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Lezioni di Geometria

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Lezioni di Geometria
Lezioni di Geometria
Giuseppe Paxia
Facoltà di Ingegneria
Università di Catania
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Presentazione
Ho pensato di scrivere questo testo di “Lezioni di Geometria” con lo scopo
di fornire allo studente un valido supporto didattico, senza accondiscendere
alla tentazione di scrivere qualcosa di veramente innovativo, che avrebbe
forse gratificato me, ma non avrebbe soddisfatto le sue esigenze di studio.
Un primo corso di Geometria nelle Facoltà di Ingegneria e di Scienze consta solitamente di due parti fondamentali: l’Algebra Lineare e la Geometria
Analitica.
L’Algebra Lineare si occupa, fondamentalmente, dello studio degli spazi vettoriali, delle applicazioni lineari, delle matrici, della risoluzione dei sistemi
lineari, oltre che dello studio delle forme quadratiche e la loro riduzione a
forma canonica. Tali argomenti hanno grande importanza perché non vi è
disciplina teorica o applicativa che non ne faccia un vasto uso.
Anche studiando la Geometria si utilizzano ampiamente le nozioni anzidette, e questo è il motivo per cui l’Algebra Lineare è ormai considerata parte
integrante della materia.
La parte del corso relativa alla Geometria Analitica si occupa dei metodi
per rappresentare rette e piani nello spazio mediante equazioni o sistemi di
equazioni lineari nonché dello studio sistematico delle coniche e delle quadriche, evidenziandone proprietà sempre più profonde che portano alla loro
completa classificazione.
Ma c’è da dire che mentre il corso di Algebra Lineare è abbastanza ben
definito nei contenuti e nei metodi usati per conseguire certi risultati, quello relativo alla Geometria Analitica dà una più vasta gamma di scelte e, a
parità di scelte degli argomenti, i metodi usati non sono sempre della stessa
natura, per cui, passando da un testo ad un altro, lo studente ha qualche
disagio, soprattutto quando è all’inizio degli studi e quindi non ha adeguata
esperienza.
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In verità esistono già nella letteratura ottimi libri di Geometria, sia classici
che moderni, alcuni in forma di veri e propri trattati.
Il testo da me proposto vuole essere il più stringato e sintetico possibile, ma
vuole coprire tutti gli argomenti che ormai, per la lunga esperienza maturata
insieme ai colleghi che tengono lo stesso mio insegnamento, sono ritenuti da
un canto formativi e dall’altro di base per ulteriori studi e applicazioni.
Il libro si articola su cinque capitoli. Nel primo vengono introdotti i vettori
geometrici e le loro proprietà, i sistemi di riferimento cartesiano nel piano e
nello spazio oltre che le coordinate polari e cilindriche. Se si eccettua il paragrafo riguardante i cambiamenti di coordinate, tale capitolo non richiede
conoscenze di Algebra Lineare e solitamente è la prima parte del corso che
viene sviluppata a lezione. Anche i capitoli secondo e terzo non richiedono
prerequisiti; in essi si tratta la geometria lineare nel piano e nello spazio.
Nel capitolo quarto si studiano le coniche e le loro proprietà e nel quinto
vengono studiate le quadriche. Per tali ultimi capitoli è necessario avere
acquisito importanti nozioni di Algebra Lineare e pertanto è bene studiarli
dopo avere completato lo studio dell’Algebra Lineare.
Il testo è corredato da esempi ed esercizi; da alcuni molto elementari che
richiedono solo l’applicazione di semplici formule, ad altri più complessi dove
vengono suggeriti metodi e tecniche di risoluzione.
Nel concludere tale premessa, non posso fare a meno di esprimere il più
vivo ringraziamento ai colleghi del gruppo di Geometria Algebrica del Dipartimento di Matematica dell’Università di Catania che, a vario titolo, mi
hanno aiutato nel portare avanti tale lavoro. Via via che le note venivano
scritte, le sottoponevo alla loro lettura per avere dei consigli, rimuovere errori e imprecisioni e devo dire che, seguendo tanti loro consigli, il testo ne
ha certamente guadagnato; da ciò la mia gratitudine a tutti loro.
Desidero ringraziare l’allievo ingegnere Elio Ragusa che, sfruttando le sue
competenze in “computer graphics”, ha disegnato la copertina del libro.
Agli alunni rivolgo l’invito a studiare con molta passione e determinazione
e soprattutto a seguire le lezioni svolte in classe dal docente. Perché la dinamica dell’apprendimento scatta fortemente quando certi fattori emotivi
vengono sollecitati; e ciò si determina in classe con l’insostituibile apporto
del docente che, con la sua esperienza, sa creare l’atmosfera giusta, approfondendo ciò che è essenziale e sorvolando sugli aspetti marginali.
Spero comunque che tale testo possa essere utile allo studente il quale fareb-
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be cosa gradita se segnalasse parti che non fossero espresse in modo chiaro e
convincente al fine di rendere possibili migliorie o aggiustamenti da apportare in una eventuale seconda edizione.
Voglio dedicare tale lavoro alla memoria di mio padre, scomparso 35 anni fa,
di cui ricordo sempre il talento e la grande passione verso questa disciplina.
Catania, Gennaio 1997
Giuseppe Paxia
Seconda edizione
D’accordo con l’editore abbiamo deciso di fare una seconda tiratura del libro,
in attesa della riforma dei corsi universitari. Ho apportato alcune correzioni
senza però cambiare la natura e lo stile del testo.
Catania, Marzo 2000
Giuseppe Paxia
iv
Indice
1 I vettori
1.1 I vettori geometrici dello spazio . . . . . . . . .
1.1.1 La somma di vettori . . . . . . . . . . .
1.1.2 Prodotto di un numero per un vettore .
1.1.3 Prodotto scalare . . . . . . . . . . . . .
1.1.4 Prodotto vettoriale . . . . . . . . . . . .
1.1.5 Prodotto misto di vettori . . . . . . . .
1.2 Sistemi di coordinate . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Operazioni sui vettori espresse mediante
1.2.2 Esempi e applicazioni . . . . . . . . . .
1.3 Cambiamenti di coordinate nello spazio . . . .
1.4 I vettori del piano . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 Coordinate polari . . . . . . . . . . . . .
1.5 Coordinate polari e cilindriche nello spazio . . .
2 Geometria lineare nel piano
2.1 Coordinate omogenee . . . . . . . .
2.2 Rette del piano e loro equazioni . .
2.3 Mutua posizione di due rette . . .
2.4 Intersezioni fra rette . . . . . . . .
2.4.1 Rette immaginarie . . . . .
2.5 Il coefficiente angolare di una retta
2.6 Fasci di rette . . . . . . . . . . . .
2.7 Distanze . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 Alcuni esempi . . . . . . . . . . . .
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componenti
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INDICE
3 Geometria lineare nello spazio
3.1 Coordinate omogenee . . . . . . . . . . . . . .
3.2 I piani dello spazio ordinario . . . . . . . . .
3.3 Le rette dello spazio ordinario . . . . . . . . .
3.3.1 Elementi impropri e immaginari in IP3
3.4 Ortogonalità e parallelismo . . . . . . . . . .
3.5 Angoli fra rette e piani . . . . . . . . . . . . .
3.6 Fasci di piani . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7 Distanze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8 Esempi e applicazioni . . . . . . . . . . . . .
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4 Le Coniche
4.1 Generalità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Riduzione di una conica a forma canonica . . .
4.3 Significato geometrico del rango di B . . . . . .
4.4 Ricerca dei punti impropri di una conica . . . .
4.5 Classificazione delle coniche irriducibili . . . . .
4.6 Studio delle coniche in forma canonica . . . . .
4.6.1 Studio dell’ellisse in forma canonica . .
4.6.2 Studio dell’iperbole in forma canonica .
4.6.3 Studio della parabola in forma canonica
4.7 Centro ed assi di simmetria . . . . . . . . . . .
4.8 Circonferenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9 Tangenti e polari . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9.1 Polarità rispetto ad una conica . . . . .
4.9.2 Centro di una conica . . . . . . . . . . .
4.9.3 Diametri di una conica . . . . . . . . . .
4.10 Fasci di coniche . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10.1 Fasci di circonferenze . . . . . . . . . . .
4.11 Applicazioni dei Fasci . . . . . . . . . . . . . .
4.12 Esempi di studi di coniche . . . . . . . . . . . .
5 Le Quadriche
5.1 Generalità sulle quadriche . . . . . . . . . .
5.2 Riduzione di una quadrica a forma canonica
5.2.1 Invarianti ortogonali . . . . . . . . .
5.3 Intersezioni di quadriche con rette e piani .
5.4 Vertici delle quadriche . . . . . . . . . . . .
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INDICE
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
5.12
5.13
5.14
5.15
5.16
5.17
vii
5.4.1 Ricerca dei vertici delle quadriche . . . .
Classificazione delle quadriche degeneri . . . . . .
Classificazione delle quadriche non degeneri . . .
Centro e piani di simmetria di una quadrica . . .
Rette e piani tangenti . . . . . . . . . . . . . . .
5.8.1 Sezioni delle quadriche coi piani tangenti
Studio delle quadriche non degeneri . . . . . . . .
Sistemi di rette sulle quadriche . . . . . . . . . .
Polarità rispetto ad una quadrica . . . . . . . . .
Alcune osservazioni . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sfere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.13.1 Esempi . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cenni su curve e superficie nello spazio . . . . . .
5.14.1 Superficie coniche e cilindriche . . . . . .
5.14.2 Proiezioni di curve . . . . . . . . . . . . .
Caratterizzazione di cilindri e coni . . . . . . . .
Superficie di rotazione . . . . . . . . . . . . . . .
5.16.1 Sezioni circolari di una quadrica . . . . .
Alcuni esempi notevoli . . . . . . . . . . . . . . .
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viii
INDICE
Capitolo 1
I vettori
1.1
I vettori geometrici dello spazio
Tutti sanno che certe grandezze fisiche, quali la massa di un corpo, la temperatura di una località in un certo istante, il volume di un corpo e cosı̀
via sono perfettamente determinate una volta noto il numero reale che esprime la loro entità. Tali grandezze si dicono grandezze scalari. Ci sono
altre grandezze, quali per esempio le forze applicate ad una data massa, la
velocità e l’accelerazione di un corpo, che non sono determinate solo dalla
loro intensità; infatti forze che agiscono in direzioni differenti, anche se della
stessa intensità, producono effetti differenti alla massa a cui sono applicate.
Vengono quindi introdotte le grandezze vettoriali, che sono perfettamente descritte una volta che siano noti il modulo, la direzione e il verso. Lo
studio della Fisica fornisce svariati esempi di tali grandezze o vettori.
Nello spazio ordinario S, che è lo spazio dove vengono assunti gli assiomi
della geometria euclidea, i vettori vengono rappresentati da frecce, con un
punto iniziale ed un punto finale.
1
2
CAPITOLO 1. I VETTORI
Nella figura seguente sono rappresentati vari vettori:
B
C
A
E
D
F
fig.1
−−→
Per indicare il primo vettore della figura si può usare la notazione AB o
anche (A, B), che mette in risalto il punto iniziale A e il punto finale B.
Noi useremo preferibilmente la seconda notazione, identificando il vettore
−−→
AB con il segmento orientato (A, B), e lo diremo vettore applicato in A.
Esaminando ancora la figura si ha che i segmenti orientati (C, D) e (E, F )
sono paralleli, hanno la stessa ampiezza e lo stesso verso; diremo in tal caso
che essi sono equipollenti. La relazione di equipollenza R è una relazione
di equivalenza nell’insieme SO di tutti i segmenti orientati dello spazio,
nel senso che R gode delle proprietà:
1. riflessiva: ogni segmento orientato è equipollente a se stesso;
2. simmetrica: se (A, B)R(C, D) allora (C, D)R(A, B), per ogni coppia
di segmenti orientati;
3. transitiva: se (A, B)R(C, D) e (C, D)R(E, F ) allora (A, B)R(E, F ),
per ogni terna di segmenti orientati.
Si può allora definire l’insieme “quoziente” SO/R, cioè l’insieme che ha
per elementi le classi di equipollenza in cui vengono “ripartiti” gli elementi
dell’insieme SO.
Tali elementi si dicono vettori liberi dello spazio o vettori geometrici e
il loro insieme verrà denotato con Vg .
Allora, per esempio, il segmento orientato (A, B) individua una classe di
equipollenza che denoteremo con [A, B], ovvero un vettore libero v. Ciò
significa che v = [A, B] rappresenta la totalità di tutti i segmenti orientati
equipollenti ad (A, B). I segmenti orientati della fig.1 (C, D) e (E, F ), in
quanto equipollenti, individuano lo stesso vettore libero w. Si può quindi
1.1. I VETTORI GEOMETRICI DELLO SPAZIO
3
scrivere indifferentemente w = [C, D] oppure w = [E, F ]. Si ha che un vettore libero è individuato da un suo qualunque “rappresentante”.
Osservazione 1 Se si fissa un qualunque punto O dello spazio, per
ogni vettore libero v ∈ Vg , esiste uno e un solo rappresentante di v
applicato in O.
Si definisce modulo del vettore v = [A, B] il numero reale non negativo |v|
che esprime la distanza AB dei due punti A e B, rispetto all’unità di misura
fissata.
Il vettore libero v = [A, A] è particolare, ma non verrà escluso dalle nostre
considerazioni. Esso è chiamato il vettore nullo, ed ha modulo zero, direzione e verso indeterminati; in tal caso si scrive che v = 0; tale vettore è
l’unico vettore avente modulo nullo.
1.1.1
La somma di vettori
Nell’insieme dei vettori liberi dello spazio introduciamo una operazione di
somma, nel modo seguente. Siano v = [A, B] e w = [C, D] due vettori liberi.
B
A
C
D0
D
fig. 2
Definizione 1 Definiamo v + w il vettore libero individuato dal segmento orientato (A, D0 ), ottenuto riportando dal secondo estremo B di
(A, B) il segmento orientato (B, D0 ) equipollente a (C, D), e congiungendo A con D0 , come è mostrato nella fig.2.
4
CAPITOLO 1. I VETTORI
Tale operazione è “ben definita”, in quanto la classe di equivalenza individuata da (A, D0 ) non dipende dalla scelta dei rappresentanti dei vettori
liberi v e w. Infatti se v = [P, Q] e w = [R, S], riportando da Q il segmento
(Q, S 0 ), equipollente a (R, S), si ottiene il segmento (P, S 0 ) che risulta equipollente ad (A, D0 ) e quindi individua lo stesso vettore libero v + w.
Per la definizione di somma di vettori liberi è chiaro che il vettore nullo 0 è
“neutro” , cioè v + 0 = v per ogni vettore v.
Nel caso particolare in cui i vettori v e w siano paralleli, applicando la
definizione di somma di vettori si deduce subito che il vettore somma è parallelo ai vettori dati ed ha modulo uguale alla somma o alla differenza dei
moduli a seconda che i due vettori siano orientati in modo concorde o in
modo discorde e verso concorde al vettore di modulo maggiore.
Nella fig.3(a,b,c) seguente sono riportate diverse situazioni relative alla somma di vettori paralleli.
D0
C0
B
A
D
C
fig.3a
C0
A
D0
B
C
D
fig.3b
D0
C0
A
B
D
C
fig.3c
Per esempio nella fig.3a v = [A, B] e w = [C, D] sono paralleli e discordi e
|v| > |w| e il vettore v + w è il vettore libero rappresentato da (A, D0 ) che
è parallelo ai due vettori, ha verso concorde al verso del vettore di modulo
maggiore ed ha modulo uguale alla differenza dei moduli.
Nella fig.3b i vettori v = [A, B] e w = [C, D] sono paralleli e concordi e
il vettore somma v + w è rappresentato dal segmento orientato (A, D0 ) e
quindi è parallelo e concorde ad entrambi ed ha come modulo la somma dei
moduli dei due vettori.
Nella fig.3c, infine, si ha la situazione in cui i due vettori v = [A, B] e
1.1. I VETTORI GEOMETRICI DELLO SPAZIO
5
w = [C, D] sono paralleli e discordi ed hanno lo stesso modulo. In tal caso
si vede subito che il vettore somma v + w è il vettore nullo, e si dice che
i due vettori sono opposti. Si ha subito che per ogni vettore v esiste un
unico opposto, che si suole indicare con −v.
Se i vettori v e w non sono paralleli, il vettore libero v + w si può pensare individuato dalla diagonale (A, D0 ) del parallelogramma costruito sui
rappresentanti (A, B) e (A, D00 ) con quest’ultimo equipollente a (C, D), vedi
fig.4.
B
A
C
D0
D00
D
fig.4
Osserviamo che la somma di vettori gode della proprietà commutativa, cioè
per ogni coppia di vettori v e w si ha: v + w = w + v, in quanto la diagonale del parallelogramma non dipende dall’ordine secondo cui effettuiamo la
somma.
L’operazione di somma di vettori liberi gode della proprietà associativa. Ciò significa che comunque si scelgano tre vettori liberi v,w e z si
ha (v+w)+z=v+(w+z).
Per provare la proprietà associativa basta osservare che se uno dei tre vettori
è il vettore nullo la proprietà è banale. Altrimenti per la Oss.1 di pag. 3 possiamo supporre che i vettori dati siano rappresentati da tre segmenti orientati uscenti da uno stesso punto A. Sia quindi v = [A, B], w = [A, C], z =
[A, D]. La dimostrazione si ottiene osservando che comunque vengano associati i vettori la loro somma è data dal vettore libero avente come rappresentante il segmento orientato (A, E) che corrisponde alla diagonale del
parallelepipedo costruito sui segmenti orientati (A, B), (A, C), e (A, D).
6
CAPITOLO 1. I VETTORI
Osservare la seguente figura:
D
E
C
A
B
fig.5
Riassumendo, sull’insieme Vg dei vettori liberi dello spazio è stata definita
una operazione di somma per cui valgono le seguenti proprietà:
a) la somma è associativa;
b) esiste un elemento neutro per la somma;
c) per ogni vettore esiste l’opposto;
d) la somma è commutativa.
Tutto ciò significa che l’insieme Vg dei vettori liberi dello spazio ordinario,
rispetto alla somma che abbiamo definito, ha la struttura di gruppo commutativo o abeliano.
Osservazione 2 Siano dati in S tre punti qualunque P1 , P2 , P3 . Dalla
definizione di somma di vettori segue che [P1 , P2 ] + [P2 , P3 ] è il vettore [P1 , P3 ] rappresentato dal segmento orientato congiungente i punti
estremi P1 e P3 .
Questo si può generalizzare ad un insieme finito qualunque di n punti
P1 , P2 , · · · , Pn . Precisamente il vettore somma [P1 , P2 ] + [P2 , P3 ] + · · · +
[Pn−1 , Pn ] è dato dal vettore [P1 , Pn ] rappresentato dal segmento avente
P1 come punto iniziale e Pn come punto finale.
Da ciò deriva la seguente proprietà, nota come identità di Chasles, la
quale asserisce:
1.1. I VETTORI GEOMETRICI DELLO SPAZIO
7
Proposizione 1 Dato nello spazio il vettore [A, B]. Allora comunque
si prendano n punti C1 , C2 , · · · , Cn si ha:
[A, B] = [A, C1 ] + [C1 , C2 ] + · · · + [Cn−1 , Cn ] + [Cn , B]
1.1.2
Prodotto di un numero per un vettore
Sia dato un qualunque vettore v = [A, B] dello spazio ordinario e sia a ∈ IR
un qualunque numero reale. Si definisce il prodotto dello scalare a per il
vettore v il vettore libero av secondo la seguente
Definizione 2 Il vettore av ha modulo |a||v|; nel caso in cui tale modulo è zero, av è il vettore nullo; altrimenti è il vettore libero rappresentato da un segmento orientato parallelo ad (A, B), verso concorde
ad (A, B) se a > 0 e verso discorde ad (A, B) se a < 0.
Naturalmente la definizione data è ben posta. Infatti è facile convincersi che
il vettore libero av non dipende dal rappresentante usato per individuare v.
Sussiste la seguente
Proposizione 2 Comunque si prendano a, b ∈ IR e v, w ∈ Vg si ha:
1. (a + b)v = av + bv
2. a(v + w) = av + aw
3. a(bv) = (ab)v
4. 1v = v
La dimostrazione delle precedenti proprietà è abbastanza semplice ed è lasciata al lettore per esercizio.
Abbiamo osservato che l’insieme Vg dei vettori liberi dello spazio, rispetto
alla operazione di somma che abbiamo definito, ha la struttura di gruppo
abeliano. Inoltre abbiamo definito il prodotto di un numero reale per un
vettore ed esso soddisfa le proprietà della Prop.2. Pertanto, come verrà
ampiamente approfondito nel corso di Algebra Lineare, ciò significa che Vg
ha la struttura di spazio vettoriale.
A questo punto è possibile dare una condizione di parallelismo tra vettori
liberi. Precisamente si ha
8
CAPITOLO 1. I VETTORI
Proposizione 3 Se v e w sono due vettori liberi non nulli, allora essi
sono paralleli se e solo se esiste uno scalare λ ∈ IR∗ = IR \ {0} per cui
v = λw.
Dimostrazione. Se i due vettori v e w sono paralleli è sempre possibile,
moltiplicando w per un opportuno scalare |λ| ∈ IR+ , rendere uguali i moduli
|v|
dei vettori v e λw; basta scegliere |λ| =
; per avere poi l’eguaglianza dei
|w|
vettori, si scelga λ positivo o negativo, a seconda che i vettori dati siano
paralleli e concordi o paralleli e discordi.
Il viceversa è ovvio, in quanto se due vettori v e w sono tali che v = λw
essi sono paralleli, per definizione.
Nel seguito, per indicare che i vettori v e w sono paralleli, useremo la
notazione v k w.
1.1.3
Prodotto scalare
c l’angolo convesso
Dati i due vettori v = [A, B] e w = [A, C] si definisce vw
θ formato dai vettori; quindi deve aversi 0 ≤ θ ≤ π.
C
θ
B
A
fig.6
Diamo adesso la definizione di prodotto scalare di vettori che riveste una
particolare importanza per le applicazioni successive.
Definizione 3 Dati i vettori v e w si definisce loro prodotto scalare e
si indica v•w il numero seguente:
se uno dei due vettori è nullo il prodotto scalare è zero;
c e |v|, |w| indicano
altrimenti v•w = |v| |w| cos θ, dove θ è l’angolo vw
i moduli dei vettori v e w.
1.1. I VETTORI GEOMETRICI DELLO SPAZIO
9
Dalla precedente definizione segue subito che il prodotto scalare di due vettori gode della proprietà commutativa.
Inoltre per due vettori non nulli e perpendicolari il prodotto scalare è zero
e viceversa se due vettori non nulli sono tali che il loro prodotto scalare
v•w = 0 allora cos θ = 0 e i due vettori sono perpendicolari.
Se si conviene di considerare il vettore nullo 0 perpendicolare ad ogni vettore, allora si può dire che due qualunque vettori v e w sono ortogonali se
e solo se il loro prodotto scalare è zero.
Nel seguito per indicare che i vettori v e w sono ortogonali scriveremo che
v ⊥ w.
Si definiscono versori i vettori di modulo unitario. Se allora i, j sono versori, in base alla definizione segue che i•j = cos θ, dove θ indica l’angolo dei
due versori.
Osserviamo che dato un qualunque vettore v non nullo, dividendo il vettore
v
, concorde al vettore v.
per il suo modulo si ottiene il versore
|v|
Convenzione 1 Se ~r è una retta orientata su cui è fissato un sistema di riferimento cartesiano, mediante la scelta dell’origine O e del
versore i, un segmento orientato (A, B) sulla retta ha misura positiva
se il suo verso è concorde al verso del versore i, ha misura negativa
se il suo verso è discorde. La misura di (A, B) come segmento non
orientato è il modulo del vettore [A, B], cioè la distanza AB rispetto
all’unità di misura fissata.
La seguente proposizione è molto importante per le applicazioni del seguito.
Proposizione 4 Se i è un versore che dà l’orientamento ad una retta
orientata ~r, il prodotto scalare v•i fornisce la misura del segmento
orientato, proiezione di v su ~r.
10
CAPITOLO 1. I VETTORI
Dimostrazione. Riferiamoci adesso alla fig.7 seguente.
P
O
H
i
~r
fig.7
Detto v = [O, P ] un vettore e i un versore che fissa l’orientamento sulla retta
orientata ~r, il prodotto scalare v•i = |v| cos θ = OP cos θ, dove θ è l’angolo
dei due vettori e OP la distanza dei punti O e P , dà in valore e segno la
misura del segmento orientato (O, H), proiezione di v sulla retta orientata
~r. 2
Per denotare la proiezione del vettore v sulla retta orientata ~r il cui orientamento è indicato dal versore i si suole scrivere v~r o anche vi .
Per le successive applicazioni è importante la seguente proposizione che
fornisce delle proprietà del prodotto scalare. Si ha
Proposizione 5 Per ogni a ∈ IR e per ogni scelta di vettori v, w si ha
1. (av)•w = a(v•w).
Per ogni scelta dei vettori v, we z si ha:
2. v•(w + z) = v•w + v•z.
Dimostrazione. Per quanto riguarda la 1. è immediato osservare che, se
a = 0 oppure uno dei vettori v o w è il vettore nullo, allora ambo i membri
della 1. sono zero. Altrimenti per a 6= 0, per esempio a > 0, si ha:
d = a|v||w| cos vw
c = a(v•w).
(av)•w = |a||v||w| cos (av)w
Nella precedente si è tenuto conto essenzialmente del fatto che i vettori av
e v sono paralleli e con lo stesso verso e quindi formano lo stesso angolo con
w, e che nelle eguaglianze riguardanti i numeri vale la proprietà associativa
del prodotto. Se invece a < 0 si procede nel modo seguente:
d = −a|v||w|(− cos vw)
c = a(v•w).
(av)•w = |a||v||w| cos (av)w
1.1. I VETTORI GEOMETRICI DELLO SPAZIO
11
Nella precedente si tiene conto del fatto che in questo caso av e v sono
paralleli e discordi e quindi gli angoli che essi formano con w hanno coseni
opposti.
Per la 2. se v=0 allora ambo i membri sono nulli e la proprietà è vera,
altrimenti si dica i il versore parallelo a v e con lo stesso verso. Da ciò e
dalla definizione di prodotto di uno scalare per un vettore segue che v = |v|i,
ed allora si ha:
v•(w + z) =
=
=
=
(|v|i)•(w + z)
|v|[i•(w + z)]
|v|[(w + z)i ]
|v|wi + |v|zi
per definizione
per la parte 1.
per la Prop.4
perché la proiezione della somma
è la somma delle proiezioni
= |v|(i•w) + |v|(i•z) ancora per la Prop.4
= v•w + v•z
ancora per la parte 1.
Nel corso della dimostrazione si è tenuto conto del fatto elementare che
la proiezione su una retta orientata del vettore somma di due vettori è la
somma delle proiezioni. 2
Il prodotto scalare di vettori permette di “decomporre” un vettore come
somma di due vettori fra loro perpendicolari. Più precisamente se u e v
sono due vettori non nulli è sempre possibile scrivere u come
u = w1 + w2
dove w1 è parallelo a v e w2 è perpendicolare a v.
w2
w2
u
u
w1
v
w1
v
fig.8
Il vettore w1 si dice la proiezione ortogonale di u su v e il vettore w2 si dice
la componente di u ortogonale a v.
12
CAPITOLO 1. I VETTORI
I vettori w1 e w2 possono essere ottenuti come segue. Essendo w1 parallelo
a v esso può scriversi nella forma w1 = kv. Allora
u = w1 + w2 = kv + w2
Moltiplicando scalarmente per v ambo i membri della precedente si ha
u•v = k|v|2 + w2 •v
u•v
Ma w2 •v = 0, visto che i vettori sono ortogonali ed allora k =
. Quindi
|v|2
u•v
v. Ricavando w2 dalla u = w1 + w2 si ottiene che la componente
w1 =
|v|2
di u ortogonale a v è data da
u•v
w2 = u −
v
|v|2
1.1.4
Prodotto vettoriale
Vogliamo introdurre adesso il prodotto vettoriale di due vettori, che al
pari del prodotto scalare ha delle interessanti applicazioni geometriche.
Definizione 4 Dati due vettori v e w si definisce il prodotto vettoriale dei due vettori e si indica con v ∧ w il vettore avente modulo
c se tale modulo è zero si ottiene il vettore nullo; altrimen|v||w| sin vw;
ti v ∧ w ha direzione ortogonale a quella del piano dei due vettori e
verso determinato dalla “regola della mano sinistra.Ô
Tale regola dice che disponendo le tre dita della mano sinistra, pollice, indice
e medio in maniera tale che l’indice sia ortogonale al piano individuato da
pollice e medio, se il pollice indica il verso di v e il medio quello di w allora
l’indice indicherà il verso di v ∧ w.
v∧w
w
v
fig.9
1.1. I VETTORI GEOMETRICI DELLO SPAZIO
13
Dalla definizione segue subito che il prodotto vettoriale di due vettori non
gode della proprietà commutativa; in effetti si ha v ∧ w = −w ∧ v.
Per un teorema sulla risoluzione dei triangoli rettangoli in trigonometria, il
modulo del prodotto vettoriale v∧w rappresenta l’area del parallelogramma
costruito su v e w.
Due vettori non nulli sono paralleli se e solo se il loro prodotto vettoriale è
il vettore nullo.
In analogia a quanto visto per il prodotto scalare di due vettori, anche per
il prodotto vettoriale sussiste la seguente
Proposizione 6 Dati comunque uno scalare a ∈ IR e i vettori v, w, z si
ha
1. (av) ∧ w = a(v ∧ w);
2. v ∧ (w + z) = v ∧ w + v ∧ z.
1.1.5
Prodotto misto di vettori
Dati i vettori u, v e w si può definire il loro prodotto misto:
u•v ∧ w
Non abbiamo adoperato nessuna parentesi, perché non c’è pericolo di ambiguità nell’interpretare l’ordine con cui effettuare i prodotti. Infatti l’unica
cosa possibile da fare è quella di effettuare il prodotto vettoriale v ∧ w, ottenendo un vettore, da moltiplicare scalarmente per u. Mentre non avrebbe
avuto senso fare prima il prodotto scalare di u•v e poi moltiplicare vettorialmente per w. Infatti, come sappiamo, il prodotto scalare di due vettori
è un numero e non ha senso fare il prodotto vettoriale di un numero per un
vettore.
Il risultato del prodotto misto dei tre vettori è un numero; il valore assoluto di questo numero ha un significato geometrico. Precisamente sussiste
la seguente
Proposizione 7 Il valore assoluto del prodotto misto dei tre vettori
u, v e w rappresenta il volume del parallelepipedo costruito sui vettori.
14
CAPITOLO 1. I VETTORI
Dimostrazione. Ricordiamo che il modulo del prodotto vettoriale v∧w
rappresenta l’area del parallelogramma costruito su v e w e che moltiplicando scalarmente un vettore per un versore si ottiene in valore e segno la
misura della proiezione del vettore sulla retta orientata dal versore.
Poichè il volume di un parallelepipedo si ottiene moltiplicando l’area di una
base per l’altezza relativa, nel nostro caso si ha
¬
¬ ¬
¬
¬ v∧w
¬ ¬
¬
¬
|u•v ∧ w| = ¬u•
|v ∧ w|¬¬ = ¬h|v ∧ w|¬
|v ∧ w|
v∧w
= h rappresenta la proiezione del vettore u su
|v ∧ w|
una retta orientata perpendicolare al piano individuato dai due vettori v e w
v∧w
in quanto
rappresenta un versore in tale direzione. Siccome di tale
|v ∧ w|
proiezione a noi interessa la misura come segmento non orientato abbiamo
usato il valore assoluto. 2
Il prodotto scalare u•
Corollario 1 Condizione necessaria e sufficiente perchè tre vettori u, v
e w siano complanari è che il loro prodotto misto sia zero.
1.2
Sistemi di coordinate
Nello spazio ordinario S, assegnare un sistema di riferimento cartesiano ortogonale antiorario significa fissare un punto O, origine delle coordinate, una
unità di misura U per le distanze e tre rette orientate ~x, ~y , ~z per O, a due
a due perpendicolari, per cui i versori i, j, k che determinano sulle rette l’orientamento siano tali che k = i ∧ j.
Ciò posto, dato un qualunque punto P dello spazio, ad esso si può associare una terna ordinata di numeri reali (x, y, z) che si dicono le coordinate
cartesiane del punto P . Si procede nel modo seguente: si proietta P ortogonalmente sugli assi ~x, ~y , ~z, trovando i punti Px , Py , Pz come intersezioni
con gli assi dei piani passanti per P e ortogonali rispettivamente a ~x, ~y , ~z.
Su ciascuna delle rette è fissato un sistema cartesiano e quindi al punto Px
si associa univocamente un numero reale x, che come è noto rappresenta la
misura del segmento orientato (O, Px ) rispetto all’unità di misura U ; analogamente a Py si associa univocamente un numero reale y e a Pz un numero
reale z.
1.2. SISTEMI DI COORDINATE
15
Viceversa, invertendo la costruzione precedente, data una qualunque terna
ordinata di numeri reali (α, β, γ) esiste un unico punto P , avente i numeri
dati come sue coordinate.
Da quanto precede si può affermare che, fissato nello spazio un sistema di
riferimento cartesiano ortogonale, c’è una corrispondenza biunivoca tra i
punti dello spazio e le terne ordinate di numeri reali.
Riferiamoci alla figura seguente:
~z
Pz
P
Px
~x
O
Py
~y
fig. 10
Un qualunque punto P dello spazio, in cui è fissato un sistema di coordinate cartesiane ortogonali O~x~y~z.U , determinato dai versori i, j, k, individua
univocamente il vettore v = [O, P ].
Il vettore applicato (O, P ), essendo la diagonale del parallelepipedo costruito sui vettori applicati (O, Px ), (O, Py ) e (O, Pz ), risulta un rappresentante
della somma dei vettori [O, Px ] + [O, Py ] + [O, Pz ]. Ma per quanto osservato
nella Prop. 4, la misura del segmento orientato (O, Px ) si ottiene facendo il
prodotto scalare v•i; in modo analogo si procede per le altre misure.
Si deduce allora che il vettore v si può esprimere come
v = (v•i)i + (v•j)j + (v•k)k
(1.1)
dove i numeri v•i, v•j, v•k, per definizione, sono le coordinate dell’estremo
P del vettore v.
Tali numeri si chiamano anche le componenti del vettore v considerato e
sono univocamente determinati.
Per semplificare la scrittura si è soliti denotare v•i = vx , v•j = vy e v•k =
vz . Per cui solitamente scriveremo
v = vx i + vy j + vz k
(1.2)
16
CAPITOLO 1. I VETTORI
e diremo che la precedente è l’espressione del vettore v mediante le componenti lungo gli assi ~x, ~y e ~z.
Per quanto dettoqprecedentemente il modulo del vettore v = vx i + vy j + vz k
è dato da |v| =
v2x + v2y + v2z .
Sempre rispetto al riferimento fissato, sia dato il vettore applicato (P1 , P2 )
di cui conosciamo le coordinate del punto iniziale P1 = (x1 , y1 , z1 ) e del
punto finale P2 = (x2 , y2 , z2 ); allora le componenti del vettore [P1 , P2 ] sono
ordinatamente le differenze delle coordinate omonime.
Infatti, per l’identità di Chasles, si ha:
[P1 , P2 ] = [P1 , O] + [O, P2 ] = [O, P2 ] − [O, P1 ]
Moltiplicando scalarmente ambo i membri della precedente per i versori
i, j, k si ha quanto asserito.
Ne segue quindi che il modulo del vettore [P1 , P2 ], che è uguale alla distanza
dei due punti P1 e P2 è
q
P1 P2 = (x1 − x2 )2 + (y1 − y2 )2 + (z1 − z2 )2
Sempre riferendoci ai punti P1 e P2 con coordinate assegnate come prima,
si prova che il punto medio M = (x, y) del segmento (P1 , P2 ) ha coordinate
date dalla semisomma delle coordinate omonime dei due punti estremi.
Infatti i vettori liberi [P1 , M ] e [M, P2 ] sono uguali e quindi hanno uguali
x1 + x2
e
ordinatamente le componenti; allora x − x1 = x2 − x da cui x =
2
cosı̀ per le altre componenti.
Convenzione 2 Ad ogni vettore libero v dello spazio S si può associare
il suo rappresentante (O, P ) applicato in O. Le componenti vx , vy , vz
di v sono le coordinate cartesiane ortogonali del secondo estremo P
del vettore applicato (O, P ).
Quindi si può identificare lo spazio vettoriale Vg dei vettori liberi v
dello spazio ordinario con lo spazio vettoriale IR3 delle terne ordinate
di numeri reali, che sono le componenti di v.
Nel seguito, quando ciò non comporterà ambiguità, identificheremo
tali spazi vettoriali senza farne esplicita menzione.
1.2. SISTEMI DI COORDINATE
1.2.1
17
Operazioni sui vettori espresse mediante componenti
Abbiamo definito in precedenza la somma di vettori e il prodotto di uno
scalare per un vettore. Supponiamo che due vettori siano espressi mediante
le loro componenti lungo gli assi e siano v = vx i + vy j + vz k e w = wx i +
wy j+wz k. Allora, tenendo conto delle proprietà della somma e della Prop.2
si ha che:
v + w = vx i + vy j + vz k + wx i + wy j + wz k
= (vx + wx )i + (vy + wy )j + (vz + wz )k
(1.3)
Ciò si può esprimere dicendo che il vettore somma di due vettori ha per
componenti la somma delle componenti.
In modo analogo è facile vedere che il prodotto dello scalare a per il vettore
v = vx i + vy j + vz k è il vettore
av = a(vx i + vy j + vz k)
= (avx )i + (avy )j + (avz )k
(1.4)
Quindi il vettore prodotto di uno scalare per un vettore dato mediante le
sue componenti è un vettore avente per componenti i prodotti dello scalare
per le componenti del vettore.
Siano dati i vettori v = vx i + vy j + vz k e w = wx i + wy j + wz k mediante
le componenti.
In base alla definizione si ha subito che:
i•i = j•j = k•k = 1; mentre i•j = i•k = j•k = 0
Sfruttando le proprietà contenute nelle Prop.2 e Prop.5 si ha:
v•w = (vx i + vy j + vz k)•(wx i + wy j + wz k)
= vx wx + vy wy + vz wz
(1.5)
Il risultato (1.5) dice che il prodotto scalare di due vettori scritti mediante
le componenti si ottiene facendo la somma dei prodotti delle componenti
omonime.
Tenendo conto della definizione di prodotto scalare di due vettori si ha che
se v, w 6= 0:
c =
cos vw
v•w
|v| |w|
(1.6)
18
CAPITOLO 1. I VETTORI
Se i vettori sono dati mediante le componenti, allora il coseno del loro angolo
si trova utilizzando la formula:
vx wx + vy wy + vz wz
q
v2x + v2y + v2z w2x + w2y + w2z
c =q
cos vw
(1.7)
Dalla precedente si deduce il seguente
Corollario 2 Condizione necessaria e sufficiente perché due vettori v
e w, espressi mediante le loro componenti, siano ortogonali è che
vx wx + vy wy + vz wz = 0
Se v = vx i + vy j + vz k è un vettore, i coseni degli angoli che v forma con
gli assi coordinati ~x, ~y , ~z si chiamano i coseni direttori di v.
In base alle considerazioni fatte segue che:
vx
b =q
cos vi
v2x + v2y + v2z
vy
vz
c=q
; cos vk
v2x + v2y + v2z
v2x + v2y + v2z
b =q
; cos vj
È una immediata conseguenza la proprietà secondo cui la somma dei quadrati dei coseni direttori è sempre uguale a uno. 2
In base alla definizione di prodotto vettoriale di due vettori segue subito che:
i ∧ i = j ∧ j = k ∧ k = 0; mentre i ∧ j = k; j ∧ k = i; k ∧ i = j
Si tenga conto del fatto che il prodotto vettoriale è anticommutativo, cioè
per ogni coppia di vettori si ha v ∧ w = −w ∧ v.
Ed allora dati i due vettori v = vx i + vy j + vz k e w = wx i + wy j + wz k
mediante le componenti, effettuiamo il prodotto vettoriale e teniamo conto
dei prodotti vettoriali sui versori e delle proprietà espresse dalla Prop.6. Si
ha
v ∧ w = (vx i + vy j + vz k) ∧ (wx i + wy j + wz k)
= (vy wz − vz wy )i + (vz wx − vx wz )j +
+ (vx wy − vy wx )k
(1.8)
Coloro che hanno delle conoscenze delle proprietà elementari delle matrici
e dei determinanti, e tutti gli allievi le acquisiranno dopo aver studiato la
1.2. SISTEMI DI COORDINATE
19
parte del programma relativa all’Algebra Lineare, possono memorizzare la
precedente formula riferendosi alla matrice seguente


