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Topos Uranos

Riepilogo

Questa lezione porta nello spazio a tre dimensioni i vettori che la lezione sui vettori nel piano ha studiato con due coordinate. Fissa un sistema di tre assi perpendicolari con orientazione positiva, dichiara i fatti della geometria euclidea dello spazio che si ammettono e, applicando due volte il teorema di Pitagora, ottiene la distanza tra due punti. Definisce i vettori come terne di numeri reali, con la loro somma, il loro prodotto per uno scalare, la base canonica e l’unicità delle coordinate; definisce la norma e il prodotto scalare, ne dimostra le proprietà, la disuguaglianza di Cauchy-Schwarz mediante il discriminante e la disuguaglianza triangolare, e con esse definisce l’angolo tra due vettori, che coincide con quello della geometria elementare. Studia poi l’ortogonalità, la proiezione ortogonale, i coseni direttori e la scrittura del prodotto scalare come prodotto di una riga per una colonna, da cui segue che le matrici le cui colonne sono versori perpendicolari conservano lunghezze e angoli. Le applicazioni sono il lavoro di una forza, il teorema del coseno nello spazio e l’angolo della molecola di metano; i problemi riguardano le diagonali del cubo e del parallelepipedo, i vettori perpendicolari a due vettori dati, le tensioni di tre cavi e i tetraedri con spigoli opposti perpendicolari.

Obiettivi di apprendimento

  1. Collocare punti in un sistema di coordinate cartesiane nello spazio, riconoscerne l’ottante e calcolare distanze, giustificando la formula con il teorema di Pitagora.
  2. Operare con i vettori dello spazio, esprimerli nella base canonica e dimostrare con essi proprietà di parallelogrammi, parallelepipedi e tetraedri.
  3. Calcolare norme, prodotti scalari, angoli, proiezioni ortogonali e coseni direttori, e dimostrare le disuguaglianze di Cauchy-Schwarz e triangolare nello spazio.
  4. Scrivere il prodotto scalare come prodotto di matrici e decidere con esso se una matrice conserva lunghezze e angoli.
  5. Modellizzare con il prodotto scalare il lavoro di una forza, l’equilibrio di forze concorrenti e gli angoli di una molecola.

Il sistema di coordinate dello spazio

Nella lezione del corso Algebra e Geometria I sui vettori nel piano, ogni punto del piano è stato identificato con una coppia di numeri e ogni spostamento con un’altra coppia, e la geometria di rette, angoli e distanze si è tradotta in calcoli con queste coppie. Il mondo fisico, tuttavia, ha tre dimensioni: la posizione di un aereo, quella di un atomo in una molecola o quella di una lampada appesa al soffitto richiedono tre numeri. Se è così, conviene ripetere la costruzione con le terne. Quasi tutto ciò che si è dimostrato nel piano si estende senza cambiamenti, perché le dimostrazioni operavano componente per componente o usavano solo le proprietà algebriche del prodotto scalare; in questi casi questa lezione rimanda a quella del piano. Ciò che richiede cura è la geometria: nello spazio non si dispone di una figura piana che contenga tutto, e l’angolo tra due vettori, per esempio, va definito prima di essere calcolato.

I fatti della geometria euclidea dello spazio che si ammettono

La geometria analitica dello spazio traduce la geometria dei solidi, che Euclide espose nei libri dall’XI al XIII degli Elementi. La sua costruzione assiomatica va oltre questo corso, come accadde per quella del piano nella lezione sull’equazione della retta, dove i fatti della geometria piana che si ammettono furono riuniti in un elenco. Allo stesso modo, i fatti dello spazio che questa unità usa si ammettono senza dimostrazione e si riuniscono nell’elenco qui sotto; ogni volta che una lezione dell’unità ricorre a uno di essi, rimanda a questo elenco.

