</strong> G(BF) e D(G). La retta DH è tale che BÂC = E ˆ DH.<br />
A<br />
2.3 Operazioni aritmetiche<br />
F<br />
B<br />
C<br />
Conoscendo alcune costruzioni elementari, ve<strong>di</strong>amo come fare le operazioni<br />
aritmetiche usando la <strong>riga</strong> ed il <strong>compasso</strong>. Naturalmente, nel riferirci a<br />
costruzioni già esposte non daremo tutti i dettagli, ma <strong>di</strong>remo solo quale<br />
costruzione è usata.<br />
Le operazioni aritmetiche possibili <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> sono solo quelle<br />
che definis<strong>con</strong>o un campo (somma, <strong>di</strong>fferenza, prodotto e <strong>di</strong>visione) e la<br />
B<br />
D<br />
F<br />
C<br />
H<br />
G<br />
E
2 COSTRUZIONI FONDAMENTALI 15<br />
costruzione della ra<strong>di</strong>ce quadrata <strong>di</strong> un numero dato: ciò è alla base del<br />
teorema <strong>di</strong> costruibilità e ne spiega, sostanzialmente, il significato.<br />
• Somma <strong>di</strong> due numeri (positivi) dati a e b. Su una retta costruibile<br />
scegliere un punto costruibile A e, <strong>con</strong> centro in tale punto e apertura<br />
a, determinare un segmento terminante in B. Con centro in quest’ultimo<br />
punto e raggio b, determinare un punto C sulla retta fissata che stia nella<br />
semiretta uscente da B opposta rispetto a quella in cui si trova A: il<br />
segmento AC ha lunghezza a + b.<br />
a<br />
b<br />
A B C<br />
• Differenza <strong>di</strong> due numeri (positivi) dati a e b (a > b). Su una<br />
retta costruibile scegliere un punto costruibile A e, <strong>con</strong> centro in tale punto<br />
e apertura a, determinare un segmento terminante in A. Con centro in<br />
quest’ultimo punto e raggio b, determinare un punto B sulla retta fissata<br />
all’interno del segmento AC: il segmento AB ha lunghezza a − b.<br />
b<br />
A B C<br />
• Prodotto <strong>di</strong> due numeri (positivi) dati a e b. Su una retta costruibile<br />
scegliere un punto costruibile A e costruire B tale che AB = 1.<br />
Costruire un’altra semiretta passante per A (per esempio, la perpen<strong>di</strong>colare<br />
in A). Sulla prima trovare C e sulla se<strong>con</strong>da D tali che AC = a e<br />
AD = b. Tracciare la retta passante per C parallela ad BD: il punto E <strong>di</strong><br />
intersezione <strong>di</strong> tale retta <strong>con</strong> la retta AD è tale che AE = ab.<br />
A<br />
b<br />
D<br />
ab<br />
1 a<br />
B C<br />
a<br />
E
2 COSTRUZIONI FONDAMENTALI 16<br />
• Divisione fra due numeri (positivi) dati a e b. Come nella costruzione<br />
precedente, fissare due semirette uscenti da A e, su una <strong>di</strong> essa,<br />
in<strong>di</strong>viduare tramite il <strong>compasso</strong> due punti B, C tali che AB = 1 e AC = a.<br />
Sulla se<strong>con</strong>da retta fissare un punto D a <strong>di</strong>stanza b da A. Tracciare la retta<br />
passante per B parallela a CD: il punto E <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> tale retta <strong>con</strong><br />
la retta AD è tale che AE = a/b.<br />
A<br />
a b<br />
1<br />
B<br />
E<br />
a<br />
Osserviamo che se in queste operazioni almeno uno dei numeri dati<br />
è negativo, bisogna mo<strong>di</strong>ficare le costruzioni <strong>di</strong> <strong>con</strong>seguenza cambiando<br />
l’orientazione sulla relativa semiretta.<br />
• Costruzione della ra<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> a. Sia AB = a, un segmento dato;<br />
aggiungere 1 e costruire la semicir<strong>con</strong>ferenza <strong>di</strong> <strong>di</strong>ametro a + 1 = BC. Nel<br />
punto A dove si è aggiunto il segmento unitario costruire la perpen<strong>di</strong>colare<br />
che intersecherà la semicir<strong>con</strong>ferenza nel punto D: il segmento AD ha<br />
lunghezza √ a.<br />
C<br />
D<br />
√ a<br />
b<br />
1 a<br />
A B<br />
Osservazione 2.2. Da quanto visto, segue che tutti i punti P <strong>di</strong> coor<strong>di</strong>nate<br />
P = (a, b) dove a, b ∈ Q sono punti costruibili. Tali punti formano<br />
un insieme denso nel piano; questo permette <strong>di</strong> giustificare un’apparente<br />
imprecisione che capita <strong>di</strong> trovare sovente nelle costruzioni: a volte si può<br />
vedere una costruzione che richieda, per la soluzione, la costruzione <strong>di</strong> una<br />
C<br />
D
2 COSTRUZIONI FONDAMENTALI 17<br />
retta o <strong>di</strong> una cir<strong>con</strong>ferenza caratterizzata da una qualche proprietà ma che,<br />
a parte, ciò, può essere in una posizione “generica”. Per esempio, “dato<br />
il segmento [A,B] ed un punto P fuori dalla retta AB, tracciare una retta<br />
passante per P che intersechi il segmento in un punto interno”.<br />
Se<strong>con</strong>do la definizione 2.1, ciò non è necessariamente possibile: se nella<br />
costruzione sono dati solo i punti A, B, P, seguendo la definizione non si<br />
sa dove prendere un altro punto per cui far passare la retta richiesta. La<br />
soluzione sta nel fatto che la definizione sottointende la costruibilità dei<br />
punti (0, 0) e (1, 0) e quin<strong>di</strong>, grazie alle costruzioni elementari viste, <strong>di</strong><br />
tutti i punti a coor<strong>di</strong>nate razionali, per cui <strong>di</strong>venta facile integrare i punti<br />
<strong>di</strong> partenza A, B, P <strong>con</strong> altri punti costruibili che sod<strong>di</strong>sfino le proprietà<br />
richieste.<br />
A volte, cercheremo <strong>di</strong> far vedere come anche a partire dai punti dati<br />
nella costruzione stessa si possano costruire altri punti che permettono <strong>di</strong><br />
procedere se<strong>con</strong>do le proprietà richieste.
3 RISULTATI PRINCIPALI 18<br />
3 Risultati principali<br />
In virtù delle costruzioni elementari viste, dati due numeri a, b è possibile<br />
costruire a ± b, a · b e a/b (quando b = 0). Questo già ci <strong>di</strong>ce che tutto<br />
il campo dei numeri razionali Q è costruibile. Inoltre, dato a è possibile<br />
costruire anche √ a.<br />
Introduciamo alcune notazioni utili nel teorema che vedremo. Se K è<br />
un sottocampo <strong>di</strong> C e P = (α, β) è un punto del piano, <strong>di</strong>remo che P è<br />
definito su K se α, β ∈ K. La retta <strong>di</strong> equazione ax + by + c = 0 si <strong>di</strong>ce<br />
definita su K se a, b, c ∈ K e lo stesso <strong>di</strong>casi per il cerchio <strong>di</strong> equazione<br />
x 2 + y 2 + ax + by + c = 0.<br />
Adesso siamo pronti per enunciare il teorema <strong>di</strong> costruibilità:<br />
Teorema 3.1. Un numero complesso z = α + iβ ∈ C è costruibile se, e<br />
solo se, esiste un campo K ⊂ R tale che:<br />
1. α, β ∈ K;<br />
2. esiste una catena finita <strong>di</strong> campi compresa tra Q e K<br />
tale che<br />
Q = K0 ⊂ K1 ⊂ · · · ⊂ Kn = K<br />
[Ki : Ki−1] = 2 1 ≤ i ≤ n.<br />
Prima <strong>di</strong> vedere la <strong>di</strong>mostrazione <strong>di</strong> questo teorema facciamo alcune<br />
osservazioni che aiutano a comprenderne il significato.<br />
Come è noto, una retta nel piano si rappresenta tramite un’equazione<br />
<strong>di</strong> primo grado mentre per una cir<strong>con</strong>ferenza è necessaria un’equazione <strong>di</strong><br />
se<strong>con</strong>do grado in cui i coefficienti <strong>di</strong> x 2 e y 2 sono entrambi 1. Ciò vuol <strong>di</strong>re<br />
che per determinare il punto <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> due rette è necessario risolvere<br />
un sistema formato da due equazioni lineari in due incognite, mentre<br />
il punto <strong>di</strong> intersezione tra una cir<strong>con</strong>ferenza ed una retta è dato da un<br />
sistema ancora <strong>di</strong> due equazioni <strong>con</strong> due incognite ma in cui un’equazione<br />
ha grado 1 e l’altra ha grado 2. Infine, l’intersezione <strong>di</strong> due cir<strong>con</strong>ferenza<br />
è data dalla soluzione <strong>di</strong> un sistema <strong>di</strong> due equazioni <strong>di</strong> se<strong>con</strong>do grado <strong>con</strong><br />
due incognite: me<strong>di</strong>ante un semplice passaggio, ciò si può ridurre ad un<br />
sistema due equazioni una avente grado 1 e l’altra grado 2. Un sistema del<br />
primo tipo (equazioni <strong>di</strong> grado 1), si risolve semplicemente <strong>con</strong> operazioni<br />
<strong>di</strong> somme, moltiplicazioni e <strong>di</strong>visioni: la soluzione apparterrà allo stesso<br />
campo al quale appartengono i coefficienti delle due equazioni. Un sistema<br />
del se<strong>con</strong>do tipo (in cui un’equazione ha grado 2) alla fine si riduce a risolvere<br />
un’equazione <strong>di</strong> se<strong>con</strong>do grado e quin<strong>di</strong> è necessario estrarre una ra<strong>di</strong>ce<br />
quadrata. Quin<strong>di</strong> se i coefficienti appartengono ad un dato campo H, non è<br />
detto che anche la soluzione sia in H ma, più generalmente, apparterrà ad<br />
un’estensione H( √ α) <strong>di</strong> grado 2 <strong>di</strong> H. Ciò spiega il motivo per cui compare
3 RISULTATI PRINCIPALI 19<br />
una catena <strong>di</strong> estensioni <strong>di</strong> grado 2 nel teorema: si ha un’estensione non<br />
banale ogni volta che si interseca una cir<strong>con</strong>ferenza <strong>con</strong> un’altra curva e<br />
l’intersezione non può essere determinata nel campo in cui ci si trova in<br />
quel dato momento.<br />
Dimostrazione. (⇒) Supponiamo che il numero complesso z = α + iβ sia<br />
costruibile e sia C = {Γ0 ≡ (0, 0), Γ1 ≡ (1, 0), . . .,Γh} una costruzione <strong>con</strong><br />
<strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> del punto Γh ≡ (α, β). Nella costruzione C compare un<br />
numero positivo s <strong>di</strong> punti.<br />
Per ogni j, 1 ≤ j ≤ h, <strong>con</strong>sideriamo la costruzione euclidea (parziale)<br />
Cj = {Γ0, . . .,Γj}: in essa comparirà un numero t <strong>di</strong> punti, <strong>con</strong> t ≤ s.<br />
In<strong>di</strong>chiamo tali punti <strong>con</strong> Γj1 ≡ (α1, β1), . . .,Γjt ≡ (αt, βt) e definiamo il<br />
campo Kj = Q(α1, β1, . . .,αt, βt). Definiamo anche K0 = Q. Otteniamo<br />
così una catena <strong>di</strong> campi<br />
Dimostriamo che<br />
K0 ⊂ K1 ⊂ · · · ⊂ Kh.<br />
a. se Γj è una curva, essa è definita su Kj−1;<br />