i
j
k
 vx vy vz 
(1.9)
wx wy wz
Le componenti del prodotto vettoriale v ∧ w sono nell’ordine i complementi
algebrici degli elementi i, j, k.
Per concludere il paragrafo diamo l’espressione del prodotto misto di tre
vettori, note le loro componenti.
Siano dati i vettori u = ux i + uy j + uz k, v = vx i + vy j + vz k e
w = wx i + wy j + wz k.
Volendo effettuare il prodotto misto u•v ∧ w, teniamo conto che il prodotto
scalare mediante le componenti è dato dalla somma dei prodotti delle componenti omonime e ricordando come si trovano le componenti del prodotto
vettoriale di due vettori, ne segue immediatamente che
u•v ∧ w = ux (vy wz − vz wy ) + uy (vz wx − vx wz ) + uz (vx wy − vy wx ) (1.10)
Vedremo che la formula (1.10) si ottiene dallo sviluppo del determinante
della matrice


ux uy uz
 vx vy vz 
(1.11)
wx wy wz
1.2.2
Esempi e applicazioni
Riportiamo alcuni semplici esempi dove vengono applicate le formule di cui
abbiamo trattato nel corso dei paragrafi precedenti. Supponiamo che nello
spazio sia fissato un sistema di riferimento cartesiano ortogonale O~x~y~z.U .
Esempio 1 Siano dati i vettori u = (1, −2, −1), v = (1, −1 − 1), w =
(1, 1, 2), mediante le loro componenti. Determinare
1. l’angolo ϑ formato da u e v;
2. il vettore prodotto vettoriale di v e w;
3. il volume del parallelepipedo individuato dai tre vettori u, v, w. Per
visualizzare il parallelepipedo ci si può riferire a rappresentanti dei tre
vettori uscenti da uno stesso punto.
20
CAPITOLO 1. I VETTORI
Soluzione. Per rispondere alla 1. basta applicare la formula
ux vx + uy vy + uz vz
q
u2x + u2y + u2z v2x + v2y + v2z
c =q
cos uv
Sostituendo i valori delle componenti si ha
cos ϑ = √
4
1·1+2·1+1·1
4
√
=√ = √
1+4+1 1+1+1
18
3 2
4
Quindi ϑ = arccos √ .
3 2
2. Dalla matrice simbolica


i
j
k
 1 −1 −1 
1 1
2
prendendo i complementi algebrici degli elementi della prima riga si ha:
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬ −1 −1 ¬
¬ 1 −1 ¬
¬ 1 −1 ¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬ k = −i − 3j + 2k
v∧w=¬
i−¬
j+¬
1
2 ¬
1 2 ¬
1 1 ¬
3. Come sappiamo per calcolare il volume V del parallelepipedo individuato
da tre vettori basta prendere il valore assoluto del prodotto misto dei vettori. Eseguendo il prodotto misto in componenti si ha: 1(−2 + 1) + 2(2 + 1) −
1(1 + 1) = 3.
Esempio 2 Sia dato il triangolo ABC e siano a = CB, b = AC e
c = AB. Mediante l’uso dei prodotti scalari dimostare il teorema di
d
Carnot per cui a2 = b2 + c2 − 2bc cos ϑ, dove ϑ = BAC.
Soluzione. Sia v = (A, B) e √
w = (A, C). Allora è immediato che [C, B] =
v − w. Ricordando che |v| = v•v segue subito che:
|[C, B]|2 = (v − w)•(v − w) = |v|2 + |w|2 − 2v•w
da cui segue subito la tesi.
1.2. SISTEMI DI COORDINATE
21
Esempio 3 Dati i vettori u = (1, −1, 1) e v = (0, 1, 2) determinare i
vettori w1 e w2 tali che
u = w1 + w2
con w1 parallelo a v e w2 perpendicolare a v.
Soluzione. Per quanto abbiamo visto in 1.1.3 si ha subito che
³
²
u•v
1
1 2
w1 =
v = (0, 1, 2) = 0, ,
|v|2
5
5 5
Mentre la componente ortogonale a v si calcola nel modo che segue
³ ²
³
²
−6 3
u•v
1 2
= 1,
.
w2 = u −
v = (1, −1, 1) − 0, ,
,
|v|2
5 5
5 5
22
CAPITOLO 1. I VETTORI
AVVERTENZA AI LETTORI
I paragrafi seguenti, sui cambiamenti di coordinate e sulle coordinate cilindriche
e polari, possono essere omessi in prima lettura, perché richiedono conoscenze
di argomenti che verranno ampiamente trattati nella parte del Corso relativa
all’Algebra Lineare. Si ritornerà allo studio di tali paragrafi dopo avere acquisito
le nozioni necessarie.
1.3
Cambiamenti di coordinate nello spazio
Supponiamo che nello spazio S sia fissato un sistema di riferimento cartesiano ortogonale O~x~y~z.U , relativo alla base ortonormale antioraria i, j, k.
Vogliamo riferire S ad un nuovo sistema di riferimento cartesiano ortogonale
~Y
~ Z.U
~ , relativo ad una nuova base ortonormale antioraria I, J, K.
O0 X
In ogni testo di Algebra Lineare si studiano ampiamente i concetti che seguono; noi riportiamo alcuni dettagli soprattutto per fissare le notazioni a
cui poi faremo riferimento.
Se V è un k-spazio vettoriale di dimensione finita n, dette E = (e1 , · · · , en )
ed F = (f1 , · · · , fn ) due basi di V , la matrice del cambio di base da E
a F, è la matrice P avente ordinatamente sulle colonne le componenti dei
vettori di F, rispetto alla base E.
In tal caso, dato un qualunque v ∈ V , esso ha delle componenti [v]E =
(x1 , · · · , xn ) e [v]F = (y1 , · · · , yn ). Si prova facilmente che tali componenti
sono legate dalle relazioni
 
 
y1
x1
 ...  = P  ... 
(1.12)
xn
yn
Le precedenti formule si dicono le formule del cambiamento di coordinate
nello spazio vettoriale V , nel passaggio dalla base E alla base F.
 
 
y1
x1
.
.
Ponendo X =  ..  e Y =  .. , le (1.12) si possono scrivere in modo
xn
yn
compatto
(1.13)
X = PY
Applichiamo quanto precede allo spazio vettoriale dei vettori Vg , col prodotto scalare che abbiamo definito, tenendo conto che le due basi i, j, k e I,J,K
1.3. CAMBIAMENTI DI COORDINATE NELLO SPAZIO
23
sono due basi ortonormali. In tal caso la trasformazione di coordinate è
detta una rotazione.
La matrice del cambio di base ha per colonne le componenti di I,J,K, rispetto
alla base i, j, k, cioè


I•i
J•i
K•i
P =  I•j
J•j
K•j
J•k
K•k
I•k

Per definizione, sulla prima colonna della matrice P abbiamo scritto i coseni
direttori del versore I, sulla seconda colonna quelli di J e sulla terza quelli
di K.
Chiaramente la matrice P è una matrice ortogonale, in quanto le sue colonne
formano una base ortonormale per lo spazio IR3 con cui abbiamo identificato
Vg , secondo la convenzione 2 di pag.16. Ciò segue subito dal fatto che la
somma dei quadrati dei coseni direttori è uno e che le colonne della matrice
danno componenti di vettori a due a due ortogonali. Per esempio, la somma
dei prodotti dei numeri sulle prime due colonne di P è il coseno dell’angolo
formato dai versori I e J, che è nullo per ipotesi.
La matrice P è poi di tipo speciale perchè det P = det P t =I•J∧K=I•I=1.
Questa matrice è detta la matrice della rotazione.
In base alle formule (1.12), se P = (pij ) e (x, y, z), (X, Y, Z) sono le coordinate nei due sistemi di riferimento, le formule della rotazione si possono
scrivere, in modo esteso, nel modo seguente
  
 
x
p11 p12 p13
X
 y  =  p21 p22 p23   Y 
(1.14)
z
p31 p32 p33
Z
Le predenti formule sono invertibili, nel senso che è possibile esprimere le
(X, Y, Z) in funzione di (x, y, z). Per ottenere questo basta moltiplicare a
sinistra ambo i membri della (1.14) per l’inversa P −1 della matrice P . Visto
che la matrice P è ortogonale si ha P −1 = P t , cioè l’inversa coincide con la
trasposta. Quindi le formule inverse sono date da
  
 
X
p11 p21 p31
x
 Y  =  p12 p22 p32   y 
(1.15)
Z
p13 p23 p33
z
Si dice traslazione un cambiamento di coordinate tale che l’origine O del
sistema di riferimento O~x~y~z.U venga portata in un punto O0 = (a, b, c),
24
CAPITOLO 1. I VETTORI
mantenendo fissi le direzioni e gli orientamenti degli assi cartesiani ~x, ~y , ~z.
In altre parole in tal caso viene cambiata l’origine ma restano inalterati i
versori i, j, k.
Il legame intercorrente fra le coordinate (x, y, z) e (x0 , y 0 , z 0 ) di uno stesso
punto P nei due riferimenti è particolarmente semplice.
Infatti dalla identità di Chasles, abbiamo che: [O, P ] = [O, O0 ] + [O0 , P ].
Moltiplichiamo scalarmente per il versore i ambo i membri della precedente.
Si ha:
[O, P ]•i = [O, O0 ]•i + [O0 , P ]•i.
Da cui si deduce subito che x = a + x0 e cosı̀ via. Si hanno cosı̀ le relazioni:

 x = a + x0
(1.16)
y = b + y0

z = c + z0
Le precedenti sono le formule di una traslazione degli assi che porta
l’origine O in una nuova origine O0 = (a, b, c).
Le inverse delle (1.16) si ricavano facilmente e sono

 x0 = x − a
y0 = y − b
 0
z =z−c
(1.17)
Per ottenere le formule mediante le quali si passa dal sistema O~x~y~z.U
~Y
~ Z.U
~
al sistema O0 X
si deve effettuare una rototraslazione, cioè una trasformazione che è il “prodotto” di una rotazione e di una traslazione. Pertanto dette (x, y, z) le coordinate del generico punto P rispetto al riferimento O(i, j, k) e (x0 , y 0 , z 0 ) le coordinate di P rispetto al riferimento traslato
O0 (i, j, k) si ha
     0
x
a
x
 y  =  b  +  y0 
(1.18)
0
z
c
z
Passiamo adesso dal riferimento O0 (i, j, k) al riferimento O0 (I,J,K) e diciamo
(X, Y, Z) le coordinate nel nuovo sistema; allora, per quanto detto, si ha
 0
 
x
X
 y0  = P  Y 
(1.19)
z0
Z
1.4. I VETTORI DEL PIANO
25
Sostituendo le (1.19) nelle (1.18) si hanno le formule della rototraslazione
   
 
x
a
X
y = b+P Y 
(1.20)
z
c
Z
Le precedenti, in forma estesa, si possono scrivere

 x = p11 X + p12 Y + p13 Z + a
y = p21 X + p22 Y + p23 Z + b

z = p31 X + p32 Y + p33 Z + c
Le inverse delle (1.21) sono date da

 X = p11 (x − a) + p21 (y − b) + p31 (z − c)
Y = p12 (x − a) + p22 (y − b) + p32 (z − c)

Z = p13 (x − a) + p23 (y − b) + p33 (z − c)
(1.21)
(1.22)
Certe volte è conveniente scrivere le (1.21) in modo compatto ed allora
detta Q la matrice


