Riepilogo
Questa lezione impiega i numeri complessi come coordinate del piano e traduce in operazioni algebriche le nozioni della geometria elementare: la distanza è il modulo di una differenza, il punto medio e il baricentro sono medie, e i movimenti del piano sono formule brevi. Dimostra che è la rotazione di centro e angolo , che la simmetria assiale rispetto a una retta passante per l’origine con angolo è e che la composizione di due simmetrie è una rotazione. Caratterizza l’allineamento e la perpendicolarità mediante un quoziente, definisce l’orientamento di un triangolo mediante il segno della parte immaginaria di quel quoziente, dimostra che tre punti formano un triangolo equilatero se e solo se , con , e prova che i punti le cui distanze da due punti fissi stanno in un rapporto costante formano una circonferenza, quella di Apollonio. I problemi culminano con il teorema di Napoleone.
Obiettivi di apprendimento
- Rappresentare punti, distanze, punti medi e baricentri con i numeri complessi, ed esprimere traslazioni, rotazioni, omotetie e simmetrie assiali come funzioni di una variabile complessa.
- Dimostrare le formule della rotazione attorno a un punto e della simmetria rispetto a una retta, e studiare le composizioni di simmetrie e di rotazioni.
- Decidere l’allineamento, la perpendicolarità e l’angolo di due segmenti mediante il quoziente di due differenze, determinare l’orientamento di un triangolo mediante il segno della parte immaginaria di quel quoziente e caratterizzare il triangolo equilatero con la radice cubica dell’unità .
- Descrivere circonferenze con il modulo, dimostrare il teorema della circonferenza di Apollonio e impiegare questi strumenti in problemi classici, come quelli di Napoleone e di Van Aubel.
Punti, distanze e centri
Dalla lezione del corso Algebra e Geometria I sulle operazioni con i numeri complessi, ogni complesso si identifica con il punto del piano, e la differenza è il vettore che va dal punto al punto ; per il teorema di Pitagora, la distanza fra i due punti è . In questa lezione il punto di vista si inverte: non si studiano i numeri attraverso il piano, ma il piano attraverso i numeri. Una figura resta descritta dai complessi dei suoi punti, e una proprietà geometrica da un’uguaglianza fra essi.
Lo strumento principale è l’esponenziale complesso della lezione sull’esponenziale complesso e la formula di Eulero. Per ogni reale , il numero è il punto della circonferenza di raggio il cui argomento è , e soddisfa le proprietà seguenti; l’ultima si deve al fatto che e :
Secondo la lezione sulla forma polare dei numeri complessi, ogni complesso non nullo si scrive , con e un argomento di ; moltiplicando due complessi si moltiplicano i moduli e si sommano gli argomenti, e dividendoli si dividono i moduli e si sottraggono gli argomenti. In particolare, moltiplicare per ne conserva il modulo e ne aumenta l’argomento di : fa ruotare il punto di un angolo attorno all’origine, in senso antiorario se . Il prodotto per , studiato nella lezione del corso I sui numeri complessi come una rotazione di un quarto di giro, è il caso .
Anche i punti di un segmento si descrivono con i complessi. Secondo la lezione del corso I su vettori ed equazioni parametriche della retta, i punti della retta che passa per e sono quelli della forma , con reale, e quelli del segmento che li congiunge corrispondono a .
Il punto medio del segmento di estremi e è la semisomma . Le tre mediane di un triangolo di vertici , e passano per il punto , detto baricentro, che si trova su ciascuna mediana a due terzi del cammino che va dal vertice al punto medio del lato opposto. Il lemma è stato dimostrato con i vettori nel problema risolto sulle mediane della lezione del corso I su vettori ed equazioni parametriche della retta; la dimostrazione qui sotto lo traduce nei complessi. La figura la segue con i vertici , e .
Dimostrazione
Il punto del segmento che corrisponde a è la semisomma degli estremi.
Si trova alla stessa distanza da entrambi gli estremi, perché i due vettori che lo congiungono a essi sono uguali: è il punto medio.
Sulla mediana che congiunge con il punto medio del lato opposto, il punto che corrisponde a è il seguente.
L’espressione ottenuta è simmetrica nei tre vertici; se è così, lo stesso calcolo con una qualsiasi delle altre due mediane dà lo stesso punto, e tutte e tre passano per . Con i vertici della figura, .
Così il punto medio è la media di due complessi, e il baricentro quella di tre.
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