b. [Kj : Kj−1] ≤ 2.<br />
Dopo aver <strong>di</strong>mostrato ciò, sopprimendo i campi interme<strong>di</strong> in cui la <strong>di</strong>mensione<br />
resta invariata si ottiene la tesi.<br />
Dimostriamo la a. Se Γj è una retta passante per i punti Γk ≡ (α1, β1)<br />
e Γr ≡ (α2, β2) allora la sua equazione è<br />
x(β2 − β1) + y(α1 − α2) + β1α2 − α1β2 = 0<br />
e tutti i coefficienti appartengono a Kj−1.<br />
Analogamente, se Γj è un cerchio <strong>di</strong> centro Γk ≡ (α1, β1) e passante per<br />
il punto Γr ≡ (α2, β2) allora la sua equazione è<br />
(x − α1) 2 + (y − β1) 2 = (α2 − α1) 2 + (β2 − β1) 2<br />
che, quin<strong>di</strong>, è definito su Kj−1.<br />
Passiamo ora alla b. Se Γj non è un punto, allora Kj = Kj−1 e non c’è<br />
niente da <strong>di</strong>mostrare. Supponiamo dunque che Γj sia un punto, intersezione<br />
delle due curve Γr, Γs <strong>con</strong> r, s < j. Supponiamo che entrambe le curve siano<br />
due cerchi. Per trovare le intersezioni tra i due cerchi bisogna risolvere il<br />
sistema x 2 + y 2 + a1x + b1y + c1 = 0<br />
x 2 + y 2 + a2x + b2y + c2 = 0<br />
dove le due equazioni sono, rispettivamente, le equazioni <strong>di</strong> Γr e Γs. Dato<br />
che r, s < j, entrambe le curve sono definite su Kj−1 e quin<strong>di</strong> a1, b1, c1 e
3 RISULTATI PRINCIPALI 20<br />
a2, b2, c2 appartengono tutti a Kj−1, per il punto a. Sottraendo, il sistema<br />
<strong>di</strong>venta <br />
x 2 + y 2 + a1x + b1y + c1 = 0<br />
(a1 − a2)x + (b1 − b2)y + c1 − c2 = 0<br />
Per risolvere, si ricava dunque x oppure y dalla se<strong>con</strong>da equazione e si sostituisce<br />
nella prima, ottenendo così un’equazione in un’incognita <strong>di</strong> se<strong>con</strong>do<br />
grado. Le sue ra<strong>di</strong>ci si trovano in un’estenzione <strong>di</strong> grado minore od uguale<br />
a 2 <strong>di</strong> Kj−1 e nello stesso campo si trova l’altra incognita, dato che poi<br />
resta da risolvere un’equazione lineare.<br />
È evidente che nello stesso modo si stu<strong>di</strong>a il caso in cui una delle due<br />
curve è una retta: si parte <strong>di</strong>rettamente da un sistema simile al se<strong>con</strong>do.<br />
Ancora più banale è il caso <strong>di</strong> due rette: stavolta il sistema è formato<br />
da due equazioni lineari e quin<strong>di</strong> le soluzioni restano all’interno del campo.<br />
(⇐) Siano z = α+iβ ∈ C e K = Kn un campo verificante le ipotesi del<br />
teorema. Dobbiamo <strong>di</strong>mostrare che il punto P ≡ (α, β) è costruibile. Lo<br />
faremo per induzione su n.<br />
n = 0: in questo caso, α, β ∈ K0 = Q ed in base alle costruzioni<br />
elementari viste z è costruibile.<br />
(n−1) ⇒ n: possiamo supporre che α ∈ Kn−1, <strong>di</strong> modo che Kn−1(α) =<br />
Kn−1. Per il teorema della torre<br />
[Kn : Kn−1(α)][Kn−1(α) : Kn−1] = [Kn : Kn−1] = 2<br />
e quin<strong>di</strong> Kn = Kn−1(α), pertanto α è algebrico <strong>di</strong> grado 2 su Kn−1. Sia<br />
x 2 + ax + b il suo polinomio minimo (a, b ∈ Kn−1). In virtù della costruibilità<br />
della ra<strong>di</strong>ce quadrata <strong>di</strong> un numero costruibile, le ra<strong>di</strong>ci del polinomio<br />
sono costruibili su Kn−1. Per ipotesi induttiva tutti i numeri <strong>di</strong> Kn−1 sono<br />
costruibili e quin<strong>di</strong> anche α è costruibile.<br />
Analogamente si ragiona per β.<br />
Per <strong>con</strong>cludere, ve<strong>di</strong>amo come tutto ciò si applichi alla soluzione dei<br />
problemi classici. Dal teorema otteniamo subito il<br />
Corollario 3.2. Se z ∈ C è costruibile, allora esso è algebrico su Q e il<br />
suo grado è una potenza <strong>di</strong> due.<br />
Dimostrazione. Sia z = α + iβ costruibile e sia K ⊂ R tale che α, β ∈ K.<br />
z è ra<strong>di</strong>ce del polinomio x 2 − 2αx + α 2 + β 2 a coefficienti in K, pertanto<br />
[K(z) : K] ≤ 2. Per il teorema della torre, [K(z) : Q] = [K(z) : K][K : Q]<br />
e quin<strong>di</strong> anche [K(z) : Q] è una potenza <strong>di</strong> 2. Dato che Q(z) ⊂ K(z),<br />
ancora per il teorema della torre otteniamo che [Q(z) : Q] è una potenza <strong>di</strong><br />
due.<br />
Spesso si usa quest’ultimo corollario, però nella sua forma negata:
3 RISULTATI PRINCIPALI 21<br />
Corollario 3.3. Se il polinomio minimo su Q <strong>di</strong> z ∈ C ha grado che non<br />
è una potenza <strong>di</strong> due, allora z non è costruibile.<br />
Teorema 3.4. Non è possibile duplicare il cubo <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong>.<br />
Dimostrazione. Per duplicare il cubo, bisogna costruire il numero 3√ 2. Tale<br />
numero è soluzione su Q del polinomio x3 − 2, che è irriducibile. Infatti, se<br />
fosse riducibile, essendo <strong>di</strong> grado 3 dovrebbe avere (almeno) un fattore <strong>di</strong><br />
grado 1, cioè dovrebbe avere una ra<strong>di</strong>ce in Q. Sia a<br />
b una ra<strong>di</strong>ce, <strong>con</strong> a, b ∈ Z<br />
e MCD(a, b) = 1: ( a<br />
b )3 = 2. Allora 2b3 = a3 pertanto 2|a3 , quin<strong>di</strong> 2|a che<br />
implica 23 |a3 e da ciò si ricava 2|b, <strong>con</strong>tro l’ipotesi che a e b siano primi tra<br />
loro.<br />
Pertanto x3−2 è il polinomio minimo <strong>di</strong> 3√ 2 su Q e [Q( 3√ 2) : Q] = 3.<br />
Teorema 3.5. Non è possibile trisecare l’angolo <strong>di</strong> 60 ◦ .<br />
Dimostrazione. Scegliendo in modo opportuno il sistema <strong>di</strong> riferimento<br />
nel piano, si tratta <strong>di</strong> costruire il numero complesso cos( π π<br />
9 ) + i sin( 9 ) o,<br />
equivalentemente, una qualsiasi delle sue coor<strong>di</strong>nate.<br />
Sia α = cos( π<br />
9 ). Cerchiamo il polinomio minimo <strong>di</strong> α. Naturalmente si<br />
ha<br />
1<br />
<br />
π<br />
<br />
= cos<br />
2<br />
<br />
3<br />
= cos 3 π<br />
<br />
<br />
9<br />
= cos 2 π π<br />
<br />
+<br />
<br />
9 9<br />
= cos 2 π<br />
<br />
π<br />
<br />
cos − sin 2<br />
9 9<br />
π<br />
<br />
π<br />
<br />
sin<br />
<br />
9 9<br />
<br />
π<br />
2 <br />
π<br />
<br />
2 <br />
π<br />
<br />
π<br />
<br />
π<br />
<br />
π<br />
<br />
= cos − sin cos − 2 sin cos sin<br />
9 9 9 9 9 9<br />
<br />
π<br />
2 <br />
π<br />
<br />
2 <br />
π<br />
<br />
π<br />
2 <br />
π<br />
<br />
= cos − sin cos − 2 sin cos<br />
9 9 9 9 9<br />
= α 2 − (1 − α 2 ) α − 2(1 − α 2 )α<br />
= 4α 3 − 3α<br />
e pertanto α è ra<strong>di</strong>ce del polinomio 8x3 − 6x − 1. Dimostriamo che tale<br />
polinomio è irriducibile su Q.<br />
Altrimenti, come prima, sia a<br />
b una ra<strong>di</strong>ce <strong>con</strong> MCD(a, b) = 1, a ∈ Z e<br />
b ∈ N \ {0}. Allora 8a3 − 6ab2 − b3 = 0, da cui b2 |8a3 e a|b3 . Dal fatto che<br />
a e b sono primi tra loro, si ricava b2 |8 e a = ±1, cioè b = 1, 2 e a = ±1, e<br />
quin<strong>di</strong> a<br />
b ∈ ± 1, ± 1<br />
<br />
2 . Nessuno <strong>di</strong> questi due numeri però è una ra<strong>di</strong>ce del<br />
polinomio.
3 RISULTATI PRINCIPALI 22<br />
Per quello che riguarda la quadratura del cerchio, abbiamo già osservato<br />
che il problema si risolve utilizzando il Teorema <strong>di</strong> Lindemann, che afferma<br />
la trascendenza <strong>di</strong> π: non essendo algebrico, non è possibile costruirlo <strong>con</strong><br />
<strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong>.<br />
Il teorema <strong>di</strong> costruibilità non risolve invece in modo <strong>di</strong>retto la costruzione<br />
del poligono regolare <strong>con</strong> n lati: per ciò è necessario utilizzare, <strong>con</strong>giuntamente<br />
al teorema, anche la teoria <strong>di</strong> Galois e la struttura dei gruppi abeliani<br />
finiti, e ciò trascende i limiti <strong>di</strong> queste note. Citiamo, comunque, per completezza,<br />
i risultati relativi, a cominciare dal Teorema <strong>di</strong> Gauss–Wantzel.<br />
In<strong>di</strong>chiamo <strong>con</strong> ϕ(n) la funzione <strong>di</strong> Eulero.<br />
Teorema 3.6. Il poligono regolare <strong>con</strong> n lati è costruibile se, e solo se,<br />
ϕ(n) = 2 k .<br />
Relativamente alla <strong>con</strong><strong>di</strong>zione imposta da questo teorema, le due seguenti<br />
proposizioni spiegano quando può verificarsi.<br />
Proposizione 3.7. ϕ(n) = 2 k se, e solo se, m = 2 h m1 · m2 · . . . · ms dove<br />
gli mi sono primi della forma mi = 2 ji + 1.<br />
Proposizione 3.8. Se m ≥ 2 e m j + 1 è primo, allora m è pari e j = 2 l .<br />
La <strong>di</strong>mostrazione <strong>di</strong> queste due proposizioni è un facile esercizio.
4 PROPRIETÀ GEOMETRICHE 23<br />
4 Proprietà geometriche<br />
In questa sezione ve<strong>di</strong>amo le costruzioni relative ad alcune proprietà geometriche<br />
molto importanti che ricorrono spesso nella soluzione <strong>di</strong> svariati<br />
problemi.<br />
• Tangenti per un punto ad un cerchio. Dato un cerchio γ <strong>di</strong><br />
centro O ed un punto P, tracciare le tangenti a γ per P.<br />
Bisogna <strong>di</strong>stinguere tre casi:<br />
1. P è interno a γ. In tal caso, ovviamente non ci sono soluzioni.<br />
2. P è su γ. In tal caso, c’è un’unica tangente ed è la perpen<strong>di</strong>colare in<br />
P al raggio OP.<br />
3. P è esterno a γ. In questo caso, si osservi che se si traccia una tangente,<br />
allora l’angolo che questa forma nel punto <strong>di</strong> tangenza <strong>con</strong> il<br />
relativo raggio è π/2, pertanto il punto <strong>di</strong> tangenza si trova sulla cir<strong>con</strong>ferenza<br />
avente come <strong>di</strong>ametro OP. Pertanto, per trovare i punti<br />
<strong>di</strong> tangenza è sufficiente tracciare quest’ultima cir<strong>con</strong>ferenza e i due<br />
punti <strong>di</strong> intersezione <strong>con</strong> il cerchio dato sono i punti <strong>di</strong> tangenza delle<br />
due tangenti a γ per P.<br />
γ<br />
O P<br />
• Tangenti comuni a due cerchi. Dati due cerchi γ, γ ′ <strong>di</strong> centro,<br />
rispettivamente, O, O ′ , e raggi r, r ′ tracciare le tangenti comuni ai due<br />
cerchi.<br />
Anche qui bisogna trattare alcuni casi <strong>di</strong>stinti. Separiamo i vari casi a<br />
se<strong>con</strong>da del numero <strong>di</strong> punti le due cir<strong>con</strong>ferenze hanno in comune. Chiaramente,<br />
l’intersezione <strong>di</strong> due cir<strong>con</strong>ferenze può essere formata da 0,1 oppure<br />
2 punti.