p11 p12 p13 a
 p21 p22 p23 b 

Q=
 p31 p32 p33 c 
0
0
0 1
 
 
x
X
y
Y 
 

che si chiama matrice della rototraslazione e X = 
z e Y = Z 
1
1
si ha
X = QY
1.4
I vettori del piano
Finora abbiamo considerato vettori applicati o liberi dello spazio ordinario
S. Ma in alcune applicazioni può accadere che i vettori che si considerano
siano tutti appartenenti, o più in generale, paralleli ad uno stesso piano α.
In tal caso tutte le considerazioni fatte sui vettori e sulle operazioni che
abbiamo definito vengono semplificate notevolmente e quindi non faremo
una trattazione dettagliata. Basta ragionare come segue. Si sceglie un
26
CAPITOLO 1. I VETTORI
sistema di riferimento cartesiano ortogonale O~x~y~z.U con O ∈ α e l’asse ~z
perpendicolare ad α. Allora un qualunque vettore v parallelo a α o ad esso
appartenente ha delle componenti del tipo v = vx i+vy j+0k. Quindi di fatto
il vettore è perfettamente determinato dalle sue prime due componenti. Ed
allora per tutte le operazioni che hanno senso nell’ambito del piano possiamo
limitarci a considerare solo le prime due componenti e scrivere v = vx i+vy j.
Le operazioni suddette sono:
1. la somma di vettori;
2. il prodotto di un numero per un vettore;
3. il prodotto scalare.
Per esempio dati i vettori v = vx i + vy j e w = wx i + wy j le operazioni
mediante le componenti si effettuano con le regole seguenti:
(v + w)x = vx + wx ;
(av)x = avx ;
(v + w)y = vy + wy
(1.23)
(av)y = avy
(1.24)
v•w = vx wx + vy wy
(1.25)
Ovviamente non rientra in tale ambito il prodotto vettoriale di vettori paralleli al piano perchè, come sappiamo, il risultato è un vettore perpendicolare
ad esso e quindi usciamo dalle classe di vettori considerati.
Per alcune applicazioni è bene aver presente come si particolarizzano, nel
piano, le formule di una rototraslazione.
Se si vuole cambiare il sistema di riferimento O~x~y , relativo alla base orto~Y
~
normale antioraria di versori i e j in un nuovo sistema di riferimento O0 X
relativo alla base ortonormale antioraria di versori I e J, le formule della
rototraslazione si particolarizzano nel modo seguente:
º
x = X cos ϑ − Y sin ϑ + a
(1.26)
y = X sin ϑ + Y cos ϑ + b
dove ϑ è l’angolo formato dai versori i e I e (a, b) sono le coordinate cartesiane
di O0 rispetto al primo riferimento.
È facile dedurre da queste le formule di una traslazione, di una rotazione e
le relative inverse.
1.4.1
Coordinate polari
In un dato piano π oltre ai sistemi di riferimento cartesiano che abbiamo
studiato se ne possono introdurre altri. Per molte applicazioni è utile conoscere i sistemi di coordinati polari.
1.4. I VETTORI DEL PIANO
27
A tale scopo si fissa un punto O ∈ π detto origine e una retta orientata p~
passante per O, detta asse polare. Ad ogni punto P del piano si associa la
coppia ordinata (ρ, ϑ) di numeri reali nel modo seguente:
ρ è il numero reale ≥ 0 che esprime la distanza di P da O. Mentre ϑ, con
0 ≤ ϑ < 2π, è l’angolo descritto da p~, in senso antiorario, per sovrapporsi in
−−→
modo concorde al raggio vettore OP .
All’origine O vengono attribuite le coordinate polari (0, ϑ), con ϑ indeterminato. Tutti i punti della semiretta positiva p~ hanno coordinate del tipo (ρ, 0)
mentre i punti della semiretta negativa p~ hanno coordinate del tipo (ρ, π).
I punti che soddisfano la condizione ρ = r sono i punti della circonferenza
di centro O e raggio r. Ed ancora i punti tali che sia ϑ = k, con k costante,
sono i punti della semiretta uscente da O che forma con p~ un angolo di k
radianti.
Troviamo le relazioni che intercorrono tra le coordinate polari e le coordinate cartesiane. Fissiamo un sistema di coordinate cartesiane ortogonali O~x~y ,
con ~x = p~.
~y
P
ρ
ϑ
O
~x
fig.11
Se il punto P ha coordinate cartesiane (x, y) e coordinate polari (ρ, ϑ) il
legame fra queste è dato da:
º
x = ρ cos ϑ
y = ρ sin ϑ
(1.27)
Quindi le (1.27) permettono di trovare (x, y) una volta noti (ρ, ϑ). Viceversa
se vogliamo determinare (ρ, ϑ) una volta noti (x, y) dobbiamo trovare le
inverse delle (1.27). Quadrando ambo i membri delle (1.27) e sommando si
28
CAPITOLO 1. I VETTORI
deduce ρ =
p
x2 + y 2 e ϑ è l’angolo soddisfacente le seguenti:
cos ϑ = p
1.5
x
x2
+
y
sin ϑ = p
2
x + y2
y2
(1.28)
Coordinate polari e cilindriche nello spazio
Nello spazio le coordinate polari e cilindriche, dette anche coordinate semipolari, sono delle naturali generalizzazioni delle coordinate polari introdotte
nel piano, che si rivelano utili quando si vogliono studiare proprietà di figure
che hanno particolari simmetrie.
Cominciamo con l’introdurre le coordinate polari nello spazio. Per fare ciò
si fissi:
un punto O, detto polo delle coordinate;
una retta orientata p~ passante per O, detta asse polare;
un semipiano π, di origine p~, detto semipiano polare;
una unità di misura per le lunghezze.
p~
P
ϑ
π
ρ
O
ϕ
α
fig.12
Ciò posto, un punto P 6∈ p~ individua univocamente la terna ordinata di
numeri reali (ρ, ϕ, ϑ) cosı̀ definita:
ρ = d(O, P );
ϕ = rotazione antioraria attorno a p~ che il semipiano π deve compiere per
sovrapporsi al semipiano α = p~P ;
ϑ = angolo di p~ col vettore (O, P ).
Se il punto P ∈ p~ allora ϕ è indeterminato e ϑ = 0 se P appartiene alla
semiretta positiva p~, mentre ϑ = π se P appartiene alla semiretta negativa;
anche ϑ è indeterminato se P = O.
1.5. COORDINATE POLARI E CILINDRICHE NELLO SPAZIO
29
Dalla definizione data segue immediatamente che:
ρ ≥ 0;
0 ≤ ϕ < 2π;
0≤ϑ≤π
Viceversa data una qualunque terna di numeri (ρ, ϕ, ϑ), soddisfacenti le
precedenti condizioni, esiste un unico punto P avente quei numeri come sue
coordinate polari.
Per esempio i punti tali che sia ρ = r sono quelli della sfera di centro l’origine
O e raggio r.
I punti tali che sia ϕ = π/2 sono quelli del semipiano ottenuto ruotando
il semipiano polare di un angolo retto in senso antiorario attorno all’asse
polare.
I punti tali che ϑ = π/3 sono quelli del semicono di vertice O luogo delle
semirette uscenti da O e che formano con l’asse polare p~ un angolo di π/3.
Dato in S il sistema di riferimento cartesiano O~x~y~z.U fissiamo un sistema
di coordinate polari nel modo seguente: sia O il polo, l’asse delle ~z l’asse
polare e il semipiano ~y~z, dalla parte delle ~y positive, il semipiano polare.
Allora se P ha coordinate cartesiane (x, y, z) e coordinate polari (ρ, ϕ, ϑ) il
legame fra queste coordinate è espresso dalle relazioni:
x = ρ cos ϕ sin ϑ y = ρ sin ϕ sin ϑ z = ρ cos ϑ
p
z
ρ = x2 + y 2 + z 2 cos ϑ = p
x2 + y 2 + z 2
x
y
cos ϕ = p
sin ϕ = p
x2 + y 2
x2 + y 2
Per fissare nello spazio un sistema di coordinate cilindriche bisogna assegnare:
–un piano α;
–un sistema di coordinate polari (O, p~) su α;
–una retta orientata ~z per O perpendicolare al piano α, ed un versore k che
determina l’orientamento su ~z;
–il verso positivo di rotazione su α, che è quello antiorario per un osservatore
che guardi il verso positivo di ~z.
30
CAPITOLO 1. I VETTORI
Ciò posto, detto P un qualunque punto dello spazio le sue coordinate
cilindriche (ρ, ϑ, z) sono cosı̀ determinate:
~z
P 00
P
O
ρ
ϑ
p~
P0
fig.13
ρ è uguale alla distanza di O da P ;
ϑ è la rotazione indicata in figura;
z la misura del segmento orientato (O, P 00 ).
In tal modo c’è una corrispondenza biunivoca tra tutti i punti diversi da O
e le terne (ρ, ϑ, z) ∈ IR3 tali che:
ρ > 0; 0 ≤ ϑ < 2π. Il punto O ha coordinate cilindriche ρ = 0; z =
0; ϑ indeterminato.
In tal caso le relazioni tra coordinate cilindriche e coordinate cartesiane sono
facili da determinare e vengono lasciate per esercizio.
Capitolo 2
Geometria lineare nel piano
2.1
Coordinate omogenee
In un piano, che supponiamo assegnato una volta per tutte, sia fissato un
sistema di riferimento cartesiano ortogonale O~x~y .U , di origine O associato
alla coppia antioraria di versori (i, j).
Nel capitolo precedente abbiamo visto che ad ogni punto P del piano si
associano le sue coordinate cartesiane reali (x, y). D’ora in poi diremo che
(x, y) sono le coordinate non omogenee del punto P , e diremo che P è
un punto proprio.
Ma ad ogni punto P = (x, y) del piano si possono associare anche altre
coordinate, che vengono dette le sue coordinate omogenee o proiettive.
Esse sono le terne ordinate (x0 , y 0 , t0 ) di numeri reali, con t0 6= 0, definite a
meno di un fattore di proporzionalità, tali che:
x=
x0
,
t0
y=
y0
t0
(2.1)
Per esempio il punto P di coordinate omogenee (1, −1, −2) ha (−1/2, 1/2)
come coordinate non omogenee, mentre al punto P 0 = (1, 3) si possono attribuire le coordinate omogenee (1, 3, 1) o una qualunque terna di numeri
proporzionale a questa, per esempio (2, 6, 2). Nei casi considerati vengono
soddisfatte le relazioni (2.1) che legano le coordinate omogenee a quelle non
omogenee.
Ma è conveniente ampliare il piano ordinario, introducendo i punti impropri e i punti immaginari, che sono punti di natura diversa rispetto ai
31
32
CAPITOLO 2. GEOMETRIA LINEARE NEL PIANO
punti propri reali che abbiamo finora considerato. Il nuovo ambiente è detto
il piano proiettivo complesso IP2C = IP2 .
Noi svilupperemo la nostra teoria nel piano cosı̀ ampliato, per cui molti risultati e teoremi potranno essere espressi in modo unitario ed elegante, in un
senso che è difficile precisare adesso, ma che di volta in volta verrà chiarito.
Un punto P si dice improprio quando le sue coordinate omogenee sono
del tipo (x0 , y 0 , 0), con la terza coordinata omogenea nulla, ed x0 e y 0 non
entrambe nulle.
Un punto proprio P di cui sono date le coordinate non omogenee è immaginario quando almeno una di tali coordinate è un numero complesso, non
reale.
Se invece un punto P è espresso in coordinate omogenee perché esso sia
un punto immaginario deve accadere che le sue coordinate omogenee non
si possano rendere tutte reali mediante la moltiplicazione per un fattore
di proporzionalità non nullo. Per esempio il punto di coordinate omogenee
(2i, −i, 3i) è un punto reale, in quanto moltiplicando per il fattore di proporzionalità i si ottiene la terna reale (−2, 1, −3). Mentre il punto di coordinate
(2i, 2, i) è un punto immaginario.
Per come sono state definite le coordinate omogenee, alla terna nulla (0, 0, 0)
non si associa alcun punto.
Ovviamente i punti impropri e i punti immaginari non vengono “rappresentati” con punti del piano come accade per i punti propri e reali.
Il punto P = (1, 2, 0) è un punto improprio; tutti i punti impropri del piano
sono caratterizzati dall’avere la terza coordinata omogenea t0 = 0.
2.2
Rette del piano e loro equazioni
Studiamo adesso le rette reali del piano mediante equazioni che si associano
ad esse nel modo che ora descriveremo.
Una retta reale r del piano è perfettamente determinata assegnando un suo
punto P0 = (x0 , y0 ) e un vettore direttivo non nullo v = li + mj ad essa
parallelo.
Tutti i punti P ∈ r si possono caratterizzare come i punti tali che il vettore
[P0 , P ] è parallelo a v. Ricordando che due vettori liberi sono paralleli
quando esiste uno scalare t tale che il primo vettore è uguale al prodotto di
2.2. RETTE DEL PIANO E LORO EQUAZIONI
33
t per il secondo, nel nostro caso si ha:
[P0 , P ] = tv
(2.2)
~y
P0
v
P
O
~x
fig.14
La (2.2) si chiama l’equazione vettoriale di r. Da questa, eguagliando le
componenti, si ottengono le equazioni parametriche scalari, cioè
º
x = x0 + t l
(2.3)
y = y0 + t m
Le componenti di un vettore non nullo parallelo ad r si chiamano parametri
direttori della retta. Se dalle (2.3) si elimina il parametro t si ottiene
l’equazione cartesiana della retta r. Se l = 0 l’eliminazione dà luogo alla
equazione x = x0 , che è l’equazione della retta per P0 parallela all’asse ~y ;
se m = 0 si ottiene y = y0 , che è l’equazione della retta per P0 parallela
all’asse ~x.
Se l, m 6= 0, si deduce che
y − y0
x − x0
=
l
m
(2.4)
Con le posizioni m = a, −l = b, −mx0 + ly0 = c si vede che alla retta r si
può sempre associare l’equazione
ax + by + c = 0
(2.5)
Come è noto una retta r reale è perfettamente determinata se si assegnano
due suoi punti propri distinti P0 = (x0 , y0 ) e P1 = (x1 , y1 ). Tutti i punti
P ∈ r si possono caratterizzare come i punti tali che il vettore [P0 , P ] sia
34
CAPITOLO 2. GEOMETRIA LINEARE NEL PIANO
parallelo al vettore [P0 , P1 ]. In tal caso il vettore [P0 , P1 ] ha il ruolo di
vettore direttivo. Per cui l’equazione vettoriale della retta P0 P1 si può
scrivere:
[P0 , P ] = t[P0 , P1 ]
(2.6)
Se la (2.6) si scrive in componenti si hanno le equazioni parametriche scalari
della retta P0 P1 :
º
x − x0 = t(x1 − x0 )
(2.7)
y − y0 = t(y1 − y0 )
Se x0 = x1 l’equazione della retta in forma cartesiana è x = x0 e la retta
risulta parallela all’asse delle ~y ; se y0 = y1 l’equazione della retta in forma
cartesiana è y = y0 e la retta è parallela all’asse delle ~x; se ciò non accade,
eliminando il parametro t si ottiene l’equazione della retta nella forma
y − y0
x − x0
=
x1 − x0
y1 − y0
(2.8)
Una retta r si può inoltre pensare individuata da un suo punto P0 ed
un vettore non nullo n = ai + bj ad essa ortogonale. In tal caso r è il luogo
geometrico dei punti P del piano tali che il vettore [P0 , P ] è ortogonale ad n.
Ciò si verifica se e solo se [P0 , P ]•n = 0, ved. fig.15. Scrivendo la precedente
in componenti si ha
a(x − x0 ) + b(y − y0 ) = 0
(2.9)
~y
n
P0
O
P
~x
fig.15
La (2.9) si chiama l’equazione della retta per P0 = (x0 , y0 ) perpendicolare al
vettore n. Ponendo −ax0 − by0 = c essa diventa ax + by + c = 0, che come
2.2. RETTE DEL PIANO E LORO EQUAZIONI
35
si vede è analoga alla (2.5).
In definitiva tutto quanto precede porta a dire che data una qualunque retta
r essa si può rappresentare con una equazione lineare ax + by + c = 0, con
(a, b) 6= (0, 0), nel senso che tutti e soli i punti di P ∈ r soddisfano con le
loro coordinate tale equazione.
Viceversa data una qualunque equazione ax + by + c = 0 con (a, b) 6= (0, 0)
essa è sempre l’equazione di una ben determinata retta r del piano.
Infatti sia (x0 , y0 ) una qualunque soluzione dell’equazione; allora deve aversi
ax0 + by0 + c = 0. Ricavando c e sostituendo nell’equazione data si vede
che essa si può scrivere a(x − x0 ) + b(y − y0 ) = 0. Allora l’equazione data
è l’equazione della retta passante per P0 = (x0 , y0 ) e ortogonale al vettore
n = ai + bj.
Dai ragionamenti fatti si deduce che si ha una “corrispondenza biunivoca”
fra l’insieme di tutte le rette del piano e l’insieme delle equazioni del tipo
ax + by + c = 0, con (a, b) 6= (0, 0), purché si “identifichino” equazioni
equivalenti ovvero equazioni aventi i coefficienti proporzionali. Ciò deriva
dal fatto che il modulo del vettore normale ad r è ininfluente al fine di
determinare l’equazione di r; se infatti n0 è parallelo ad n si ha n0 = ρ n e
imponendo che n0 sia perpendicolare al vettore [P0 , P ] si ottiene l’equazione
ρ[a(x − x0 ) + b(y − y0 )] = 0, che è equivalente alla a(x − x0 ) + b(y − y0 ) = 0.
In definitiva perché due equazioni rappresentino la stessa retta deve
accadere che le due equazioni abbiano i coefficienti proporzionali.
Osservazione 3 Se l’equazione della retta r è ax + by + c = 0 con
(a, b) 6= (0, 0), i numeri (a, b) sono parametri direttori di un vettore
ortogonale alla retta r; mentre (b, −a) sono parametri direttori di un
vettore parallelo ad r.
Alcuni semplici esempi
Esempio 4 Dato il punto P = (1, −1) e il vettore v = −2i + 3j scrivere:
a) l’equazione della retta r per P parallela a v;
b) l’equazione della retta s per P perpendicolare a v.
Soluzione. Per rispondere alla a) diamo le equazioni parametriche della retta:
º
x = 1 − 2t
r)
y = −1 + 3t
36
CAPITOLO 2. GEOMETRIA LINEARE NEL PIANO
da cui, eliminando il parametro t, si ottiene l’equazione cartesiana 3x + 2y −
1 = 0.
b) Per trovare l’equazione della retta s basta applicare la formula
a(x − x0 ) + b(y − y0 ) = 0, dove (a, b) sono le componenti di un vettore perpendicolare alla retta. Nel nostro caso si ha −2(x − 1) + 3(y + 1) = 0, cioè
2x − 3y − 5 = 0.
Esempio
5 Date le equazioni parametriche di una retta
º
x = 2 − 2t
r)
trovare
y =1−t
a) le equazioni parametriche della retta s passante per P = (2, −3) e
parallela ad r;
b) l’equazione cartesiana della retta t per P = (−1, 2) perpendicolare
ad r.
º
x = 2 − 2t
Soluzione. Per rispondere alla a) basta scrivere s)
.
y = −3 − t
Per b) basta utilizzare la formula a(x − x0 ) + b(y − y0 ) = 0, dove (a, b) sono
le componenti di un vettore perpendicolare alla retta. Nel nostro caso si ha:
−2(x + 1) − (y − 2) = 0, cioè 2x + y = 0. 2
In tutto quanto precede si è visto che una qualunque retta r del piano si
può rappresentare con una equazione lineare del tipo ax + by + c = 0, con
(a, b) 6= (0, 0). Riferiamoci adesso alle coordinate omogenee dei punti propri del piano. Cioè introduciamo le terne (x0 , y 0 , t0 ), con t0 6= 0, e tali che
x0
y0
x= 0, y = 0.
t
t
Sostituendo tali valori nell’equazione della retta considerata, essa si trasforma nella
° y0 ±
° x0 ±
(2.10)
a 0 +b 0 +c=0
t
t
Moltiplicando per t0 ambo i membri si ottiene un’equazione equivalente, cioè
ax0 + by 0 + ct0 = 0, la quale è un’equazione lineare e omogenea nelle variabili
x0 , y 0 , t0 . Possiamo allora dire che tale equazione è l’equazione della nostra
retta in forma omogenea; essa è soddisfatta dalle coordinate omogenee di
tutti e soli i punti propri della retta r.
A questo punto ci chiediamo se ci sono punti impropri che soddisfano la
2.2. RETTE DEL PIANO E LORO EQUAZIONI
37
nostra equazione; per ricercare tali punti bisogna risolvere il sistema
º 0
º 0
t =0
t =0
cioè
(2.11)
0
0
0
ax + by + ct = 0
ax0 + by 0 = 0
Visto che (a, b) 6= (0, 0), si deduce che il sistema (2.11) è soddisfatto dal
punto improprio (b, −a, 0).
Ricordiamo che tutti i punti impropri del piano sono caratterizzati dall’avere la terza coordinata omogenea t0 = 0. Tale luogo di punti viene detto la
retta impropria del piano.
Si può quindi affermare che
le rette del piano si possono rappresentare mediante equazioni del tipo
ax0 + by 0 + ct0 = 0. Queste rette sono proprie se (a, b) 6= (0, 0), altrimenti
si ha la retta impropria di equazione t0 = 0.
Osservazione 4 Supponiamo che ax + by + c = 0 sia l’equazione di una
retta propria r. Se a 6= 0, b 6= 0, c 6= 0 allora la retta r non passa
° −c per
±
l’origine e incontra gli assi coordinati nei punti di coordinate
,0
a
° −c ±
−c
−c
e 0,
. Ponendo p =
eq=
l’equazione della nostra retta si
b
a
b
può scrivere nella forma, detta segmentaria,
x y
+ =1
p q
dove p e q rappresentano in valore e segno le distanze dall’origine dei
punti che la retta r ha a comune con gli assi ~x e ~y .
Osservazione 5 Se l ed m sono i parametri direttori di una retta
propria r, essi sono le prime due coordinate del punto improprio di
r.
Dimostrazione. Se la retta r è scritta nella forma
x − x0
y − y0
=
l
m
ricordando che le coordinate del punto improprio di una retta in forma
cartesiana ax + by + c = 0 sono (b, −a, 0), segue l’asserto.
38
2.3
CAPITOLO 2. GEOMETRIA LINEARE NEL PIANO
Mutua posizione di due rette
Supponiamo che siano date due rette reali, proprie e distinte r ed r0 rispettivamente di equazioni ax + by + c = 0 e a0 x + b0 y + c0 = 0. Come
sappiamo i coefficienti (a, b) e (a0 , b0 ) sono componenti di vettori n ed n0
normali rispettivamente ad r ed r0 . Allora è ovvio che:
r è parallela a r0 ⇐⇒ n k n0
ciò è equivalente a dire che esiste un fattore ρ di proporzionalità tale che
(a, b) = ρ(a0 , b0 ), che è equivalente alla condizione ab0 − a0 b = 0.
r è perpendicolare a r0 ⇐⇒ n ⊥ n0 ⇐⇒ n•n0 = 0
ciò è equivalente alla condizione aa0 + bb0 = 0.
Supponiamo adesso di volere calcolare gli angoli formati dalle due rette non
orientate r ed r0 , incidenti in un punto proprio P . Tali rette suddividono il
piano in quattro regioni o angoli, a due a due uguali. Diciamo α e β tali
angoli; ved. la figura seguente
r
β
P
α
r0
fig.16
Ora tenuto conto della nozione di angolo fra vettori e del fatto che per
individuare le rette r ed r0 si possono scegliere vettori normali n = ai + bj
ed n0 = a0 i + b0 j comunque orientati, si ha che cos α e cos β sono dati dalla
formula
0
aa0 + bb0
d0 = ± n•n = ± √
√
(2.12)
± cos nn
|n| · |n0 |
a2 + b2 · a02 + b02
2.4. INTERSEZIONI FRA RETTE
2.4
39
Intersezioni fra rette
Date due rette distinte r ed r0 , di equazioni omogenee rispettivamente ax0 +
by 0 +ct0 = 0 e a0 x0 +b0 y 0 +c0 t0 = 0; per trovare i punti comuni si deve risolvere
il sistema formato dalle loro equazioni
º 0
ax + by 0 + ct0 = 0
(2.13)
a0 x0 + b0 y 0 + c0 t0 = 0
Studiando la teoria riguardante i sistemi lineari, vedremo che tale sistema
ha una sola soluzione, non nulla e a meno di un fattore di proporzionalità,
data da
[ρ(bc0 − b0 c),ρ(ca0 − ac0 ),ρ(ab0 − a0 b)]
(2.14)
con ρ parametro arbitrario non nullo; quindi due rette distinte hanno sempre un solo punto a comune di cui le (2.14) sono le coordinate omogenee.
Esaminiamo il risultato, a seconda che ab0 − a0 b 6= 0 oppure ab0 − a0 b = 0.
Se ab0 −a0 b 6= 0 le due rette si incontrano nel punto proprio di coordinate non
bc0 − b0 c
a0 c − ac0
omogenee x = 0
;
, e le due rette si dicono incidenti.
y
=
ab − a0 b
ab0 − a0 b
Se invece ab0 − a0 b = 0 il punto comune alle due rette è improprio. Ed allora,
se una delle rette, per esempio r0 , è la retta impropria, esse si incontrano,
come abbiamo visto, nel punto improprio (b, −a, 0) della retta r.
Se entrambe le rette sono proprie, la condizione ab0 − ab0 = 0 è la condizione
di parallelismo ed in tal caso, ponendo a0 = µa; b0 = µb, il sistema (2.13)
ammette la soluzione (b, −a, 0).
La conclusione è che
due rette distinte e proprie si incontrano in uno e in un solo punto,
che è improprio se e solo se le rette sono parallele.
Esaminiamo alcuni semplici esempi.
Esempio 6 Trovare l’intersezione delle rette
º
º
x=2−t
x = 1 − 3t
r)
s)
y = −1 + 2t
y =1+t
º
x = x0 + lt
Soluzione. Cominciamo con l’osservare che se
sono le equazioy = y0 + mt
ni parametriche scalari di una retta r, allora c’è una corrispondenza biunivoca tra i valori del parametro t ∈ IR e i punti P = (x = x0 +lt, y = y0 +mt)
40
CAPITOLO 2. GEOMETRIA LINEARE NEL PIANO
della retta r. Se si vogliono trovare punti Q comuni alle due rette r ed s
si devono determinare due valori dei parametri t0 e t00 , in generale distinti,
per cui si deduca dalle equazioni di r e di s che il punto Q abbia uguali
coordinate.
Nel nostro caso deve essere
º
º
º
2 − t0 = 1 − 3t00
t0 − 3t00 = 1
t0 = 1
=⇒
=⇒
−1 + 2t0 = 1 + t00
2t0 − t00 = 2
t00 = 0
In tal caso le due rette si incontrano nel punto Q di coordinate (1, 1), che si
possono ottenere dalle equazioni di r, per t0 = 1 oppure dalle equazioni di
s, per t00 = 0.
Esempio 7 Trovare l’intersezione delle rette
º
º
x = 1 + 2t
x = −4t
r)
s)
y = −1 − t
y = −1 + 2t
Soluzione. In tal caso si deve risolvere il sistema
º
º
1 + 2t0 = −4t00
2t0 + 4t00 = −1
=⇒
−1 − t0 = −1 + 2t00
t0 + 2t00 = 0
Tale sistema è ovviamente incompatibile, e quindi le due rette non hanno
punti propri a comune. Le due rette hanno parametri direttori proporzionali
e quindi sono parallele. Esse hanno a comune il punto improprio (2, −1, 0).
º
x = 1 + 2t
Esempio 8 Trovare l’intersezione delle rette r)
ed s) 2x −
y = −1 − t
3y + 1 = 0.
Soluzione. In tal caso basta sostituire i valori di x e y di r nell’equazione di
−6
s; si ottiene la risolvente 2+4t+3+3t+1 = 0. Quindi t =
, e sostituendo
7
° −5
−1 ±
nelle equazioni parametriche si ottiene il punto comune
,
.
7 7
2.4.1
Rette immaginarie
In 2.1 sono stati introdotti i punti immaginari; adesso definiamo le rette
immaginarie.
Queste sono rappresentate da equazioni del tipo
z1 x0 + z2 y 0 + z3 t0 = 0
(2.15)
2.5. IL COEFFICIENTE ANGOLARE DI UNA RETTA
41
con z1 , z2 , z3 numeri complessi, non tutti e tre nulli, tali che non ci sia una
equazione “equivalente” a coefficienti tutti reali.
Per esempio l’equazione ix0 + y 0 − (i + 1)t0 = 0 è l’equazione di una retta
immaginaria, mentre ix0 − iy 0 = 0 è l’equazione della retta reale x0 − y 0 = 0.
Una interessante proprietà riguardante le rette immaginarie è la seguente
Proposizione 8 Il punto comune a due rette immaginarie coniugate
r) z1 x0 + z2 y 0 + z3 t0 = 0 e r) z 1 x0 + z 2 y 0 + z 3 t0 = 0 è un punto reale.
Dimostrazione. Il punto comune alle due rette si trova risolvendo il sistema
º
(a1 + ib1 )x0 + (a2 + ib2 )y 0 + (a3 + ib3 )t0 = 0
(a1 − ib1 )x0 + (a2 − ib2 )y 0 + (a3 − ib3 )t0 = 0
dove abbiamo posto zr = ar + ibr , per = 1, 2, 3 e z r = ar − ibr è il complesso
coniugato di zr . Dal precedente sistema, sommando e sottraendo membro a
membro, si ottiene sempre un sistema equivalente costituito da due equazioni
reali. 2
2.5
Il coefficiente angolare di una retta
Consideriamo una retta propria r di equazione ax + by + c = 0. È chiaro che
c
se a = 0 allora la retta è parallela all’asse delle ~x ed ha equazione y = − ;
b
c
se b = 0 la retta è parallela all’asse delle ~y ed ha equazione x = − . Se
a
a, b 6= 0 allora la retta r non è parallela a nessuno degli assi e forma con
l’asse delle ~x due angoli supplementari che chiamiamo α e β. Vedi la figura
seguente
~y
β
α
O
fig.17
~x
42
CAPITOLO 2. GEOMETRIA LINEARE NEL PIANO
L’angolo α è l’angolo minimo di cui deve ruotare ~x, in senso antiorario, per
sovrapporsi ad r.
Consideriamo la retta r0 passante per O e parallela ad r; essa ha equazione
0
ax+by
° = 0.a ±Sia A il punto A = (1, 0) e P il punto sulla retta r di coordinate
a
P = 1, − . Dal triangolo rettangolo OAP si deduce che tan α = − , in
b
b
a
valore e segno, sia che α è un angolo acuto che ottuso. Tale numero − si
b
indica con m e si chiama il coefficiente angolare della retta r.
Se la retta r è parallela all’asse delle ~x, cioè a = 0, il coefficiente angolare
è m = 0. Ovviamente non si definisce il coeffiente angolare di una retta
parallela all’asse delle ~y .
~y
r
r0 P
α
O
A
~x
fig.18
Osservazione 6 Se si ha l’equazione di una retta nella forma di congiungente i due punti P1 = (x1 , y1 ) e P2 = (x2 , y2 ), cioè
x − x1
y − y1
=
x2 − x1
y2 − y1
il coefficiente angolare si ottiene dalla formula
m=
y2 − y1
x2 − x1
Dalle condizioni di ortogonalità e parallelismo fra rette si deduce subito il
Corollario 3 Condizione necessaria e sufficente perché due rette di
coefficienti angolari m ed m0 siano parallele è che abbiano gli stessi
coefficienti angolari, cioè m = m0 .
2.6. FASCI DI RETTE
43
Condizione necessaria e sufficiente perché le due rette siano perpendicolari è che abbiano coefficienti angolari l’uno opposto e reciproco
1
dell’altro, cioè m0 = − .
m
Osservazione 7 Se ax0 + by 0 + ct0 = 0 è l’equazione omogenea di una
retta propria r, il suo punto improprio ha coordinate (b, −a, 0). Se r
a
non è parallela all’asse delle ~y il suo coefficiente angolare m = − si
b
ottiene dividendo la seconda coordinata omogenea del punto improprio
per la prima.
2.6
Fasci di rette
Siano date due rette r ed r0 distinte di equazioni rispettivamente ax0 + by 0 +
ct0 = 0 e a0 x0 + b0 y + c0 t0 = 0. Per quanto visto le due rette si incontrano in
un solo punto P , proprio o improprio. Per il momento, non facciamo alcuna
distinzione fra i due casi.
Definiamo fascio di rette, individuato da r ed r0 , la totalità delle rette la
cui equazione si ottiene facendo una combinazione lineare delle equazioni
delle due rette
λ(ax0 + by 0 + ct0 ) + µ(a0 x0 + b0 y 0 + c0 t0 ) = 0
(2.16)
con λ e µ parametri non entrambi nulli.
È chiaro che per individuare una retta del fascio si devono assegnare λ e µ,
a meno di un fattore di proporzionalità, o ciò che è lo stesso si deve trovare
λ
µ
il rapporto oppure .
µ
λ
Detto Q = (x0 , y0 , t0 ) un qualunque punto del piano distinto da P . Imponendo alla generica retta del fascio di passare per Q si ha la condizione
λ(ax0 + by0 + ct0 ) + µ(a0 x0 + b0 y0 + c0 t0 ) = 0. Poiché la precedente non è una
identità, si possono determinare λ e µ, a meno di un fattore di proporzionalità, e quindi c’è una sola retta del fascio passante per Q.
Riferiamoci all’equazione (2.16) del fascio individuato dalle rette r ed r0 .
Nelle applicazioni è talvolta utile scrivere l’equazione del fascio in forma
non omogenea e cioè con un solo parametro. Ciò è possibile in quanto
i parametri λ e µ non sono entrambi nulli; se, per fissare le idee, λ 6= 0,
44
CAPITOLO 2. GEOMETRIA LINEARE NEL PIANO
µ
dividendo ambo i membri della precedente per λ e ponendo = h il fascio
λ
si può scrivere nella forma
(ax0 + by 0 + ct0 ) + h(a0 x0 + b0 y 0 + c0 t0 ) = 0
(2.17)
In tal modo si considerano tutte le rette del fascio, con l’esclusione della retta
di equazione a0 x0 + b0 y 0 + c0 t0 = 0 che si ottiene dall’equazione omogenea per
λ = 0 e µ 6= 0.
Proposizione 9 Le rette del fascio, individuato da r ed r0 , sono tutte
e sole le rette passanti per P = r ∩ r0 .
Dimostrazione. Tutte le rette del fascio passano per P , in quanto si ha
λ0+µ0 = 0, per ogni coppia λ, µ ∈ IR, e quindi la condizione di appartenenza
di P alla generica retta di (2.16) è sempre soddisfatta.
Viceversa sia t una qualunque retta passante per P ; sia Q un qualunque
punto di t distinto da P . Per quanto abbiamo osservato c’è una sola retta t0
del fascio passante per Q; ma le rette del fascio passano tutte anche per P .
Quindi le due rette t e t0 , avendo due punti distinti a comune, coincidono.
Se ne conclude che la retta t è una retta del fascio.
Tale risultato comporta il seguente
Corollario 4 Se le rette r ed r0 con cui abbiamo individuato il fascio
sono incidenti in un punto proprio, allora le rette del fascio sono tutte
e sole le rette passanti per tale punto.
Se le rette con cui abbiamo individuato il fascio sono parallele, allora
le rette del fascio sono tutte e sole le rette parallele alle rette date.
È immediato osservare che un fascio di rette è individuato da due sue qualunque rette.
L’equazione a(x − x0 ) + b(y − y0 ) = 0 è l’equazione del fascio delle rette
passanti per il punto P0 = (x0 , y0 ).
Tale fascio si può scrivere nella forma non omogenea y − y0 = m(x − x0 ),
a
con m = − ; in tal caso, come sappiamo, viene esclusa la retta x = x0 .
b
2.7
Distanze
Sia fissato un sistema di riferimento cartesiano ortogonale O~x~y .U .
Sia ax+by+c = 0 l’equazione di una retta propria e reale r e P0 = (x0 , y0 ) un
2.7. DISTANZE
45
qualunque punto proprio. Come è noto la distanza di P0 da r si definisce
come la distanza del punto P0 dal piede H della perpendicolare condotta da
P0 alla retta r, e si suole indicare d(P0 , r).
Si prova subito che la
d(P0 , r) =
|ax0 + by0 + c|
√
a2 + b2
(2.18)
Dimostrazione. Detto P1 = (x1 , y1 ) un punto di r deve accadere, per la
condizione di appartenenza, che ax1 + by1 + c = 0, da cui c = −ax1 − by1 .
Sostituendo tale valore nell’equazione data si ha a(x−x1 )+b(y−y1 ) = 0. Ora
è chiaro che la distanza d(P0 , r) è data dal valore assoluto della proiezione
ai + bj
del vettore [P1 , P0 ] su un versore n0 = √
perpendicolare alla retta r.
a2 + b2
Si ha quindi



