Trisezione dell'angolo

La trisezione di un angolo, vale a dire la costruzione di un angolo di ampiezza un terzo di un altro angolo qualsiasi dato, assieme al problema della duplicazione del cubo e a quello della quadratura del cerchio, è uno dei tre problemi classici della geometria greca che, come ha dimostrato algebricamente Pierre-Laurent Wantzel nel 1837, non si può risolvere con riga e compasso, ossia con costruzioni geometriche che impiegano solo rette e circonferenze.

Il problemaModifica

Per la Formula di De Moivre, le radici dell'equazione

(1)  

sono

(2a)  

(2b)  

(2c)  

che nel piano di Gauss - Argand corrispondono ai vertici del triangolo equilatero inscritto nella circonferenza di raggio unitario che ha centro nell'origine degli assi.

L'equazione (1), dunque, è l'enunciato analitico della trisezione dell'angolo α. Se l'equazione (1) fosse riducibile allora dovrebbe essere possibile esprimere una sua radice come funzione razionale di cos α e sen α; funzione che non si altererebbe mutando α in α + 2π. Al contrario, nessuna delle tre radici rimane inalterata quando, variando in modo continuo, α passa al valore α + 2π , poiché in tal caso x1 passa in x2, x2 a sua volta passa in x3 e x3 in x1 ovvero si ha una permutazione ciclica delle radici. Nessuna di esse, quindi, può essere rappresentata come una funzione razionale di cos α e sen α; ma se questo è vero ne segue che l'equazione (1) è irriducibile.

C'è un'importante differenza tra il problema di trisecare un angolo e gli altri due problemi greci classici: non si può quadrare nessun cerchio con riga e compasso, non si può duplicare nessun cubo con riga e compasso, ma esistono alcuni angoli particolari, come quelli di 90°, 27° o 45°, per cui la trisezione è possibile con riga e compasso.

Costruzioni con riga e compassoModifica

Come nacque il problema di riuscire a trisecare un angolo con riga e compasso? Esaminiamo la costruzione con riga e compasso per bisecare un angolo. La costruzione è diretta, come si vede nella figura: dato l'angolo CÂB individuiamo due lunghezze uguali   e   sui suoi lati. Costruiamo quindi il parallelogramma   e disegniamo la diagonale   che biseca l'angolo CÂB.

 
Figura 1: bisezione dell'angolo

Il metodo per bisecare l'angolo è dunque molto semplice. Gli antichi greci pensarono che fosse altrettanto semplice poter dividere gli angoli in ogni modo, cercarono quindi un metodo con riga e compasso che permettesse di dividere un angolo in tre parti uguali. Ben presto si accorsero che il problema era più difficoltoso: in effetti, il problema è risolvibile con riga e compasso solo per alcuni tipi di angoli, ma nel caso generale ciò non è possibile. Vediamo ora due esempi di trisezione possibili con riga e compasso.

Trisezione di un angolo retto e di un angolo di mπ/2kModifica

La trisezione, col solo uso di riga e compasso è possibile in alcuni casi particolari, ad esempio per un angolo retto. Infatti, dato un angolo retto (figura 2) si traccia una circonferenza Γ1 con centro in   e raggio   qualsiasi; essa taglia la semiretta per   in  . Ora si traccia la circonferenza Γ2 con centro in   e raggio  ; essa intersecherà la circonferenza Γ1 in  .

Il triangolo   è equilatero; infatti  . Quindi l'angolo BÂD = π/3 e, per differenza, l'angolo DÂC = π/6. Di conseguenza è possibile trisecare l'angolo CÂB.

 
Figura 2: trisezione di un angolo retto

Per trisecare un angolo di π/4 è sufficiente, dopo aver trisecato un angolo retto, bisecare l'angolo di π/6 che si ottiene.

 
Figura 3: trisezione di un angolo di 45°

Con questa tecnica si possono trisecare (col solo uso di riga e compasso) gli angoli la cui ampiezza sia:

 

Trisezione con l'uso di una riga graduataModifica

Il metodo di NicomedeModifica

Quello di Nicomede non è propriamente un metodo di costruzione, perché egli usò la riga per riportare una lunghezza, ovvero utilizzò idealmente una riga graduata. Dato un angolo qualsiasi CÂB (vedere figura 4), si considera una retta  , perpendicolare ad  , la quale intersechi   in   e   in  ; per   si traccia una retta   parallela ad   e per   si traccia una retta   parallela a  ; le rette   ed   si intersechino in  . Ora per   si traccia una retta  , la quale interseca   in   ed   in   in modo che:

 ; allora EÂD =   CÂD.
 