4 PROPRIETÀ GEOMETRICHE 24<br />
<strong>Stu<strong>di</strong></strong>amo prima il caso in cui γ ∩ γ ′ = ∅. All’interno <strong>di</strong> questo caso, è<br />
necessario <strong>di</strong>stinguere due sottocasi: quando i due cerchi sono uno interno<br />
all’altro e quando invece non lo sono. Il fatto che i cerchi siano uno interno<br />
all’altro, matematicamente è rappresentato dalla <strong>con</strong><strong>di</strong>zione OO ′ < r + r ′ .<br />
In tal caso, ovviamente, non ci sono tangenti comuni.<br />
Quando non sono uno interno all’altro, vale a <strong>di</strong>re quando OO ′ > r+r ′ ,<br />
allora ci sono quattro tangenti comuni.<br />
Vi sono vari mo<strong>di</strong> per costruire queste quattro tangenti. Ve<strong>di</strong>amo due<br />
mo<strong>di</strong> basati su due costruzioni <strong>di</strong>stinte. Supponiamo r ≥ r ′ .<br />
Osserviamo che se a è una tangente comune, allora anche la retta a ′<br />
simmetrica <strong>di</strong> a rispetto ad OO ′ è anch’essa una tangente comune alle due<br />
cir<strong>con</strong>ferenze.<br />
Inoltre, la retta parallela ad a passante per O ′ è tangente alla cir<strong>con</strong>ferenza<br />
<strong>di</strong> centro O e raggio r ′ . In questo modo si costruis<strong>con</strong>o le prime due<br />
tangenti.<br />
γ<br />
O O ′<br />
In modo simile, per costruire altre due tangenti b e b ′ , si costruisca la<br />
cir<strong>con</strong>ferenza <strong>di</strong> centro O e raggio r+r ′ . A questa, si <strong>con</strong>ducano le tangenti<br />
per O ′ (ricordare che OO ′ > r + r ′ ). Infine, si traslino le due rette <strong>di</strong> una<br />
<strong>di</strong>stanza r ′ per ottenere le rette cercate b e b ′ .<br />
γ<br />
O<br />
b<br />
b ′<br />
a<br />
a ′<br />
O ′<br />
γ ′<br />
γ ′
4 PROPRIETÀ GEOMETRICHE 25<br />
Un’altra costruzione delle tangenti comuni si basa sulla seguente osservazione.<br />
Sia a una tangente comune. Tale tangente in<strong>con</strong>tra la retta OO ′<br />
in un punto P (<strong>con</strong> la possibile degenerazione <strong>di</strong> P = ∞, nel caso in cui<br />
r = r ′ e a parallela ad OO ′ ). P, insieme ai centri ed ai punti <strong>di</strong> tangenza,<br />
determina due triangoli rettangoli simili.<br />
da cui<br />
γ<br />
O<br />
Nel caso in cui P sia esterno al segmento OO ′ , si ha<br />
a<br />
O ′<br />
γ ′<br />
OP<br />
O ′ r<br />
=<br />
P = OP − OO ′ r ′<br />
OP = OO ′ r<br />
r − r ′<br />
che determina univocamente P. Determinato P, basta poi tracciare una<br />
tangente per P ad un cerchio e questa retta sarà tangente anche all’altro<br />
cerchio.<br />
Nel caso in cui P sia interno al segmento OO ′ , allora si ha<br />
da cui<br />
OO ′ − OP<br />
OP<br />
= r<br />
r ′<br />
OP = OO ′ r<br />
r + r ′<br />
ed anche in questo caso P risulta univocamente determinato.<br />
Si osservi che questa costruzione <strong>di</strong>mostra anche che le quattro rette<br />
trovate sono le uniche soluzioni del problema.<br />
Restano ora da stu<strong>di</strong>are i casi i cui γ ∩ γ ′ = ∅.<br />
Se γ ∩ γ ′ = {A}, allora le due cir<strong>con</strong>ferenze sono tangenti. Se OO ′ =<br />
r + r ′ , allora le cir<strong>con</strong>ferenze sono tangenti ed esterne. In questo caso, vale<br />
la stessa costruzione <strong>di</strong> prima <strong>con</strong> la <strong>con</strong>siderazione che le due tangenti che<br />
intersecano il segmento OO ′ degenerano alla stessa retta perpen<strong>di</strong>colare a<br />
tale segmento nel punto <strong>di</strong> tangenza dei due cerchi.<br />
P
4 PROPRIETÀ GEOMETRICHE 26<br />
Se invece OO ′ = r − r ′ , allora le due cir<strong>con</strong>ferenze sono tangenti internamente<br />
e vi è un’unica retta tangente ad entrambe.<br />
Infine, se γ ∩ γ ′ = {A, B}, allora le due cir<strong>con</strong>ferenze sono secanti, nel<br />
qual caso si può ripetere ancora la costruzione del primo punto però solo<br />
per le due rette tangenti che si intersecano al <strong>di</strong> fuori del segmento OO ′ .<br />
• Cerchio ortogonale ad un cerchio dato α ed avente centro in<br />
un punto B esterno ad α. Basta tracciare le tangenti ad α passanti<br />
per B: se C, D sono i due punti <strong>di</strong> tangenza, allora BC è ortogonale ad α.<br />
α<br />
A<br />
• Centri <strong>di</strong> omotetia <strong>di</strong> due cerchi. Un punto si <strong>di</strong>ce <strong>di</strong> omotetia <strong>di</strong><br />
due cerchi se esiste una omotetia per tale punto che trasforma un cerchio<br />
nell’altro.<br />
Evidentemente, un tale punto deve stare sulla retta <strong>con</strong>giungente i centri<br />
dei cerchi. Inoltre, se si prende una coppia <strong>di</strong> rette parallele passanti<br />
ognuna per un centro, le due rette devono essere trasformate l’una nell’altra.<br />
Pertanto i centri <strong>di</strong> omotetia si in<strong>di</strong>viduano tracciando due rette<br />
parallele passanti per i centri, <strong>con</strong>siderando le rette passanti per le intersezioni<br />
<strong>con</strong> i cerchi e prendendo le intersezioni <strong>di</strong> queste ultime rette <strong>con</strong> la<br />
retta passante per i centri.<br />
C<br />
D<br />
B
4 PROPRIETÀ GEOMETRICHE 27<br />
Di centri <strong>di</strong> omotetia ve ne sono due, tranne nel caso in cui i raggi sono<br />
uguali. Un centro è relativo ad una omotetia <strong>di</strong> fattore positivo e l’altro è<br />
relativo ad una omotetia <strong>di</strong> fattore negativo. Nel caso <strong>di</strong> raggi uguali, c’è<br />
solo l’omotetia <strong>di</strong> fattore -1, tranne nel caso particolarissimo in cui i cerchi<br />
sono uguali, in cui c’è naturalmente solo l’identità.<br />
Se i cerchi sono esterni, i centri <strong>di</strong> omotetia coincidono <strong>con</strong> le intersezioni<br />
delle parallele comuni viste in precedenza <strong>con</strong> la retta per i centri.<br />
• Asse ra<strong>di</strong>cale <strong>di</strong> due cerchi. Il Teorema delle Secanti <strong>di</strong>ce che se P<br />
è un punto ed A, B sono i due punti <strong>di</strong> intersezioni <strong>di</strong> una retta s passante<br />
per P ed intersecante (o tangente) un cerchio dato γ <strong>di</strong> centro O e raggio<br />
r allora il prodotto AP · BP è costante al variare della retta s per P. La<br />
costante PO 2 − r 2 si chiama potenza <strong>di</strong> P (relativamente a γ).<br />
L’asse ra<strong>di</strong>cale <strong>di</strong> due cerchi è, per definizione, il luogo dei punti che<br />
hanno la stessa potenza relativamente ai due cerchi dati. Tale luogo è una<br />
retta, perpen<strong>di</strong>colare alla retta passante per i centri dei cerchi dati. Se<br />
i due cerchi si intersecano, l’asse ra<strong>di</strong>cale è la retta passante per i punti<br />
<strong>di</strong> intersezione dei due cerchi o, nel caso in cui siano tangenti, è la retta<br />
passante per il punto <strong>di</strong> tangenza e perpen<strong>di</strong>colare alla retta passante per<br />
i centri.<br />
Grazie a questa osservazione, è facile costruire l’asse ra<strong>di</strong>cale <strong>di</strong> due<br />
cerchi: si inizia col costruire un terzo cerchio che li intersechi entrambi.<br />
Per esempio, si può costruire un punto che <strong>con</strong> i centri dei cerchi forma
4 PROPRIETÀ GEOMETRICHE 28<br />
un triangolo equilatero e poi costruire il cerchio <strong>con</strong> centro quest’ultimo<br />
punto e passante per i centri dati. Poi si costruis<strong>con</strong>o i due assi ra<strong>di</strong>cali del<br />
terzo cerchio <strong>con</strong> i cerchi dati. I due assi si in<strong>con</strong>treranno in un punto che<br />
sta sull’asse ra<strong>di</strong>cale dei due cerchi dati: costruendo la perpen<strong>di</strong>colare per<br />
questo punto alla retta <strong>con</strong>giungente i centri dei cerchi dati si ottiene l’asse<br />
cercato.<br />
A<br />
B<br />
F<br />
G<br />
Il Teorema dell’Asse Ra<strong>di</strong>cale afferma che gli assi ra<strong>di</strong>cali <strong>di</strong> tre cerchi<br />
dati (che non siano <strong>con</strong>centrici a due a due) si intersecano in un punto,<br />
detto punto ra<strong>di</strong>cale dei tre cerchi, oppure sono paralleli.<br />
E<br />
L<br />
M<br />
I<br />
H<br />
C<br />
D
5 INVERSIONE RISPETTO AD UN CERCHIO DATO 29<br />
5 Inversione rispetto ad un cerchio dato<br />
L’inversione rispetto ad un cerchio è una costruzione introdotta da J. Steiner<br />
nel 1803 circa che risulta utilissima nella soluzione <strong>di</strong> molti problemi.<br />
La definizione è molto semplice: sia dato un cerchio α <strong>di</strong> centro A e<br />
raggio a (il raggio del cerchio può essere dato sia tramite un punto dato<br />
sulla cir<strong>con</strong>ferenza, sia tramite due punti dati nel piano). Preso un punto<br />
B <strong>di</strong>verso da A, l’inverso <strong>di</strong> B rispetto ad α è definito come quel punto B ′<br />
sulla retta AB tale che AB · AB ′ = a 2 .<br />
In queste note <strong>di</strong>amo per s<strong>con</strong>tati i principali risultati relativi alla geometria<br />
euclidea, essendo generalmente ben noti; per <strong>con</strong>tro, le proprietà <strong>di</strong><br />
base relative all’inversione non sempre sono altrettanto <strong>con</strong>osciute, pertanto<br />
ne <strong>di</strong>amo alcuni cenni nell’Appen<strong>di</strong>ce: a quest’ultima riman<strong>di</strong>amo per<br />
chiarimenti sulle proprietà che interverranno nelle seguenti costruzioni.<br />
• Inverso <strong>di</strong> un punto. Basandosi sulla definizione, è possibile costruire<br />
B ′ in molti mo<strong>di</strong> <strong>di</strong>versi. Ve<strong>di</strong>amone alcuni.<br />
Una via, per esempio, è <strong>di</strong> usare i triangoli simili: sia C intersezione<br />
<strong>di</strong> AB <strong>con</strong> α e sia D un qualsiasi altro punto costruibile su α, <strong>di</strong>verso<br />
dal simmetrico <strong>di</strong> C rispetto ad A (per esempio, si può prendere D come<br />
l’intersezione <strong>di</strong> α e della perpen<strong>di</strong>colare ad AB in A). Si tracci allora la<br />
parallela a BD passante per C, che intersecherà AD in E. Dalle proprietà<br />
dei triangoli simili, AE = a2 pertanto è sufficiente riportare E su AB <strong>con</strong><br />
AB<br />
il <strong>compasso</strong> per determinare F = B ′ .<br />
α<br />
A<br />
E<br />
F<br />
D<br />
Una se<strong>con</strong>da costruzione, nel caso in cui B sia esterno ad α, è data dalla<br />
figura<br />
C<br />
B
5 INVERSIONE RISPETTO AD UN CERCHIO DATO 30<br />
α<br />
A<br />
C<br />
D<br />
E<br />
Questa costruzione usa solo il <strong>compasso</strong>: la analizzeremo quando <strong>di</strong>mostreremo<br />
il teorema <strong>di</strong> Mascheroni-Mohr.<br />
Un’altra costruzione, sempre nel caso in cui B sia esterno al cerchio, la<br />
si ottiene osservando che se si costruisce il cerchio <strong>di</strong> <strong>di</strong>ametro AB allora<br />
tale cerchio in<strong>con</strong>tra α in due punti C, D tali che A ĈB = A ˆ DB = π/2 e,<br />
pertanto, il punto <strong>di</strong> intersezione dei segmenti AB e CD è l’inverso <strong>di</strong> B<br />
per il primo teorema <strong>di</strong> Euclide.<br />
α<br />
A<br />
C<br />
D<br />
Osserviamo che tutte le costruzioni dell’inversione <strong>di</strong> un punto B definite<br />
solo quando il punto si trova fuori dal cerchio <strong>di</strong> inversione <strong>con</strong> centro in A<br />
possono essere usate anche quando il punto si trova all’interno del cerchio <strong>di</strong><br />
inversione: basta moltiplicare la lunghezza AB un numero sufficiente n <strong>di</strong><br />
volte in modo da ottenere C fuori dal cerchio, calcolare l’inverso <strong>di</strong> C e poi<br />
rimoltiplicare quest’ultimo punto per lo stesso fattore n usato per trovare<br />
B<br />
B
5 INVERSIONE RISPETTO AD UN CERCHIO DATO 31<br />
C: il punto così trovato sarà l’inverso <strong>di</strong> B. Infatti, se B ′ e C ′ sono gli inversi<br />
<strong>di</strong> B e C rispettivamente, si ha a2 = AB · AB ′ = nAB · 1<br />
nAB′ = AC · AC ′ .<br />
Per esempio, ve<strong>di</strong>amo nel dettaglio la tabella della costruzione, la descrizione<br />
