Geometria
Ramo della matematica che riguarda le proprietà dello spazio. Nella
sua forma più elementare la geometria si occupa di problemi metrici quali
la determinazione delle aree e delle dimensioni di figure bidimensionali,
o della superficie totale e del volume dei solidi, ma attualmente comprende
anche campi quali la geometria analitica, la geometria descrittiva, la
topologia, la geometria di spazi a più di tre dimensioni, la geometria
dei frattali e la geometria non euclidea.
PRIME FORME DI GEOMETRIA DIMOSTRATIVA
L'etimologia del termine geometria, che deriva dal greco geo, "terra",
e métrein, "misurare", fornisce una descrizione del lavoro dei primi
geometri, i quali si occupavano principalmente di problemi quali la
misurazione dell'estensione dei campi da coltivare e la determinazione
accurata di angoli retti per realizzare gli spigoli degli edifici.
Questo tipo di geometria empirica, che fiorì nell'antico Egitto,
presso i sumeri e presso i babilonesi, venne in seguito raffinata
dai greci, che ne diedero la prima formulazione sistematica. Nel VI
secolo a.C. il matematico greco Pitagora pose le basi della geometria
scientifica osservando che le numerose leggi arbitrarie e sconnesse
della geometria empirica erano conseguenze logiche di un numero limitato
di assiomi, o postulati. Questi postulati vennero considerati nell'ambito
della scuola pitagorica come verità evidenti, mentre secondo l'impostazione
matematica moderna sono ritenuti un gruppo di assunzioni convenienti, ma del
tutto arbitrarie.
Dall'affermazione secondo cui "il percorso più breve che unisce due punti
distinti è un segmento di retta" discende un gran numero di teoremi sulle
proprietà di punti, rette, angoli, curve e piani, che tuttora costituiscono
le nozioni fondamentali della geometria classica. Tra questi teoremi si
ricorda quello che afferma che "la somma degli angoli interni di un
triangolo qualunque è pari alla somma di due angoli retti", e il celebre
teorema di Pitagora, secondo cui in un triangolo rettangolo la somma del
quadrato costruito sull'ipotenusa è uguale alla somma dei quadrati costruiti
sui cateti. La teoria dimostrativa dei greci, che si occupò principalmente
di poligoni e cerchi e delle corrispondenti figure tridimensionali, venne
rigorosamente esposta dal matematico greco Euclide, negli Elementi, opera
che, nonostante le imperfezioni, è stata, e praticamente continua a essere,
un testo fondamentale per lo studio della geometria.
PRIMI PROBLEMI GEOMETRICI
I problemi di costruzione, che consistono nel trovare il modo di disegnare
una data figura geometrica con l'uso esclusivo di un righello e di un compasso,
furono introdotti per la prima volta dai greci. Esempi di simili problemi sono
la costruzione di un segmento doppio di un altro segmento di misura data, o della
bisettrice di un angolo (la semiretta che divide un angolo in due angoli uguali).
Per quanto alcuni di essi siano di semplice soluzione, tre antichi problemi di
costruzione hanno impegnato generazioni e generazioni di matematici: la duplicazione
del cubo (la costruzione di un cubo di volume doppio di quello di un cubo dato);
la quadratura del cerchio (la costruzione di un cerchio di area uguale a quella
di un quadrato assegnato); e la trisezione di un angolo (la divisione di un angolo
in tre angoli uguali). Nessuna di queste costruzioni è realizzabile con il solo
ausilio di un righello e di un compasso; ma solo nel 1882 fu definitivamente
dimostrata in modo rigoroso l'impossibilità di quadrare il cerchio.
Spetta ad Apollonio di Perge il merito di aver introdotto e definito molte delle
proprietà fondamentali della famiglia delle coniche, che sono curve generate dall'
intersezione di un bicono circolare retto con un piano, importanti in molti campi
della fisica: ad esempio, le orbite dei pianeti e degli altri corpi celesti del
sistema solare sono ellissi.
Archimede, uno dei più grandi scienziati greci, diede numerosi importanti contributi
allo sviluppo della geometria. Determinò l'area di figure piane curve, e la superficie
e il volume di solidi delimitati da superfici curve, quali i paraboloidi e i cilindri.
Egli ricavò inoltre un metodo di approssimazione per determinare il valore del numero
pi greco (p), definito come il rapporto tra la circonferenza e il diametro di un cerchio,
e concluse che esso dovesse essere compreso tra 3 +1/7 e 3 + 10/71.