  1. Piani. Tre punti non allineati individuano un unico piano, e se due punti di una retta stanno in un piano, tutta la retta sta in esso. In ogni piano dello spazio valgono i fatti della geometria piana ammessi nella lezione sull’equazione della retta; in particolare, il teorema di Pitagora e il suo inverso, e la libertà di scegliervi un sistema di assi.
  2. Rette e piani perpendicolari. Per ogni punto esiste un unico piano perpendicolare a una retta data, e questo piano interseca la retta in un unico punto. Una retta perpendicolare a un piano è perpendicolare a tutte le rette del piano uscenti dal punto in cui lo interseca.
  3. Assi. Tre rette concorrenti in un punto OO e perpendicolari a due a due, con un verso positivo su ciascuna e la stessa scala di lunghezza, formano un sistema di assi. Le distanze, gli angoli e le figure non dipendono da questa scelta.
  4. Coordinate. Fissato un sistema di assi, i piani perpendicolari ai tre assi condotti da un punto PP li intersecano nei punti di ascisse xx, yy e zz, e viceversa, per ogni terna di numeri questi tre piani si intersecano in un unico punto. I punti di terza coordinata uguale a cc formano un piano perpendicolare all’asse zz, nel quale le prime due coordinate sono coordinate cartesiane del piano con la stessa scala; i punti con le prime coordinate fissate formano una retta parallela all’asse zz, perpendicolare a quel piano, sulla quale la terza coordinata misura la posizione con la stessa scala. Lo stesso vale con gli assi permutati.

Il quarto fatto è una conseguenza dei primi tre che la geometria dei solidi dimostra con le proprietà delle rette parallele e dei piani paralleli; si enuncia separatamente perché è la forma in cui verrà usato.

Un sistema di coordinate cartesiane nello spazio è un sistema di assi, detti asse xx, asse yy e asse zz, che si intersecano nell’origine OO. Ogni punto PP si identifica con la terna delle sue coordinate, P=(x,y,z)P = (x, y, z), che si chiamano ascissa, ordinata e quota. I tre piani coordinati sono il piano xyxy, di equazione z=0z = 0; il piano yzyz, di equazione x=0x = 0; e il piano xzxz, di equazione y=0y = 0.

I piani coordinati dividono lo spazio in otto regioni, dette ottanti, secondo il segno di ciascuna coordinata; il primo ottante è quello dei punti con le tre coordinate positive, e gli altri si designano con la terna dei loro segni, per esempio l’ottante (+,−,+)(+, -, +). Nel piano, due assi perpendicolari possono disporsi in due modi essenzialmente diversi: il secondo asse si ottiene ruotando il primo di un quarto di giro in senso antiorario, oppure in senso orario. Nello spazio accade lo stesso con i tre assi, e la distinzione ha un nome.

Un sistema di coordinate dello spazio ha orientazione positiva quando, guardando dal lato positivo dell’asse zz, il quarto di giro che porta il semiasse positivo xx sul semiasse positivo yy appare in senso antiorario. In modo equivalente, vale la regola della mano destra: se le dita della mano destra si piegano dal semiasse positivo xx verso il semiasse positivo yy, il pollice indica il semiasse positivo zz.

Se si inverte il verso di uno degli assi, l’orientazione cambia; se se ne invertono due, si conserva. Permutando gli assi in modo ciclico, da xx, yy, zz a yy, zz, xx, l’orientazione non cambia neppure, sicché in un sistema positivo, guardando dal semiasse positivo xx, la rotazione da yy a zz è anch’essa antioraria. D’ora in poi tutti i sistemi hanno orientazione positiva. Le figure li disegnano in assonometria cavaliera: l’asse yy verso destra, l’asse zz verso l’alto e l’asse xx verso l’osservatore, tracciato in diagonale e con le lunghezze dimezzate. L’orientazione non interviene in questa lezione; sarà essenziale nella prossima, sul prodotto vettoriale e prodotto misto.

EsempioCollocare un punto nello spazio

Collocare il punto P=(3,4,2)P = (3, 4, 2) percorrendo gli assi, indicarne l’ottante e collocare il punto P1=(3,4,−2)P_1 = (3, 4, -2).

Dimostrazione

  1. O=(0,0,0)O = \left( 0, 0, 0 \right)

    Disegniamo i tre assi con orientazione positiva: visto dall’alto, il quarto di giro dal semiasse positivo xx al semiasse positivo yy è antiorario.

  2. A=(3,0,0)A = \left( \resaltar{3}, 0, 0 \right)

    Avanziamo di una lunghezza 33 lungo l’asse xx.

  3. B=(3,4,0)B = \left( 3, \resaltar{4}, 0 \right)

    Da AA, avanziamo di una lunghezza 44 nella direzione dell’asse yy, senza uscire dal piano xyxy.

  4. P=(3,4,2)P = \left( 3, 4, \resaltar{2} \right)

    Da BB, saliamo di una lunghezza 22 nella direzione dell’asse zz. Le tre coordinate sono positive: PP sta nel primo ottante, ed è il vertice opposto a OO della scatola di spigoli 33, 44 e 22.