<strong>di</strong> ogni passaggio ed i vari passi relativi alla costruione geometrica<br />
dell’inverso <strong>di</strong> un punto interno al cerchio <strong>di</strong> inversione. Nella tabella, il<br />
numero tra parentesi quadre in<strong>di</strong>ca il numero della figura dove viene effettuata<br />
la relativa costruzione. Nella costruzione, le figure <strong>di</strong> sinistra (1,3 e<br />
5) sono i dati iniziali <strong>di</strong> ogni tabella, mentre le figure <strong>di</strong> destra (2,4 e 6)<br />
sono le costruzioni. La figura 7 è il risultato finale.<br />
Sono dunque dati un cerchio α <strong>di</strong> centro A e raggio a ed un punto B<br />
interno al cerchio.<br />
Per prima cosa, si moltiplica AB per un intero opportuno, in questo<br />
caso 5, per ottenere un punto fuori da α:<br />
BA, AB B 2 B , AB B3 B2 , AB B4 B 3, AB B 5<br />
α, B A, B 2 B, B 3 B 2 , B 4 B 3 , B 5 [2]<br />
Adesso si costruisce l’inverso <strong>di</strong> B 5 . La via più veloce sarebbe usando la<br />
costruzione <strong>con</strong> il solo <strong>compasso</strong>:<br />
B 5 A , α CA, DA E<br />
α, B 5 C, D A, E<br />
Nella figura, invece, effettuiamo la costruzione che sfrutta il cerchio <strong>di</strong> <strong>di</strong>ametro<br />
AB 5 . Per costruire questo cerchio, dobbiamo prima trovare il punto<br />
me<strong>di</strong>o del segmento. Costruito il cerchio, la corda determinata dai due<br />
punti <strong>di</strong> intersezione <strong>con</strong> α incotrerà AB 5 nel punto inverso <strong>di</strong> B 5 :<br />
B 5 A , A B 5 CD, AB EA, α FG, AB H<br />
α, B 5 C, D E F, G H<br />
Adesso, è sufficiente moltiplicare H per 5 e otteniamo così il punto B ′<br />
inverso <strong>di</strong> B rispetto ad α:<br />
HA, AH H 2 H , AH H3 H2 , AH H4 H 3, AH H 5 = B ′<br />
α, H A, H 2 H, H 3 H 2 , H 4 H 3 , H 5 [6]<br />
[4]
5 INVERSIONE RISPETTO AD UN CERCHIO DATO 32<br />
1 2<br />
3 4<br />
5 6<br />
7<br />
• Cerchio ortogonale ad α passante per due punti B, C. Se B<br />
e C sono l’uno l’inverso dell’altro, ogni cerchio che passa per i due punti è<br />
ortogonale ad α. Altrimenti, è sufficiente costruire l’inverso B ′ <strong>di</strong> B: ogni<br />
cerchio per B, B ′ è ortogonale ad α, per cui il cerchio cercato è il cerchio<br />
per B, B ′ , C.<br />
α<br />
A<br />
B ′<br />
B<br />
C
5 INVERSIONE RISPETTO AD UN CERCHIO DATO 33<br />
• Cerchio per un punto e ortogonale a due cerchi dati. Siano α, β<br />
i cerchi dati <strong>di</strong> centro rispettivamente A, B e sia C il punto dato. Possiamo<br />
supporre che C non sia nè A nè B, altrimenti non vi sono soluzioni.<br />
Se C appartiene ad entrambi i cerchi, ci sono infinite soluzioni se i due<br />
α e β sono ortogonali, altrimenti non vi sono soluzioni.<br />
Se C appartiene ad un solo cerchio, <strong>di</strong>ciamo β, allora sia C ′ il suo inverso<br />
rispetto ad α: il cerchio avente centro sull’intersezione dell’asse <strong>di</strong> CC ′ e<br />
sulla tangente a β in C è soluzione. Infatti è ortogonale ad α dato che passa<br />
per due punti inversi l’uno dell’altro ed è ortogonale a β per costruzione.<br />
Il caso generale è quando C non appartiene a nessuno dei cerchi dati. In<br />
tal caso, comunque, è sufficiente costruire i due inversi C ′ , C ′′ <strong>di</strong> C rispetto<br />
ad α e β: il cerchio per C, C ′ , C ′′ è la soluzione cercata.<br />
α<br />
A<br />
C ′<br />
• Due cerchi <strong>di</strong>sgiunti possono essere invertiti in due cerchi<br />
<strong>con</strong>centrici. Per un’analisi della soluzione, riman<strong>di</strong>amo all’appen<strong>di</strong>ce:<br />
adesso ci <strong>con</strong>centriamo sulla costruzione.<br />
Siano α e β i due cerchi dati, <strong>di</strong> centro A e B. Per costruire la soluzione,<br />
bisogna innanzi tutto costruire l’asse ra<strong>di</strong>cale <strong>di</strong> α e β.<br />
AB, BA CA, α CA, β EF, GH AI, BI<br />
α, β C, D E, F G, H I I, J<br />
C<br />
C ′′<br />
B<br />
β
5 INVERSIONE RISPETTO AD UN CERCHIO DATO 34<br />
α<br />
E<br />
A<br />
C<br />
F G<br />
D<br />
Ora scegliamo un qualsiasi punto sull’asse ra<strong>di</strong>cale, per esempio un’intersezione<br />
K tra IJ e AB, e costruiamo il cerchio per K ed ortogonale ad α e<br />
β.<br />
IJ, AB KA, α MA, NA KB, β PB, QB OK, KO KL, ST<br />
K, L M, N A, O P, Q B, R S, T U<br />
α<br />
S<br />
M<br />
A<br />
O<br />
N<br />
U<br />
I<br />
J<br />
K<br />
L<br />
P<br />
T<br />
R<br />
B<br />
B<br />
H<br />
β<br />
β<br />
Q
5 INVERSIONE RISPETTO AD UN CERCHIO DATO 35<br />
Per trovare i punti limite del fascio cui appartengono α e β, dovremmo<br />
trovare un altro cerchio ortogonale ai cerchi dati, ripetendo la costruzione<br />
precedente partendo, per esempio <strong>con</strong> L. Con questa scelta, osserviamo che<br />
tutta la costruzione è simmetrica rispetto alla retta AB, pertanto l’altro<br />
cerchio lo possiamo trovare costruendo il simmetrico <strong>di</strong> UK rispetto ad<br />
AB. Si può procedere ancora più semplicemente: la retta AB stessa passa<br />
per i punti limite, pertanto i due punti limite del fascio sono l’intersezione<br />
<strong>di</strong> UK e AB:<br />
UK, AB<br />
α<br />
A<br />
V, W<br />
V W<br />
Infine, non resta altro da fare che costruire il cerchio ζ <strong>di</strong> centro V ed<br />
ortogonale a β: rispetto a tale cerchio, β si inverte in se stesso ed α si<br />
inverte in un cerchio <strong>con</strong>centrico a β. Se invece avessimo usato il cerchio<br />
<strong>con</strong> centro W ed ortogonale ad α, avremmo ottenuto un’inversione che fissa<br />
α e che manda β in un cerchio <strong>con</strong>centrico ad α.<br />
VB, BV XY, BV ZB, β V Ã<br />
X, Y Z Ã, ˜ B<br />
α<br />
A<br />
Z<br />
V W<br />
ζ<br />
X<br />
Y<br />
Ã<br />
˜B<br />
B<br />
= ζ<br />
B<br />
β<br />
β
5 INVERSIONE RISPETTO AD UN CERCHIO DATO 36<br />
Infine, invertiamo α rispetto a ζ, per ottenere i due cerchi <strong>con</strong>centrici richiesti.<br />
Per invertire α sarebbe necessario invertire tre punti e poi costruire<br />
il cerchio passante per i tre punti. Dato che sappiamo che il risultato dell’inversione<br />
deve avere centro in B, in realtà è necessario invertire un punto<br />
solo. In questo caso particolare, poi, in cui α interseca ζ non sarebbe necessario<br />
fare niente: il cerchio <strong>di</strong> centro B e passante per le intersezioni <strong>di</strong><br />
α e ζ deve essere l’inverso <strong>di</strong> α. Diamo comunque la costruzione nel caso<br />
generale: invertiamo un punto già costruito <strong>di</strong> α, per esempio E.<br />
α<br />
E<br />
˜C<br />
EV , ζ ˜ CV , ˜ DV B ˜E<br />
˜C, ˜ D V, ˜ E<br />
A<br />
˜E<br />
V<br />
ζ<br />
˜D<br />
Abbiamo visto la costruzione svolta passo per passo: ecco quello che risulterebbe<br />
se l’avessimo fatta tutta a mano su un foglio. . .<br />
B<br />
β
5 INVERSIONE RISPETTO AD UN CERCHIO DATO 37<br />
α<br />
S<br />
EM<br />
˜C<br />
A<br />
˜E<br />
O<br />
X<br />
L<br />
T<br />
Z<br />
R<br />
V F<br />
N<br />
GP<br />
W<br />
ζ<br />
˜D<br />
C<br />
K<br />
U<br />
D<br />
I<br />
L<br />
Y<br />
Ã<br />
˜B<br />
B<br />
H<br />
β<br />
Q
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 38<br />
6 <strong>Costruzioni</strong> <strong>con</strong> il solo <strong>compasso</strong><br />
Abbiamo già accennato al risultato <strong>di</strong> Mascheroni-Mohr per cui ogni costruzione<br />
eseguibile <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> può essere eseguita anche <strong>con</strong> il<br />
solo <strong>compasso</strong>: vogliamo <strong>di</strong>mostrare tale teorema.<br />
6.1 <strong>Costruzioni</strong> fondamentali<br />
Prima del teorema, ve<strong>di</strong>amo come fare col solo <strong>compasso</strong> alcune costruzioni<br />
elementari. Sottolineiamo che per <strong>compasso</strong> è da intendersi il <strong>compasso</strong><br />
molle.<br />
Osserviamo inoltre che ci sono due costruzioni che rivestono un ruolo<br />
fondamentale nelle costruzioni <strong>con</strong> il solo <strong>compasso</strong>: la simmetria rispetto<br />
ad una retta, che permette <strong>di</strong> trovare la perpen<strong>di</strong>colare ad una retta rispetto<br />
ad un punto esterno, e l’inversione rispetto ad un cerchio, grazie alla<br />
proprietà <strong>di</strong> trasformare rette in cerchi e viceversa.<br />
• Asse del segmento AB. È <strong>di</strong> costruzione imme<strong>di</strong>ata: due punti C<br />
e D sulla retta cercata sono le intersezioni dei due cerchi A(B) e B(A).<br />
A<br />
C D<br />
B<br />
• Perpen<strong>di</strong>colare ad una retta per un punto esterno o, anche,<br />
simmetrico <strong>di</strong> un punto rispetto ad una retta. Data la retta AB ed<br />
un punto C fuori <strong>di</strong> essa, si punti in B <strong>con</strong> raggio BC e poi in A <strong>con</strong> raggio<br />
AC. Se D è l’ulteriore punto <strong>di</strong> intersezione dei due cerchi oltre a C, allora<br />
AB è l’asse del segmento CD, pertanto le due rette sono perpen<strong>di</strong>colari. È<br />
chiaro anche che D è il simmetrico <strong>di</strong> C rispetto alla retta AB.<br />
A B<br />
C<br />
D
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 39<br />
Eliminiamo ora la complicazione data dal <strong>compasso</strong> molle.<br />
• Dal <strong>compasso</strong> molle al <strong>compasso</strong> rigido. Sia dato un punto A<br />
ed un segmento BC. Dobbiamo determinare P tale che AP = BC e quin<strong>di</strong><br />
A(P) = A(BC).<br />
Costruire A(B) e B(A). Siano D ed E i due punti <strong>di</strong> intersezione. Osserviamo<br />
che DE è l’asse del segmento AB e quin<strong>di</strong> questi due punti sono<br />
scambiati tra loro me<strong>di</strong>ante la riflessione rispetto alla retta DE. Costruire<br />
D(C) e E(C) ed in<strong>di</strong>viduare l’ulteriore punto <strong>di</strong> intersezione F. Allora F è<br />
il simmetrico <strong>di</strong> C tramite la stessa riflessione e quin<strong>di</strong> AF = BC.<br />
B<br />
D E<br />
A<br />
Questo è un esempio fondamentale <strong>di</strong> come sfruttare la simmetria rispetto<br />
ad una retta nelle costruzioni <strong>con</strong> il solo <strong>compasso</strong>.<br />
Naturalmente tale costruzione, molto semplice ed elegante, poteva anche<br />
essere fatta subito <strong>di</strong>rettamente nella sezione relativa alle costruzioni che<br />
ammettono anche la <strong>riga</strong>. . ..<br />
• Doppio <strong>di</strong> un segmento AB. Per fare ciò, è sufficiente costruire il<br />
cerchio <strong>di</strong> B(A). Poi, partendo da A, si riporta su questo cerchio il raggio<br />
per 3 volte: il terzo punto C così ottenuto è tale che AC = 2AB.<br />
A B C<br />
C<br />
F
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 40<br />
Un’altra costruzione è la seguente: costruire A(B) e B(A). Siano C, D<br />
i due punti <strong>di</strong> intersezione. Costruire C(D) e D(C) Siano E, F i due punti<br />
<strong>di</strong> intersezione. Si ha EB = AF = 2AB.<br />
C<br />
E A B F<br />
D<br />
Osserviamo che aggiungendo altri due punti si costruisce un esagono<br />
regolare inscritto nel cerchio <strong>di</strong> <strong>di</strong>ametro AC e prendendo un vertice sì ed<br />
uno no si costruisce un triangolo equilatero inscritto nello stesso cerchio.<br />
• Multipli interi <strong>di</strong> un segmento AB. Si ottengono dalla costruzione<br />
precedente ripetuta più volte. In particolare, otteniamo tutti i numeri<br />
interi.<br />
A B<br />
• Perpen<strong>di</strong>colare ad una retta per un punto della retta stessa.<br />
Data la retta AB, per trovare la perpen<strong>di</strong>colare in B sarà sufficiente trovare<br />
C che duplica AB, <strong>di</strong> modo che B sia il punto me<strong>di</strong>o del segmento AC.<br />
L’asse <strong>di</strong> tale segmento è la perpen<strong>di</strong>colare cercata.<br />
• Parallela ad una retta per un punto. Data la retta AB ed il punto<br />
C, basta costruire la perpen<strong>di</strong>colare ad AB in C e poi la perpen<strong>di</strong>colare in<br />
C a quest’ultima.<br />
• Inverso <strong>di</strong> un punto rispetto ad un cerchio. Iniziamo <strong>con</strong> l’invertire<br />
un punto B rispetto a α, <strong>di</strong> raggio a e centro A supponendo che B<br />
sia esterno a α.