GEOMETRIA ANALITICA
La geometria fece scarsi progressi nel periodo che seguì l'epoca d'oro dei greci, fino
al termine del Medioevo. La svolta decisiva fu compiuta infatti dal filosofo e matematico
francese René Descartes, che nella Geometria, pubblicata nel 1637, pose le basi della
geometria analitica, un ramo della matematica che stabilisce l'importante collegamento
tra algebra e geometria. Nell'ambito della geometria analitica è infatti possibile
fornire una descrizione geometrica di problemi algebrici e, viceversa, determinare
una formulazione, o eventualmente una soluzione, in termini algebrici, di problemi
di natura geometrica.
Un ulteriore sviluppo del XVII secolo fu la ricerca delle proprietà delle figure
geometriche che si conservano dopo aver eseguito la proiezione delle figure su
piani diversi. Un semplice teorema della geometria proiettiva è illustrato in
figura 1. Se si prendono i punti A, B, C e a, b, c su una qualunque conica,
ad esempio una circonferenza, e si uniscono i punti A con b e c, B con c e a,
e C con b e a, i tre punti in cui i segmenti corrispondenti si intersecano
risultano allineati. Analogamente, se si tracciano sei tangenti su una conica,
come in figura 2, i segmenti che uniscono i punti generati dall'intersezione
tra queste tangenti si incontrano in un unico punto. Questo problema si dice
proiettivo, perché è vero per tutte le coniche, che possono essere considerate
come diverse proiezioni di una stessa curva; ad esempio, come mostrato in figura 3,
la proiezione di una circonferenza su un piano determina un'ellisse.
SVILUPPI RECENTI
La geometria ha avuto una svolta radicale nel XIX secolo. I matematici Carl Friedrich
Gauss,Nikolaj Lobaèevskij e Janos Bolyai svilupparono, l'uno indipendentemente dall'altro,
sistemi coerenti di geometria non euclidea. Tali sistemi nacquero dalla discussione del
quinto postulato di Euclide, che stabilisce l'unicità della parallela tracciata per un
punto a una retta fissata, e giunsero alla definizione di modelli di spazio bizzarri e
non intuitivi, ma pur sempre coerenti.Il matematico britannico Arthur Cayley sviluppò
la complessa geometria di spazi a più di tre dimensioni. Il principio di tale teoria
può essere compreso con la seguente considerazione. Una retta costituisce uno spazio
monodimensionale; se per ogni punto di questa retta se ne traccia un'altra, perpendicolare
alla prima, si ottiene un piano, ossia uno spazio bidimensionale; se ancora si traccia una
retta perpendicolare al piano per ogni suo punto, si giunge finalmente allo spazio a tre
dimensioni. Lo spazio a quattro dimensioni si ottiene allora nello stesso modo, cioè
tracciando una perpendicolare allo spazio per ogni suo punto; pur risultando questa
un'operazione fisicamente impossibile e sconcertante per la mente, essa è concettualmente
fondata. Il concetto di spazio a più di tre dimensioni conta un gran numero di applicazioni
in fisica, in particolare nell'ambito della teoria della relatività che, accostando la
coordinata temporale alle consuete coordinate spaziali, impiega un sistema a quattro
dimensioni, noto come spazio-tempo, per la descrizione dell'evoluzione di un sistema fisico.
Lo studio delle proprietà delle figure geometriche a quattro o più dimensioni e del loro
rapporto con quelle dello spazio tridimensionale è oggetto della geometria strutturale.
Un esempio di questo approccio è la definizione delle figure più semplici che si possano
disegnare nello spazio a zero, una, due, tre, quattro, o più dimensioni, rispettivamente.
Nei primi quattro spazi elencati, le figure geometriche sono quelle familiari: il punto,
la retta, il triangolo e il tetraedro. In uno spazio la figura più semplice è costituita
da 5 vertici, 10 segmenti che ne costituiscono gli spigoli, 10 triangoli che ne costituiscono
le facce, e cinque tetraedri (un tetraedro, utilizzando i medesimi principi di analisi di
questo tipo di geometria, è costituito da quattro vertici, sei segmenti, e quattro triangoli
(vedi figura4)).Sempre nel XIX secolo si parlò per la prima volta di dimensione frazionaria.
Questo concetto fu poi sviluppato a partire dal 1970 nell'ambito della geometria dei frattali.