ai + bj 

  a(x0 − x1 ) + b(y0 − y1 ) 
√
d(P0 , r) = [P1 , P0 ]• √
=


a2 + b2
a2 + b2
Tenuto conto che c = −ax1 − by1 si ottiene subito il risultato (2.18).
La fig.19 aiuta a comprendere i ragionamenti fatti.
~y
P0
n0
H
P1
O
r
fig.19
~x
46
2.8
CAPITOLO 2. GEOMETRIA LINEARE NEL PIANO
Alcuni esempi
In conclusione riportiamo alcuni esempi attraverso i quali lo studente potrà
verificare il proprio livello di preparazione, non trascurando però di approfondirla mediante ulteriori esercizi che certamente verranno proposti in classe dal
docente.
Esempio 9 Date le due rette r ed s di equazioni rispettivamente
r) 3x − 2y + 2 = 0 ed s) x − y + 2 = 0, sia Σ il fascio da esse determinato.
a) Trovare il centro del fascio e le due rette di Σ una parallela e l’altra
perpendicolare alla retta t) x + 2y = 0.
b) Trovare le rette di Σ che formano con gli assi cartesiani ~x e ~y un
triangolo di area 3.
con la retta u di equazione
c) Determinare le rette di Σ che formano
√
2
x − y = 0 un angolo il cui coseno è
.
2
Soluzione. Rispondiamo ad a). Per trovare il centro del fascio basta
trovare il punto comune a due qualunque rette del fascio, per esempio r ed s
stesse.
Quindi il centro C ha coordinate che si trovano risolvendo il sistema
º
3x − 2y + 2 = 0
da cui si trae C = (2, 4).
x−y+2=0
L’equazione della generica retta del fascio Σ è data da una combinazione
lineare delle equazioni di r ed s; quindi λ(3x − 2y + 2) + µ(x − y + 2) = 0
che si può anche scrivere nella forma
(3λ + µ)x + (−2λ − µ)y + 2λ + 2µ = 0
Ricordando che due rette, in forma cartesiana ax+by+c = 0 e a0 x+b0 y+c0 =
0 sono parallele se e solo se ab0 − a0 b = 0 e sono perpendicolari se e solo se
aa0 + bb0 = 0, nel nostro caso si ha, per il parallelismo,
λ
−3
, e quindi la retta ha equazione
2(3λ + µ) + 2λ + µ = 0; da ciò si ha =
µ
8
x + 2y − 10 = 0.
Per la perpendicolarità, si ha la condizione 3λ + µ + 2(−2λ − µ) = 0 da cui
λ = −µ e l’equazione della retta perpendicolare è 2x − y = 0.
b) Perché una retta del fascio Σ formi con gli assi coordinati un triangolo,
essa non dev’essere parallela ai due assi; pertanto dovrà essere 3λ + µ 6= 0
e 2λ + µ 6= 0. In tal caso la generica retta del fascio Σ incontra gli assi nei
2.8. ALCUNI ESEMPI
47
!
!
À
−2λ − 2µ
2λ + 2µ
. L’area S del
punti di coordinate A =
, 0 e B = 0,
3λ + µ
2λ + µ
triangolo OAB è data dal semiprodotto delle misure dei cateti, e quindi è
¬
¬
1 ¬¬ 2λ + 2µ 2λ + 2µ ¬¬
S= ¬
·
¬=3
2 ¬ 3λ + µ 2λ + µ ¬
À
Bisogna fare molta attenzione a non confondere, per esempio, l’ascissa del
punto A con la misura del cateto OA. Da ciò deriva l’uso del valore assoluto
nella precedente formula.
Tenendo conto della presenza del valore assoluto, dopo semplici calcoli, si
arriva alla risolvente del problema
2λ2 + 2µ2 + 4λµ = ±3(6λ2 + 5λµ + µ2 )
Prendendo il segno positivo si ha l’equazione omogenea di secondo grado
√
−11 ± 57
λ
2
2
ha le due soluzioni
,
16λ + 11λµ + µ = 0 che nel rapporto
µ
32
a cui corrispondono due rette del fascio le cui equazioni si ottengono dall’equazione di Σ sostituendo a λ e µ i valori trovati.
Scegliendo nella risolvente il segno negativo, dopo semplici calcoli, si trova
una equazione omogenea priva di radici reali.
c) Sappiamo che la formula (2.12) fornisce il coseno dei due angoli formati dalle due rette; nel nostro caso, detto α uno degli angoli formati fra le
generica retta del fascio e la retta u, si ha
√
3λ + µ + 2λ + µ
2
= ±√ p
cos α =
2
2 13λ2 + 10λµ + 2µ2
λ
−5 ± 1
=
. Si ottengono due rette una
µ
12
λ
−1
λ
−1
ottenuta sostituendo nell’equazione di Σ, a =
l’altra =
.
µ
2
µ
3
° 15 −10 ±
Esempio 10 Siano dati i punti O = (0, 0), A = (3, 2), B =
,
.
13 13
Essi determinano un triangolo OAB.
a) Determinare la sua area.
b) Verificare che le altezze relative ai tre lati OA,OB e AB passano
tutte per uno stesso punto (ortocentro).
Sviluppando i calcoli si ottiene
48
CAPITOLO 2. GEOMETRIA LINEARE NEL PIANO
c) Verificare che anche le bisettrici degli angoli formati dai lati passano
per uno stesso punto (incentro).
Soluzione. Per meglio comprendere quanto viene fatto è bene riferirsi alla
figura seguente
~y
A
O
~x
B
fig.20
r
225 100
325
5√
a) La base OB =
13 e l’altezza h relativa a
+
=
=
169 169
169
13
tale base è data dalla distanza del punto A dalla retta OB. Tale retta ha
equazione 2x + 3y = 0 e quindi dalla formula che dà la distanza di un punto
|2 · 3 + 3 · 2|
12
√
da una retta si ha h =
= √ ; l’area S del triangolo è quindi
13
13
1 5√
12
30
S=
13 √ = .
2 13
13
13
b) L’altezza relativa alla base AB ha equazione 2x+3y = 0; l’altezza relativa
ad OB ha equazione 3x−2y −5 = 0. Queste due altezze sono perpendicolari
b
e si incontrano nel punto B. Quindi il nostro triangolo è rettangolo in B.
Da ciò segue che il punto B è l’ortocentro del triangolo.
r
c) Le equazioni delle bisettrici degli angoli formati da due rette di cui si
conoscono le equazioni si possono trovare come luogo dei punti equidistanti
dalle rette. Nel nostro caso la retta AB ha equazione 3x − 2y − 5 = 0; la
retta OA ha equazione 2x − 3y = 0 e la retta OB equazione 2x + 3y = 0.
Le equazioni delle bisettrici degli angoli formati da OA e AB sono date da
|3x − 2y − 5|
|2x − 3y|
√
√
=
=⇒ 2x − 3y = ±(3x − 2y − 5)
13
13
Si trovano due rette; noi dobbiamo scegliere quella di coefficiente angolare
positivo; facili calcoli mostrano che tale retta è quella di equazione y = x−1.
2.8. ALCUNI ESEMPI
49
Calcoliamo adesso le equazioni delle bisettrici dell’angolo formato da OA e
da OB. Tali rette hanno equazioni 2x − 3y = 0 e 2x + 3y = 0, e quindi,
avendo coefficienti angolari opposti, sono simmetriche rispetto all’asse delle
~x. L’equazione della bisettrice cercata è y = 0. Il punto comune alle bisettrici trovate è il punto di coordinate I = (1, 0). Troviamo infine le equazioni
delle bisettrici dell’angolo formato dalle rette OB e AB. Come abbiamo già
fatto il luogo dei punti equidistanti dalle due rette è dato da
|3x − 2y − 5|
|2x + 3y|
√
√
=
=⇒ 2x + 3y = ±(3x − 2y − 5)
13
13
La bisettrice da considerare è quella di coefficiente angolare negativo; cioè
y = −5x + 5. Essa passa per il punto I = (1, 0).
50
CAPITOLO 2. GEOMETRIA LINEARE NEL PIANO
Capitolo 3
Geometria lineare nello
spazio
3.1
Coordinate omogenee
Nello spazio ordinario S sia fissato un sistema di coordinate cartesiane ortogonali O~x~y~z.U , di origine O, associato alla terna antioraria di versori (i, j, k);
ciò significa che k = i ∧ j.
Come abbiamo visto nel Cap. 1, ad ogni punto P dello spazio si associano
le sue coordinate cartesiane reali (x, y, z). Queste sono dette le coordinate
non omogenee del punto P . Analogamente a quanto detto per i punti del
piano, anche per i punti dello spazio si introducono le coordinate omogenee o proiettive . Precisamente, il punto P = (x, y, z) si può anche
individuare mediante quaterne (x0 , y 0 , z 0 , t0 ) di numeri reali, non tutti nulli, con t0 6= 0, definite a meno di un fattore di proporzionalità, legate alle
coordinate non omogenee dalle relazioni
x=
x0
,
t0
y=
y0
,
t0
z=
z0
t0
(3.1)
In analogia a quanto detto nel caso del piano, anche nello spazio si introducono i punti impropri e i punti immaginari. Lo spazio cosı̀ ampliato verrà
detto lo spazio proiettivo complesso, e verrà denotato con IP3C = IP3 .
Tutti i punti impropri dello spazio sono caratterizzati dall’avere la quarta
coordinata omogenea nulla, cioè t0 = 0.
Ovviamente i punti impropri e immaginari sono di natura diversa rispetto a
51
52
CAPITOLO 3. GEOMETRIA LINEARE NELLO SPAZIO
quelli propri e reali e vengono introdotti in modo da rendere la trattazione
di alcuni argomenti elegante e coerente.
3.2
I piani dello spazio ordinario
I piani reali dello spazio IP3 vengono studiati associando loro delle equazioni
nel modo che ora descriveremo e che costituisce la naturale estensione di
quanto abbiamo fatto nel capitolo precedente per le rette del piano.
Cominciamo con l’osservare che un piano reale π dello spazio è perfettamente
determinato assegnando un suo punto P0 ed un vettore reale non nullo n =
ai+bj+ck ad esso ortogonale. I punti P ∈ π si possono allora caratterizzare
come tutti e soli i punti tali che il vettore [P0 , P ] è perpendicolare al vettore
n, il che equivale a dire che [P0 , P ]•n = 0. La precedente, passando alle
componenti dei vettori, si può anche scrivere nella forma
a(x − x0 ) + b(y − y0 ) + c(z − z0 ) = 0
(3.2)
La figura seguente aiuta a interpretare quanto detto.
~z
n
P
P0
~y
O
~x
fig.21
Effettuando i prodotti e ponendo d = −ax0 − by0 − cz0 , la (3.2) si può
scrivere nella forma
ax + by + cz + d = 0
(3.3)
con (a, b, c) 6= (0, 0, 0). Tale equazione è lineare nelle variabili x, y, z.
Se per scrivere l’equazione avessimo usato un altro vettore n0 , perpendicolare
al piano, n0 = ρ n, allora avremmo trovato una equazione equivalente alla
precedente cioè l’equazione (3.2) con i coefficienti moltiplicati per ρ.
3.2. I PIANI DELLO SPAZIO ORDINARIO
53
Viceversa, se ax + by + cz + d = 0 è una equazione lineare con coefficienti
reali, tali che (a, b, c) 6= (0, 0, 0), allora essa rappresenta un ben determinato
piano dello spazio.
Infatti detta (x0 , y0 , z0 ) una sua soluzione, si ha ax0 + by0 + cz0 + d =
0. Ricavando d dalla precedente e sostituendo nell’equazione data si ha
a(x−x0 )+b(y −y0 )+c(z −z0 ) = 0. Essa è l’equazione del piano passante per
il punto di coordinate (x0 , y0 , z0 ) e perpendicolare al vettore n = ai+bj+ck.
In conclusione possiamo dire che c’è una corrispondenza biunivoca tra i
piani reali dello spazio e le equazioni lineari ax + by + cz + d = 0, con
(a, b, c) 6= (0, 0, 0), purché si identifichino le equazioni equivalenti.
È bene ricordare che due equazioni lineari sono equivalenti se e solo se hanno
i coefficienti proporzionali.
Come è noto un piano reale π dello spazio è perfettamente determinato
assegnando tre suoi qualunque punti non allineati P0 , P1 , P2 . Vedere la figura
seguente
~z
P
P1
P2
O
P0
~y
~x
fig.22
Allora i punti P del piano π si possono caratterizzare come tutti e soli i punti
tali che i vettori [P0 , P ], [P0 , P1 ], [P0 , P2 ] sono complanari; ciò equivale a dire
che il loro prodotto misto è zero, cioè [P0 , P ]•[P0 , P1 ] ∧ [P0 , P2 ] = 0.
Per esprimere tale prodotto misto secondo le componenti lungo gli assi scriviamo la matrice che fornisce le componenti del prodotto vettoriale v =
[P0 , P1 ] ∧ [P0 , P2 ]


i
j
k
 x1 − x0 y1 − y0 z1 − z0 
(3.4)
x2 − x0 y2 − y0 z2 − z0
54
CAPITOLO 3. GEOMETRIA LINEARE NELLO SPAZIO
Dal fatto che i punti P0 , P1 , P2 non sono allineati segue che i vettori [P0 , P1 ]
e [P0 , P2 ] non sono paralleli e quindi il vettore v non è il vettore nullo.
L’annullamento del prodotto misto comporta
vx (x − x0 ) + vy (y − y0 ) + vz (z − z0 ) = 0, e questa è una equazione lineare
in x, y, z.
Ricordando l’espressione del prodotto misto di tre vettori secondo le loro
componenti, sotto forma di determinante, la precedente si può anche scrivere
nella forma
¬
¬
¬ x − x0 y − y0 z − z0 ¬
¬
¬
¬ x1 − x0 y1 − y0 z1 − z0 ¬ = 0
(3.5)
¬
¬
¬ x2 − x0 y2 − y0 z2 − z0 ¬
Si vede quindi che in ogni caso il piano ha equazione del tipo (3.3).
Osservazione 8 Nell’equazione di un qualunque piano reale ax + by +
cz + d = 0 i numeri (a, b, c) rappresentano le componenti di un vettore
perpendicolare al piano.
3.3
Le rette dello spazio ordinario
Studiamo adesso le rette dello spazio ordinario IP3 . Come vedremo esse si
possono rappresentare in vari modi.
Cominciamo col dire che una retta reale r dello spazio è perfettamente determinata assegnando un suo punto proprio P0 ed un vettore non nullo ad
essa parallelo v = li + mj + nk, che si suole chiamare vettore direttivo
per r. Allora i punti P ∈ r si possono caratterizzare come tutti e soli i
punti tali che il vettore [P0 , P ] è parallelo al vettore v.
Quindi per r possiamo scrivere l’equazione vettoriale
[P0 , P ] = tv
(3.6)
Prendendo le componenti dei vettori di ambo i membri, si ottengono le
equazioni parametriche della retta r
( x = x + lt
0
y = y0 + mt
z = z0 + nt
(3.7)
Viceversa assegnando delle equazioni del tipo (3.7) con (l, m, n) 6= (0, 0, 0)
esiste una ed una sola retta dello spazio che ammette tali equazioni come
3.3. LE RETTE DELLO SPAZIO ORDINARIO
55
equazioni parametriche, precisamente quella passante per il punto P0 =
(x0 , y0 , z0 ) e parallela al vettore v di componenti (l, m, n).
Se dalle equazioni (3.7) si elimina il parametro t si ottengono due equazioni
lineari nelle variabili x, y, z. Precisamente se l, m, n sono tutti non nulli si
hanno le equazioni
x − x0
y − y0
z − z0
=
=
(3.8)
l
m
n
Se dei tre numeri l, m, n due sono nulli, per esempio
n x = lx= 0, m = 0, dalle
0
(3.7) l’eliminazione dà luogo alle due equazioni y = y . Se uno solo dei
0
numeri è nullo, per esempio se n = 0, allora eliminando il parametro t da
(3.7) si ottengono le due equazioni lineari
ºx−x
y − y0
0
=
(3.9)
l
m
z = z0
In definitiva, si vede che una retta scritta in forma parametrica è equivalente ad un sistema di due equazioni lineari nelle variabili x, y, z. Ciò si può
esprimere dicendo che una retta r si può rappresentare come intersezione
di due piani.
Viceversa, l’intersezione dei due piani
º
ax + by + cz + d = 0
a0 x + b0 y + c0 z + d0 = 0
(3.10)
con (a, b, c) terna non proporzionale a (a0 , b0 , c0 ), rappresenta una ben determinata retta dello spazio. Se, per fissare le idee, è ab0 − a0 b 6= 0, allora da
(3.10) si ottiene il sistema

c
d
b

x = − y − z −
a0
a0
a 0
(3.11)
a
c

y = − x − z − d
b0
b0
b0
Dalle precedenti (3.11), per sostituzione, si ottiene un sistema del tipo
º
x = p + uz
(3.12)
y = q + vz
con p, q, u, v numeri opportunamente determinati. Le equazioni di (3.12)
si possono scrivere
(
x = p + uz
y = q + vz
z=z
56
CAPITOLO 3. GEOMETRIA LINEARE NELLO SPAZIO
dove z ha il ruolo di parametro. Le precedenti sono le equazioni parametriche
della retta passante per P0 = (p, q, 0) parallela al vettore v = ui + vj + k.
Notazione
Se la retta r è rappresentata come intersezione dei due piani π e π 0 si scrive
che r = π ∩ π 0 .
Un altro modo di determinare una retta reale r nello spazio è quello di
assegnare due suoi punti distinti P0 = (x0 , y0 , z0 ) e P1 = (x1 , y1 , z1 ). In
tal caso il vettore [P0 , P1 ] ha il ruolo di vettore direttivo. Segue subito che
l’equazione vettoriale della retta si può scrivere nella forma
[P0 , P ] = t[P0 , P1 ]
e le equazioni parametriche scalari assumono la forma

 x = x0 + (x1 − x0 ) t
y = y0 + (y1 − y0 ) t

z = z0 + (z1 − z0 ) t
(3.13)
(3.14)
A questo punto si potrebbero ripetere argomentazioni analoghe a quelle
usate nel caso precedente, ma noi le omettiamo, perché si avrebbero delle
inutili ripetizioni. Lo studente potrà ricavare tutte le formule, nei vari casi
che possono presentarsi. Per esempio, se il vettore [P0 , P1 ] non è parallelo
a nessuno degli assi coordinati, eliminando il parametro t dalle (3.14), si
ottengono le equazioni della retta congiungente i punti P0 e P1 , nella
forma
y − y0
z − z0
x − x0
=
=
(3.15)
x1 − x0
y1 − y0
z1 − z0
3.3.1
Elementi impropri e immaginari in IP3
Come abbiamo detto all’inizio del capitolo con IP3 si denota lo spazio proiettivo complesso, che è l’insieme dei punti propri e impropri, reali e immagnari. Non ripetiamo nel dettaglio le varie definizioni perché in effetti tutto
è analogo a quanto abbiamo detto nel capitolo precedente per i punti del
piano proiettivo complesso IP2 .
Facciamo adesso alcune considerazioni che saranno utili nel seguito.
Se nell’equazione (3.3) sostituiamo le (3.1), l’equazione del piano diventa
° y0 ±
° z0 ±
° x0 ±
a 0 +b 0 +c 0 +d=0
t
t
t
(3.16)
3.3. LE RETTE DELLO SPAZIO ORDINARIO
57
e moltiplicando ambo i membri per t0 si ottiene
ax0 + by 0 + cz 0 + dt0 = 0
(3.17)
che si dice l’equazione del piano in forma omogenea.
Ricordando che i punti impropri dello spazio sono caratterizzati dall’equazione t0 = 0, possiamo dire che i piani dello spazio si rappresentano mediante
equazioni del tipo (3.17); tali piani sono propri per (a, b, c) 6= (0, 0, 0) mentre
per (a, b, c) = (0, 0, 0) si ottiene l’equazione t0 = 0 che è detta l’equazione
del piano improprio.
Consideriamo adesso in IP3 un piano π proprio, di equazione omogenea ax0 +
by 0 + cz 0 + dt0 = 0. Ricordando che tutti i punti impropri dello spazio sono
rappresentati dall’equazione t0 = 0, segue che i punti impropri del piano π
si ottengono dal sistema
º
t0 = 0
ax0 + by 0 + cz 0 + dt0 = 0
⇐⇒
º
t0 = 0
ax0 + by 0 + cz 0 = 0
(3.18)
Tale luogo di punti è detto la retta impropria del piano π.
Consideriamo adesso due piani propri distinti π e π 0 di equazioni omogenee
rispettivamente ax0 + by 0 + cz 0 + dt0 = 0 e a0 x0 + b0 y 0 + c0 z 0 + d0 t0 = 0, tali che
(a, b, c) non siano proporzionali ad (a0 , b0 , c0 ). Come abbiamo visto in (3.10)
i due piani si secano in una retta r propria. Per trovare il punto improprio
di tale retta basta risolvere il sistema
 0
t = 0
ax0 + by 0 + cz 0 + dt0 = 0
 0 0
a x + b0 y 0 + c0 z 0 + d0 t0 = 0
Si osservi adesso la figura seguente
 0
t = 0
⇐⇒
ax0 + by 0 + cz 0 = 0
 0 0
a x + b0 y 0 + c0 z 0 = 0
(3.19)
58
CAPITOLO 3. GEOMETRIA LINEARE NELLO SPAZIO
P∞
n0
n
r
π0
π
fig.23
Sia v = li + mj + nk un vettore non nullo parallelo alla retta r. Visto che i
vettori n = ai + bj + ck ed n0 = a0 i + b0 j + c0 k sono ortogonali a π e π 0 essi
sono entrambi ortogonali ad v. Per cui n•v = 0 e n0 •v = 0. Passando alle
componenti si ottiene il sistema
º
al + bm + cn = 0
(3.20)
a0 l + b0 m + c0 n = 0
Osservando i due sistemi (3.19) e (3.20) si può stabilire la seguente
Proposizione 10 Le prime tre coordinate (omogenee) del punto improprio di una retta reale e propria sono parametri direttori della
retta.
Per quanto riguarda gli elementi immaginari di IP3 spendiamo solo qualche
riga, rinviando alle applicazioni per un approfondimento di tali argomenti.
Un piano è detto immaginario se l’ equazione ad esso associata ha coefficienti
dati da numeri complessi non reali ed è tale che non ci sono equazioni ad
esso equivalenti a coefficienti tutti reali. Per esempio il piano di equazione
2ix − (1 − i)y + z − it = 0 è un piano immaginario. Mentre l’equazione
ix − iy = 0 è l’equazione del piano reale x − y = 0.
Perché una retta data come intersezione di due piani sia una retta immaginaria deve accadere che essa non si possa rappresentare come intersezione
di due piani a coefficienti reali.
Per esempio una retta ottenuta come intersezione di un piano immaginario
e uno reale è una retta immaginaria.
3.4. ORTOGONALITÀ E PARALLELISMO
59
La retta intersezione di due piani a coefficienti complessi coniugati è una
retta reale. La dimostrazione di questo è analoga a quella che abbiamo fatto
per provare che due rette immaginarie e coniugate si intersecano in un punto
reale, e quindi la omettiamo.
Punti, rette e piani immaginari sono enti che pensiamo nell’ambiente IP3 .
3.4
Ortogonalità e parallelismo
In analogia a quanto abbiamo detto per le rette del piano, anche per i piani
e le rette dello spazio è facile stabilire le condizioni di ortogonalità e parallelismo, nonché gli angoli che questi formano tra loro.
Cominciamo col considerare due piani propri e reali π e π 0 distinti di equazioni non omogenee rispettivamente ax+by+cz+d = 0 e a0 x+b0 y+c0 z+d0 =
0.
Diciamo, come al solito, n = ai + bj + ck ed n0 = a0 i + b0 j + c0 k dei vettori
perpendicolari a π e π 0 . È immediato affermare che
π k π 0 ⇐⇒ n k n0 ⇐⇒ n = ρ n0
per qualche scalare ρ 6= 0
(3.21)
Dalla proporzionalità dei coefficienti (a, b, c) e (a0 , b0 , c0 ) segue subito che
due piani paralleli hanno la stessa retta impropria. La retta impropria di
un piano viene detta la sua giacitura. Quindi due piani sono paralleli se e
solo se hanno la stessa giacitura.
Da quanto precede si può affermare che
Proposizione 11 In IP3 due piani distinti hanno sempre una retta in
comune. Tale retta è propria se i due piani sono propri e non paralleli,
cioè incidenti. La retta comune è impropria se uno dei due piani è
improprio oppure i due piani sono propri e paralleli.
Stabiliamo adesso la condizione di ortogonalità di due piani propri e
reali π e π 0 .
π ⊥ π 0 ⇐⇒ n ⊥ n0 ⇐⇒ aa0 + bb0 + cc0 = 0
(3.22)
Infine due piani propri e reali π e π 0 incidenti formano quattro angoli, a
due a due uguali, α e β. I coseni di tali angoli sono determinati, a meno del segno, dal coseno dell’angolo formato dalle normali n ed n0 cioè da
60
CAPITOLO 3. GEOMETRIA LINEARE NELLO SPAZIO
n•n0
.
|n| · |n0 |
Siano date due rette reali e distinte r ed r0 . Qualunque sia il modo di rappresentarle, sempre si possono determinare due vettori direttivi v = li+mj+nk
e v0 = l0 i + m0 j + n0 k ad esse paralleli. Quindi è immediato affermare che
d0 =
cos nn
r k r0 ⇐⇒ v k v0 ⇐⇒ v = ρ v0 per qualche scalare ρ 6= 0
(3.23)
Per quanto provato nella Prop.10 si può dedurre che due rette parallele
hanno lo stesso punto improprio.
Per quanto riguarda la perpendicolarità fra rette reali possiamo affermare che
r ⊥ r0 ⇐⇒ v ⊥ v0 ⇐⇒ ll0 + mm0 + nn0 = 0
(3.24)
Ed ancora i coseni degli angoli formati dalle due rette sono determinati, a
meno del segno, dal coseno dell’angolo dei due vettori direttivi v e v0 .
( x = x + lt
0
Siano dati una retta propria r di equazioni parametriche y = y0 + mt
z = z0 + nt
e un piano proprio π di equazione non omogenea ax + by + cz + d = 0. Per
trovare l’intersezione fra retta e piano dobbiamo risolvere il sistema formato
dalle loro equazioni; la risolvente del sistema è (al + bm + cn)t + ax0 + by0 +
cz0 + d = 0. Essa ha una e una sola soluzione se e solo se al + bm + cn 6= 0.
In tal caso la retta r e il piano π hanno un punto proprio a comune e si
dicono incidenti. Se invece al + bm + cn = 0 la risolvente o è una identità
oppure è impossibile. Nel primo caso la retta r giace su π, nel secondo caso
la retta non incontra il piano in nessun punto proprio. In entrambi i casi
diremo che la retta r è parallela al piano π.
D’altra parte la condizione al + bm + cn = 0 esprime la ortogonalità fra il
vettore n = ai + bj + ck e il vettore direttivo v, condizione che è equivalente
al parallelismo fra r e π.
È interessante osservare che la condizione al + bm + cn = 0 si può anche
interpretare come la condizione di appartenza del punto improprio della retta
r, che ha coordinate
omogenee (l, m, n, 0), alla retta impropria del piano π,
º
0 + by 0 + cz 0 + dt0 = 0
ax
che è data da
.
t0 = 0
Se invece la retta r è perpendicolare al piano, allora i vettori n e v sono
paralleli e quindi n = ρ v, ovvero (a, b, c) è proporzionale a (l, m, n).
3.5. ANGOLI FRA RETTE E PIANI
3.5
61
Angoli fra rette e piani
Ricordiamo cosa debba intendersi per angoli formati da una retta reale r e
un piano reale π, quando r 6⊥ π. È bene riferirsi alla seguente figura
n
r
β
γ
α
s
π
fig.24
Sia s la proiezione ortogonale di r sul piano π e β l’angolo formato dalla
normale al piano con un vettore direttivo v di r. Le rette r ed s formano
due angoli α e γ, l’uno complementare di β e l’altro che differisce da β di
π
un angolo .
2
n•v
Allora i seni degli angoli α e γ sono uguali a ± cos β = ±
.
|n| · |v|
Rette complanari e rette sghembe
Consideriamo due rette distinte r ed s ciascuna data come intersezione di
due piani, precisamente
º 0
º
a1 x0 + b1 y 0 + c1 z 0 + d1 t0 = 0
ax + by 0 + cz 0 + dt0 = 0
r)
s)
0
0
0
0
0
0
0
0
a01 x0 + b01 y 0 + c01 z 0 + d01 t0 = 0
ax +by +cz +dt =0
Per trovare l’intersezione delle due rette si deve risolvere il sistema formato
dalle loro equazioni
 0
ax + by 0 + cz 0 + dt0 = 0