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 41<br />
α<br />
A<br />
C<br />
D<br />
E<br />
Costruire B(A) e trovare le intersezioni C, D <strong>con</strong> α. Puntando ora sia in<br />
C che in D sempre passando per A, l’ulteriore intersezione dei due cerchi è<br />
il punto cercato E. Infatti, si ha che E appartiene alla retta AB dato che<br />
AB per costruzione è l’asse <strong>di</strong> CD ed E è equi<strong>di</strong>stante da C e D. Inoltre, i<br />
triangoli ABC ed ACE sono simili essendo entrambi isosceli e <strong>con</strong> l’angolo<br />
alla base uguale.<br />
Nel caso in cui B è interno, la costruzione <strong>con</strong>tinua a valere se il cerchio<br />
<strong>di</strong> centro B e raggio AB ha due intersezioni <strong>con</strong> α. Ciò si verifica se AB ><br />
1<br />
2a. Se <strong>di</strong> intersezione ce n’è una sola, allora AB = 1<br />
2a, pertanto AE = 2a =<br />
4AB ed E è costruibile per quanto già visto.<br />
Se, infine, AB < 1<br />
2a, allora si costruisce C tale che AC = n · AB, C<br />
a. Con la costruzione precedente si inverte C, trovando<br />
interno a α e AC > 1<br />
2<br />
D. Si avrà AD = a2<br />
AC<br />
AE = a2<br />
AB<br />
= n · AD.<br />
α<br />
= a2<br />
n·AB<br />
A<br />
e, pertanto, l’inverso E <strong>di</strong> B sarà dato da<br />
B<br />
C<br />
D<br />
B<br />
E
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 42<br />
Osserviamo che la costruzione effettuata utilizza solo il <strong>compasso</strong> molle.<br />
• Reciproci dei numeri naturali. Dato n, il suo reciproco lo si trova<br />
tramite l’inversione rispetto alla cir<strong>con</strong>ferenza unitaria.<br />
• Centro del cerchio passante per tre punti. Siano A, B, C i tre<br />
punti dati. Iniziamo <strong>con</strong> il caso particolare in cui un punto è equi<strong>di</strong>stante<br />
dagli altri due: AB = AC. Tracciare il cerchio α = A(B). Poi tracciare i<br />
cerchi B(A) e C(A). Sia D l’ulteriore punto <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> questi due<br />
cerchi. Allora, dalla costruzione dell’inverso <strong>di</strong> un punto, risulta che l’inverso<br />
P <strong>di</strong> D rispetto ad α è il centro del cerchio β passante per A, B e<br />
C.<br />
α<br />
B<br />
A D<br />
C<br />
Per costruire il centro, pertanto, trovato D come sopra siano E ed F<br />
le intersezioni <strong>di</strong> D(A) e A(B) (nel caso D(A) non intersechi A(B) bisogna<br />
procedere come già in<strong>di</strong>cato per costruire l’inverso <strong>di</strong> D). L’ulteriore<br />
intersezione <strong>di</strong> E(A) ed F(A) è il centro G del cerchio passante per A, B, C.<br />
α<br />
B<br />
A D<br />
C<br />
E<br />
F<br />
P<br />
G<br />
β
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 43<br />
Passiamo ora la caso generale. Supponiamo AB < BC. L’idea è <strong>di</strong><br />
invertire, rispetto al cerchio A(B), il cerchio passante per i punti dati: in<br />
questo modo si determina un altro punto sul cerchio cercato avente da A<br />
la stessa <strong>di</strong>stanza <strong>di</strong> B e ci si riduce al caso precedente.<br />
Siano D, E le intersezioni <strong>di</strong> A(B) e C(A) e sia F l’ulteriore intersezione<br />
<strong>di</strong> D(A) ed E(A). Risulta pertanto che F è l’inverso <strong>di</strong> C rispetto al cerchio<br />
A(B). Tramite quest’inversione, il cerchio cercato viene trasformato in una<br />
retta passante per F, inverso <strong>di</strong> C, e B, che è l’inverso <strong>di</strong> se stesso. Sia<br />
adesso G l’ulteriore intersezione <strong>di</strong> F(A) e B(A); la retta FB è l’asse del<br />
segmento AG e quin<strong>di</strong> il punto H determinato dall’ulteriore intersezione <strong>di</strong><br />
G(B) e A(B) è anch’esso su tale asse.<br />
Riassumendo: H è sulla retta FB e sul cerchio A(B) pertanto il suo<br />
inverso, che coincide <strong>con</strong> H stesso, è sul cerchio cercato passante per A, B, C<br />
ma anche sul cerchio A(B), per cui AH = AB e siamo ridotti al caso<br />
precedente.<br />
A<br />
E<br />
D<br />
B<br />
F<br />
H<br />
Osserviamo che l’idea alla base <strong>di</strong> questa costruzione è il fatto che il<br />
punto H che stiamo cercando e che ci permette <strong>di</strong> ridurci al caso precedente<br />
è il punto d’intersezione tra la retta BF ed il cerchio A(B); per trovare H<br />
si sfrutta il fatto che BH è una corda del cerchio A(B) e pertanto se G è<br />
il simmetrico <strong>di</strong> A rispetto a BF, allora H è il simmetrico <strong>di</strong> B rispetto ad<br />
AG, da cui la costruzione.<br />
G<br />
C
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 44<br />
• Punto me<strong>di</strong>o <strong>di</strong> un segmento. Dato AB, basta raddoppiare il<br />
segmento in C e trovare l’inverso D <strong>di</strong> C.<br />
A D B C<br />
• Bisezione <strong>di</strong> un arco. Per la costruzione, useremo il <strong>compasso</strong><br />
rigido. Se BC è un arco <strong>di</strong> un cerchio <strong>con</strong> centro in A, costruire B(A) e<br />
C(A). Su tali cerchi riportare due archi AD ed AE uguali a BC. Costruire<br />
D(C) ed E(B), ottenendo come intersezione F. Costruire D(AF) oppure,<br />
equivalentemente, E(AF). Il punto G <strong>di</strong> intersezione <strong>con</strong> l’arco BC è il<br />
punto me<strong>di</strong>o dell’arco stesso.<br />
D<br />
B<br />
G<br />
F<br />
X<br />
Y<br />
W Z<br />
A<br />
Per <strong>di</strong>mostrare ciò, introduciamo alcuni punti che non fanno parte della<br />
costruzione.<br />
Sia X l’intersezione <strong>di</strong> AF <strong>con</strong> l’arco BC. È evidente che X biseca l’arco.<br />
Siano inoltre Y, W e Z, rispettivamente, i punti me<strong>di</strong> dei segmenti BC, DA<br />
e AE, come in figura.<br />
C<br />
E
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 45<br />
Per ottenere la correttezza della costruzione, è sufficiente <strong>di</strong>mostrare che<br />
DX = AF, in modo che G = X.<br />
Osserviamo innanzi tutto che DW = WA = AZ = ZE = BY = Y C.<br />
Usando più volte il Teorema <strong>di</strong> Pitagora, si ha<br />
DX 2 = DA 2 + AX 2<br />
= DA 2 + AC 2<br />
= DA 2 + AZ 2 + ZC 2<br />
= DA 2 + AZ 2 + DC 2 − DZ 2<br />
= DC 2 + AZ 2 + DA 2 − DZ 2<br />
= DC 2 + AZ 2 + 4AZ 2 − 9AZ 2<br />
= DC 2 − 4AZ 2<br />
= DC 2 − DA 2<br />
= AF 2 .<br />
6.2 Teorema <strong>di</strong> Mascheroni–Mohr<br />
Siamo pronti per <strong>di</strong>mostrare il risultato principale.<br />
Teorema 6.1. Ogni costruzione eseguibile <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong> è eseguibile<br />
<strong>con</strong> il solo <strong>compasso</strong>.<br />
Dimostrazione. La definizione che abbiamo dato <strong>di</strong> costruzione <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e<br />
<strong>compasso</strong> prevede una successione <strong>di</strong> quattro operazioni fondamentali, a<br />
partire dai due punti dati (0, 0) e (1, 0):<br />
1. <strong>con</strong>giungere due punti (già costruiti) <strong>con</strong> una retta;<br />
2. trovare il punto <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> due rette (già costruite);<br />
3. tracciare una cir<strong>con</strong>ferenza, dato il centro ed un suo punto;<br />
4. trovare i punti <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> una cir<strong>con</strong>ferenza <strong>con</strong> un’altra cir<strong>con</strong>ferenza<br />
(già costruita) o <strong>con</strong> una retta (già costruita).<br />
Per <strong>di</strong>mostrare il teorema, bisogna mostrare che ognuna <strong>di</strong> queste costruzioni<br />
può essere eseguita <strong>con</strong> il solo <strong>compasso</strong>.<br />
La prima operazione perde <strong>di</strong> significato nel momento in cui ammettiamo<br />
l’uso del solo <strong>compasso</strong>: una retta si intenderà nota tramite due suoi<br />
punti.
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 46<br />
La terza operazione, naturalmente, è effettuabile, così come trovare i<br />
punti <strong>di</strong> intersezione tra due cir<strong>con</strong>ferenze.<br />
Ci resta quin<strong>di</strong> da trovare i punti <strong>di</strong> intersezione date<br />
a. una retta ed una cir<strong>con</strong>ferenza;<br />
b. due rette.<br />
Il caso a. lo <strong>di</strong>videremo in due sottocasi:<br />
i. la retta non passa per il centro della cir<strong>con</strong>ferenza;<br />
ii. la retta passa per il centro della cir<strong>con</strong>ferenza.<br />
a.i.: intersezione tra un cerchio ed una retta non passante per<br />
il centro.<br />
Siano dati una retta AB ed un cerchio α <strong>di</strong> raggio a <strong>con</strong> il suo centro<br />
C. Tracciare A(C) e B(C). Sia D l’ulteriore punto in comune <strong>di</strong> queste due<br />
cir<strong>con</strong>ferenze. Osserviamo che D esiste sempre ed è <strong>di</strong>verso da C perché si<br />
sta supponendo che AB non passi per C.<br />
AB è l’asse del segmento CD e quin<strong>di</strong> la <strong>di</strong>stanza della retta AB dal<br />
centro del cerchio C è pari a CD<br />
2 . I vari casi che si possono avere sono i<br />
seguenti:<br />
1. CD > 2a: è il caso in cui la retta ed il cerchio non hanno intersezione.<br />
2. CD = 2a: la retta AB è tangente ad α.<br />
3. CD < 2a: la retta ed il cerchio sono secanti.<br />
Per trovare i due punti <strong>di</strong> intersezione (coincidenti nel se<strong>con</strong>do caso),<br />
costruiremo l’inverso <strong>di</strong> D rispetto a α. Si veda la costruzione dell’inverso<br />
<strong>di</strong> un punto rispetto ad un cerchio per i dettagli e la <strong>di</strong>scussione dei vari<br />
casi: per semplicità, mostreremo solo il caso più significativo dell’inversione<br />
<strong>di</strong> un punto.<br />
Se {E, F } = α ∩ D(C), allora l’inverso cercato è G, dove {C, G} =<br />
E(C) ∩ F(C).<br />
Tracciare G(C) e siano H, I i due punti <strong>di</strong> intersezione <strong>con</strong> α. H ed I<br />
sono i punti <strong>di</strong> intersezione tra la retta AB e α.
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 47<br />
A<br />
E<br />
H<br />
α<br />
C<br />
D<br />
G<br />
Infatti, essendo AB l’asse del segmento CD, è sufficiente far vedere che<br />
H ed I sono anch’essi su quest’asse. Questo segue dal fatto che G è l’inverso<br />
<strong>di</strong> D e quin<strong>di</strong> D è l’inverso <strong>di</strong> G. Riprendendo la costruzione dell’inverso <strong>di</strong><br />
G, si vede che D è l’intersezione del cerchio <strong>di</strong> centro H e raggio HC col<br />
cerchio <strong>di</strong> centro I e raggio IC, pertanto HC = HD e IC = ID.<br />
Osserviamo che il cerchio passante per H, I e C è il cerchio inverso della<br />
retta AB rispetto ad α.<br />
a.ii.: intersezioni tra un cerchio ed una retta passante per il<br />
suo centro.<br />
Se α è il cerchio dato <strong>di</strong> centro C e AB è la retta passante per C,<br />
tracciando un cerchio <strong>di</strong> centro A e raggio AC le intersezioni <strong>di</strong> questo<br />
cerchio <strong>con</strong> α sono due punti che <strong>di</strong>vidono α stesso in due archi. Bisecando<br />
questi due archi si trovano due punti che stanno sulla retta AB e su α.<br />
Questa costruzione non funziona in due casi: il primo è quando A = C.<br />
In tal caso, effettuarla scegliendo B. Il se<strong>con</strong>do è quando sia A che B si<br />
trovano all’interno del cerchio <strong>di</strong> centro C e raggio uguale alla metà del<br />
raggio <strong>di</strong> α. In tal caso, moltiplicare AB per un opportuno numero intero<br />
fino a trovare un punto fuori da quest’ultimo cerchio.<br />
F<br />
I<br />
B
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 48<br />
α<br />
C<br />
A B<br />
b.: intersezione tra due rette.<br />
Siano AB e CD due rette. Sia E un qualsiasi altro punto costruibile del<br />
piano non appartenente alle rette date (se non ci sono altri punti già costruiti<br />
oltre ai quattro dati si può, per esempio, costruire l’esagono regolare<br />
inscritto in A(B) avente un vertice in B: uno <strong>degli</strong> altri 4 vertici, escludendo<br />
anche il simmetrico <strong>di</strong> B rispetto ad A, deve essere necessariamente<br />
fuori dalla retta CD). Puntando in E tracciamo un cerchio α passante per<br />
un qualsiasi altro punto costruibile.<br />
Invertendo i quattro punti dati ed usando la costruzione del cerchio passante<br />
per tre punti, costruiamo i due cerchi β e γ inversi, relativamente ad<br />
α, alle rette AB e CD rispettivamente. Sia J l’ulteriore punto <strong>di</strong> intersezione,<br />
se esiste, dei cerchi β e γ. L’inverso K rispetto a α <strong>di</strong> J è l’intersezione<br />
<strong>di</strong> AB e CD.<br />
Naturalmente, quando se β e γ si in<strong>con</strong>trano solo in E, J non esiste e<br />
ciò vuol <strong>di</strong>re che le due rette sono parallele.
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 49<br />
K<br />
F<br />
A<br />
J<br />
H<br />
G β<br />
6.3 Dimostrazione alternativa<br />
Come già osservato, le costruzioni <strong>con</strong> il solo <strong>compasso</strong> si basano spesso<br />
su due costruzioni fondamentali: l’inversione rispetto ad un cerchio e la<br />
simmetria rispetto ad una retta.<br />
Nella <strong>di</strong>mostrazione che abbiamo dato del teorema <strong>di</strong> Mascheroni–Mohr<br />
le costruzioni relative ai punti a.i e b usano l’inversione, mentre la costruzione<br />
relativa al punto a.ii usa, anche se in modo non del tutto evidente, le<br />
proprietà della simmetria.<br />
Per vedere altri esempi <strong>di</strong> costruzioni <strong>con</strong> il solo <strong>compasso</strong> effettuate<br />
usando le proprietà della simmetria, ri<strong>di</strong>mostriamo i punti a.i e b <strong>con</strong> questa<br />
tecnica.<br />
Dimostrazione. a.i.: intersezione tra un cerchio ed una retta non<br />
passante per il centro. Sono dati la retta AB ed il cerchio C(D) (nella<br />
tabella preferiamo usare la notazione CD per i cerchi). Diamo subito la<br />
costruzione tramite la tabella:<br />
B<br />
C<br />
E<br />
AC, BC AD, BD CD, EF G, H<br />
AB, CD C, E D, F G, H<br />
D<br />
I<br />
α<br />
γ
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 50<br />
Si ha che E è il simmetrico <strong>di</strong> C rispetto ad AB e nello stesso modo F è<br />
il simmetrico <strong>di</strong> D. Ne segue che il cerchio E(F) è il simmetrico <strong>di</strong> C(D) e<br />
pertanto le due intersezioni G, H <strong>di</strong> questi due cerchi devono stare sull’asse<br />
della simmetria, che è AB.<br />
E F<br />
A B<br />
G H<br />
C D<br />
In questo caso, la costruzione effettuata tramite le proprietà delle simmetrie<br />
risulta più semplice ed elegante <strong>di</strong> quella effettuata tramite le proprietà<br />
dell’inversione.<br />
Lo stesso non si può certamente <strong>di</strong>re della prossima costruzione.<br />
b.: intersezione tra due rette. Sono date le due rette (non parallele)<br />
AB e CD. Dobbiamo trovare il punto X <strong>di</strong> intersezione tra le due rette.<br />
La costruzione è schematizzata nella tabella<br />
CA, DA AE, BE EA, FA GA<br />
AB, CD A, E E, F A, G HA = n · GA<br />
HA, AE IA, JA KA X = L<br />
I, J A, K LA = n · KA<br />
Iniziamo col supporre che X non sia nessuno dei quattro punti dati,<br />
altrimenti non c’è nulla da fare. Nella costruzione data, E è il simmetrico <strong>di</strong><br />
A rispetto a CD. Se le due rette sono perpen<strong>di</strong>colari, il punto d’intersezione<br />
è il punto me<strong>di</strong>o del segmento AE. Possiamo pertanto supporre che non<br />
siano perpen<strong>di</strong>colari. F è il simmetrico <strong>di</strong> E rispetto alla retta AB e G è il<br />
simmetrico <strong>di</strong> A rispetto ad EF. Osserviamo che G è sulla retta AB.<br />
H, che nella nostra figura coincide <strong>con</strong> G, si trova nel seguente modo: si<br />
vogliono determinare le intersezioni <strong>di</strong> G(A) ed A(E). Non è però detto che
6 COSTRUZIONI CON IL SOLO COMPASSO 51<br />
questi due cerchi si intersechino: <strong>di</strong>pende dalla posizione relativa dei punti<br />
<strong>di</strong> partenza. Nel caso in cui non si intersecano, moltiplichiamo il segmento<br />
GA per un oportuno n ottenendo H (sulla semiretta ←−<br />
GA) in modo che i<br />
due cerchi H(A) ed A(E) abbiano due intersezioni. Siano I e J queste due<br />
intersezioni e costruiamo i cerchi I(A) e J(A). Sia K l’ulteriore punto <strong>di</strong><br />
intersezione <strong>di</strong> questi ultimi due cerchi; moltiplicare il segmento KA per<br />
il numero n precedentemente determinato in modo da trovare L. Il punto<br />
cercato X coincide <strong>con</strong> L.<br />
Ve<strong>di</strong>amo perché. I triangoli AXE e AEG sono simili essendo entrambi<br />
isosceli e <strong>con</strong> l’angolo alla base in comune. Pertanto AX = AE2<br />
AG .<br />
Nello stesso modo, i triangoli AIK e AHI sono simili, per cui AK =<br />
AI 2<br />
. Da ciò, otteniamo<br />
AH<br />
<br />
AI<br />
AL = nAK = n<br />
2 <br />
AE<br />
= n<br />
AH<br />
2 <br />
nAG<br />
= AE2<br />
AG<br />
= AX<br />
e dato che X ed L sono entrambi sulla retta AB, otteniamo X = L.<br />
X<br />
K = L<br />
I<br />
F<br />
G = H<br />
J<br />
A B<br />
E<br />
C D
7 IL PROBLEMA DI APOLLONIO 52<br />
7 Il problema <strong>di</strong> Apollonio<br />
Problema 7.1. Dati tre cerchi <strong>di</strong>stinti e possibilmente degeneri nel piano,<br />
<strong>di</strong>re se esiste, ed eventualmente costruire, un cerchio tangente a tutti e tre<br />
i cerchi dati.<br />
Il problema <strong>di</strong> Apollonio è uno dei problemi classici nelle costruzioni <strong>con</strong><br />
<strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong>. La sua trattazione completa è complessa e lunga dato che<br />
si ammette che ognuno dei tre cerchi dati possa degenerare ad un punto od<br />
una retta: vi sono quin<strong>di</strong> 10 casi principali, ognuno dei quali va sud<strong>di</strong>viso<br />
in sottocasi a se<strong>con</strong>da delle relazioni intercorrenti tra le figure. Il numero<br />
totale delle soluzioni varia da caso a caso e può essere compreso tra 0 ed 8,<br />
eccettuato il caso <strong>di</strong> tre cerchi tutti e tre tangenti nello stesso punto, che<br />
ha infinite soluzioni.<br />
Per capire come affrontare il problema, esaminiamo alcuni casi.<br />
7.1 PRR<br />
Innanzi tutto, stu<strong>di</strong>amo in modo completo il caso <strong>di</strong> un punto P e due<br />
rette s, t. Sia γ <strong>di</strong> centro O e raggio r una eventuale soluzione. I casi da<br />
<strong>di</strong>stinguere sono i seguenti:<br />
1. rette incidenti e<br />
(a) punto su entrambe le rette;<br />
(b) punto su una sola retta;<br />
(c) punto fuori dalle rette;<br />
2. rette parallele e<br />
(a) punto su una retta;<br />
(b) punto fuori dalle rette e<br />
i. esterno alla striscia delimitata dalle rette;<br />
ii. interno alla striscia delimitata dalle rette.<br />
Come si vede, solo questo caso prevede ben 6 sottocasi. Si capisce quin<strong>di</strong><br />
che la trattazione completa del problema non può non essere che molto<br />
voluminosa, anche se molti casi sono <strong>di</strong> facile soluzione.<br />
Esaminiamo i vari sottocasi.<br />
1.a. Nessuna soluzione: se P ∈ t, γ deve essere tangente in P ad t. Dato<br />
che s in<strong>con</strong>tra t in P, s non può essere tangente a γ.