Figura 4: il metodo di trisezione di Nicomede
  • CD   AB
  • FE // AD
  • FA // CD
  •  
EÂD   CÂD

Detto   il punto medio di  , si ha:

(13)   per costruzione
(14)   perché il triangolo   è rettangolo.

Quindi è anche:

(15)  

D'altra parte

(16) EÂB   CÊG perché angoli alterni interni
(17) CÊG   EĈG perché il triangolo   è isoscele.

L'angolo CĜH è l'angolo esterno del triangolo   e, quindi,

(18) CĜH   EĈG + CÊG   2 CÊG

Ma anche

(19) CĜH   CÂG perché il triangolo   è isoscele.

Allora

(20) CÂB   CÂG + GÂB   2 CÊG + GÂB   2 GÂB + GÂB   3 GÂB

Ossia

(21) GÂB   CÂB QED

Il metodo di ArchimedeModifica

Nella soluzione proposta da Archimede la riga viene usata per riportare una lunghezza e, quindi, è pensata come riga graduata. Supponiamo di voler trisecare CÂB (vedi figura 5), disegniamo una circonferenza  , con centro in   e raggio  , la quale interseca la semiretta   in   e la semiretta   in  ; per   tracciamo una retta   che taglia la retta   nel punto   e la circonferenza nel punto   in modo tale che   sia congruente al raggio della circonferenza. Per   tracciamo la retta e parallela a  , la quale interseca la circonferenza in  . L'angolo XÂB è la terza parte dell'angolo dato.

 
Figura 5: il metodo di trisezione di Archimede

Hp:  

Th: XÂB   CÂB

DimostrazioneModifica

Si osservi che, per costruzione, i due triangoli   e   sono isosceli. In particolare il lato   è congruente al lato   perché si è presa la retta   in modo tale che la distanza tra il punto di intersezione di tale retta con la retta   e il punto di intersezione con la circonferenza fosse uguale al raggio; mentre il lato   è congruente al lato   perché entrambi raggi della stessa circonferenza.

Da ciò segue che

(22) FÊA   FÂE
(23) AĈF   AFC

Inoltre l'angolo CÂB è angolo esterno del triangolo   e quindi

(24) CÂB   FÊA + AĈF

A sua volta AĈF è congruente all'angolo  , che è angolo esterno del triangolo   e quindi

(25) AFC   FÊA + FÂE   2 FÊA

Unendo le relazioni (24) e (25) si ottiene

(26) CÂB   FÊA +2 FÊA = 3 FÊA

Ossia

(27) FÊA   CÂB

D'altronde EF // AX (tagliati dalla trasversale b) e gli angoli FÊA e XÂB sono angoli corrispondenti e dunque

(28) FÊA   XÂB

Confrontando le relazioni (27) e (28) si ricava

(29) XÂB   CÂB

c.v.d.