  5. P1=(3,4,−2)P_1 = \left( 3, 4, \resaltar{-2} \right)

    Se da BB si scende di una lunghezza 22 si arriva a P1P_1, nell’ottante (+,+,−)(+, +, -). Il piano xyxy interseca perpendicolarmente il segmento PP1P P_1 nel suo punto medio, BB: P1P_1 è il simmetrico di PP rispetto a quel piano.

La distanza tra due punti

Nel piano, la distanza tra due punti si è ottenuta applicando una volta il teorema di Pitagora a un triangolo con i cateti paralleli agli assi. Nello spazio bisogna applicarlo due volte: prima in un piano orizzontale e poi in un piano verticale.

TeoremaDistanza tra due punti

La distanza tra i punti P=(x1,y1,z1)P = (x_1, y_1, z_1) e Q=(x2,y2,z2)Q = (x_2, y_2, z_2) è data dalla formula qui sotto.

d⁡(P,Q)=(x2−x1)2+(y2−y1)2+(z2−z1)2\operatorname{d}(P, Q) = \sqrt{\left( x_2 - x_1 \right)^2 + \left( y_2 - y_1 \right)^2 + \left( z_2 - z_1 \right)^2}

Si introduce un punto ausiliario RR, all’altezza di PP e sulla verticale di QQ. La figura usa P=(1,2,1)P = (1, 2, 1) e Q=(3,5,7)Q = (3, 5, 7).

Dimostrazione

  1. R=(x2,y2,z1)R = \left( x_2, y_2, \resaltar{z_1} \right)

    Sia RR il punto con le prime due coordinate di QQ e la quota di PP. I punti PP e RR stanno nel piano di quota z1z_1, e RR e QQ sulla retta parallela all’asse zz formata dai punti di prime coordinate x2x_2 e y2y_2.

  2. d⁡(P,R)2=(x2−x1)2+(y2−y1)2{\operatorname{d}(P, R)}^2 = \dato{pr}{\left( x_2 - x_1 \right)^2 + \left( y_2 - y_1 \right)^2}

    Per il fatto delle coordinate, nel piano di quota z1z_1 le prime due coordinate sono cartesiane, e la formula della distanza nel piano, della lezione sull’equazione della retta, dà la lunghezza di PRPR. Nella figura, 4+9=134 + 9 = 13.

  3. d⁡(R,Q)=∣z2−z1∣\operatorname{d}(R, Q) = \dato{rq}{\abs{z_2 - z_1}}

    Sulla retta verticale che contiene RR e QQ, la quota misura la posizione: la lunghezza di RQRQ è il valore assoluto della differenza delle quote. Nella figura, 7−1=67 - 1 = 6.

  4. d⁡(P,Q)2=d⁡(P,R)2+d⁡(R,Q)2{\operatorname{d}(P, Q)}^2 = \resaltar{{\operatorname{d}(P, R)}^2} + \resaltar{{\operatorname{d}(R, Q)}^2}

    La retta RQRQ è perpendicolare al piano di quota z1z_1 e, per il secondo fatto ammesso, alla retta PRPR, che sta in quel piano ed esce da RR. Il triangolo PRQPRQ è rettangolo in RR e, per il primo fatto, il teorema di Pitagora vale nel piano che lo contiene.

  5. d⁡(P,Q)=(x2−x1)2+(y2−y1)2+(z2−z1)2,13+36=7\operatorname{d}(P, Q) = \sqrt{\resaltar{\left( x_2 - x_1 \right)^2 + \left( y_2 - y_1 \right)^2} + \resaltar{\left( z_2 - z_1 \right)^2}}, \qquad \sqrt{13 + 36} = 7

    Sostituiamo ed estraiamo la radice quadrata. Se P=RP = R o R=QR = Q, non c’è alcun triangolo, ma la formula si riduce a quella di una sola delle due distanze e resta vera. Nella figura, la distanza è 77.

In particolare, la distanza di P=(x,y,z)P = (x, y, z) dall’origine è x2+y2+z2\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}, la lunghezza della diagonale della scatola di spigoli ∣x∣\abs{x}, ∣y∣\abs{y} e ∣z∣\abs{z}. Per esempio, la diagonale di un cubo di spigolo aa misura a2+a2+a2=a3\sqrt{a^2 + a^2 + a^2} = a \sqrt{3}.