7 IL PROBLEMA DI APOLLONIO 53<br />
t<br />
s<br />
P<br />
1.b. Due soluzioni: se P ∈ t, γ deve essere tangente in P ad t e quin<strong>di</strong> O<br />
si deve trovare sulla retta perpen<strong>di</strong>colare a t in P. Inoltre, O deve comunque<br />
stare sulla bisettrice dell’angolo all’interno del quale si trova γ.<br />
t P<br />
s<br />
1.c. Due soluzioni: O deve stare sulla bisettrice dell’angolo all’interno<br />
del quale si trova P. Si tracci una qualsiasi cir<strong>con</strong>ferenza δ <strong>di</strong> centro Q in<br />
quest’angolo che sia tangente alle due rette e si <strong>con</strong>sideri la retta UP. Essa<br />
in<strong>con</strong>trerà δ in due punti A e B. Se γ <strong>di</strong> centro O è soluzione, allora si deve<br />
. Si hanno quin<strong>di</strong> due possibili soluzioni<br />
e i centri si trovano me<strong>di</strong>ante una semplice proporzione.<br />
avere UO<br />
UQ<br />
= UP<br />
UA<br />
oppure UO<br />
UQ<br />
= UP<br />
UB
7 IL PROBLEMA DI APOLLONIO 54<br />
t<br />
U<br />
s<br />
γ<br />
O<br />
A<br />
In tutti i casi 2.∗, ogni centro tangente alle due rette deve avere centro<br />
sulla retta u che <strong>di</strong>vide in due parti uguali la striscia compresa tra le rette<br />
s e t.<br />
2.a. Una soluzione: O deve stare anche sulla perpen<strong>di</strong>colare in P ad s.<br />
s<br />
2.b.i. Nessuna soluzione: ovvio.<br />
s<br />
t<br />
t<br />
P<br />
O<br />
P<br />
2.b.ii Due soluzioni: se P deve stare su γ, il centro O <strong>di</strong> quest’ultimo<br />
deve <strong>di</strong>stare da P la metà della <strong>di</strong>stanza tra le rette, perché sappiamo già<br />
che questo è il raggio <strong>di</strong> γ.<br />
P<br />
Q<br />
γ<br />
δ<br />
O<br />
γ<br />
B<br />
u
7 IL PROBLEMA DI APOLLONIO 55<br />
7.2 CCC<br />
s<br />
t<br />
γ P γ<br />
O O u<br />
Ve<strong>di</strong>amo adesso il caso <strong>di</strong> tre cerchi in posizione generale. Con ciò,<br />
inten<strong>di</strong>amo il caso in cui i tre cerchi sono non degeneri, esterni l’uno all’altro,<br />
non intersecanti, <strong>con</strong> raggi <strong>di</strong>versi e <strong>con</strong> i tre centri non allineati. Insomma,<br />
è quello che potrebbe essere <strong>con</strong>siderato come “il” problema <strong>di</strong> Apollonio:<br />
ogni altro caso può essere <strong>con</strong>siderato “degenere”, nel senso che si verifica<br />
quando almeno una delle precenti <strong>con</strong><strong>di</strong>zioni non è sod<strong>di</strong>sfatta. In questo<br />
caso, il problema ammette 8 soluzioni.<br />
Esistono varie costruzioni che risolvono il problema <strong>di</strong> Apollonio: ne<br />
mostreremo una dovuta a Gergonne.<br />
Per prima cosa, si deve determinare il centro ra<strong>di</strong>cale dei tre cerchi dati.<br />
Esso è, per definizione, l’intersezione dei tre assi ra<strong>di</strong>cali dei cerchi presi a<br />
2 a 2: per un teorema già citato, tali assi si intersecano in un punto. La<br />
costruzione dell’asse ra<strong>di</strong>cale <strong>di</strong> due cerchi è già stata vista in precedenza.<br />
Il se<strong>con</strong>do passo verso la soluzione è quello <strong>di</strong> determinare i 6 punti <strong>di</strong><br />
omotetia: 2 per ogni coppia <strong>di</strong> cerchi. Anche in questo caso la costruzione<br />
è già stata vista.<br />
Si può <strong>di</strong>mostare che questi 6 punti appartengono a 4 rette, su ognuna<br />
<strong>di</strong> queste rette vi sono tre punti e per ogni punto passano 2 rette, come si<br />
vede dalla figura.
7 IL PROBLEMA DI APOLLONIO 56<br />
A questo punto, si sceglie una <strong>di</strong> queste quattro rette e, <strong>con</strong> la costruzione<br />
che segue, si ottengono due cerchi tangenti ai cerchi dati. Come esempio,<br />
scegliamo la retta che lascia i tre cerchi nello stesso semipiano.<br />
Il primo passaggio è determinare il polo <strong>di</strong> inversione della retta rispetto<br />
ad ogni cerchio. Per polo <strong>di</strong> inversione inten<strong>di</strong>amo il punto inverso, rispetto<br />
al cerchio, del punto <strong>di</strong> intersezione della retta <strong>con</strong> la perpen<strong>di</strong>colare alla<br />
retta stessa passante per il centro del cerchio. Da un altro punto <strong>di</strong> vista,<br />
invertendo la retta rispetto al cerchio si ottiene un cerchio passante per il<br />
centro del cerchio dato: il polo <strong>di</strong> inversione è l’altro estremo del <strong>di</strong>ametro<br />
del cerchio inverso della retta.<br />
Adesso si <strong>con</strong>giunge ogni polo <strong>di</strong> inversione <strong>con</strong> il centro ra<strong>di</strong>cale. Ogni<br />
retta così trovata determina due punti su ogni cerchio.
7 IL PROBLEMA DI APOLLONIO 57<br />
Scegliendo uno dei due punti su ogni cerchio, si determina un cerchio<br />
tangente ai tre cerchi dati.<br />
Ripetendo la costruzione per ogni retta determinata dai centri <strong>di</strong> omotetia,<br />
si determinano tutte e otto le soluzioni.
7 IL PROBLEMA DI APOLLONIO 58
7 IL PROBLEMA DI APOLLONIO 59<br />
Mostriamo, infine, tutte le curve necessarie per determinare la soluzione<br />
del problema, per avere un’idea della <strong>di</strong>fficoltà che si doveva affrontare,<br />
tecnicamente, quando i <strong>di</strong>segni si facevano a mano. . .
8 ALTRE COSTRUZIONI 60<br />
8 Altre costruzioni<br />
In questa sezione vedremo alcune costruzioni, prese da varie fonti, esemplificative<br />
<strong>di</strong> problematiche e tecniche che intervengono in questa <strong>di</strong>sciplina.<br />
Fino ad ora abbiamo cercato <strong>di</strong> porre la massima attenzione nell’aderire<br />
alla definizione data <strong>di</strong> costruzione, che richiede che ogni nuova figura sia<br />
costruita a partire da punti dati o già costruiti. Adesso, invece, ci <strong>con</strong>centreremo<br />
soprattutto sulle costruzioni geometriche, prendendoci qualche libertà<br />
sul formalismo, come già segnalato nell’osservazione 2.2: una frase del tipo<br />
“costruire un cerchio in P <strong>di</strong> raggio qualsiasi” non aderisce alla definizione,<br />
poiché il raggio del cerchio è determinato dal fatto che la cir<strong>con</strong>ferenza<br />
dovrebbe passare per un punto già costruito; ma se nella costruzione serve<br />
solo il cerchio ed il suo raggio non ha importanza, si può sempre trovare un<br />
altro punto già costruito per il quale far passare il cerchio.<br />
• In un triangolo dato, tracciare una parallela alla base <strong>di</strong> modo<br />
che, tracciando dall’intersezione <strong>di</strong> tale retta <strong>con</strong> i due lati del<br />
triangolo due parallele ai lati stessi, la somma dei segmenti in<strong>di</strong>viduati<br />
da tali rette <strong>con</strong> la base sia uguale al segmento del lato<br />
parallelo alla base [2], n. 17 .<br />
Dato il triangolo ABC, si chiede <strong>di</strong> determinare P su AC e Q su BC<br />
tale che la retta PQ sia parallela ad AB e in<strong>di</strong>cando <strong>con</strong> E ed F due punti<br />
su AB tali che PE e QF siano parallele, rispettivamente, a BC e AC. si<br />
abbia PE + QF = PQ.<br />
P<br />
C<br />
R<br />
A E F B<br />
Per prima cosa <strong>con</strong>vinciamoci che ciò sia effettivamente possibile. Quando<br />
P tende ad A (e, <strong>di</strong> <strong>con</strong>seguenza, Q tende a B), la somma richiesta tende<br />
a 0, mentre PQ tende ad AB. Per <strong>con</strong>tro, quando P e Q tendono a C, la<br />
somma tende a AC + BC mentre PQ tende a 0. La funzione PE + QF è<br />
Q
8 ALTRE COSTRUZIONI 61<br />
<strong>con</strong>tinua e strettamente crescente, per cui ci sarà una ed una sola soluzione<br />
al nostro problema.<br />
Cerchiamo <strong>di</strong> capire dalla figura quali proprietà necessarie deve avere la<br />
soluzione, in modo da vedere se tramite tali proprietà sono anche sufficienti.<br />
Evidentemente PE = QB e QF = PA, per cui basta cercare P e Q <strong>di</strong><br />
modo che si abbia AP + BQ = PQ.<br />
Supponiamo dunque <strong>di</strong> aver già determinato la soluzione: AP + BQ =<br />
PQ e sia R su PQ tale che PR = PA (e, <strong>di</strong> <strong>con</strong>seguenza, RQ = QB ).<br />
Dato che PQ è parallela ad AB, gli angoli P ˆ RA e RÂB sono sempre<br />
uguali, per un qualsiasi punto R su PQ. Dal fatto che PR = AP, segue<br />
che il triangolo PAR è isoscele. Pertanto PÂR = P ˆ RA = RÂB e quin<strong>di</strong><br />
R deve essere sulla bisettrice <strong>di</strong> PÂB = CÂB. In modo analogo, R deve<br />
stare anche sulla bisettrice dell’angolo C ˆ BA.<br />
Se vi è una soluzione, questa <strong>con</strong><strong>di</strong>zione la determina univocamente. È<br />
semplice, a questo punto, verificare che tale <strong>con</strong><strong>di</strong>zione è anche sufficiente:<br />
si scelga R come l’intersezione delle bisettrici dei due angoli CÂB e C ˆBA.<br />
Si tracci la parallela ad AB per R e siano P, Q le intersezioni <strong>con</strong>, rispettivamente,<br />
AC, BC. Con le stesse <strong>con</strong>siderazioni già fatte, la retta PQ risolve<br />
il problema.<br />
• In un triangolo tracciare una parallela alla base <strong>di</strong> modo che<br />
la somma dei segmenti dei lati compresi tra la base e tale parallela<br />
sia uguale alla base stessa [2], n. 2 .<br />
Sia ABC il triangolo dato, <strong>di</strong> base AB. Siano P su AC e Q su BC tali<br />
che PQ sia parallela ad AB e AP +BQ = AB. Si scelga R su AB <strong>di</strong> modo<br />
che AR = AP e, <strong>di</strong> <strong>con</strong>seguenza, BR = BQ. Tracciare la retta CR e le<br />
perpen<strong>di</strong>colari per R ad AC, PQ, BC e siano S, T, U i rispettivi punti <strong>di</strong><br />
intersezione.<br />
S<br />
P<br />
C<br />
T<br />
Q<br />
A R B<br />
Da AP = AR segue che APR è un triangolo isoscele, per cui A ˆ PR =<br />
A ˆ RP = R ˆ PQ e quin<strong>di</strong> la retta PR biseca l’angolo A ˆ PQ. In modo analogo,<br />
U
8 ALTRE COSTRUZIONI 62<br />
RQ biseca B ˆ QP. Questo implica che SR = TR = UR e quin<strong>di</strong> CR biseca<br />
l’angolo in C.<br />
Da quanto visto, segue la costruzione: dato il triangolo <strong>di</strong> base AB si<br />
tracci la bisettrice dell’angolo in C e sia R il punto <strong>di</strong> intersezione <strong>con</strong> AB.<br />
In R si traccino la perpen<strong>di</strong>colare per R ad AC (oppure, in<strong>di</strong>fferentemente, a<br />
BC), e la perpen<strong>di</strong>colare ad AB. Su quest’ultima retta si riporti la <strong>di</strong>stanza<br />
<strong>di</strong> R da AC e, in questo punto, si tracci la parallela ad AB. Questa è la<br />
retta cercata.<br />
Infatti, nominando i punti come in figura, RS = RU = RT, quin<strong>di</strong> R è<br />
equi<strong>di</strong>stante da AP e PQ, cioè PR biseca A ˆ PQ. Ma allora R ˆ PA = Q ˆ PR =<br />
P ˆ RA e quin<strong>di</strong> il triangolo APR è isoscele ed in modo simile si ragiona per<br />
il triangolo RBQ.<br />
• Dati un punto O, due rette parallele u e v ed un punto A su<br />