Soluzioni con l'utilizzo di conicheModifica

Dalla morte di Apollonio avvenuta nel 190 a.C. circa, la geometria classica non aveva più trovato nessun sostenitore. Tuttavia, durante il regno di Diocleziano (284-305), visse ad Alessandria uno scienziato animato dallo spirito che aveva posseduto Euclide, Archimede e Apollonio: Pappo di Alessandria (290–350 d.C.) il quale, verso il 320 d.C. compose un'opera, in 8 libri, dal titolo Collezione matematica. Questa opera è molto importante in quanto ci fornisce una preziosa documentazione storica concernente alcuni aspetti della matematica greca che altrimenti sarebbero rimasti sconosciuti. La Collezione contiene anche dimostrazioni alternative e lemmi supplementari relativi a teoremi di Euclide, Archimede, Apollonio e Tolomeo. Infine, il trattato presenta nuove scoperte e generalizzazioni che non è dato trovare in nessuna opera precedente. Molto importante è il Libro III in cui Pappo fa una netta distinzione tra problemi "piani", "solidi" e "lineari": i primi sono costruibili solo con cerchi e rette, i secondi sono risolvibili mediante l'uso di sezioni coniche e l'ultimo genere di problemi richiede curve diverse da rette, cerchi e coniche. In particolar modo il problema della trisezione dell'angolo viene presentato come un problema del secondo tipo, cioè come un problema solido e lo stesso Pappo ne suggerisce alcuni metodi di risoluzione facendo uso di sezioni coniche. La Collezione matematica di Pappo è l'ultimo trattato matematico veramente significativo dell'antichità, poiché il tentativo da lui fatto di ridare alla geometria nuova vitalità non fu coronato dal successo. Si continuarono a scrivere opere matematiche in greco per un altro millennio circa, ma gli autori che vennero dopo Pappo non raggiunsero mai il suo livello. Le loro opere hanno quasi esclusivamente la forma di commento a trattati anteriori.

La soluzione di PappoModifica

Pappo risolve il problema della trisezione utilizzando le coniche ma rifacendosi a un'idea di Apollonio. L'idea da cui partì Pappo è la seguente: fissata una linea  , si vuole determinare il luogo dei punti   per i quali vale la seguente relazione: 2 x PÂB = PBA

Osserviamo le seguenti figure:

 

Si può dimostrare che tale luogo geometrico è un'iperbole avente eccentricità 2, un fuoco in B e come direttrice l'asse del segmento   (vedere figura a sinistra). Considerando   come centro, disegniamo un cerchio che passi per A e per B; se costruiamo un'iperbole con eccentricità 2, fuoco in   e direttrice l'asse di  , tale iperbole interseca il cerchio in  . Il segmento   triseca l'angolo AÔB. Per dimostrarlo notiamo che, dalle proprietà dell'iperbole descritta, 2 x PÂB = PBA. Ma un angolo al centro è il doppio dell'angolo alla circonferenza che insiste sullo stesso arco quindi:

2 x PÂB = PÔB (entrambi insistono sull'arco  )

e

2 x PBA = PÔA (entrambi insistono sull'arco  )

Unendo le due relazioni si ottiene 2 x PÔB = PÔA cioè l'angolo PÔB è la terza parte dell'angolo BÔA.

c.v.d.

Soluzione con l'utilizzo della concoide di NicomedeModifica

Nicomede visse circa nello stesso periodo di Archimede (nel II secolo a.C.) e produsse la famosa curva concoide (conchiglia in greco)

 

Fissiamo un punto   (detto polo) e una retta   distante   da  . Consideriamo una seconda retta passante per  , che interseca la retta   in  . Su tale retta, da entrambe le parti rispetto ad   stacchiamo due segmenti   ciascuno di lunghezza  . Il luogo dei punti   e   ottenuti ruotando la retta per   si chiama appunto concoide di Nicomede. La parte descritta dal punto più lontano ad   (cioè  ) si dice ramo esterno della concoide; l'altra parte ramo interno. Ponendo il punto   nell'origine di un sistema di assi cartesiano   e prendendo la retta m parallela all'asse  , avente quindi equazione  , l'equazione cartesiana della curva è:

 

Se invece il sistema di riferimento è un sistema polare l'equazione diventa

 

Le equazioni parametriche sono invece:

 

Trisezione dell'angoloModifica

La curva può essere utilizzata per risolvere il problema della trisezione dell'angolo. Sia AÔB un angolo qualunque; da un punto arbitrario   del lato   conduciamo la perpendicolare   al lato   e consideriamo la concoide della retta   rispetto al polo   di costante  . La parallela ad  , uscente da   incontra il ramo esterno della concoide in  . Si congiunga   con   e dimostriamo che

AÔC =   AÔB

 

DimostrazioneModifica

Chiamiamo   il punto d'intersezione di   con   ed   il punto medio di  . Per definizione di concoide, sarà:

 

e quindi

 

D'altra parte   è un angolo retto, allora  , come mediana relativa all'ipotenusa   del triangolo rettangolo  , è metà dell'ipotenusa stessa, cioè

LM = NM = OL.