u, tracciare una retta passante per O tale che, dette X ed Y le<br />
intersezioni <strong>di</strong> tale retta <strong>con</strong> u ed v, A sia equi<strong>di</strong>stante da X ed Y.<br />
[1], 1907.2 .<br />
Sia r una retta che verifica la proprietà richiesta e sia s la retta equi<strong>di</strong>stante<br />
da u e v.<br />
O<br />
s<br />
γ<br />
X<br />
In<strong>di</strong>chiamo <strong>con</strong> H l’intersezione <strong>di</strong> r ed s. Dato che H è il punto me<strong>di</strong>o<br />
<strong>di</strong> XY, e dato che il triangolo AXY è isoscele, AH è perpen<strong>di</strong>colare ad r.<br />
Pertanto il triangolo AHO è rettangolo in H e dunque H appartiene alla<br />
cir<strong>con</strong>ferenza γ <strong>di</strong> <strong>di</strong>ametro AO.<br />
In definitiva, le soluzioni del problema sono le rette r passanti per O<br />
e per le (eventuali) intersezioni <strong>di</strong> γ <strong>con</strong> s; pertanto, vi possono essere<br />
nessuna, una o due soluzioni.<br />
A<br />
H<br />
Y<br />
u<br />
r
8 ALTRE COSTRUZIONI 63<br />
• Date tre rette parallele, trovare un triangolo equilatero avente<br />
un vertice so ogni retta [1], 1967.2 .<br />
Siano a, b, c le tre rette, <strong>con</strong> b interna alle altre due. Osserviamo che<br />
se si effettua una rotazione <strong>di</strong> 60 ◦ <strong>con</strong> centro in un vertice <strong>di</strong> un triangolo<br />
equilatero, uno dei due restanti vertici viene trasformato nel terzo.<br />
Possiamo allora procedere così: fissiamo ad arbitrio un punto A sulla<br />
retta a. Sia b ′ la retta trasformata <strong>di</strong> b me<strong>di</strong>ante la rotazione <strong>di</strong> 60 ◦ <strong>con</strong><br />
centro in A e sia C l’intersezione b ′ ∩ c. Per determinare adesso il terzo<br />
vertice B su b del triangolo equilatero, basta intersecare b <strong>con</strong> il cerchio <strong>di</strong><br />
centro A e raggio AC, avendo cura <strong>di</strong> scegliere l’intersezione che sta nello<br />
stesso semipiano <strong>di</strong> A rispetto a b ′ .<br />
Osserviamo che, dato che <strong>di</strong> rotazioni <strong>di</strong> 60 ◦ rispetto ad A se ne possono<br />
fare due, fissato A ci sono esattamente due soluzioni al problema.<br />
A<br />
C<br />
b ′<br />
Se<strong>con</strong>da costruzione.<br />
Fissato nuovamente A, tracciare per A una delle due rette che intersecano<br />
le parallele <strong>con</strong> un angolo <strong>di</strong> 30 ◦ e sia D l’intersezione <strong>di</strong> tale retta<br />
<strong>con</strong> c.<br />
Sia B l’intersezione <strong>di</strong> b <strong>con</strong> l’asse del segmento AD. Allora il se<strong>con</strong>do<br />
punto <strong>di</strong> intersezione della retta c col cerchio <strong>con</strong> centro in B e raggio BD<br />
è il punto C che completa il triangolo equilatero ABC.<br />
Infatti A ˆ BC = 2 · A ˆ DC dato che i due angoli sono rispettivamente<br />
l’angolo al centro e l’angolo alla cir<strong>con</strong>ferenza insistenti sulla corda AC<br />
e quin<strong>di</strong> A ˆ BC = 2 · 30 ◦ = 60 ◦ . Inoltre, il triangolo ABC è isoscele per<br />
costruzione e quin<strong>di</strong> è equilatero.<br />
A<br />
C<br />
B<br />
B<br />
D<br />
c<br />
b<br />
a<br />
c<br />
b<br />
a
8 ALTRE COSTRUZIONI 64<br />
• La sezione aurea. La sezione aurea è la parte <strong>di</strong> un segmento me<strong>di</strong>a<br />
proporzionale tra tutto il segmento e la parte rimanente.<br />
Detto in formule, su AB si cerca P tale che AB AP<br />
AP = . Supponendo<br />
PB<br />
da cui<br />
che AB = 1 e chiamando AP = x, allora si deve avere 1<br />
x<br />
= x<br />
1−x<br />
x = −1+√ 5<br />
2 .<br />
La costruzione <strong>di</strong> x è dunque molto semplice usando le costruzioni già<br />
viste <strong>di</strong> somma, prodotto, <strong>di</strong>visione e ra<strong>di</strong>ce quadrata. Ad ogni modo, una<br />
costruzione più semplice ed elegante è la seguente: tracciare la perpen<strong>di</strong>colare<br />
in B, su <strong>di</strong> essa scegliere Q tale che 2 · BQ = AB, riportare B in R su<br />
AQ ed infine riportare R in P su AB. Il Teorema <strong>di</strong> Pitagora ci assicura<br />
che AP ha la lunghezza giusta.<br />
R<br />
A P B<br />
Un’altra costruzione della sezione aurea <strong>di</strong> AB è la seguente.<br />
Quest’ultima costruzione ha il vantaggio che permette una rapida costruzione<br />
del pentagono inscritto nel cerchio <strong>di</strong> raggio AB.<br />
A<br />
B<br />
Q
8 ALTRE COSTRUZIONI 65<br />
La sezione aurea ha una storia molto antica. Essa fu stu<strong>di</strong>ata dai Pitagorici,<br />
i quali scoprirono che il lato del decagono regolare inscritto in una<br />
cir<strong>con</strong>ferenza <strong>di</strong> raggio r è la sezione aurea del raggio e costruirono anche<br />
il pentagono regolare intrecciato o stellato, o stella a 5 punte, che i chiamarono<br />
pentagramma e <strong>con</strong>siderandolo simbolo dell’armonia lo assunsero<br />
loro segno <strong>di</strong> ri<strong>con</strong>oscimento. Tale figura è ottenuta dal decagono regolare<br />
<strong>con</strong>giungendo un vertice sì ed uno no o, equivalentemente, <strong>con</strong>giungendo<br />
tra loro tutti i vertici <strong>di</strong> un pentagono regolare. A questa figura è stata<br />
attribuita per millenni un’importanza misteriosa. I suoi lati si intersecano<br />
sempre se<strong>con</strong>do la sezione aurea:<br />
A<br />
P<br />
B
8 ALTRE COSTRUZIONI 66<br />
La sezione aurea interviene insistentemente, in modo ad<strong>di</strong>rittura quasi<br />
mistico, in varie <strong>di</strong>scipline. In architettura, per esempio, molti ritengono<br />
che un rettangolo avente i lati in proporzione aurea sia particolarmente<br />
gradevole da vedere rispetto agli altri. Per questo motivo, molti e<strong>di</strong>fici,<br />
monumenti e costruzioni, dell’antichità e non, hanno i lati in proporzione<br />
aurea. Del resto, è anche molto semplice costruire un rettangolo, partendo<br />
da un quadrato ABCD, che abbia base ed altezza nella proporzione aurea:<br />
puntando nel punto me<strong>di</strong>o P <strong>di</strong> AB <strong>con</strong> raggio PC, il punto Q intersezione<br />
del cerchio <strong>con</strong> il prolungamento <strong>di</strong> AB determina la base AQ del rettangolo<br />
cercato, la cui altezza è AD.<br />
D C<br />
A P B Q<br />
Tale figura serve anche come punto <strong>di</strong> partenza per costruire, usando<br />
il <strong>compasso</strong>, una figura che è un’ottima approssimazione della spirale logaritmica<br />
e ben rappresenta, per esempio, la forma <strong>di</strong> alcune <strong>con</strong>chiglie:
A PROPRIETÀ DELL’INVERSIONE 67<br />
A Proprietà dell’inversione<br />
In questa Appen<strong>di</strong>ce, stu<strong>di</strong>amo alcune proprietà notevoli dell’inversione,<br />
utili per poter giustificare alcune costruzioni che abbiamo visto. Non siamo<br />
quin<strong>di</strong> interessati alla costruzione delle figure che in<strong>con</strong>treremo, ammesso<br />
che esista.<br />
Ricor<strong>di</strong>amo la definizione: dato un cerchio α <strong>di</strong> centro A e raggio a ed<br />
un punto B <strong>di</strong>verso da A, l’inverso <strong>di</strong> B rispetto ad α è definito come quel<br />
punto B ′ sulla retta AB tale che AB · AB ′ = a 2 .<br />
A.1 Inversione <strong>di</strong> rette e cerchi<br />
Naturalmente, una retta per A viene invertita in se stessa, <strong>con</strong> l’eccezione<br />
<strong>di</strong> A il cui inverso non è definito (problema che si risolve <strong>con</strong> l’introduzione,<br />
volendo, del punto ∞).<br />
Usando la seguente figura dovrebbe essere un facile esercizio il fatto che<br />
invertendo una retta non passante per A si ottiene un cerchio passante per<br />
A, e viceversa (<strong>con</strong> la solita eccezione <strong>di</strong> A che va nel punto all’infinito).<br />
A<br />
Inoltre, il cerchio ha come <strong>di</strong>ametro il punto inverso della perpen<strong>di</strong>colare<br />
per A alla retta data.<br />
Un po’ piu’ <strong>di</strong> attenzione è necessaria per i cerchi non passanti per A:<br />
in questo caso, usando il teorema della tangente e delle secanti ve<strong>di</strong>amo che<br />
essi vengono trasformati in cerchi non passanti per A:<br />
α<br />
A<br />
E′<br />
C ′<br />
P<br />
D ′<br />
C<br />
B<br />
β<br />
D E
A PROPRIETÀ DELL’INVERSIONE 68<br />
siano r, r ′ i raggi, rispettivamente, <strong>di</strong> α, β. Si scelgano tre punti C, D, E su<br />
β, <strong>con</strong> C tale che AC sia tangente a β e D, E punti <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> una<br />
secante per A e siano C ′ , D ′ , E ′ i rispettivi punti inversi. In<strong>di</strong>chiamo <strong>con</strong><br />
b, c, d, e, c ′ , d ′ , e ′ le <strong>di</strong>stanze, rispettivamente, AB, AC, AD, AE, AC ′ ,<br />
AD ′ , AE ′ . Si ha dd ′ = ee ′ = r 2 per definizione <strong>di</strong> inversione e de = c 2 per il<br />
teorema della tangente e delle secanti. Dividendo la prima per la se<strong>con</strong>da<br />
d ′<br />
e<br />
= e′<br />
d<br />
= r2<br />
c 2<br />
che è costante.<br />
Sia P il punto <strong>di</strong> intersezione della parallela per D ′ a BE <strong>con</strong> la retta<br />
AB e sia p = AP e q = D ′ P. Si ha p/b = d ′ /e = q/r ′ e quin<strong>di</strong><br />
p = bd′<br />
e<br />
= br2<br />
c2 , q = d′ r ′<br />
e<br />
r2<br />
= r′ .<br />
c2 Questo implica che il punto P è costante, così come la sua <strong>di</strong>stanza da E ′<br />
e pertanto l’inverso del cerchio <strong>di</strong> centro B e raggio r ′ è il cerchio <strong>di</strong> centro<br />
P e raggio q. Osserviamo che il centro del cerchio inverso non è l’inverso<br />
del centro del cerchio.<br />
A.2 Invarianza <strong>degli</strong> angoli<br />
L’inversione cambia profondamente l’aspetto <strong>di</strong> una curva, come abbiamo<br />
visto. C’è però una proprietà che si <strong>con</strong>serva: l’angolo <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> due<br />
curve è invariante. Naturalmente, per angolo <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> due curve<br />
si deve intendere l’angolo compreso tra le rette tangenti alle due curve nel<br />
punto <strong>di</strong> intersezione.<br />
Per <strong>di</strong>mostrare ciò, iniziamo <strong>con</strong> l’osservare che è sufficiente <strong>con</strong>siderare<br />
il caso in cui una delle due curve sia una retta passante per il centro <strong>di</strong><br />
inversione O: se P è il punto <strong>di</strong> intersezione delle due curve, è sufficiente<br />
<strong>con</strong>siderare il caso particolare per ogni singola curva e la retta OP.<br />
Sia dunque O il centro del cerchio γ <strong>di</strong> raggio r rispetto al quale si<br />
inverte, α una curva e P un suo punto. Scegliamo un altro punto Q su α<br />
e in<strong>di</strong>chiamo <strong>con</strong> r la retta OP e <strong>con</strong> P ′ , Q ′ , α ′ gli inversi, rispettivamente,<br />
<strong>di</strong> P, Q, α.