Ne segue che i triangoli  ,   e   sono isosceli e quindi:

LÔM = NML = 2 LĈM

Ma LCM = COA perché alterni interni e perciò LÔM = 2 CÔA o anche

BÔA = LÔA = 3 CÔA.

c.v.d.

Soluzione con l'utilizzo della trisettrice di Mac LaurinModifica

Questa curva fu studiata da Colin Maclaurin nel 1742. Come altre curve essa fornisce una soluzione al problema della trisezione. Il nome stesso trisettrice nasce appunto dal fatto che essa si può utilizzare per trisecare gli angoli. La trisettrice è una famiglia di curve algebriche di ordine 3, cioè di cubiche in particolare sono cubiche con un nodo; le tangenti in questo punto sono inclinate di ± 60° rispetto all'asse della curva. L'area del cappio vale e la distanza dell'origine dal punto in cui la curva taglia l'asse   è  . La sua equazione cartesiana è

 

Le equazioni parametriche sono:

 

Mentre l'equazione polare è la seguente:

 

In figura è rappresentata la trisettrice di MacLaurin con nodo nell'origine e nei due casi   (a sinistra) e   (a destra).

   

Supponiamo di avere una trisettrice con nodo nell'origine che taglia l'asse   nel punto  , e sia   un punto qualsiasi sul cappio della curva. L'angolo formato dai punti   è il triplo dell'angolo formato dai punti  .

Soluzione con l'utilizzo della chiocciola (o lumaca) di PascalModifica

Blaise Pascal, era un prodigio matematico. Anche suo padre aveva una notevole inclinazione per la matematica; la lumaca o chiocciola di Pascal prende appunto il nome dal padre Étienne Pascal, che la studiò. Questa curva era nota agli antichi come la concoide del cerchio, ma Etienne Pascal ne fece uno studio così approfondito che da allora prende il suo nome.

 

Consideriamo la curva luogo geometrico dei punti   tali che dati due punti   e   nel triangolo  , l'angolo in   sia doppio di quello in  . Poniamo gli assi cartesiani con l'origine in   e il lato   del triangolo   sull'asse delle ascisse. Dal centro tracciamo una retta qualsiasi inclinata di   e dal punto   una retta inclinata di  , punto comune a queste due rette è un punto   del luogo geometrico cercato.

Conduciamo la bisettrice dell'angolo AÔB e sia   il punto d'incontro della bisettrice con  , si ha

OPA = α = HÔP = AÔH

e

OĤA = PÔA = 2α

Perciò i due triangoli   e   sono simili, quindi:

 

da cui

 
 

Quindi

 

per cui

 

ed anche

 

Riferendoci alle coordinate abbiamo:

 
 
 

che è l'equazione cartesiana della chiocciola di Pascal. Quindi ne segue che PÂX = OPA.

Soluzione con l'utilizzo della spirale di ArchimedeModifica

Archimede, come i suoi predecessori, fu attratto dai tre famosi problemi della geometria: la sua famosa spirale fornì la soluzione a due di questi problemi. La spirale viene definita come il luogo piano di un punto che, partendo dall'estremo di un raggio o semiretta, si sposta uniformemente lungo questo raggio mentre il raggio a sua volta ruota uniformemente intorno al suo estremo. Espressa in coordinate polari, l'equazione della spirale è

 

Data una spirale del genere viene facilmente effettuata la trisezione di un angolo. L'angolo è disposto in modo che il vertice e uno dei lati coincidano con il punto iniziale della spirale e con la posizione iniziale della semiretta che ruota. L'altro lato dell'angolo intersecherà la spirale in un punto che individua su questo lato un segmento lungo   (vedi figura). Tracciamo la circonferenza con centro nell'origine e raggio uguale a  , tale circonferenza individua un segmento sull'asse delle  . Dividiamo in tre parti questo segmento e disegniamo archi di circonferenza con centro nell'origine e raggio pari a   e  , tali archi intersecano la spirale in due punti che individuano le due linee che trisecano l'angolo di partenza. Con questo metodo ogni angolo può essere diviso in un numero qualsiasi di parti uguali.

 

BibliografiaModifica

  • (EN) Martin Gardner, How to Trisect an Angle, in Mathematical Carnival, 1992, pp. 255-265.

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