A PROPRIETÀ DELL’INVERSIONE 69<br />
γ<br />
Per definizione <strong>di</strong> inversione, r 2 = OP · OP ′ = OQ · OQ ′ da cui<br />
O<br />
r<br />
α ′<br />
Q ′<br />
OP OQ<br />
=<br />
OQ ′ OP ′<br />
e quin<strong>di</strong> i triangoli OPQ ed OP ′ Q ′ sono simili; in definitiva, per ogni scelta<br />
<strong>di</strong> Q, ed ogni corrispondente Q, l’angolo O ˆ P ′ Q ′ è uguale al corrispondente<br />
angolo in Q. Quando il punto Q tende a P, la retta PQ tende alla retta<br />
tangente ad α nel punto P e <strong>con</strong>temporaneamente, Q ′ tende a P ′ e la retta<br />
P ′ Q ′ tende alla retta tangente ad α ′ in P ′ , pertanto l’angolo in Q tende<br />
all’angolo <strong>di</strong> incidenza in P, mentre Q ′ tende a P ′ e O ˆ P ′ Q ′ tende all’angolo<br />
<strong>di</strong> incidenza in P ′ .<br />
Se si <strong>con</strong>siderano solo le rette <strong>di</strong> tangenza, senza cioè preoccuparsi del<br />
fatto che l’inverso della tangente è la tangente, allora la <strong>di</strong>mostrazione può<br />
essere svolta in modo più “geometrico”: supponiamo che le rette r, s si intersechino<br />
in P <strong>con</strong> angolo α e siano P ′ , ρ, σ gli inversi <strong>di</strong> P, r, s. Tracciando<br />
le rette parallele ad r, s passanti per O, si ha che queste due rette sono tangenti<br />
a ρ, σ e, pertanto, i due cerchi si intersecano <strong>con</strong> lo stesso angolo in<br />
P ′ .<br />
γ ρ<br />
α<br />
O<br />
r<br />
P ′<br />
σ<br />
P ′<br />
s<br />
P<br />
α<br />
Q<br />
P<br />
α
A PROPRIETÀ DELL’INVERSIONE 70<br />
A.3 Inversioni varie<br />
Elenchiamo alcune semplici <strong>con</strong>seguenze delle proprietà viste dell’inversione.<br />
In<strong>di</strong>chiamo <strong>con</strong> γ il cerchio <strong>di</strong> centro O e raggio r rispetto al quale<br />
invertiamo.<br />
1. L’inverso <strong>di</strong> un triangolo ABC è un triangolo A ′ B ′ C ′ simile al triangolo<br />
<strong>di</strong> partenza. Ciò è <strong>con</strong>seguenza dell’invarianza <strong>degli</strong> angoli, ma<br />
si può ottenere anche <strong>di</strong>rettamente partendo dal caso particolare in<br />
cui uno <strong>degli</strong> angoli del triangolo coincide <strong>con</strong> O.<br />
2. Un’altra semplice <strong>con</strong>seguenza dell’invarianza <strong>degli</strong> angoli è il fatto<br />
che un cerchio si inverte in se stesso se, e solo se, è ortogonale a γ.<br />
Inoltre, ogni cerchio passante per due punti inversi l’uno dell’altro è<br />
ortogonale a γ.<br />
3. Dal punto precedente, l’inverso <strong>di</strong> un punto è il se<strong>con</strong>do punto <strong>di</strong> intersezione<br />
<strong>di</strong> due qualsiasi cerchi passanti per il punto dato e ortogonali<br />
a γ.<br />
4. L’inverso rispetto a γ <strong>di</strong> un cerchio α (non passante per O) e <strong>di</strong> due<br />
punti P, Q inversi l’uno dell’altro relativamente ad α, sono un cerchio<br />
α ′ e due punti P ′ , Q ′ inversi l’uno dell’altro rispetto ad α ′ .<br />
γ<br />
O<br />
α<br />
La <strong>di</strong>mostrazione è molto semplice: Q per ipotesi e quanto visto, è<br />
la se<strong>con</strong>da intersezione <strong>di</strong> due cerchi passanti per P ed ortogonali ad<br />
α. Tali cerchi vengono invertiti, rispetto a γ, in due cerchi passanti<br />
per P ′ e Q ′ ed ortogonali ad α ′ , pertanto P ′ e Q ′ sono l’uno l’inverso<br />
dell’altro rispetto a α ′ .<br />
Caso particolare molto importante è quello in cui Q = O: allora si<br />
ottiene che l’inverso <strong>di</strong> O tramite α viene invertito, tramite γ, nel<br />
centro del cerchio α ′ inverso <strong>di</strong> α. Detto in altri termini, l’inverso<br />
del centro <strong>di</strong> un cerchio, è l’inverso del centro <strong>di</strong> inversione rispetto<br />
all’inverso del cerchio.<br />
P<br />
Q<br />
Q ′<br />
P ′<br />
α ′
A PROPRIETÀ DELL’INVERSIONE 71<br />
5. Invertendo un fascio <strong>di</strong> rette passanti per un punto si ottiene un fascio<br />
<strong>di</strong> cerchi passanti per O e l’inverso del punto dato. Invertendo<br />
un fascio <strong>di</strong> cerchi <strong>con</strong>centrici si ottiene un fascio <strong>di</strong> cerchi coassiali<br />
(cioè, <strong>con</strong> lo stesso asse ra<strong>di</strong>cale), non intersecantisi, aventi come<br />
punti limite O e l’inverso del centro del fascio e come asse ra<strong>di</strong>cale<br />
l’asse del segmento determinato dai punti limite. I due fasci inversi<br />
sono ortogonali tra loro.<br />
Dalla proprietà precedente, segue che il punto limite <strong>di</strong>verso da O<br />
coincide <strong>con</strong> l’inverso del centro del fascio <strong>di</strong> cerchi <strong>con</strong>centrici.<br />
6. La proprietà precedente permette <strong>di</strong> <strong>di</strong>mostrare un’importante proposizione:<br />
dati due cerchi senza punti comune α, β <strong>di</strong> centro, rispettivamente,<br />
A, B esiste un cerchio ζ <strong>di</strong> centro O tale che gli inversi <strong>di</strong><br />
α e β rispetto a ζ sono <strong>con</strong>centrici.<br />
α<br />
A<br />
C ′<br />
O<br />
cerchio inverso dell’asse ra<strong>di</strong>cale<br />
C<br />
ζ<br />
γ<br />
P<br />
C ′′<br />
B<br />
α ′<br />
β
A PROPRIETÀ DELL’INVERSIONE 72<br />
Per ciò, <strong>con</strong>sideriamo l’asse ra<strong>di</strong>cale r <strong>di</strong> α e β. È facile verificare che<br />
r non interseca i due cerchi dati. Sia adesso C un punto su r e C ′ , C ′′<br />
gli inversi <strong>di</strong> C rispetto ad α e β. Il cerchio γ passante per C, C ′ , C ′′ è,<br />
per le proprietà viste, ortogonale ai cerchi dati. Sia D il suo centro. Le<br />
rette uscenti per D e passanti per i punti <strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> γ <strong>con</strong> α e<br />
β devono essere le tangenti per D ai cerchi dati, essendo γ ortogonale<br />
ad α e β. Da questo segue che il centro <strong>di</strong> γ è sull’asse ra<strong>di</strong>cale.<br />
Ragionando in modo simile, si può anche ottenere il viceversa: ogni<br />
cerchio ortogonale ad uno dei cerchi dati ed avente il centro sull’asse<br />
ra<strong>di</strong>cale è ortogonale anche all’altro cerchio dato.<br />
Sia quin<strong>di</strong> γ un cerchio ortogonale ad α e β e siano O, P le intersezioni<br />
<strong>di</strong> γ <strong>con</strong> la retta AB: dato che γ è ortogonale ad α, per esempio, ed<br />
il suo centro è sull’asse ra<strong>di</strong>cale che è ortogonale ad AB, i due punti<br />
<strong>di</strong> intersezione <strong>di</strong> α e γ devono trovarsi in due semipiani <strong>di</strong>fferenti<br />
rispetto ad A e B, pertanto O e P esistono sempre. Dato che O e P<br />
sono intersezione <strong>di</strong> una retta ed un cerchio ortogonali a β, e quin<strong>di</strong><br />
autoinversi rispetto a quest’ultimo, ne segue che O e P sono l’uno<br />
inverso dell’altro sempre rispetto a β. Analogamente, O e P sono<br />
l’uno inverso dell’altro rispetto ad α.<br />
Sia ora ζ il cerchio <strong>di</strong> centro O ed ortogonale a β. Da quanto detto<br />
e dalle proprietà viste, segue che gli inversi <strong>di</strong> α e β rispetto ad O<br />
sono due cerchi aventi entrambi per centro l’inverso <strong>di</strong> P rispetto a ζ.<br />
Osserviamo che, <strong>di</strong> fatto, l’inverso <strong>di</strong> β rispetto a ζ è β stesso, dato<br />
che i due cerchi sono ortogonali.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI 73<br />
Riferimenti bibliografici<br />
[1] Autori vari, I problemi <strong>di</strong> matematica della Scuola Normale Superiore<br />
Boringhieri, 1985<br />
[2] L. Carroll, Pillow-Probles Macmillan and Co., 1895<br />
[3] R. Courant e H. Robbins, Che cos’è la matematica?, Universale<br />
Scientifica Boringhieri (Celum Stellatum) 65/66/67, 1971<br />
[4] H. S. M. Coxeter e S. L. Greitzer, Geometry rivisited, AMS, 1967<br />
[5] I. Ghersi, Matematica <strong>di</strong>lettevole e curiosa Hoepli, 1978<br />
[6] M. Girar<strong>di</strong> e G. Israel, Teoria dei campi, Feltrinelli, 1976<br />
[7] G. E. Martin, Geometric Constructions, Springer, 1998
In<strong>di</strong>ce analitico<br />
Abel, 5<br />
Apollonio<br />
problema <strong>di</strong>, 4, 52–59<br />
tre cerchi, 55<br />
un punto e due rette, 52<br />
cerchio definito su un campo, 18<br />
<strong>compasso</strong><br />
molle, 3, 8, 13, 39<br />
rigido, 3, 8, 13, 39<br />
costruzioni col solo <strong>compasso</strong>, 38<br />
asse <strong>di</strong> un segmento, 38<br />
bisezione <strong>di</strong> un arco, 44<br />
cerchio per tre punti, 42<br />
<strong>compasso</strong> rigido, 39<br />
doppio <strong>di</strong> un segmento, 39<br />
inversione <strong>di</strong> un punto, 40<br />
multipli <strong>di</strong> un segmento, 40<br />
parallela per un punto, 40<br />
perpen<strong>di</strong>colare per un punto<br />
esterno, 38<br />
interno, 40<br />
punto me<strong>di</strong>o <strong>di</strong> un segmento, 44<br />
reciproci <strong>di</strong> interi, 42<br />
costruzioni <strong>con</strong> <strong>riga</strong> e <strong>compasso</strong><br />
asse <strong>di</strong> un segmento, 11<br />
asse ra<strong>di</strong>cale <strong>di</strong> due cerchi, 27<br />
bisezione <strong>di</strong> un angolo, 14<br />
cerchio per tre punti, 11<br />
<strong>compasso</strong> rigido, 13<br />
definizione, 8<br />
omotetie <strong>di</strong> due cerchi, 26<br />
operazioni sui numeri<br />
<strong>di</strong>fferenza, 15<br />
<strong>di</strong>visione, 16<br />
prodotto, 15<br />
ra<strong>di</strong>ce, 16<br />
somma, 15<br />
parallela per un punto, 12<br />
perpen<strong>di</strong>colare per un punto<br />
74<br />
esterno, 12<br />
interno, 11<br />
tangenti<br />
a due cerchi, 23<br />
ad un cerchio, 23<br />
trasporto <strong>di</strong> un angolo, 14<br />
duplicazione del cubo, 4, 6, 21<br />
Eulero, 6, 22<br />
ϕ <strong>di</strong>, 22<br />
Fermat, primi <strong>di</strong>, 6<br />
Galois, 5, 22<br />
Gauss, 5, 6<br />
Hermite, 7<br />
inversione, 29–36, 42, 49, 67–72<br />
centro del cerchio inverso, 68, 70<br />
cerchi autoinversi, 70<br />
cerchi <strong>con</strong>centrici, 33–36, 71<br />
cerchi e punti inversi, 70<br />
cerchi ortogonali, 26, 32, 33<br />
definizione, 29, 67<br />
<strong>di</strong> un cerchio, 67<br />
<strong>di</strong> una retta, 67<br />
fascio <strong>di</strong> cerchi per un punto, 71<br />
fascio <strong>di</strong> rette per un punto, 71<br />
invarianza <strong>degli</strong> angoli, 68<br />
inverso <strong>di</strong> un punto, 29–31, 40,<br />
70<br />
triangoli, 70<br />
Lindemann, 7, 22<br />
Mascheroni, 4, 45<br />
Mohr, 4, 45<br />
numero (complesso) costruibile, 9
INDICE ANALITICO 75<br />
operazioni fondamentali, 8<br />
poligono regolare, 4, 6, 22<br />
<strong>con</strong> 17 lati, 6<br />
costruibilità, 6<br />
punto costruibile, 9<br />
punto definito su un campo, 18<br />
quadratura del cerchio, 4, 7, 22<br />
retta definita su un campo, 18<br />
Ruffini, 5<br />
sezione aurea, 64–66<br />
simmetria, 39, 49<br />
Steiner, 5, 29<br />
tabella <strong>di</strong> una costruzione, 9<br />
Teorema<br />
<strong>di</strong> costruibilità, 18<br />
<strong>di</strong> Gauss–Wantzel, 22<br />
<strong>di</strong> Mascheroni–Mohr, 45<br />
trisezione dell’angolo, 4, 7, 21<br />
Wantzel, 6