 0 0
a x + b0 y 0 + c0 z 0 + d0 t0 = 0
(3.25)
a1 x0 + b1 y 0 + c1 z 0 + d1 t0 = 0


 0 0
a1 x + b01 y 0 + c01 z 0 + d01 t0 = 0
Il sistema (3.25) è un sistema omogeneo di 4 equazioni in 4 incognite; esso
come tutti i sistemi omogenei ammette sempre la soluzione banale (0, 0, 0, 0),
62
CAPITOLO 3. GEOMETRIA LINEARE NELLO SPAZIO
ma tale quaterna non definisce alcun punto in IP3 .
Dalla teoria dei sistemi lineari si ha che perché esso ammetta soluzioni non
banali deve accadere che il determinante della matrice dei coefficienti sia
uguale a zero.
Definizione 5 In IP3 due rette r ed s si dicono sghembe se non hanno
punti in comune. Se si incontrano in un punto proprio o improprio,
appartengono ad uno stesso piano e si dicono complanari.
In definitiva, se due rette sono sghembe non esiste alcun piano che le contiene
entrambe.
Per concludere, la condizione di complanarità delle rette r ed s è
¬
¬
¬a b c d¬
¬ 0
¬
¬ a b0 c0 d0 ¬
¬
¬
¬ a1 b1 c1 d1 ¬ = 0
¬
¬
¬ a0 b0 c0 d0 ¬
1
1
1
1
3.6
(3.26)
Fasci di piani
Dati due piani distinti π e π 0 di equazioni omogenee rispettivamente ax0 +
by 0 + cz 0 + dt0 = 0 e a0 x0 + b0 y 0 + c0 z 0 + d0 t0 = 0, si definisce fascio di
piani Φ determinato da π e π 0 la totalità dei piani la cui equazione è una
combinazione lineare delle loro equazioni e cioè
λ(ax0 + by 0 + cz 0 + dt0 ) + µ(a0 x0 + b0 y 0 + c0 z 0 + d0 t0 ) = 0
(3.27)
al variare di λ e µ, purché λ e µ non siano entrambi nulli.
Come al solito per individuare un piano del fascio Φ si deve determinare il
µ
λ
rapporto oppure .
µ
λ
Abbiamo già osservato che due piani distinti in IP3 si intersecano sempre in
una retta. La retta r = π ∩ π 0 è detta asse del fascio.
Si prova subito la seguente
Proposizione 12 I piani del fascio determinato da π e da π 0 sono tutti
e soli i piani passanti per l’asse del fascio r = π ∩ π 0 .
Dimostrazione. Se P0 = (x0 , y0 , z0 , t0 ) è un qualunque punto della retta
r = π ∩ π 0 allora ogni piano del fascio passa per P0 , in quanto la condizione
3.7. DISTANZE
63
di passaggio è verificata per ogni coppia λ e µ.
Viceversa sia π un piano contenente la retta r. Proviamo che esso è un
piano del fascio Φ. Diciamo Q = (x1 , y1 , z1 , t1 ) un punto del piano π non
appartenente alla retta r. Sia ora π ? il piano del fascio passante per Q;
esso è perfettamente determinato perché la condizione di appartenenza di
Q al fascio Φ dà luogo alla equazione λ(ax1 + by1 + cz1 + dt1 ) + µ(a0 x1 +
b0 y1 + c0 z1 + d0 t1 ) = 0, che non è identicamente nulla, e quindi permette di
λ
µ
determinare univocamente il rapporto
oppure . Si conclude che i due
µ
λ
piani π e π ? coincidono, perché hanno la retta r a comune e passano per lo
stesso punto Q, e quindi π è un piano del fascio. 2
Corollario 5 Se i piani π e π 0 utilizzati per formare un fascio Φ si
secano in una retta propria r allora i piani del fascio sono tutti e soli
quelli passanti per r.
Se i piani π e π 0 sono paralleli allora i piani di Φ sono tutti e soli i
piani paralleli ad entrambi.
Da quanto detto segue subito che un fascio di piani è individuato da due
suoi qualunque piani distinti.
Se nell’equazione (3.27) si suppone λ 6= 0, dividendo ambo i membri per λ
µ
e ponendo h = , l’equazione si può scrivere nella forma non omogenea
λ
ax0 + by 0 + cz 0 + dt0 + h(a0 x0 + b0 y 0 + c0 z 0 + d0 t0 ) = 0
(3.28)
Tale equazione rappresenta tutti i piani di (3.27) escluso quello di equazione
a0 x0 + b0 y 0 + c0 z 0 + d0 t0 = 0, che si ottiene per λ = 0.
3.7
Distanze
Se nello spazio sono dati due punti propri e reali P1 = (x1 , y1 , z1 ) e P2 =
(x2 , y2 , z2 ), allora la distanza dei due punti P1 P2 è data dal modulo del
vettore [P1 , P2 ], quindi
p
P1 P2 = (x1 − x2 )2 + (y1 − y2 )2 + (z1 − z2 )2
(3.29)
64
CAPITOLO 3. GEOMETRIA LINEARE NELLO SPAZIO
Distanza di un punto da un piano
Dato un piano proprio e reale π di equazione ax + by + cz + d = 0 e un
punto P0 = (x0 , y0 , z0 ), la distanza d(P0 , π) del punto dal piano è data dalla
formula
|ax0 + by0 + cz0 + d|
√
(3.30)
d(P0 , π) =
a2 + b2 + c2
Dimostrazione. Se P1 = (x1 , y1 , z1 ) è un punto che soddisfa, con le sue
coordinate, l’equazione del piano, si ha ax1 + by1 + cz1 + d = 0 da cui
d = −ax1 − by1 − cz1 per cui l’equazione del piano può scriversi nella forma
a(x − x1 ) + b(y − y1 ) + c(z − z1 ) = 0.
Si osservi la figura seguente
P0
n0
H
P1
π
fig.25
È immediato osservare che d(P0 , π) = P0 H è la proiezione, come segmento
non orientato, del vettore [P1 , P0 ] sul versore n0 ortogonale a π. Ricordando
che i coefficienti del piano a, b, c sono componenti di un vettore ortogonale
ai + bj + ck
a π, si ha che n0 = √
, per cui
a2 + b2 + c2
¬
¬
¬ ¬
¬
ai + bj + ck ¬¬ ¬¬ a(x0 − x1 ) + b(y0 − y1 ) + c(z0 − z1 ) ¬¬
¬
p
d(P0 , π) = ¬[P1 , P0 ]• √
¬
¬=¬
¬
¬
a2 + b2 + c2 ¬ ¬
a2 +b2 + c2
e tenendo conto delle posizioni fatte si deduce subito la formula (3.30).
2
3.7. DISTANZE
65
Distanza di un punto da una retta
Per calcolare la distanza di un punto P0 = (x0 , y0 , z0 ) da una retta r, si deve
trovare la proiezione ortogonale H di P0 su r, e poi calcolare la distanza
P0 H.
Se della retta r si conoscono le componenti (l, m, n) di un vettore direttivo
v, e queste si possono calcolare in ogni caso, allora si può ragionare come
segue. Si osservi la figura
r
H
v
P0
α
P1
fig.26
La distanza P0 H si può ottenere dalla formula
¬
v ¬¬
¬
P0 H = ¬[P1 , P0 ] ∧
¬
|v|
(3.31)
Ciò segue immediatamente calcolando il modulo del prodotto vettoriale indicato; esso è uguale P1 P0 · 1 · sin α; tenendo conto di una nota proprietà dei
triangoli rettangoli si ha la tesi. 2
66
3.8
CAPITOLO 3. GEOMETRIA LINEARE NELLO SPAZIO
Esempi e applicazioni
Risolviamo adesso alcuni semplici esercizi che costituiscono degli esempi che
devono essere assimilati dagli allievi, onde creare delle basi che consentano loro
di affrontare problemi di difficoltà via via crescente.
In tutti gli esempi che seguono si pensi che nello spazio sia fissato, una volta
per tutte, un sistema di riferimento cartesiano ortogonale O~x~y~z.u, a meno
che non sia detto esplicitamente il contrario.
Ai fini delle applicazioni è molto importante il seguente esempio
Esempio 11 Date due rette sghembe
r ed s di equazioni rispettivamenº
n
x − 2z + 1 = 0
x−y+z =0
s)
te r)
y+z−1=0
2x + z − 1 = 0
a) detto P = (1, −2, 1) un punto con P 6∈ r ∩ s, determinare le equazioni della retta t passante per P e incidente r ed s (equivalentemente
complanare ad r e ad s)
b) determinare le equazioni della retta u incidente ortogonalmente entrambe le rette r ed s.
c) detti A e B i punti in cui u incontra r ed s, calcolare la distanza AB. Questa distanza è detta la minima distanza delle due rette
sghembe.
Soluzione. a) La retta t cercata si ottiene come intersezione dei due piani π e π 0 , passanti per P , l’uno contenente r e l’altro contenente s. Basta quindi scrivere il fascio di piani avente per asse r che ha equazione
λ(x − y + z) + µ(2x + z − 1) = 0 ed imporre il passaggio per P ; si ottiene
λ
1
4λ + 2µ = 0; quindi = − e l’equazione del piano π è 3x + y + z − 2 = 0.
µ
2
Analogamente consideriamo il fascio di piani avente per asse s; l’equazione
del fascio è λ0 (x − 2z + 1) + µ0 (y + z − 1) = 0; imponendo il passaggio per
P si ottiene l’equazione del piano π 0 e cioè x − 2z + 1 = 0. In definitiva la
retta t è la retta intersezione di questi due piani.
b) Questo esercizio si può considerare come un caso particolare del precedente. Nel senso che la retta u cercata si può pensare come la retta incidente
r ed s e passante per il punto improprio P∞ che individua la direzione
ortogonale ad entrambe le rette. Qui è bene ricordare quanto detto nella Prop.10 di pag.58. Per questo dette (l, m, n, ) le prime tre coordinate
omogenee del punto P∞ , tenendo conto che il punto improprio di r ha coor-
3.8. ESEMPI E APPLICAZIONI
67
dinateº(−1, 1, 2, 0) e quello di s coordinate (2, −1, 1, 0), per la ortogonalità
l − m − 2n = 0
si ha
. Quindi il punto improprio che dà la direzione di
2l − m + n = 0
u ha coordinate (3, 5, −1, 0). Nel fascio di piani avente per asse la retta r,
scritto in coordinate omogenee perché dobbiamo imporre il passaggio per
un punto improprio, cerchiamo il piano passante per (3, 5, −1, 0). Si ottiene
11x − 5y + 8z − 3 = 0. Analogamente nel fascio avente per asse s, scritto
anch’esso in coordinate omogenee, cerchiamo il piano passante per il punto
improprio (3, 5, −1, 0). Si ottiene 4x − 5y − 13z + 9 = 0. La retta u cercata
è quella ottenuta come intersezione dei due piani trovati.
c) La minima distanza delle due rette sghembe si può calcolare come distanza di un qualunque punto della retta s dal piano passante per r e parallelo
ad s.
Cominciamo a scrivere il fascio di piani avente asse r. La sua equazione
è data da λ(x − y + z) + µ(2x + z − 1) = 0; questa si può anche scrivere
(λ+2µ)x−λy +(λ+µ)z −µ = 0. I numeri (2, −1, 1) sono parametri direttori
della retta s. Quindi perché il generico piano del fascio sia parallelo ad s
5
λ
= − . Il piano che si ottiene
dev’essere 2λ + 4µ + λ + λ + µ = 0; da cui
µ
4
ha equazione 3x + 5y − z − 4 = 0. Un punto di s è P0 = (−1, 1, 0) e la sua
| − 3 + 5 − 4|
2
distanza dal piano trovato è √
=√
2
9 + 25 + 1
35
Dall’esempio predente si trae la proprietà: Date due rette sghembe r ed
s esiste una ed una sola retta incidente entrambe ortogonalmente.
Per le applicazioni si rivela molto utile la seguente
Osservazione Date due rette sghembe r ed s nello spazio. Esiste un sistema di riferimento “ottimale” rispetto al quale le equazioni delle due rette
si possono esprimere in modo semplice.
Tale sistema di riferimento si sceglie nel modo seguente:
si dica asse ~z la retta u che si appoggia ortogonalmente ad entrambe le rette
date e la si orienti in modo arbitrario.
Tale retta incontra r in un punto A ed s in B. Si fissi l’origine O nel punto
medio del segmento AB, e l’unità di misura u uguale ad OA.
Detto π il piano passante per O e perpendicolare ad u. Si dicano r0 ed s0 le
proiezioni ortogonali di r ed s su π.
Si dicano asse ~x e asse ~y le bisettrici degli angoli formati dalle rette r0 ed s0 .
Si orientino gli assi in modo che ~x~y~z costituisca una terna antioraria. Fatte
68
CAPITOLO 3. GEOMETRIA LINEARE NELLO SPAZIO
queste premesse è sempre possibile orientare gli assi in modo che le due rette
date, nel riferimento cosı̀ scelto, abbiano equazioni rispettivamente
º
º
z=1
z = −1
r
s
y = mx
y = −mx
Osservare la figura seguente
~z
A
O
r
r0
s0
B
~y
s
~x
fig.27
Applichiamo il precedente risultato al seguente
Esempio 12 Date due rette sghembe r ed s, che incontrano la retta
u, perpendicolare ed incidente entrambe, nei punti A e B. Trovare il
luogo dei punti P del piano π, perpendicolare ad u nel punto medio di
AB, tali che d(P, r) = d(P, s).
Soluzione. Fissiamo un sistema di riferimento nello spazio nel modo detto
nella precedente osservazione. Quindi le due rette r ed s hanno equazioni
rispettivamente
º
º
z=1
z = −1
s
r
y = mx
y = −mx
Un vettore direttivo v k r ha componenti (1, m, 0) ed un vettore direttivo
w k s ha componenti (1, −m, 0).
La ¬distanza d(P,
r) si ottiene calcolando il modulo del prodotto vettoriav ¬¬
¬
le ¬[A, P ] ∧
¬. Detto P = (x, y, 0) un punto del piano z = 0, basta
|v|
calcolare
il modulo del vettore
che si ottiene sviluppando il determinante
¬
¬
¬
i
j
k ¬
¬
¬
¬
¬
x
y
−1
¬.
¬
m
¬√ 1
¬
√
0 ¬
¬
2
2
1+m
1+m
3.8. ESEMPI E APPLICAZIONI
69
m2 + 1 + (mx − y)2
.
1 + m2
m2 + 1 + (mx + y)2
Analogamente si ha d(P, s)2 =
.
1 + m2
Uguagliando le due distanze si ha che i punti P = (x, y, 0) del nostro luogo
soddisfano l’equazione xy = 0; da ciò si deduce che i punti cercati sono quelli
che soddisfano z = 0, y = 0 e z = 0, x = 0. Queste sono le equazioni degli
assi ~x e ~y .
º
x+y+2=0
il piano
Esempio 13 Sono assegnati la retta r) :
y + z − 1 = 0,
π) : x − 2y + z + 1 = 0 e il punto P = (1, −1, 1). Scrivere le equazioni:
Semplici calcoli provano che d(P, r)2 =
del piano π 0 che passa per P ed è ortogonale ad r;
del piano π 00 che passa per P ed è parallelo a π;
della generica retta t che passa per P ed è perpendicolare ad r;
della retta s che passa per P ed è perpendicolare a π.
( x = −y − 2
Soluzione. Scritte le equazioni della retta r nella forma y = y
,
z = −y + 1
i numeri (1, −1, 1) si possono prendere come parametri direttori di r; allora
l’equazione del piano π 0 è (x−1)−(y +1)+(z −1) = 0, cioè x−y +z −3 = 0.
b) il piano π 00 ha equazione (x−1)−2(y+1)+(z−1) = 0, cioè x−2y+z−4 = 0.
c)
º la generica retta passante per P si può scrivere nella forma
x − 1 = m(z − 1)
imponendo la perpendicolarità con r si ha la cony + 1 = n(z − 1) ;
dizione
m − n + 1 = 0. Quindi le equazioni della generica retta t sono
º
x = 1 + m(z − 1)
.
y = −1 + (m + 1)(z − 1)
d) le equazioni della retta s si possono scrivere in forma parametrica, tenendo conto che i coefficienti
piano π sono parametri direttori della retta s.
( x = 1 + del
t
Segue quindi s y = −1 − 2t .
z =1+t
Esempio 14 Dopo aver verificato che le tre rette
º
n
n
x+y−z−1=0
x+y =0
y−z =0
r
s
t
2x + y = 0
z+1=0
x−1=0
a)
b)
c)
d)
sono complanari, trovare l’equazione del piano che le contiene e l’area
del triangolo da queste limitato.
70
CAPITOLO 3. GEOMETRIA LINEARE NELLO SPAZIO
Soluzione. In generale, quando due rette r ed s sono complanari, per trovare il piano che le contiene bisogna cercare fra i piani del fascio di asse r
quel piano passante per un qualunque punto della retta s.
Ma nel nostro caso, da un esame delle equazioni di r, s e t si vede immediatamente che esse stanno tutte sul piano di equazione x + y − z − 1 = 0.
Per esempio dalle equazioni di r si vede subito che l’equazione del piano si
ottiene sottraendo dalla seconda equazione la prima; dalle equazioni di s
si vede che l’equazione del piano si ottiene sommando le due equazioni. In
definitiva si può scrivere
º
n
n
x+y−z−1=0
x+y−z−1=0
x+y−z−1=0
r
s
t
2x + y = 0
z+1=0
x−1=0
I punti comuni alle tre rette si trovano risolvendo i sistemi formati dalle
equazioni delle rette. Si ottiene subito che r ∩ s = A = (1, −1, −1); r ∩ t =
B = (0, 0, −1); s ∩ t = C = (1, −2, −2). Per trovare l’area del triangolo
ABC basta moltiplicare metà della misura della base √AB per la√misura
dell’altezza relativa a questa base. Ed allora AB = 1 + 1 = 2. La
distanza d di C¬ dalla retta AB
¬ si ottiene calcolando il modulo del vettore
¬
¬ i
j
k
¬
¬
v
¬
2
1 ¬¬ .
[C, B] ∧
= ¬ −1
|v| ¬ √1 − √1 0 ¬
2 r
r 2
1 1 1
3
+ + =
.
Quindi d =
2 2 2
2
r
√
√ 1 3
1
3
L’aerea del triangolo è AB · · d = 2 ·
=
.
2
2 2
2
Esempio 15 Dato il punto P = (0, 0, 1); trovare le equazioni delle rette
π
passanti per P che formano con l’asse ~z un angolo di . In particolare
6
determinare fra queste quelle appartenenti al piano y = 0.
Soluzione.
Le equazioni della generica retta passante per P sono
º
x = m(z − 1)
(?)
. I numeri (m, n, 1) sono parametri direttori della
y = n(z − 1)
generica retta considerata. Dobbiamo
che
√
√ imporre che il coseno dell’angolo
3
3
v•k
. Si ha quindi la condizione
=
,
questa retta forma con l’asse ~z sia
2
2
|v|
√
3
1
, quindi 3m2 + 3n2 − 1 = 0. Le rette richieste sono
cioè
=√
2
2
2
m +n +1
3.8. ESEMPI E APPLICAZIONI
71
quelle del sistema (?) soggette a quest’ultima condizione.
Per determinare quelle del piano y = 0 basta porre nella condizione n = 0.
Si ottengono le due rette
(
(
y = 0√
y=0 √
3
3
r)
s)
x=
(z − 1)
x=−
(z − 1)
3
3
Esempio
16 Sono assegnati il piano π : x − 2y + z − 1 = 0 e la retta
º
x−y =0
r)
Detto P = (a, b, c) il generico punto dello spazio,
y − z + 1 = 0.
determinare:
a) il punto P1 simmetrico di P rispetto ad π;
b) il punto P2 simmetrico di P rispetto ad r;
c) Il luogo X dei punti P tali che P1 = P2 .
Soluzione. a) Per trovare il punto P1 simmetrico di P , rispetto al piano
π, bisogna trovare il punto H comune a π e alla retta passante per P e
perpendicolare a π. Il punto P1 è il punto tale che H sia il punto medio del
segmento P P1 . Sviluppiamo i calcoli su quanto
detto; le equazioni della retta
(x =
a+t
passante per P e perpendicolare a π sono y = b − 2t . Facendo sistema
z =c+t
−a + 2b − c + 1
. Quindi il punto H
con l’equazione del piano π si ha t =
6
³
²
5a + 2b − c + 1 a + b + c − 1 −a + 2b + 5c + 1
. Ne
ha coordinate H =
,
,
6
3
6
segue che il punto P1 = (x1 , y1 , z1 ) ha le sue coordinate soddisfacenti le
condizioni


x1 + a
2a + 2b − c + 1


x1 =
=
x


h




2
3


2a − b + 2c − 2
y1 + b
da cui
y1 =
= yh


2
3






 z1 + c = zh
 z = −a + 2b + 2c + 1
1
2
3
b) Per trovare il simmetrico di P rispetto alla retta r si deve trovare il punto
K di intersezione con r del piano passante per P , perpendicolare ad r; per
cui il punto P2 è il punto tale che K sia il punto medio del segmento P P2 .
Sviluppiamo i calcoli. La retta r ha parametri direttori (1, 1, 1); quindi il
piano per P perpendicolare ad r ha equazione x − a + y − b + z − c = 0. Dal
72
CAPITOLO 3. GEOMETRIA LINEARE NELLO SPAZIO
sistema
² con le equazioni della r si ottiene il punto³comune
a+b+c−1 a+b+c−1 a+b+c+2
. Quindi il punto P2 =
K =
,
,
3
3
3
(x2 , y2 , z2 ) è il punto le cui coordinate soddisfano il sistema

a + x2

= xk



 2
b + y2
= yk
 2



 c + z2 = zk
2
da cui si deduce

−a + 2b + 2c − 2

x2 =



3

2a − b + 2c − 2
y2 =

3



 z = 2a + 2b − c + 4
2
3
c) Per rispondere a questo quesito si devono eguagliare le coordinate dei
punti P1 e P2 . Si ottiene
(
2a + 2b − c + 1 = −a + 2b + 2c − 2
2a − b + 2c − 2 = 2a − b + 2c − 2
−a + 2b + 2c + 1 = 2a + 2b − c + 4
La prima e la terza danno a−c+1 = 0; la seconda è l’identità. La conclusione
è che il luogo X dei punti tali che i simmetrici P1 e P2 sono uguali è un piano
la cui equazione è x − z + 1 = 0.
Capitolo 4
Le Coniche
4.1
Generalità
Sia fissato nel piano un sistema di riferimento cartesiano ortogonale O~x~y .u.
Dopo avere studiato le rette, che “corrispondono” alle equazioni di primo
grado nelle variabili x e y, vogliamo adesso studiare le coniche, che “corrispondono” alle equazioni di secondo grado in x e y.
In generale si pone la seguente
Definizione 6 Una conica è il luogo dei punti propri o impropri, reali
o immaginari che con le loro coordinate omogenee (x0 , y 0 , t0 ) soddisfano
una equazione di secondo grado omogenea nelle variabili x0 , y 0 , t0 del
tipo
f (x0 , y 0 , t0 ) ≡ a11 x02 +2a12 x0 y 0 +a22 y 02 +2a13 x0 t0 +2a23 y 0 t0 +a33 t02 = 0 (4.1)
Osservazione 9 Se la forma quadratica f (x0 , y 0 , t0 ) è il quadrato di una
forma lineare ax0 + by 0 + ct0 , allora la conica è data dai punti della retta
ax0 + by 0 + ct0 = 0 ciascuno contato due volte.
Se della conica considerata interessano soltanto i punti propri allora ci si
può riferire all’equazione non omogenea che si ottiene dalla (4.1) ponendo
x0 = x, y 0 = y, t0 = 1 e cioè l’equazione
f (x, y, 1) ≡ a11 x2 + 2a12 xy + a22 y 2 + 2a13 x + 2a23 y + a33 = 0
73
(4.2)
74
CAPITOLO 4. LE CONICHE
L’equazione (4.2) si suole talvolta scrivere nella forma
f (x, y, 1) ≡ φ2 (x, y) + φ1 (x, y) + φ0 = 0
(4.3)
dove φ2 (x, y) indica il complesso dei termini di secondo grado nelle variabili
x e y, φ1 (x, y) il complesso dei termini di primo grado e φ0 il termine noto.
A seconda del tipo di problema che si deve affrontare ci si riferirà all’equazione della conica nella forma (4.1), (4.2), (4.3).
Ad ogni conica si associa una matrice B simmetrica, detta la matrice della
conica, data da


a11 a12 a13
B =  a12 a22 a23 
(4.4)
a13 a23 a33
Gli elementi di B si ottengono dall’equazione (4.1) dividendo per 2 i coefficienti dei termini misti e riscrivendo sulla diagonale principale i coefficienti
di x02 , y 02 e t02 . In altri termini B è la matrice associata alla forma quadratica
f (x0 , y 0 , t0 ).
Per gli sviluppi successivi consideriamo pure le seguenti entità:
1. il determinante di B;
2. il rango di B;
²
a11
3. la sottomatrice A =
a12
forma quadratica φ2 (x, y);
³
a12
, che è la matrice associata alla
a22
4. il determinante di A, det(A), e la sua traccia T r(A) = a11 + a22 .
Ricordando quanto detto a proposito del prodotto fra matrici, è talvolta
utile considerare le equazioni (4.1) e (4.2) in forma matriciale.
Precisamente se:
 0
x
0 =  y 0  è il vettore colonna delle variabili nel caso (4.1) oppure
x
0
 t
x

x = y  nel caso (4.2), le equazioni di una conica si possono scrivere in
1
forma compatta:
(4.5)
f (x0 , y 0 , t0 ) ≡ t x0 B x0 = 0
4.2. RIDUZIONE DI UNA CONICA A FORMA CANONICA
75
oppure
f (x, y, 1) ≡ t xB x = 0
(4.6)
La forma a cui è opportuno riferirsi, compatta o meno, dipenderà essenzialmente dal contesto in cui si opera.
Definizione 7 Se il primo membro dell’equazione (4.1) o (4.2) si spezza nel prodotto di due fattori lineari, distinti o no, la conica si dice
riducibile o spezzata ed i suoi punti sono quelli delle due rette in cui
si spezza.
Se una conica non è riducibile si dice irriducibile.
4.2
Riduzione di una conica a forma canonica
Per studiare una conica si adotta un procedimento di riduzione a forma canonica, che consiste nell’individuare una opportuna rototraslazione
che cambia il sistema ortogonale antiorario dato O(i, j) in un altro sistema
O0 (I,J), anch’esso ortogonale antiorario, rispetto a cui l’equazione (4.2) della
conica assuma una delle seguenti due forme:
I) αX 2 + βY 2 = γ
oppure II) βY 2 = 2γX
che si potranno rendere omogenee quando questo occorra.
Cominciamo col considerare l’equazione (4.2) f (x, y, 1) = 0 con aij ∈ IR. In
essa φ2 (x, y) è la forma quadratica associata alla matrice simmetrica reale
A. In base al Teorema spettrale, A può essere diagonalizzata mediante
una matrice ortogonale P = (pij ) ∈ IR2,2 di tipo speciale, cioè tale che
det(P ) = 1, per cui
P
−1
t
AP = P AP =
²
α
0
0
β
³
= A0
dove α e β sono gli autovalori di A, che come sappiamo sono reali. Come è
noto la matrice P è la matrice di una rotazione antioraria del dato sistema
di riferimento.
76
CAPITOLO 4. LE CONICHE
Utilizzando la matrice P , dianzi determinata, di fatto
mento di coordinate:
 
 ?

x
X
p11
 y  = P0  Y ? 
dove P 0 =  p21
1
1
0
si opera un cambiap12
p22
0

0
0
1

X?
che si può anche scrivere in termini vettoriali x = P 0 X ? , dove X ? =  Y ? .
1
Allora l’equazione (4.2) t xBx = 0, tenendo conto che t x = (t X ? )(t P 0 ),
diventa t X ? (t P 0 BP 0 )X ? = 0.
In termini più espliciti si ha:

αX ? 2 + βY ? 2 + aX ? + bY ? + c = 0
(4.7)
~ ?Y
~ ? è stato posPer effetto della rotazione che porta il sistema O~x~y in OX
sibile “eliminare” il termine misto xy.
A questo punto si procede distinguendo vari casi:
1. Se α = 0 e β = 0 la (4.7) diventa: aX ? + bY ? + c = 0, che può essere
scritta: (aX ? + bY ? + cT ? )T ? = 0. Se (a, b) 6= (0, 0), mediante una
opportuna rototraslazione, la retta aX ? + bY ? + cT ? = 0 può essere
~ di un nuovo sistema di riferimento; in tal caso
assunta come l’asse Y
l’equazione della conica diventa XT = 0 che è del tipo II).
Se (a, b) = (0, 0) la (4.7) diventa cT ? 2 = 0 che è del tipo I).
2. Se α = 0 e β 6=
βY ? 2 + aX ? + bY ? + c = 0 che si
³
² 0 la (4.7) diventa:
b
può scrivere β Y ? 2 + Y ? + aX ? + c = 0; completando il quadrato
β
si ha:
³
²
b2
b 2
?
+ aX ? + c −
=0
β Y +
2β
4β
Se a = 0, con la traslazione X = X ? ,
Y = Y? +
b
, l’equazione
2β
b2
− c, che è del tipo I).
4β
Se a 6= 0 l’equazione si può scrivere:
³
²
³
²
4βc − b2
b 2
?
?
+a X +
=0
β Y +
2β
4aβ
diventa: βY 2 =
4.2. RIDUZIONE DI UNA CONICA A FORMA CANONICA
che con la traslazione: X = X ? +
4βc − b2
,
4aβ
Y = Y?+
77
b
diventa:
2β
βY 2 + aX = 0 che è del tipo II).
3. Se α 6= 0 e β 6= 0 completando i quadrati si ha:
³
²
°
a2
a ±2
b 2
b2
?
?
+c−
α X +
+β Y +
−
= 0;
2α
2β
4α 4β
con la traslazione X = X ? +
a
,
2α
αX 2 + βY 2 =
Y =Y?+
b
, l’equazione diventa
2β
a2
b2
+
−c
4α 4β
che è del tipo I).
Osservazione 10 Si noti che dopo fatta la rotazione che diagonalizza
la sottomatrice A gli autovalori α e β, coefficienti di X ? 2 e Y ? 2 , non
vengono influenzati dalla eventuale successiva traslazione.
In definitiva detto O0 = (a, b) il centro della traslazione, la matrice del
cambio di base è:


p11 p12 a
Q =  p21 p22 b 
0
0 1
ed è detta la matrice della rototraslazione.
Come si sa dalle lezioni di Algebra Lineare la relazione tra le coordinate
(x, y) di un punto P nel sistema O~x~y .u e le coordinate della stesso punto
~Y
~ .u è data da :
nel sistema O0 X
 
 
x
X
y  = Q Y 
(4.8)
1
1
 
 
x
X



y
è un vettore colonna e anche X =
Y  lo è le (4.8) si
Se x =
1
1
possono anche scrivere:
(4.9)
x = QX
78
CAPITOLO 4. LE CONICHE
da cui prendendo le trasposte di ambo i membri si ha t x = t X t Q.
Se scriviamo l’equazione (4.2) della conica data in forma compatta
t
x B x = 0,
(4.10)
X(t QBQ)X = 0,
(4.11)
utilizzando le (4.9) si ha:
t
che è l’equazione della conica in una delle due forme I) o II), a cui si perviene
operando nel modo precedentemente descritto. In (4.11) la matrice B 0 della
conica è B 0 = t QBQ e la sottomatrice A0 è simile alla sottomatrice A di B,
in quanto la parte quadratica φ2 (X, Y ) è proprio quella che si ottiene dopo
aver fatto la rotazione; per convincersi di ciò si tenga conto di quanto detto
nella Osservazione 10 .
I ragionamenti sin qui fatti ci permettono di trarre la seguente importante
conclusione:
Teorema 1 Data una conica Γ a coefficienti reali di equazione t x B x =
0 è sempre possibile operare una rototraslazione, di matrice Q, tale che
~Y
~ .u abbia una delle seguenti due forme:
Γ nel nuovo riferimento O0 X
I)
αX 2 + βY 2 = γ
oppure
II)
βY 2 = 2γX.
Inoltre dette B e A la matrice della conica e la sottomatrice dei termini
di secondo grado in x e in y e rispettivamente B 0 e A0 le corrispondenti
matrici per la conica in forma ridotta si ha:
(a) B e B 0 hanno lo stesso determinante e lo stesso rango.
(b) A e A0 sono simili e hanno quindi lo stesso polinomio caratteristico, lo stesso determinante e la stessa traccia.
Dimostrazione. La prima parte è già stata provata.
Per (a) basta osservare che B 0 = t QBQ e che detQ = dett Q = 1; come
conseguenza del teorema di Binet si ha det(B 0 ) = det(B).
Le matrici B e B 0 hanno lo stesso rango perché sono ottenute moltiplicando,
a sinistra e a destra, per matrici invertibili.
La (b) è una immediata conseguenza della similitudine di A e A0 . Infatti
matrici simili hanno lo stesso polinomio caratteristico, lo stesso determinante
e la stessa traccia. 2
4.3. SIGNIFICATO GEOMETRICO DEL RANGO DI B
79
Definizione 8 I numeri det(B), det(A), ρ(B), tr(A) si dicono invarianti ortogonali in quanto si mantengono inalterati dopo una rototraslazione.
4.3
Significato geometrico del rango di B
Teorema 2 Data la conica Γ,condizione necessaria e sufficiente perché:
(a) Γ sia spezzata in due rette coincidenti è che ρ(B) = 1 .
(b) Γ sia spezzata in due rette distinte è che ρ(B) = 2 .
(c) Γ sia irriducibile è che ρ(B) = 3 .
Dimostrazione. Visto che ρ(B) è un invariante ortogonale ci si può riferire
alle forme canoniche I) e II).
(a) Riferiamoci alle coniche del tipo I). Allora se ρ(B 0 ) = 1 deve accadere
che due dei tre numeri α, β e γ siano nulli e il terzo non nullo; da ciò segue
immediatamente che la conica si spezza in due rette coincidenti.
Viceversa sia: αX 2 + βY 2 − γT 2 ≡ (aX + bY + cT )2 .
La precedente per il principio di identità dei polinomi, può sussistere solo
se due dei tre numeri α, β, γ sono nulli e il terzo è non nullo. Quindi la
conclusione. In modo analogo si ragiona se la conica è del tipo II).
(b) Se ρ(B 0 ) = 2 è immediato che la conica si spezza in due rette distinte.
Viceversa, se il polinomio che definisce Γ si spezza nel prodotto di due fattori
lineari distinti, (∗) αX 2 + βY 2 − γT 2 ≡ (aX + bY + cT )(a0 X + b0 Y + c0 T ),
allora ρ(B) = 2.
Infatti se le due rette di equazioni aX + bY + cT = 0 e a0 X + b0 Y + c0 T = 0 si
incontrano in un punto proprio P0 , si fa una traslazione in P0 , e l’equazione
di Γ assume la forma (pX + qY )(p0 X + q 0 Y ) = 0; il rango di tale conica, che
è uguale al rango di B, è ≤ 2. Tenuto conto di (a) segue che ρ(B) = 2.
Se il punto P0 è improprio con una opportuna rotazione l’equazione di Γ
si può scrivere nella forma (qY + rT )(q 0 Y + r0 T ) = 0. Anche in tal caso il
rango di B 0 è ≤ 2. Si procede in modo analogo e si ha la stessa conclusione.
(c) Segue per esclusione.
2
80
4.4
CAPITOLO 4. LE CONICHE
Ricerca dei punti impropri di una conica
I punti impropri di una conica si determinano dal sistema:
º
a11 x2 + 2a12 xy + a22 y 2 + 2a13 xt + 2a23 yt + a33 t2 = 0
t=0
Se a11 = a12 = a22 = 0 la conica è spezzata e contiene come parte la retta
impropria. In tal caso la conica ha infiniti punti impropri.
Se ciò non si verifica la conica ha sempre due punti impropri che si ottengono
dal sistema:
º
a11 x2 + 2a12 xy + a22 y 2 = 0
t=0
e le cui coordinate sono date da:
(−a12 −
q
a212 − a11 a22 , a11 , 0),
(1, 0, 0),
Tali punti saranno
4.5
(−a12 +
q
a212 − a11 a22 , a11 , 0) se a11 6= 0
(a22 , −2a12 , 0)
se a11 = 0
reali e distinti
reali e coincidenti
immaginari e coniugati
se
se
se
a212 − a11 a22 > 0
a212 − a11 a22 = 0
a212 − a11 a22 < 0.
Classificazione delle coniche irriducibili
Definizione 9 Una conica irriducibile, cioè tale che det(B) 6= 0, si dice:
Iperbole
Parabola
Ellisse
se ha due punti impropri reali e distinti,
se ha due punti impropri reali e coincidenti,
se ha due impropri immaginari e coniugati,
cioè se det(A) < 0.
cioè se det(A) = 0.
cioè se det(A) > 0.
Osservazione 11 Le coniche I) αX 2 + βY 2 = γ oppure II) βY 2 = 2γX
sono irriducibili se tutti i coefficienti che vi figurano sono non nulli.
Dalla I) segue:
X2 Y 2
γ + γ = 1.
α
β
4.6. STUDIO DELLE CONICHE IN FORMA CANONICA
81
Se α e β sono concordi nel segno, allora det(A) > 0; se hanno anche lo stesso
γ
γ
segno di γ, ponendo = a2 e = b2 l’equazione si può anche scrivere nella
α
β
forma:
X2 Y 2
+ 2 =1
a2
b
che è l’equazione di una ellisse reale.
Se α e β hanno segno opposto a quello di γ l’equazione si può scrivere:
X2 Y 2
+ 2 = −1
a2
b
avendo posto a2 = −
γ
γ
e b2 = − .
α
β
In tal caso si ha l’equazione di una ellise immaginaria.
Se invece α e β sono discordi, allora det(A) < 0. Allora la conica è una
iperbole che, con opportune posizioni si può scrivere:
X2 Y 2
− 2 = 1.
a2
b
Questa è l’equazione canonica di una iperbole.
γ
Dalla equazione II) ponendo = p si ha :
β
Y 2 = 2pX
che è l’equazione canonica di una parabola. In tal caso det(A) = 0.
4.6
4.6.1
Studio delle coniche in forma canonica
Studio dell’ellisse in forma canonica
Cominciamo col considerare l’equazione canonica dell’ellisse reale
X2 Y 2
+ 2 =1
a2
b
(4.12)
Cerchiamo di evidenziare le principali proprietà. Scrivendo la (4.12) nella
X2
b2 − Y 2
si ha che i punti reali che la soddisfano sono tali che
forma 2 =
a
b2
82
CAPITOLO 4. LE CONICHE
b2 − Y 2 ≥ 0 e ciò accade per −b ≤ Y ≤ b. Analogamente si vede che le
ascisse dei punti reali dell’ellisse (4.12) sono tali che −a ≤ X ≤ a.
I numeri a e b si dicono i semiassi dell’ellisse. L’origine O del riferimento è
centro di simmetria; ciò si deduce dal fatto che se (α, β) soddisfa la (4.12)
anche il suo simmetrico rispetto ad O, che ha coordinate (−α, −β), soddisfa
la (4.12).
Cambiando X in −X l’equazione (4.12) non cambia; questo vuol dire che
~ del dato riferimento è un asse di simmetria per la data ellisse.
l’asse Y
~ è un asse di simmetria.
Analogamente l’asse X
b2
Da (4.12) si ha ancora: Y 2 = 2 (a2 − X 2 ). Riferendoci al ramo delle Y
a
bp 2
2
a − X , da cui si deduce che al crescere di X da 0
positive si ha Y =
a
ad a la Y decresce da b a 0. Supposto a ≥ b il grafico della parte reale della
(4.12) è il seguente:
~
Y
X = −a2 /c
X = a2 /c
P
F1
O
F2
~
X
fig.28
√
Se a > b introduciamo i due punti F1 (−c, 0) ed F2 (c, 0) dove c = a2 − b2 .
Tali punti, quando ci si riferisce alla forma canonica considerata, si dicono i
fuochi della nostra ellisse. Essi si possono caratterizzare in vario modo.
Una elementare proprietà è che l’equazione (4.12) si può ottenere come
equazione del luogo geometrico dei punti P (X, Y ) del piano tali che :
d(P, F1 ) + d(P, F2 ) = 2a.
Consideriamo inoltre le rette di equazione X = −
a2
a2
eX =
. Relativac
c
4.6. STUDIO DELLE CONICHE IN FORMA CANONICA
83
mente alla forma canonica considerata tali rette si dicono rispettivamente le
direttrici relative ai fuochi F1 ed F2 .
Sussiste la seguente
Proposizione 13 Il rapporto delle distanze dei punti propri e reali P
dell’ellisse da un fuoco e dalla relativa direttrice è costante. Tale coc
stante si dice l’eccentricità, e si indica con e. Risulta che e = , e
a
nell’ellisse è sempre e < 1.
Osserviamo che nel caso in cui a < √
b tutto quanto osservato si ripete allo
stesso modo. In tal caso si pone c = b2 − a2 , i fuochi sono i punti dell’asse
~y : F1 = (0, −c) e F2 = (0, c) e le relative direttrici sono le rette di equazione:
b2
b2
Y = − , Y = . Ovviamente continuano a sussistere le proprietà che
c
c
abbiamo citato.
4.6.2
Studio dell’iperbole in forma canonica
L’equazione in forma canonica è
X2 Y 2
− 2 = 1.
a2
b
(4.13)
Per l’iperbole si potrebbe ripetere la stessa analisi fatta per l’ellisse. Non
vale la pena di ripetere i dettagli. Le conclusioni a cui si arriva sono le
seguenti:
1. La parte reale della curva si ottiene per X ≤ −a e X ≥ a.
2. L’origine del riferimento è centro di simmetria.
~ eY
~ sono di simmetria per la curva.
3. Gli assi X
b
4. Le due rette Y = ± X, che congiungono il centro di simmetria con i
a
due punti impropri della iperbole sono asintoti per la curva; ciò vuol
dire, come vedremo, che tali rette sono tangenti alla iperbole nei suoi
punti impropri.
√
5. Detto c = a2 + b2 , i due punti F1 (−c, 0) ed F2 (c, 0) sono i fuochi
a2
a2
le rispettive direttrici.
dell’iperbole e le due rette X = − e X =
c
c
84
CAPITOLO 4. LE CONICHE
Il grafico della iperbole è il seguente:
~
Y
P
F1
F2
O
X = −a2 /c
~
X
X = a2 /c
fig.29
L’equazione dell’iperbole si può ottenere come il luogo geometrico dei punti
propri e reali P del piano tali che
|d(P, F1 ) − d(P, F2 )| = 2a.
Sussiste anche la seguente:
Proposizione 14 Il rapporto delle distanze dei punti propri e reali P
dell’iperbole da un fuoco e dalla relativa direttrice è costante. Tale
c
costante si chiama eccentricità e; si trova che e = ; nell’iperbole si
a
ha sempre e > 1.
È immediato provare quanto affermato in 4. e cioè che i due asintoti Y =
b
± X sono le congiungenti l’origine, che è il centro di simmetria, con i due
a
punti impropri dell’iperbole.
Infatti dal sistema
(
T =0
X2 Y 2
− 2 = T2
a2
b
=⇒
(
T =0
X2 Y 2
− 2 =0
a2
b
=⇒
º
T =0
(bX + aY )(bX − aY ) = 0
si ha che i punti impropri dell’iperbole sono (a, b, 0) e (a, −b, 0); essi caratteb
rizzano le rette di coefficienti angolari ± . Quindi le congiungenti l’origine
a
4.6. STUDIO DELLE CONICHE IN FORMA CANONICA
85
b
O e tali punti sono proprio Y = ± X.
a
Da quanto precede si vede subito che i punti impropri della iperbole considerata sono in direzioni ortogonali se e solo se a2 = b2 . In questo caso ciò
equivale a dire che la traccia T r(A) = 0.
In generale si pone la seguente
Definizione 10 Una conica irriducibile si dice che è una iperbole
equilatera se ha i punti impropri reali e in direzioni ortogonali.
Sussiste la seguente
Proposizione 15 La T r(A) = 0 caratterizza le coniche contenenti come
parte la retta impropria, oppure che hanno due punti impropri reali e
in direzioni ortogonali.
In particolare le coniche irriducibili tali che T r(A) = 0 sono tutte e
sole iperboli equilatere.
Dimostrazione. Se la conica data ha equazione: t(2a13 x+2a23 y+a33 t) = 0
è chiaro che T r(A) = 0. Supponiamo che almeno uno dei numeri a11 , a12 , a22
sia non zero. Allora, come sappiamo, i punti impropri hanno coordinate:
(−a12 −
q
q
a212 − a11 a22 , a11 , 0); e (−a12 + a212 − a11 a22 , a11 , 0) se a11 6= 0
Se essi sono reali e in direzioni ortogonali dovrà essere zero la somma dei
prodotti delle coordinate omonime; cioè dovrà essere a11 (a11 + a22 ) = 0. Ma
a11 6= 0; quindi T r(A) = 0.
Se a11 = 0 i punti impropri sono (1, 0, 0); (a22 , −2a12 , 0) e per essere in
direzione ortogonale dev’essere a22 = 0; anche in tal caso la traccia T r(A) =
0.
Viceversa se T r(A) = a11 + a22 = 0, allora può essere a11 = a22 = 0 oppure
a11 = −a22 6= 0. Nel primo caso se anche a12 = 0 allora la conica contiene
come parte la retta impropria; se invece a12 6= 0 i punti impropri sono
X∞ = (1, 0, 0) e Y∞ = (0, 1, 0) che sono ovviamente in direzioni ortogonali.
Se invece a11 = −a22 6= 0 si deduce che i punti impropri sono reali e distinti
e in direzioni
p essi sono:
p ortogonali. In tal caso infatti
2
2
(−a12 − a12 + a11 , a11 , 0) e (−a12 + a212 + a211 , a11 , 0).
Facendo la somma dei prodotti delle componenti omonime si ha: a211 + a212 −
a212 − a211 che è zero e quindi si ha la condizione di ortogonalità. 2
86
CAPITOLO 4. LE CONICHE
4.6.3
Studio della parabola in forma canonica
L’equazione canonica della parabola è
Y 2 = 2pX.
(4.14)
Per fissare le idee supponiamo che p > 0. Le cose importanti da notare sono
le seguenti:
1. La parte reale della curva si ha per X ≥ 0.
~ è di simmetria per la nostra curva.
2. L’asse X
~ incontra la curva in due intersezioni coincidenti in O.
3. L’asse Y
4. L’asse di simmetria incontra la parabola in due punti: uno proprio
detto vertice ed un altro improprio, detto punto improprio della
parabola; quest’ultimo è il punto in cui la retta impropria incontra
la parabola in due punti impropri coincidenti.
°p ±
p
, 0 è il fuoco della parabola, e la retta X = −
5. Il punto F =
2
2
la corrispondente direttrice.
Il grafico di una tale parabola è del tipo seguente:
~
Y
P
O
X = −p/2
fig.30
F
~
X
4.7. CENTRO ED ASSI DI SIMMETRIA
87
Proposizione 16 L’equazione della parabola si può ottenere come il
luogo geometrico dei punti propri e reali P del piano che sono equidistanti dal fuoco e dalla relativa direttrice. Tale rapporto si chiama
l’eccentricità e. Ne segue che nella parabola è sempre e = 1.
4.7
Centro ed assi di simmetria
Dall’esame delle equazioni canoniche abbiamo dedotto che ellissi ed iperboli
~ e
hanno un centro e due assi di simmetria, che sono l’origine O0 e gli assi X
~
Y . Ricordiamo che per ridurre una conica dalla sua forma generale a quella
canonica abbiamo operato una rototraslazione. È chiaro che la rotazione è
necessaria se a12 6= 0.
La rotazione muta il riferimento ortogonale O~x~y nel riferimento, anch’esso
~ ?Y
~ ? ; dopo si applica la traslazione che trasforma il riferiortogonale, OX
~ ?Y
~ ? nel riferimento O0 X
~Y
~ , rispetto a cui la conica assume la
mento OX
?
~
~ ? sono paralleli agli assi di simmetria
forma canonica. Quindi gli assi X e Y
della conica.
Da un punto di vista algebrico la rotazione fa sı̀ che la base antioraria (i, j)
che individua il riferimento O~x~y venga cambiata nella base antioraria di
autovettori normalizzati (I,J), che come sappiamo saranno i versori dei
~? e Y
~ ?.
nuovi assi X
Come è noto dal Teorema spettrale, per fare ciò si diagonalizza A mediante
una matrice P ortogonale di tipo speciale, cioè tale che det(P ) = 1. Come
sappiamo, tali matrici sono associate a rotazioni antiorarie del riferimento.
Di fatto si opera nel modo seguente: detti α e β gli autovalori di A, gli
autospazi associati, su cui stanno gli autovettori I e J, hanno equazioni
rispettivamente:
(a11 − α)x + a12 y = 0,
(a11 − β)x + a12 y = 0
con a12 6= 0.
(4.15)
~? e Y
~ ? e quindi sono paQueste due rette danno le equazioni degli assi X
rallele agli assi di simmetria della conica considerata.
La traslazione che porta l’origine O nella nuova origine O0 fa sı̀ che O0 sia
centro di simmetria e pertanto l’equazione t X B 0 X = 0 non deve contenere
termini di primo grado in X e Y . Perchè ciò accada devono essere nulli a013
e a023 .
Tali coefficienti sono le prime due componenti del vettore riga
(0, 0, 1)B 0 = (0, 0, 1) t QBQ,
88
CAPITOLO 4. LE CONICHE

1
dove Q =  0
0
nuova origine O0

0 a
1 b  è la matrice della traslazione dall’origine O alla
0 1
= (a, b). Riprendendo la precedente si ha:
(0, 0, 1)t QBQ = (a, b, 1)BQ = (a11 a + a12 b + a13 , a12 a + a22 b + a23 , −).
Si deduce quindi che il punto O0 = (a, b) le cui coordinate soddisfano il
sistema:
º
a11 a + a12 b + a13 = 0
(4.16)
a12 a + a22 b + a23 = 0
è il centro di simmetria della conica.
Dallo studio della forma canonica della parabola abbiamo visto che non
c’era un centro di simmetria; il riscontro analitico si ha osservando che il
sistema precedente, nel caso in cui il determinante dei coefficienti è nullo, è
incompatibile, in quanto il rango della matrice dei coefficienti è uno mentre
il rango della matrice completa è due. Quindi le parabole non hanno centro
di simmetria.
Per le parabole sappiamo che la sottomatrice A ha gli autovalori 0 e β.
Con considerazioni analoghe a quelle fatte per le ellissi e le iperboli, si può
provare che per le parabole l’autospazio associato all’autovalore nullo è una
retta parallela all’asse di simmetria.
4.8
Circonferenze
Come è noto il luogo dei punti P del piano che distano r > 0 dal punto di
coordinate (α, β) ha equazione: (x − α)2 + (y − β)2 = r2 . Questa è l’equazione di una circonferenza, in senso elementare.
Ora noi vogliamo generalizzare tale nozione dicendo che una circonferenza
è il luogo dei punti propri o impropri, reali o immaginari che con le loro
coordinate soddisfano una equazione: (x − αt)2 + (y − βt)2 = ht2 , con h
parametro reale non nullo.
Per abuso di linguaggio diremo che l’equazione (x − αt)2 + (y − βt)2 = 0
rappresenta una circonferenza di centro (α, β) e raggio nullo, pur essendo
una conica spezzata nelle due rette immaginarie coniugate:
[(x − αt) + i(y − βt)][(x − αt) − i(y − βt)] = 0.
4.8. CIRCONFERENZE
89
È immediato vedere che sviluppando i calcoli nell’equazione della data circonferenza si ottiene una conica in cui a11 = a22 6= 0, a12 = 0. Viceversa
se una conica è tale che le precedenti condizioni sono verificate, allora la
conica è una circonferenza in senso generalizzato. Infatti, tenendo conto
di tali condizioni, dividendo ambo i membri per a11 6= 0, l’equazione della
conica si può scrivere:
x2 + y 2 +
2a23
a33
2a13
x+
y+
= 0.
a11
a11
a11
Completando i quadrati l’equazione della conica si può scrivere:
´
µ
´
µ
²
³
²
³
a13 2
a23 2
a13 2
a23 2 a33
x − (−
) + y − (−
) =
+
−
.
a11
a11
a11
a11
a11
²
³2
²
+
a23
a11
³2
a33
−
,
³
²a11
a13 a23
,−
nel caso in cui h > 0, si ha una circonferenza reale di centro C = −
a11 a11
√
e raggio r = h.
Col precedente metodo del completamento dei quadrati si ha che se una
circonferenza ha equazione:
Dalla precedente si deduce che posto h =
a13
a11
x2 + y 2 + ax + by + c = 0
(4.17)
³
²
a b
e il raggio, nel
allora le coordinate del suo centro sono C = − , −
2 2
√
a2 b2
+
− c > 0, è dato da h.
caso che h =
4
4
Adesso data una qualunque circonferenza (x − αt)2 + (y − βt)2 = ht2 ,
cerchiamo i suoi punti impropri; essi si ottengono dal sistema:
º
x2 + y 2 = 0
t=0
Tale sistema dà come soluzioni i due punti impropri e immaginari:
C1 = (1, i, 0), C2 = (1, −i, 0), i quali sono detti i punti ciclici del piano.
Si definiscono poi le rette isotrope uscenti dal punto P = (a, b) come le
rette P C1 e P C2 congiungenti P con i punti ciclici. Quindi le rette isotrope
uscenti da P = (a, b) sono le rette aventi equazioni: y − b = ±i(x − a).
90
CAPITOLO 4. LE CONICHE
Facendo il prodotto di tali rette si ottiene la conica di equazione
(x − a)2 + (y − b)2 = 0, che come sappiamo rappresenta il cerchio di centro
P e raggio nullo.
Proviamo adesso la seguente
Proposizione 17 Se una conica passa per i punti ciclici, allora o contiene come parte la retta impropria, oppure è una circonferenza.
Dimostrazione. Imponendo alla generica conica del piano di passare per
i punti ciclici si trova che i suoi coefficienti devono soddisfare il sistema:
º
a11 + 2a12 i − a22 = 0
a11 − 2a12 i − a22 = 0.
Sommando e sottraendo, membro a membro, si deduce: a11 = a22 ; a12 =
0. Ed allora se a11 = a22 = 0 la nostra conica è spezzata nella retta impropria
ed in una ulteriore altra retta; se invece a11 = a22 6= 0, insieme a a12 =
0, sono soddisfatte le condizioni che ci dicono che la nostra conica è una
circonferenza. 2
4.9
Tangenti e polari
Data la conica irriducibile Γ, poniamo la seguente
Definizione 11 Diremo che la retta r è tangente a Γ nel suo punto
P0 se essa incontra Γ in due punti coincidenti in P0 .
Vogliamo provare che una conica irriducibile Γ in ogni suo punto P0 proprio
o improprio, reale o immaginario, ammette una ed una sola retta tangente.
Precisamente dimostriamo il seguente
Teorema 3 Data la conica Γ irriducibile di equazione t x B x = 0, sia
P0 un suo punto qualunque di coordinate x0 . Allora esiste la tangente
a Γ in P0 e la sua equazione è t x0 B x = 0.
Dimostrazione. Sia P0 P1 una retta generica per P0 ; la sua equazione in
forma vettoriale omogenea si può scrivere : x = λx0 + µx1 , dove x0 , x1 sono
le coordinate omogenee di P0 e P1 .
Sostituendo nell’equazione della conica: t x B x = 0, si ha la risolvente:
t
(λx0 + µx1 ) B (λx0 + µx1 ) = 0.
4.9. TANGENTI E POLARI
91
Sviluppando i prodotti di matrici si ha:
λ2 ( t x0 B x0 ) + λµ (t x0 B x1 ) + λµ (t x1 B x0 ) + µ2 (t x1 B x1 ) = 0.
(4.18)
Ma t x1 B x0 è una matrice 1 × 1, quindi coincide con la sua trasposta
t (t x B x ) = t x B x , perché t B = B. D’altra parte t x B x = 0, visto
1
0
0
1
0
0
che P0 ∈ Γ. Ne segue che la risolvente si può scrivere:
2λµ (t x0 B x1 ) + µ2 (t x1 B x1 ) = 0.
(4.19)
Perché la retta P0 P1 incontri Γ in due intersezioni coincidenti in P0 , dalla
(4.19) dobbiamo ottenere la risolvente µ2 = 0. Perché ciò accada dev’essere:
t x B x = 0.
0
1
In altre parole perché P0 P1 sia tangente bisogna congiungere P0 con i punti P1 le cui coordinate soddisfano l’equazione t x0 B x = 0. Quest’ultima è
l’equazione di una retta sempre perfettamente determinata perché non può
accadere che sia t x0 B = (0, 0, 0) altrimenti, essendo la matrice B invertibile,
seguirebbe t x0 = (0, 0, 0). 2
Osservazione 12 In termini più espliciti se P0 ha coordinate t x0 =
(x0 , y0 , t0 ) l’equazione della tangente a Γ si può scrivere:

 
a11 a12 a13
x
(x0 , y0 , t0 )  a12 a22 a23   y  = 0,
a13 a23 a33
t
che si può esprimere come:
(a11 x0 +a12 y0 +a13 t0 )x+(a12 x0 +a22 y0 +a23 t0 )y+(a13 x0 +a23 y0 +a33 t0 )t = 0.
È interessante osservare che la precedente formula si applica in ogni
caso, sia che il punto è proprio o improprio, reale o immaginario.
4.9.1
Polarità rispetto ad una conica
Sia data una conica irriducibile Γ, quindi con det(B) 6= 0. Sia adesso P0 =
(x0 , y0 , t0 ) un punto qualunque del piano non necessariamente appartenente
a Γ.
Definizione 12 Diremo polare di P0 rispetto alla conica Γ la retta p0
di equazione: t x0 Bx = 0.
92
CAPITOLO 4. LE CONICHE
È immediato osservare che p0 è sempre perfettamente determinata. Altrimenti t x0 B = (0, 0, 0) e quindi come prima seguirebbe che t x0 = (0, 0, 0),
che è assurdo.
Viceversa data una qualunque retta r del piano di equazione ax+by +ct = 0
esiste un unico punto R che ha r come sua polare.
Infatti sia t x0 Bx = 0 la polare del generico punto P0 . Se vogliamo identificare questa retta
 con
 r dobbiamo imporre la proporzionalità dei coefficienti,
a
cioè B x0 = ρ  b .
c
Essendo per ipotesi det(B) 6= 0, tale sistema ammette, per il teorema di
Cramer, una e una sola soluzione x0 , che è certamente non nulla perché
(a, b, c) 6= (0, 0, 0), ed il sistema è non omogeneo.
Cosı̀ il polo di r è sempre perfettamente determinato.
Definizione 13 La corrispondenza biunivoca tra tutti i punti del piano
e tutte le rette del piano, cosı̀ definita, si chiama la polarità rispetto
alla conica irriducibile Γ.
Riferendoci alle notazioni fin qui usate, mettiamo in evidenza alcune importanti proprietà della polarità.
1. La polare di un punto P0 appartenente alla conica è la tangente in P0
alla conica stessa.
2. Teorema di reciprocità: P0 appartiene alla polare p1 di un punto
P1 se e solo se P1 appartiene alla polare p0 di P0 .
Dimostrazione. P0 ∈ p1 ⇐⇒ t x1 B x0 = 0. Il primo membro della
precedente è una matrice 1 × 1, quindi coincide con la sua trasposta.
Ne segue t x0 B x1 = 0 ⇐⇒ P1 ∈ p0 .
Definizione 14 Due punti P0 e P1 con la proprietà che l’uno appartenga alla polare dell’altro, si dicono coniugati nella polarità.
Un punto si dice autoconiugato se appartiene alla propria polare.
Dualmente: due rette si dicono coniugate se l’una contiene il polo
dell’altra; una retta si dice autoconiugata se contiene il proprio polo.
3. I punti autoconiugati sono tutti e soli i punti della conica. Le rette
autoconiugate sono tutte e sole le tangenti alla conica.
Dimostrazione. Infatti: P0 ∈ p0 ⇐⇒ t x0 Bx0 = 0 ⇐⇒ P0 ∈ Γ.
Discende subito che le rette autoconiugate sono tutte e sole le tangenti alla
4.9. TANGENTI E POLARI
93
conica.
4. Tangenti e polari. Se P0 ∈
/ Γ la sua polare p0 , non essendo tangente a Γ, la incontra in due punti T1 e T2 tali che P0 T1 e P0 T2 sono
tutte e sole le tangenti alla conica Γ condotte da P0 .
Dimostrazione. I punti P0 e T1 sono coniugati; quindi la tangente in T1
alla conica deve contenere T1 e P0 ; allora deve coincidere con P0 T1 .
Viceversa se la retta t per P0 è tangente in A a Γ si ha che A e P0 sono
coniugati perché P0 ∈ pA ; allora per il teorema di reciprocità A ∈ p0 .
5. In alcune applicazioni della Scienza delle Costruzioni sembra utile una
particolare corrispondenza fra punti e rette del piano, detta antipolarità.
x2 y 2
Data l’ellisse immaginaria Γi : 2 + 2 = −1 e il punto P0 = (x0 , y0 , 1). La
a
b
x0
y0
polare p0 i di P0 rispetto a Γi ha equazione 2 x + 2 y + 1 = 0. Tale equaa
b
zione coincide con la retta simmetrica rispetto all’origine O della polare di
x2 y 2
P0 rispetto alla ellisse reale Γ di equazione 2 + 2 = 1.
a
b
La retta che cosı̀ si associa al punto P0 si dice la antipolare del punto P0 .
Per come la antipolare è stata costruita segue che una antipolarità è il
prodotto di una polarità per una simmetria.
4.9.2
Centro di una conica
Come abbiamo dimostrato la polarità è una corrispondenza biunivoca fra
tutti i punti del piano e tutte le rette del piano.
Definizione 15 Si chiama centro di una conica il polo della retta
impropria.
Troviamo le coordinate del centro. L’equazione della retta impropria è t = 0.
Perché il punto P0 di coordinate t x0 = (x0 , y0 , t0 ) sia polo di t = 0 dobbiamo
identificare l’equazione t x0 B x = 0 della polare p0 del punto P0 alla t = 0.
Per ciò si deve avere la proporzionalità dei coefficienti delle due equazioni.
Allora dev’essere:
a11 x0 + a12 y0 + a13 t0 = 0;
a12 x0 + a22 y0 + a23 t0 = 0.
Il coefficiente di t nell’equazione della polare p0 è certamente diverso da zero
perché sappiamo che la polare di un punto è sempre perfettamente determinata, e quindi non possono essere contemporaneamente nulli i coefficienti di
94
CAPITOLO 4. LE CONICHE
x, y, e t.
Quindi le coordinate del centro si trovano risolvendo il sistema :
º
a11 x0 + a12 y0 + a13 t0 = 0
a12 x0 + a22 y0 + a23 t0 = 0
(4.20)
Questo è un sistema lineare omogeneo di due equazioni in tre incognite di
rango due, visto che il det(B) 6= 0. Sappiamo che un tale sistema ammette
una sola soluzione, a meno di un fattore di proporzionalità. Una base per
lo spazio delle soluzioni si può prendere calcolando i determinanti a segno
alternato dei minori che si ottengono sopprimendo ordinatamente le colonne
dalla matrice dei coefficienti del sistema. È utile, riferendosi alla matrice B
della conica, esprimere tale base mediante la terna non nulla:
x0 = B13 ;
y0 = B23 ;
t0 = det(A)
dove A è la sottomatrice di B dei termini di secondo grado in x e y, e
B13 , B23 sono i complementi algebrici di a13 , a23 in B.
Quindi il centro è un punto proprio se det(A) 6= 0. Ciò si verifica se
la nostra conica è una ellisse o una iperbole. In tal caso, ponendo t0 = 1,
si vede che il centro soddisfa, con le sue coordinate, lo stesso sistema che
è soddisfatto dalle coordinate del centro di simmetria della conica, quindi
coincide con esso, vedi pagina 88 sistema (4.16).
Se invece det(A) = 0, nel caso in cui la nostra conica è una parabola, si
vede subito che il sistema (4.20) ha una soluzione con t0 = 0; quindi il punto
trovato è improprio. In tal caso il centro è un punto autoconiugato e come
tale appartiene alla parabola. Quindi è il punto improprio della parabola
stessa.
In definitiva le parabole non hanno centro di simmetria, ma hanno il
centro.
4.9.3
Diametri di una conica
Iniziamo il paragrafo con la seguente
Definizione 16 Si chiamano diametri di una conica le rette passanti
per il centro.
4.9. TANGENTI E POLARI
95
Quindi, per il teorema di reciprocità, i diametri sono le polari dei punti impropri.
È interessante il seguente risultato, di cui omettiamo la dimostrazione, che
dà una descrizione geometrica dei diametri.
Teorema 4 Il diametro polare di un punto improprio P0 = (1, m, 0)
è il luogo dei punti medi delle corde che hanno direzione data dal
coefficiente angolare m.
Osservazione 13
a) Esaminando l’equazione canonica della parabola Y 2 = 2pX si vede che
l’asse di simmetria è il luogo dei punti medi delle corde che hanno direzione
ortogonale a quella data dal punto improprio della parabola stessa. Ne
deriva un metodo per determinare l’asse di simmetria di una parabola. Tale
proprietà è una proprietà intrinseca della parabola e quindi non dipende dal
sistema di riferimento. Per cui, dovendo trovare l’asse di simmetria di una
qualunque parabola si può adottare il metodo seguente.
Si determina il suo punto improprio e poi il punto improprio in
direzione ortogonale ad esso. L’asse di simmetria è proprio
il diametro polare di quest’ultimo punto.
Una prova alternativa della precedente costruzione, che non tenga conto del
Teorema 4 è la seguente:
l’asse di simmetria di una parabola congiunge il vertice col punto improprio
della parabola. Quindi per la proprietà che lega le tangenti e le polari il
polo dell’asse di simmetria è il punto comune alla tangente nel vertice e alla
retta impropria. Tale punto è il punto improprio in direzione ortogonale al
punto improprio della parabola, visto che la tangente nel vertice è una retta
ortogonale all’asse.
b) Sempre dalle equazioni canoniche si vede subito che gli assi di simmetria di una ellisse o una iperbole, che come sappiamo sono ortogonali,
sono anche coniugati perchè l’uno contiene il polo dell’altro. Se ne deduce,
in generale, che gli assi di simmetria di una ellisse, non cerchio, o di una
iperbole sono i diametri coniugati e ortogonali. Tale proprietà può essere
utile nelle applicazioni.
96
CAPITOLO 4. LE CONICHE
x2
y2
+
= 1 l’equazione di una ellisse in forma canonica, con
a2
b2
a ≥ b. Come sappiamo
√ i fuochi F1 , F2 hanno coordinate F1 = (−c, 0) ed
F2 = (c, 0), con c = a2 − b2 . Si vede subito che la polare del fuoco F2 è
a2
la relativa direttrice che come sappiamo ha equazione x =
. Un calcolo
c
elementare prova che le rette isotrope uscenti dal fuoco F2 , che sono le due
rette di equazioni y = ±i(x − c), sono tangenti all’ellisse e la incontrano, per
il teorema che lega le tangenti alle polari, nei due punti immaginari comuni
all’ellisse e alla direttrice. Quindi l’ equazione complessiva delle tangenti
uscenti da un fuoco di una ellisse è data dalla circonferenza di centro il
fuoco e raggio nullo e i punti di contatto delle tangenti sono i punti comuni
all’ellisse e alla relativa direttrice.
Tale proprietà vale anche per i fuochi delle iperboli e delle parabole.
c) Sia
4.10
Fasci di coniche
Noi abbiamo studiato le coniche che sono curve di ordine due in IP2 ; ma si
possono studiare curve algebriche di ordine n qualunque.
Una curva algebrica C di ordine n si definisce come il luogo dei punti
propri o impropri, reali o immaginari che con le loro coordinate omogenee
soddisfano una forma F (x, y, t) = 0, di grado n nelle variabili x, y, t.
C’è da convenire che se il polinomio F (x, y, t) si spezza nel prodotto di k
fattori irriducibili F1 , F2 , · · · , Fk ciascuno contato n1 , n2 , · · · , nk volte, cioè se
F = F1n1 · F2n2 · · · , Fknk , allora la curva C è costituita dai punti di C1 : F1 = 0
contati n1 volte,· · ·, dai punti di Ck : Fk = 0 ciascuno contato nk volte.
Le curve di equazione F1 = 0, · · · , Fk = 0 si dicono le componenti irriducibili
della curva di equazione F = 0.
Cominciamo innanzitutto con l’enunciare l’importante teorema:
Teorema 5 ( Bézout) Due curve algebriche C1 e C2 di ordini rispettivamente m ed n si incontrano in mn punti, che possono coincidere
in vario modo, oppure hanno una componente in comune.
In particolare, due coniche si incontrano in quattro punti, variamente
coincidenti; oppure hanno una stessa retta come componente comune.
Proviamo l’importante risultato:
4.10. FASCI DI CONICHE
97
Teorema 6 Siano dati nel piano 5 punti distinti Pi = (xi , yi , ti ). Allora
per essi passa una sola conica o ne passano infinite; questo secondo caso si verifica se e solo se almeno quattro dei cinque punti sono
allineati.
Dimostrazione. Imponendo alla generica conica del piano, che ha equazione:
a11 x2 + 2a12 xy + a22 y 2 + 2a13 xt + 2a23 yt + a33 t2 = 0
il passaggio per ciascuno dei 5 punti Pi si ha un sistema di 5 equazioni omogenee nelle 6 incognite aij . Allora se il rango della matrice del sistema è
5 il sistema ammette infinite soluzioni tutte fra loro proporzionali e quindi
una sola conica passa per i 5 punti, perché l’equazione di una conica è definita a meno di un fattore di proporzionalità. Se il rango della matrice dei
coefficenti è minore di 5 il sistema ammette almeno ∞2 soluzioni e quindi ci
sono certamente infinite coniche passanti per i nostri 5 punti. Siano Γ1 e Γ2
due coniche distinte passanti per i 5 punti. Allora per il teorema di Bézout
segue che necessariamente le due coniche sono spezzate ed hanno una retta
L a comune. Allora Γ1 è spezzata in L e in un’altra retta r, mentre Γ2 si
spezza in L e in altra retta s. I punti comuni a Γ1 e Γ2 sono i punti di L
e il punto comune a r e s. Quindi almeno quattro dei cinque punti devono
stare su L.
Se dati 5 punti almeno quattro sono allineati è allora ovvio che ci sono sempre infinite coniche contenenti i 5 punti. 2
Questo teorema è soprattutto importante perché ci dice che per individure
una conica si devono assegnare 5 condizioni lineari. Per esempio il passaggio
per un punto è una condizione lineare; imporre ad una conica di avere in un
punto una data tangente equivale a due condizioni lineari e cosı̀ via.
Siano date due coniche distinte Γ1 e Γ2 , di equazioni rispettivamente
f1 (P ) = 0 ed f2 (P ) = 0.
Definizione 17 Si dice fascio di coniche individuato da f1 (P ) = 0 ed
f2 (P ) = 0 la totalità delle coniche la cui equazione si ottiene dalla
combinazione lineare λ1 f1 (P ) + λ2 f2 (P ) = 0, al variare comunque di λ1
e λ2 purché (λ1 , λ2 ) 6= (0, 0).
È chiaro che per ottenere coniche distinte del fascio bisogna dare a λ1 e λ2
coppie di valori non proporzionali. Quindi per individuare una conica del
98
CAPITOLO 4. LE CONICHE
λ1 λ2
o
.
λ2 λ1
Un punto P̄ comune alle due coniche Γ1 e Γ2 si dice un punto base del
fascio. Per un punto base passano tutte le coniche del fascio; infatti imponendo alla generica conica del fascio λ1 f1 (P ) + λ2 f2 (P ) = 0 di passare
per P̄ si ha λ1 0 + λ2 0 = 0; quest’ultima è una identità rispetto a λ1 e λ2 .
Per un punto non base Q passa una sola conica del fascio; infatti in tal
caso, essendo Q non base, almeno uno dei due coefficienti dell’equazione
λ1 λ2
λ1 f1 (Q) + λ2 f2 (Q) = 0 è non nullo e quindi essa nel rapporto
o
amλ2 λ1
mette una sola soluzione.
fascio bisogna determinare il rapporto
Proposizione 18 In un fascio di coniche λf1 + µf2 = 0 ci sono tre coniche spezzate oppure tutte le coniche del fascio sono spezzate.
Dire che sempre ci sono tre coniche spezzate deve intendersi che eventualmente qualcuna di esse deve contarsi con una certa molteplicità e
d’altra parte qualcuna può essere spezzata in rette complesse. Ciò si
chiarirà con la dimostrazione.
Dimostrazione. La matrice della generica conica del fascio è data da:


λa11 + µb11 λa12 + µb12 λa13 + µb13
B =  λa12 + µb12 λa22 + µb22 λa23 + µb23 
λa13 + µb13 λa23 + µb23 λa33 + µb33
dove con aij si sono indicati i coefficienti della conica Γ1 e con bij quelli della
conica Γ2 . Il determinante di B è una somma di prodotti a tre a tre di fattori
presi dalla precedente matrice per cui |B| = aλ3 + bλ2 µ + cλµ2 + dµ3 = 0
o è una identità rispetto a λ e µ oppure è una equazione omogenea di terzo
grado in λ e µ, e per il teorema fondamentale dell’Algebra ammette tre
µ
λ
radici nel campo complesso, in oppure , contando le radici con la dovuta
µ
λ
molteplicità. Quindi la conclusione. 2
Un altro importante teorema riguardante i fasci è il seguente.
Teorema 7 Un fascio di coniche è individuato da due sue qualunque
coniche.
Dimostrazione. Sia (F): λ1 f1 + λ2 f2 = 0 un fascio di coniche. Consideriamo in (F) due coniche distinte:
g1 ≡ λ01 f1 + λ02 f2 = 0 e g2 ≡ λ001 f1 + λ002 f2 = 0.
(4.21)
4.10. FASCI DI CONICHE
99
Perché
² 0 le 0due
³ coniche siano distinte deve accadere che la matrice
λ1 λ2
A=
abbia determinante non nullo.
λ001 λ002
Consideriamo il fascio (G) : µ1 g1 + µ2 g2 = 0. Ebbene è facile provare che
(F) = (G), cioè dobbiamo provare che (F) ⊆ (G) e viceversa (G) ⊆ (F).
Cominciamo col provare la seconda. Se g ≡ hg1 + kg2 = 0; sostituendo i
valori dati dalle (4.21) si ha:
g ≡ h(λ01 f1 + λ02 f2 ) + k(λ001 f1 + λ002 f2 )
= (hλ01 + kλ001 )f1 + (hλ02 + kλ002 )f2 = 0.
Quindi si vede che ogni conica del fascio (G) è anche una conica del fascio
(F). È ovvio che l’inclusione opposta si otterrà se potremo esprimere f1 e
f2 come combinazioni lineari di g1 e g2 . Abbiamo visto che :
² ³ ² 0
³² ³
g1
λ1 λ02
f1
=
.
00
00
g2
λ1 λ2
f2
Moltiplicando ambo i membri a sinistra per A−1 , visto che per ipotesi la
matrice A è invertibile, si trovano le relazioni che permettono di esprimere
f1 e f2 come funzioni lineari di g1 e g2 , da cui si ha la conclusione. 2
Il precedente teorema è molto importante per le applicazioni perché una
volta individuato un fascio, mediante i punti base o altre condizioni geometriche, esso si può ottenere come combinazione lineare di due qualunque
coniche del fascio, le più disponibili possibile, per esempio quelle spezzate
che è sempre facile trovare. Chiaramente la risoluzione di problemi in questo
ambito aiuta a capire quali sono le scelte più opportune da fare.
A questo punto vogliamo introdurre alcuni concetti e terminologia che saranno utili nel seguito. Come sappiamo due coniche Γ1 e Γ2 distinte si incontrano in quattro punti, a meno che non abbiamo una stessa retta a comune. È
stato ricordato che i punti comuni possono essere reali o immaginari, distinti
o variamente coincidenti.
100
CAPITOLO 4. LE CONICHE
Nelle figure seguenti vengono considerate varie situazioni:
A
B
C
D
A=B
C
A=B
D
D
C=D
A=B=C=D
A=B=C
fig.31
1. Nella prima figura le due coniche si incontrano in 4 punti distinti. Le
due coniche individuano un fascio di cui A, B , C , D sono i punti base.
In tal caso, nel fascio, ci sono tre coniche spezzate distinte che sono
AB–CD; AC–BD; AD–BC. C’è da osservare che le coppie di rette
che vengono prese per individuare le coniche spezzate del fascio, devono essere scelte in modo che contengano tutti i punti base.
2. Nella seconda figura le due coniche si incontrano in due punti coincidenti in A = B ed in tal caso si dice che le due coniche sono tangenti
in A. In realtà hanno in A la stessa tangente ϕA . In questo caso le
coniche spezzate del fascio sono date dalle coppie di rette: la tangente
ϕA –retta CD e dalla coppia AC–AD; quest’ultima conica deve essere
contata due volte, nel computo delle coniche spezzate. In questo caso
ci sono due sole coniche spezzate distinte.
3. Nella terza figura le due coniche sono tangenti sia in A = B che in
C = D. In tal caso le due coniche si dicono bitangenti in A = B e
C = D. Le coniche spezzate sono date dalle seguenti due coppie di
rette: le due tangenti ϕA − ϕC e dalla congiungente i punti A e C
4.10. FASCI DI CONICHE
101
contata due volte. Quest’ultima conica deve essere contata due volte,
nel computo delle coniche spezzate del fascio.
4. Nella quarta figura le due coniche sono tali che tre dei quattro punti
coincidono in un unico punto, per esempio: A = B = C e D 6= A
allora si dice che le coniche si osculano nel punto A. In questo caso
c’è una sola conica spezzata costituita dalla tangente comune ϕA - e
dalla retta AD. Questa conica deve contarsi tre volte nel computo
delle coniche spezzate.
5. Infine nella quinta figura le due coniche distinte hanno tutti e quattro
i punti comuni coincidenti A = B = C = D. Si dice in tal caso che le
due coniche si iperosculano in A. La tangente comune ϕA contata
due volte è l’unica conica spezzata del fascio; essa deve essere contata
tre volte nel computo delle coniche spezzate.
4.10.1
Fasci di circonferenze
Applicando alle circonferenze i metodi ora studiati si ottengono delle situazioni speciali. Formiano un fascio mediante due circonferenze distinte C1 e
C2 , di equazioni: C1 ) x2 + y 2 + axt + byt + ct2 = 0; C2 ) x2 + y 2 + a1 xt +
b1 yt + c1 t2 = 0. Ovviamente (a, b, c) 6= (a1 , b1 , c1 ). Le due circonferenze si
incontrano in 4 punti di cui due sono i punti ciclici. Quindi i punti base
del fascio sono i punti ciclici e due ulteriori altri punti A, B, che si possono
trovare risolvendo il sistema:
º 2
x + y 2 + axt + byt + ct2 = 0
x2 + y 2 + a1 xt + b1 yt + c1 t2 = 0.
Questo sistema è equivalente al sistema formato dalla prima equazione e
dall’equazione che si ottiene facendo la differenza delle due equazioni che è
la conica spezzata nella retta impropria t = 0 e (a − a1 )x + (b − b1 )y + (c −
c1 )t = 0. Ovviamente quest’ultima incontra le due circonferenze C1 e C2 nei
due punti A e B. Tale equazione si chiama l’asse radicale del fascio di
circonferenze.
In particolare se le due circonferenze sono tangenti ad una stessa retta r in
102
CAPITOLO 4. LE CONICHE
A allora l’asse radicale è la retta r tangente ad entrambe. Se per esempio
si vuole trovare l’equazione del fascio di circonferenze tangenti ad r) ax +
by + ct = 0 in A = (α, β), basta formare il fascio come segue:
¢
£
λ1 (x − α)2 + (y − β)2 + λ2 (ax + by + ct)t = 0,
dove la prima conica è la circonferenza di centro A = (α, β) e raggio nullo
che è una particolare conica del nostro fascio e la seconda è spezzata nell’asse
radicale e nella retta impropria.
Una situazione interessante è quella in cui si forma il fascio di circonferenze mediante due circonferenze concentriche; in tal caso si ha (a, b) = (a1 , b1 )
e quindi l’asse radicale coincide con la retta impropria; in questo caso i punti
base del fascio sono dati dai punti ciclici ciascuno contato due volte. Cioè
due circonferenze concentriche sono bitangenti alla retta impropria nei punti
ciclici. Ed allora se A = (α, β) è il centro delle due circonferenze il fascio si
può scrivere mediante la circonferenza di centro A e raggio nullo e la retta
impropria t = 0 contata due volte.
4.11
Applicazioni dei Fasci
Riportiamo nel seguito alcuni esempi che costituiscono degli esercizi tipo,
per ulteriori successive applicazioni.
Esempio 17 Determinare la conica passante per i seguenti 5 punti del
piano:
A = (1, 0); B = (−1, 0); C = (0, 1); D = (0, −1); E = (1, 1).
Piuttosto che partire dall’equazione della generica conica e imporre il passaggio per ciascuno dei punti precedenti è bene applicare il “metodo dei
fasci”. Esso consiste in questo: si può pensare che la nostra conica appartenga al fascio di coniche avente i primi 4 punti come punti base; scritto tale
fascio la conica cercata è la conica del fascio passante per l’ulteriore punto
E = (1, 1). Il fascio, come abbiamo detto, si può individuare mediante due
sue qualunque coniche indipendenti, eventualmente spezzate; per esempio
si considerino le coniche spezzate nelle rette: AB, CD e nelle rette AC,
BD. La prima conica ha equazione: xy = 0; la seconda ha equazione:
(x + y − 1)(x + y + 1) = 0. Il fascio è dato dalla combinazione lineare:
4.11. APPLICAZIONI DEI FASCI
103
λ(xy) + µ(x + y − 1)(x + y + 1) = 0. Imponendo alla generica conica del
fascio di passare per il punto E = (1, 1) si deduce: λ + 3µ = 0, da cui
λ = −3µ. La conica cercata è quindi: −3xy + (x + y − 1)(x + y + 1) = 0.
Esempio 18 Trovare la conica passante per i punti:
A = (−1, 0); B = (1, 0); C = (0, −1); D = (0, 1)
ed aventi in quest’ultimo la retta y = 1 come retta tangente.
La nostra conica si può pensare appartente al fascio di coniche tangenti alla
retta y = 1 nel punto D = (0, 1) e passanti per A e B. Individuiamo tale fascio mediante le coniche spezzate nella tangente y = 1, e nella congiungente
A e B e poi nella conica spezzata nelle due rette DA e DB. Si ottiene cosı̀
il fascio: λ(y − 1)y + µ(x + y − 1)(x − y + 1) = 0. Imponiamo adesso alla
generica conica del fascio il passaggio per il punto C = (0, −1) e si ottiene la conica richiesta che ha equazione: 2y(y − 1) + (x + y − 1)(x − y + 1) = 0.
Esempio 19 Date le due rette r) x − y = 0 ed s) x + y = 0 e i punti
A = (1, 1) , B = (1, −1) e C = ( 12 , 0). Determinare la conica tangente
ad r e ad s, rispettivamente in A e in B, e passante per C.
Tale conica appartiene al fascio delle coniche bitangenti ad r e ad s in A
e in B. Il fascio si può individuare mediante la conica spezzata nelle due
tangenti r ed s e la conica spezzata nella congiungente i punti di contatto
delle tangenti contata due volte. Quindi essa appartiene al fascio:
λ1 (x − y)(x + y) + λ2 (x − 1)2 = 0.
Imponendo il passaggio per il punto C si ha la conica richiesta. Si ha:
λ1 ( 41 )+λ2 ( 14 ) = 0. Da cui λ2 = −λ1 e sostituendo si ha: x2 −y 2 −x2 +2x−1 =
0; si ottiene la parabola: y 2 = 2x − 1.
Esempio 20 Trovare l’equazione dell’iperbole avente per asintoti le
rette r ed s di equazioni rispettivamente x + y − 1 = 0 e x − 2y − 2 = 0
e passante per l’origine O.
104
CAPITOLO 4. LE CONICHE
La nostra conica si può pensare appartenente al fascio di coniche bitangenti
alle rette r ed s nei loro punti impropri. In tal caso il fascio si può scrivere:
λ1 (x + y − 1)(x − 2y − 2) + λ2 t2 = 0.
Imponendo il passaggio per O = (0, 0) si ha 2λ1 + λ2 = 0. Si ottiene la
conica:
(x + y − 1)(x − 2y − 2) − 2 = 0.
Esempio 21 Determinare l’equazione della parabola avente la retta x−
y + 3 = 0 come diametro, tangente all’asse ~y nel punto A = (0, 1) e
passante per il punto B = (1, 1).
La nostra parabola si può pensare appartenente al fascio delle coniche bitangenti alla retta impropria nel punto improprio (1, 1, 0) e all’asse ~y in A.
Il fascio si può individuare:
λ1 xt + λ2 (x − y + 1)2 = 0.
La retta x − y + 1 = 0 è la congiungente il punto A = (0, 1) col punto improprio (1, 1, 0). Per determinare l’equazione della parabola richiesta basta
imporre il passaggio per il punto B = (1, 1). Si ottiene: λ1 + λ2 = 0. La
parabola ha quindi equazione: (x − y + 1)2 − x = 0.
Esempio 22 Determinare il fascio delle coniche aventi fuoco in F =
(−1, 3) e relativa direttrice la retta d) x + y − 1 = 0.
Ricordando quanto abbiamo detto nella teoria, le rette isotrope uscenti da
un fuoco sono tangenti alla conica nei punti in cui la conica è incontrata
dalla relativa direttrice. La conica richiesta quindi appartiene al fascio delle
coniche bitangenti alle rette isotrope uscenti dal fuoco nei punti in cui la
direttrice incontra la conica. Il fascio richiesto si può quindi scrivere:
¢
£
λ1 (x + 1)2 + (y − 3)2 + λ2 (x + y − 1)2 = 0.
Ciò perché l’equazione complessiva delle rette isotrope uscenti da un punto
è data dal cerchio di centro quel punto e raggio nullo.
Esempio 23 Data la parabola y 2 = 2px con p > 0, determinare il luogo
dei punti P del piano da cui escono tangenti alla parabola perpendicolari.
4.12. ESEMPI DI STUDI DI CONICHE
105
Sia P = (α, β) un punto appartenente al luogo. Troviamo l’equazione complessiva delle tangenti alla parabola uscenti da P . Essa è la conica, passante
per P , del fascio individuato dalla parabola e dalla polare contata due volte.
Il fascio è dato da:
λ(y 2 − 2px) + µ(px − βy + pα)2 = 0
Imponendo il passaggio per P = (α, β) si ha:
λ(β 2 − 2pα) + µ(β 2 − 2pα)2 = 0
Si deduce che λ = −µ(β 2 − 2pα). Sostituendo nell’equazione del fascio si
ottiene l’equazione complessiva delle tangenti alla parabola dal puntp P :
−(β 2 − 2pα)(y 2 − 2px) + (px − βy + pα)2 = 0
Volendo che tale conica abbia i punti impropri in direzione ortogonale dobbiamo porre T r(A) = a11 + a22 = 0. Si ottiene: p2 + 2pα − β 2 + β 2 = 0.
Cioè α = −p/2, che dice che il punto P deve stare sulla direttrice.
Si deduce l’interessante proprietà geometrica:
La direttrice di una parabola è il luogo dei punti da cui escono
tangenti alla parabola che sono ortogonali.
4.12
Esempi di studi di coniche
Esempio 24 Studiare la conica Γ di equazione: 4xy − 3y 2 − 8 = 0;
trovare una sua forma canonica e determinare la rototraslazione che
l’ha determinata.
Cominciamo col calcolare gli invarianti della conica:


²
³
0 2
0
0 2


B = 2 −3 0
A=
| B |= 32 | A |= −4 T r(A) = −3.
2 −3
0 0 −8
Possiamo subito affermare che la nostra conica è una iperbole, in quanto
|B| 6= 0 =⇒ che è irriducibile e |A| < 0 =⇒ che la conica
º è una iperboy=0
le. Il suo centro di simmetria si determina dal sistema:
2x − 3y = 0.
106
CAPITOLO 4. LE CONICHE
Quindi il centro di simmetria C = (0, 0) e coincide con l’origine delle coordinate. Cerchiamo adesso i punti impropri della nostra iperbole. Scriviamo
l’equazione in coordinate omogenee: 4xy − 3y 2 = 8t2 . Ponendo t = 0 si
ha: y(4x − 3y) = 0. Quindi i due punti impropri hanno coordinte (1, 0, 0) e
(3, 4, 0).
Gli asintoti dell’iperbole sono le rette congiungenti il centro coi due punti
impropri e sono le rette: y = 0 e y = 4/3x.
Tenuto conto di quanto detto nella teoria, Γ sarà del I) tipo, cioè αX 2 +
βY 2 = γ, dove α e β sono gli autovalori della matrice A e γ si deduce col
ragionamento che segue.
Gli invarianti in questo caso sono:


²
³
α 0 0
α 0
0
0


B = 0 β 0
A =
0 β
0 0 −γ
| B 0 |= −αβγ
| A0 |= αβ
T r(A0 ) = α + β.
| A |=| A0 |;
T r(A) = T r(A0 ).
Ma noi sappiamo che:
| B |=| B 0 |;
Allora segue: αβγ = −32; αβ = −4. Immediatamente si ha : γ = 8.
Ricordando che α e β sono gli autovalori di A, consideriamo la matrice
caratteristica
²
³
−T
2
(A − T I) =
.
2
−3 − T
Il polinomio caratteristico è | A − T I |= T 2 + 3T − 4 = 0, che ammette le
coppie di radici:
º
º
α = −4
α=1
oppure
β=1
β = −4.
A questo punto lo studente si chiede quale coppia di soluzioni dovrà prendere? Ciò dipende unicamente dalle nostre scelte. º
α = −4
Più precisamente, scegliamo, per esempio, la coppia
, ed allora
β=1
2
2
l’equazione canonica sarà: − X2 + Y8 = 1. Gli autospazi associati a α = −4
e β = 1 sono rispettivamente: 4x + 2y = 0 e −x + 2y = 0, che sono anche
gli assi di simmetria, visto che in questo esempio, non è stato necessario
4.12. ESEMPI DI STUDI DI CONICHE
107
fare la traslazione. A questo punto dobbiamo determinare il cambiamento
di coordinate che ha portato alla precedente forma canonica. A tale scopo
prendiamo due autovettori sul primo e secondo autospazio, e siano rispettivamente: (1, −2) e (2, 1). Per rendere tali autovettori dei versori bisogna
dividere le loro componenti per ± la loro norma. Il doppio segno dipende
dai due possibili orientamenti che°si possono
± prendere sugli assi. Orientiamo
−2
1
~ scegliendo il versore I= √ , √ . La scelta del segno per indivil’asse X,
5 5
duare il secondo versore J è automatica; il segno dovrà essere preso in modo
che il determinante della matrice P del cambio di base sia +1, se vogliamo
che (I,J) sia una coppia antioraria.
Quindi la matrice della rotazione è:
I
J
1
√
 5
P =  2
−√
5
2 
√
5
1 .
√
5

Le formule del cambiamento di coordinate sono:
x = PX
=⇒

2
1

x = √ X + √ Y
5
5
2
1

 y = −√ X + √ Y
5
5
(∗)
√
~ . Essendo nel nostro caso c = 2 + 8 =
Chiaramente
l’asse
focale
è
l’asse
Y
√
√
~ Y
~ ), hanno coordinate: F1 = (0, − 10)
10, i due √
fuochi, nel riferimento (X,
e F2 = (0, 10).
Se si vogliono trovare le coordinate dei fuochi nel riferimento (~x, ~y ) basta
usare le formule di passaggio (∗). Si ottiene facilmente:
º
√
xF1 = −2
√ 2
yF1 = − 2
º
√
xF2 = √
2 2
yF2 = 2
.
√
√
c
10
5
Nel nostro caso l’eccentricità è e = = √ =
> 1.
b
2
2 2
A volte è utile conoscere le formule inverse delle (∗). Tenendo conto che il
~ Y
~ è 1, applicando la regola di Cramer
determinante dei coefficienti delle X,
108
CAPITOLO 4. LE CONICHE
si ha:
¬

2 ¬¬
¬

√
x
¬
¬


¬

5 ¬¬

X
=
¬


¬ y √1 ¬


¬
¬
¬ 1 5 ¬
¬
¬ √


x¬
¬


¬
¬


Y = ¬ 25
¬


¬
¬

√
−
y
¬
¬
5
=⇒

2
1

X = √ x − √ y
5
5
2
1

Y = √ x + √ y
5
5
(∗∗)
Dalle (∗∗) è facile dedurre le equazioni delle direttrici, nel primo sistema di
b2
coordinate (~x, ~y ). Nel nostro caso le direttrici hanno equazioni: Y = ± ,
c
8
cioè Y = ± √ .
10
2
1
8
Utilizzando le (∗∗) si hanno le due equazioni: √ x + √ y = ± √ .
5
5
10
Il grafico della nostra iperbole è il seguente:
~y
~
Y
~x
~
X
Esempio 25 Studiare la conica di equazione
13x2 + 13y 2 − 10xy + 36x − 36y − 36 = 0,
trovando i suoi fuochi, l’eccentricità, una sua forma canonica e il
cambiamento di coordinate che la determina.
4.12. ESEMPI DI STUDI DI CONICHE
109
In tale esempio i calcoli non vengono fatti in dettaglio. Ciò che conta è il
modo di procedere. Innanzitutto si trovano gli invarianti:

13 −5
B =  −5 13
18 −18

18
−18 
−36
7
4
|B| = −2 ·3
A=
²
13
−5
−5
13
³
|A| = 24 ·32 .
Poiché |B| =
6 0 la nostra conica è irriducibile. Inoltre da |A| > 0 segue che la
conica è una ellisse. La sua forma canonica sarà del tipo: αX 2 + βY 2 = γ.
Per determinare γ facciamo uso degli invarianti come abbiamo fatto nell’esempio precedente. Si ha: −αβγ = −27 · 34 , αβ = 24 · 32 da cui si
deduce γ =³72. Come sappiamo α e β sono gli autovalori
²
² della matrice A ³=
13 −5
13 − T
−5
. La matrice caratteristica è ( A − T I ) =
,
−5 13
−5
13 − T
ed il polinomio caratteristico è (13 − T )2 − 25 = 0. Gli autovalori sono allora
T = 8; T = 18.
A questo punto si ha la doppia possibilità di scelta:
º
Operiamo la scelta
º
α=8
β = 18
α=8
β = 18
oppure
º
α = 18
β = 8.
per cui l’equazione canonica è:
X2 Y 2
+
= 1.
9
4
È facile calcolare il centro di simmetria della conica dal sistema:
º
13x − 5y + 18 = 0
che risolto dà : C = (−1, 1).
−5x + 13y − 18 = 0,
8X 2 + 18Y 2 = 72 che da’ luogo a:
L’autospazio associato all’ autovalore α = 8 è: x − y = 0, mentre quello
associato a β = 18 è: x + y = 0. Se ne deduce che gli assi di simmetria, che
sono le rette per il centro parallele agli autospazi, sono rispettivamente le
rette di equazioni: x − y + 2 = 0 e x + y = 0.
Adesso si devono trovare i versori che individuano il nuovo riferimento
~ Y
~ ). Per fare ciò troviamo sui due autospazi due versori (I,J) che diano
(X,
una base ortonormale antioraria. L’autospazio relativo ad α = 8 è x−y = 0.
Prendiamo su di esso l’autovettore
(1, 1). Rendiamolo un versore dividen√
do per ± la sua norma che è 2. Il doppio segno equivale ai due possibili
110
CAPITOLO 4. LE CONICHE
~ A questo punto operiamo la nostra scelta, prenmodi di orientare l’asse²X.
³
1 1
dendo come versore I= √ , √ . Sull’autospazio associato all’autovalore
2 2
β = 18, che ha equazione x + y = 0, prendiamo l’autovettore (1, −1); normalizziamo tale autovettore dividendo per ± la sua norma. Si ottengono
~ . Dopo la scelta
due versori, corrispondenti ai due modi di orientare l’asse Y
fatta del primo versore, adesso la scelta del segno è obbligata, se vogliamo
~ Y
~ ) sia antiorario. Precisamente deve accadere che la mache il sistema (X,
trice della rotazione P abbia det(P ) = 1. Quindi si ottiene la matrice della
rototraslazione:
 1

1
√
−√
−1
 2

2


1
Q= 1
.
√
√
1


2
2
0
0
1
Quindi le formule del cambiamento di coordinate sono:

1

 x = √ (X − Y ) − 1
2
1

 y = √ (X + Y ) + 1
2
(∗).
X2
Y2
~ Il valore
+
= 1. L’asse focale è l’asse X.
9
4
√
√
di c che si deduce dall’equazioni canoniche è c = √
a2 − b2 = 5 e√i due
fuochi F1 ed F2 hanno
√ coordinate date da F1 = (− 5, 0) e F2 = ( 5, 0).
5
L’eccentricità è e =
. Le coordinate dei fuochi, nel primitivo sistema di
3
riferimento sono date da:
L’equazione canonica è
q

 xF = − 5 − 1
1
q2
y = − 5 + 1
F1
2
q

 xF = 5 − 1
2
q2
y = 5 + 1
F2
2
a2
9
= ± √ . Se vogliamo le equazioni
c
5
delle direttrici nel primo sistema di riferimento dobbiamo ricavare le formule
inverse delle (∗). Un calcolo immediato prova che
Le direttrici hanno equazioni X = ±
4.12. ESEMPI DI STUDI DI CONICHE
111

1
1

X = √ x + √ y
2
2
.
1
1
2

 Y = −√ x + √ y − √
2
2
2
Ne segue che le equazioni delle direttrici nel primo sistema di riferimento
1
1
9
sono √ x + √ y = ± √ .
2
2
5
A questo punto non ci resta che tracciare il grafico della nostra ellisse.
~
Y
~y
~
X
~x
Esempio 26 Studiare la conica di equazione:
x2 + 2xy + y 2 − 4y = 0.
Determinare una sua forma canonica e il cambiamento di coordinate
che la determina.
Cominciamo come al solito col trovare gli invarianti della conica.

1 1

B= 1 1
0 −2

0
−2 
0
A=
²
1
1
1
1
³
|B| = −4 |A| = 0.
Quindi la conica è irriducibile in quanto |B| =
6 0 ed è una parabola perché
|A| = 0. La matrice caratteristica è:
²
³
1−T
1
(A − T I) =
; e il polinomio caratteristico (1 − T )2 = 1.
1
1−T
112
CAPITOLO 4. LE CONICHE
Quindi gli autovalori sono α = 0, e β = 2. Nel nostro caso la conica viene
del tipo II),√cioè βY 2 = 2γX. Ed allora |B 0 | = −βγ 2 = −4, da cui si deduce
che γ = ± 2. A questo punto si deve fare la scelta del segno. Questa
volta si opera come segue. Innanzitutto sappiamo che l’asse di simmetria
è parallelo all’autospazio associato all’autovalore nullo; tale autospazio ha
equazione x + y = 0 e il suo punto improprio (1, −1, 0) è il punto improprio
della parabola. Per trovare l’asse di simmetria si può calcolare il diametro
polare del punto improprio in direzione ortogonale a quello della parabola,
cioè il punto di coordinate omogenee: (1, 1, 0). Un semplice calcolo prova
che tale asse è la retta di equazione x + y − 1 = 0. Facendo sistema tra
l’equazione della parabola e quella²dell’asse
³ di simmetria si trova il vertice;
3 1
. Adesso si deve trovare la matri,
segue subito che il vertice è V =
4 4
ce della rototraslazione che permette di ridurre l’equazione data in forma
canonica. Cerchiamo due autovettori associati ad α = 0 e β = 2, e siano
~ eY
~ dobrispettivamente: (1, −1) e (1, 1). Per trovare i versori degli assi X
biamo dividere per ± la loro norma.
Scegliamo
l’orientamento sul primo
³
²
1
1
asse, con la scelta del versore I= √ , − √ ; come sappiamo la scelta del
2
2
versore J è automatica, dovendo risultare il determinante
matrice della
² della ³
1 1
rotazione P uguale a +1. Ne segue che il versore J= √ , √ .
2 2
Nel caso delle parabole c’è una situazione differente rispetto ai casi considerati negli esempi precedenti. Precisamente, per determinare il segno
di γ, bisogna capire come è posizionata la parabola data. Non è difficile
individuarne la sua posizione, rispetto al riferimento dato, per esempio intersecando la parabola con gli assi coordinati ~x e ~y . Nel caso considerato
è facile dedurre che la parabola giace nel semipiano delle y positive. Ed
allora, tenuto conto della scelta dell’orientamento
degli assi la sua equazione
√
2
canonica dovrà essere del tipo 2Y = −2 2X. Quindi la scelta del segno di
γ si effettua mediante il ragionamento complessivo fatto.
A questo punto è facile scrivere la matrice della rototraslazione Q.
1
√
 2

Q= 1
 −√
2
0

1
√
2
1
√
2
0
3
4
1
.

4
1
4.12. ESEMPI DI STUDI DI CONICHE
113
Le formule del cambiamento di coordinate sono:

3
1

 x = √ (X + Y ) +
4
2
1
1

 y = − √ (X − Y ) +
4
2
(∗)
√
2 ±
Il fuoco e la relativa direttrice nel nuovo riferimento sono: F = −
,0
4
√
2
. Utilizzando le (∗) si possono trovare le coordinate del fuoco
e X =
4
°1 1±
nel sistema di riferimento dato. Si ottiene: F =
, . Un facile calcolo
2 2
mostra che l’equazione della direttrice è: x − y = 1. Completiamo lo studio
mostrando il grafico della nostra parabola.
°
~y
~
Y
~x
~
X
114
CAPITOLO 4. LE CONICHE
Capitolo 5
Le Quadriche
5.1
Generalità sulle quadriche
Sia fissato nello spazio un sistema di riferimento cartesiano ortogonale O~x~y~z.u.
Si consideri una equazione omogenea di secondo grado nelle variabili x, y, z, t,
a coefficienti numeri reali. La più generale di tali equazioni si può scrivere
nella forma:
f (x, y, z, t) ≡ a11 x2 + 2a12 xy + 2a13 xz + 2a14 xt + a22 y 2 +
+ 2a23 yz + 2a24 yt + a33 z 2 + 2a34 zt + a44 t2 = 0 (5.1)
Definizione 18 Diremo quadrica il luogo dei punti P dello spazio propri o impropri, reali o immaginari che con le loro coordinate omogenee
(x, y, z, t) soddisfano una equazione del tipo (5.1).
Osservazione 14 Se la forma quadratica f (x, y, z, t) è il quadrato di
una forma lineare ax + by + cz + dt, allora la quadrica è data dai punti
del piano ax + by + cz + dt = 0 ciascuno contato due volte.
Se di una quadrica interessano soltanto i suoi punti propri la sua equazione
si può scrivere in coordinate non omogenee:
f (x, y, z, 1) ≡ a11 x2 + 2a12 xy + 2a13 xz + 2a14 x + a22 y 2 +
+ 2a23 yz + 2a24 y + a33 z 2 + 2a34 z + a44 = 0
115
(5.2)
116
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
Talvolta l’equazione della quadrica si suole scrivere nella forma:
f (x, y, z, 1) ≡ φ2 (x, y, z) + φ1 (x, y, z) + φ0 = 0
dove φj (x, y, z) indica il complesso dei termini di grado j nelle variabili
x, y, z.
In analogia a quanto fatto per le coniche anche per le quadriche si introducono le seguenti entità:
1. La matrice 4 × 4 simmetrica B = (aij ) associata alla forma quadratica
f (x, y, z, t).
2. La sottomatrice A associata alla forma quadratica φ2 (x, y, z).
3. I determinanti |B|, |A|, il rango di B, gli autovalori di A e la traccia
di A.
 
x
y

Se, come al solito, si indica con x = 
 z  il vettore colonna delle variabili,
t
allora l’equazione della nostra quadrica si può scrivere in forma matriciale
nel modo seguente:
t
xBx = 0
(5.3)
Definizione 19 Se il primo membro dell’equazione (5.1) si spezza nel
prodotto di due fattori lineari nelle variabili x, y, z, t, distinti o no,
allora la quadrica si dice riducibile o spezzata ed i suoi punti sono
quelli dei due piani in cui si spezza.
In caso contrario la quadrica si dice irriducibile.
5.2
Riduzione di una quadrica a forma canonica
Per studiare una quadrica si adotta un procedimento di riduzione a forma
canonica, che consiste nell’ individuare una opportuna rototraslazione
~
che cambia il sistema ortogonale antiorario O~i ~j ~k in un altro sistema O0 I~J~K,
anch’esso ortogonale antiorario, rispetto a cui l’equazione (5.2) assuma una
delle seguenti due forme:
I) αX 2 + βY 2 + γZ 2 = δ
oppure II) βY 2 + γZ 2 = 2δX
5.2. RIDUZIONE DI UNA QUADRICA A FORMA CANONICA
117
che si potranno rendere omogenee quando questo occorra.
Cominciamo col considerare φ2 (x, y, z), cioè la parte omogenea di secondo
grado nelle variabili x, y, z. Sappiamo che φ2 (x, y, z) è una forma quadratica
reale e, per il Teorema Spettrale, può essere ridotta in una forma canonica
del tipo:
αX 02 + βY 02 + γZ 02
Si opera in modo del tutto simile a quanto fatto per le coniche. Si trovano
gli autovalori α, β, γ della matrice A, poi degli autovettori ad essi associati,
quindi si normalizzano questi in modo da ottenere dei versori I 0 , J 0 , K 0 . Si
orientano i versori in modo che la rotazione sia antioraria, cioè det(P ) = 1,
dove come al solito P indica la matrice del cambio di base.
A questo punto si opera una traslazione, con gli stessi metodi e intendimenti
usati nel caso delle coniche.
Non sviluppiamo i calcoli, ma in ogni caso si perviene sempre a quadriche
la cui equazione è del tipo I) o II).
5.2.1
Invarianti ortogonali
Supponiamo che la data quadrica Q abbia equazione t xBx = 0, rispetto al
riferimento cartesiano ortogonale O~x~y~z.u. Nel modo sopra descritto si opera
una rototraslazione, la cui matrice è del tipo:


p11 p12 p13 a
 p21 p22 p23 b 

Q=
 p31 p32 p33 c 
0
0
0 1
dove le prime tre righe e colonne danno la matrice P della rotazione, mentre
(a, b, c) sono le coordinate della nuova origine O0 del sistema di riferimento
~Y
~ Z.u.
~
Il legame tra le vecchie e le nuove coordinate è dato da:
O0 X
x = QX
(5.4)
Operando il cambiamento di coordinate dato dalle (5.4), sostituendo nell’ equazione data si ha:
t
X t QBQX = 0
(5.5)
che è l’equazione della quadrica in una delle due forme I) oppure II).
Sussiste il seguente teorema di cui omettiamo i dettagli della dimostrazione.
118
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
Teorema 8 Data una quadrica Q a coefficienti reali di equazione t xBx =
0 è sempre possibile operare una rototraslazione, di matrice Q, tale che
~Y
~ Z.u
~ abbia una delle seguenti due forme:
Q nel nuovo riferimento O0 X
I)
αX 2 + βY 2 + γZ 2 = δ
oppure
II)
βY 2 + γZ 2 = 2δX.
Inoltre dette B ed A la matrice della quadrica e la sottomatrice dei
termini di secondo grado in x, y e z e rispettivamente B 0 e A0 le
corrispondenti matrici per la quadrica in forma ridotta si ha:
a) B e B 0 hanno lo stesso determinante e lo stesso rango.
b) A e A0 sono simili e hanno quindi gli stessi autovalori, lo stesso
determinante e la stessa traccia.
Definizione 20 I numeri det(B), det(A), ρ(B), tr(A) si dicono invarianti ortogonali, in quanto si mantengono inalterati dopo una rototraslazione.
5.3
Intersezioni di quadriche con rette e piani
Cominciamo il paragrafo con la seguente considerazione. Una retta incontra
una quadrica in due punti, reali e distinti, reali e coincidenti, immaginari e
coniugati oppure la retta giace sulla quadrica.
Infatti, sia data una quadrica Q di equazione matriciale t xBx = 0 e la
retta P0 P1 di equazioni parametriche scalari omogenee:

x = λx0 + µx1



y = λy0 + µy1
z
= λz0 + µz1



t = λt0 + µt1
dove (x0 , y0 , z0 , t0 ), e (x1 , y1 , z1 , t1 ) sono rispettivamente le coordinate di P0
e P1 . Le precedenti in modo compatto si possono scrivere: x = λx0 + µx1 .
Facendo sistema tra la retta e la quadrica si ottiene la risolvente:
t
(λx0 + µx1 )B(λx0 + µx1 ) = 0
(5.6)
Effettuando i prodotti tra matrici e tenendo conto che t x1 Bx0 è una matrice
1 × 1, e quindi coincide con la sua trasposta t x0 Bx1 , la risolvente si può
5.3. INTERSEZIONI DI QUADRICHE CON RETTE E PIANI
119
scrivere nella forma:
λ2 (t x0 Bx0 ) + 2λµ(t x0 Bx1 ) + µ2 (t x1 Bx1 ) = 0
(5.7)
La precedente eguaglianza (5.7) o è una equazione omogenea di secondo graλ
µ
do in λ e µ, e come tale ammette nel rapporto
o
due radici nel campo
µ
λ
complesso, oppure è una identità rispetto a λ e µ.
Secando una quadrica Q con un piano proprio π si ottiene generalmente
una conica dello spazio. Ciò si può dedurre nel seguente modo: se la quadrica
Q ha equazione f (x, y, z, t) = 0 e il piano π ha equazione: ax+by+cz+dt = 0
è sempre possibile operare un cambiamento di coordinate in modo che il
piano π nel nuovo riferimento sia uno dei piani coordinati, per esempio il
piano Z = 0. Allora i punti comuni al piano e alla quadrica si esprimono
mediante il sistema
n
φ(X, Y, Z, T ) = 0
Z=0
che in modo più esplicito si può scrivere
º
aX 2 + bXY + cXT + dY 2 + eY T + f T 2 = 0
Z=0
Chiaramente la prima equazione del precedente sistema è l’equazione di una
conica del piano Z = 0. L’unica eccezione si ha quando si seca una quadrica
spezzata in due piani con uno dei due piani che la costituiscono. In tal caso
la prima equazione del sistema diventa una identità.
Convenzione 3 Useremo la convenzione di indicare una conica Γ intersezione di una quadrica Q e di un piano π, come Γ = Q ∩ π e nello
stesso tempo indicheremo le sue equazioni Q = 0; π = 0.
Per il seguito è molto importante quanto segue. Per una quadrica Q, non
contenente come parte il piano improprio, i suoi punti impropri si ottengono
secandola col piano improprio; il luogo ottenuto si suole chiamare la conica
all’infinito della quadrica. Essa si indica C∞ e le sue equazioni sono date
dal sistema formato dall’equazione della quadrica, in coordinate omogenee, e
dall’equazione del piano improprio t = 0. Se ne deduce che pensando la C∞
come conica del piano t = 0, la sua matrice è data proprio dalla sottomatrice
120
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
A della quadrica. Per cui la C∞ è irriducibile se e solo se det(A) 6= 0.
Chiaramente per la C∞ di una quadrica ci si chiede solo se è irriducibile
o meno, mentre ovviamente non ha senso chiedersi se essa è una parabola,
ellisse o iperbole, visto che essa è costituita tutta da punti impropri.
Sia data una conica Γ di equazioni Q = 0; π = 0 e supponiamo che tale
conica sia irriducibile. Per stabilire la natura di tale conica bisogna vedere se i suoi punti impropri sono reali e distinti, reali e coincidenti oppure
immaginari e coniugati. A tale scopo si scrivono le equazioni della conica
in coordinate omogenee e si fa sistema col piano improprio t = 0. È ovvio
che tale sistema dà anche i punti comuni alla C∞ della quadrica Q e alla
retta impropria del piano secante π. Infatti i punti impropri della conica Γ
si ottengono dal sistema

Q = 0
π = 0
(5.8)

t = 0
Tale sistema ovviamente fornisce i punti comuni alla C∞ : Q = 0; t = 0 e
alla retta impropria del piano secante π che è data da π = 0; t = 0. Questa
osservazione si rivela particolarmente utile nello studio delle sezioni piane
delle quadriche.
5.4
Vertici delle quadriche
Diamo adesso la seguente
Definizione 21 Un punto P0 di una quadrica Q si dice che è un vertice
per Q se la retta P0 P che congiunge P0 con un qualunque altro punto
P della quadrica giace sulla quadrica.
1. Chiaramente se una quadrica è spezzata in due piani coincidenti allora
tutti i suoi punti sono vertici.
2. Se una quadrica è spezzata in due piani distinti allora la retta intersezione dei due piani è il luogo dei suoi vertici.
Per quanto riguarda i vertici di una quadrica vale il seguente
Teorema 9 Se una quadrica Q ha più di un vertice allora è spezzata
e quindi ha infiniti vertici.
5.4. VERTICI DELLE QUADRICHE
121
Dimostrazione. Supponiamo che Q abbia due vertici distinti P0 e P00 .
Detto P un qualunque altro punto di Q, per la proprietà dei vertici, la retta
P00 P appartiene alla quadrica. Per la stessa proprietà tutte le congiungenti
P0 con i punti della retta P00 P devono appartenere alla quadrica; ma tali
rette descrivono un piano che, per quanto detto, è contenuto nella quadrica,
la quale è quindi spezzata. 2
In definitiva o una quadrica è spezzata ed ha infiniti vertici, oppure è
irriducibile; in tal caso o è priva di vertici oppure ha un solo vertice.
5.4.1
Ricerca dei vertici delle quadriche
Nella precedente sezione abbiamo dato la definizione di vertice di una quadrica. Adesso vogliamo determinare tutti i vertici di una quadrica, supposto
che ne abbia. A tale scopo dimostriamo il seguente
Teorema 10 Data la quadrica Q di equazione t xBx = 0. Il punto
P0 = (x0 , y0 , z0 , t0 ), è vertice per Q se e solo se x0 è soluzione del
sistema lineare omogeneo Bx = 0. Con x0 si denota il vettore colonna
delle coordinate di P0 e con 0 il vettore colonna costituito da zeri.
Dimostrazione. Se P0 ∈ Q è vertice per Q, allora detto P1 = (x1 , y1 , z1 , t1 )
un qualunque altro punto dello spazio, deve accadere
(?)
t
x0 Bx1 = 0, per ognix1 .
Infatti, in tal caso la retta P0 P1 o giace sulla quadrica Q oppure incontra
Q in due punti coincidenti in P0 . Ciò perché, se P0 P1 incontra Q in un
punto P2 6= P0 , per la proprietà dei vertici, tutta la retta deve giacere su Q.
Quindi la risolvente il sistema retta-quadrica
λ2 (t x0 Bx0 ) + 2λµ (t x0 Bx1 ) + µ2 (t x1 Bx1 ) = 0
(5.9)
deve essere una identità, rispetto a λ e µ, oppure deve avere la soluzione
µ2 = 0. In ogni caso si ha t x0 Bx1 = 0, da cui la tesi.
Viceversa se il punto P0 con le sue coordinate soddisfa il sistema Bx = 0,
allora t x0 Bx0 = 0, t x0 Bx1 = 0 e quindi il punto P0 ∈ Q è tale che congiunto
con un qualunque punto P1 ∈ Q dà luogo ad una retta giacente sulla quadrica
perché la risolvente (5.9) è una identità. 2
122
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
Definizione 22 Una quadrica priva di vertici si dice non degenere.
Se una quadrica ha vertici si dice degenere.
Una quadrica con un solo vertice si dice cono, se esso è proprio.
Una quadrica con un solo vertice si dice cilindro, se esso è improprio.
Osserviamo che coni e cilindri sono quadriche degeneri irriducibili.
5.5
Classificazione delle quadriche degeneri
Dal fatto che i vertici della quadrica Q di equazione t xBx = 0 sono tutti e
soli i punti le cui coordinate sono soluzioni del sistema Bx = 0 segue il
Teorema 11 Data una quadrica Q, condizione necessaria e sufficiente
perché:
a) Q sia spezzata in due piani coincidenti è che ρ(B) = 1.
b) Q sia spezzata in due piani distinti è che ρ(B) = 2.
c) Q sia un cono o cilindro è che ρ(B) = 3.
d) Q sia non degenere è che ρ(B) = 4.
Dimostriamo adesso il seguente
Teorema 12 Sia Q un cono o cilindro.Tutti e soli i piani che secano
Q in una conica spezzata sono quelli passanti per il vertice.
Dimostrazione. Sia Q un cono o cilindro di vertice V . La conica sezione
Γ = Q ∩ π ottenuta secando Q col piano π per il vertice V è spezzata.
Infatti, detto P un qualunque punto di tale conica, la retta V P giace su π
perché congiunge due punti di π e appartiene alla quadrica per la proprietà
del vertice V . Quindi la conica sezione contenendo tale retta è spezzata.
Viceversa, se il piano π seca la quadrica Q in una conica spezzata in due
rette r ed s, tale piano deve contenere V , anzi V deve stare su entrambe le
rette r ed s. Se V non appartenesse ad r, tutte le rette che congiungono V
con i punti di r apparterrebbero alla quadrica, per la proprietà del vertice V ;
ma allora Q, contenendo il piano individuato da V e da r, sarebbe spezzata
contro l’ipotesi. Analogamente se V non appartenesse a s. Quindi V deve
necessariamente appartenere ad entrambe le rette. 2
Dal precedente Teorema si deduce che la C∞ di un cono è irriducibile, mentre
quella di un cilindro è spezzata.
5.6. CLASSIFICAZIONE DELLE QUADRICHE NON DEGENERI
123
Corollario 6 In uno stesso cono reale ci sono sezioni piane che sono
iperboli, parabole o ellissi. In uno stesso cilindro le sezioni piane fatte
con piani propri, reali e non passanti per il vertice sono coniche tutte
di uno stesso tipo.
Dimostrazione. Tutto dipende dal fatto che in un cono la C∞ è irriducibile e quindi al variare del piano secante π la retta impropria di tale piano può
incontrare la C∞ in due punti reali e distinti, reali e coincidenti o immaginari
e coniugati. Poiché la C∞ di un cilindro è spezzata in due rette, la natura
delle sezioni piane dipende essenzialmente dal modo in cui si spezza la C∞ .
Se la C∞ si spezza in due rette reali e distinte, al variare del piano π, purchè
non passi per il vertice, la retta impropria del piano secante incontra la C∞
sempre in due punti reali e distinti e le sezioni sono tutte iperboli. Se la C∞
si spezza in due rette reali e coincidenti allora le sezioni piane sono tutte
parabole, se la C∞ si spezza in due rette immaginarie e coniugate allora le
sezioni piane sono tutte ellissi. 2
Quanto precede permette di dare la seguente classificazione dei cilindri:
se la C∞
un cilindro si dice . . .
iperbolico
parabolico
ellittico
5.6
è spezzata in due rette . . .
reali e distinte
reali e coincidenti
immaginarie e coniugate
Classificazione delle quadriche non degeneri
Una quadrica Q è non degenere se il rango della sua matrice B è massimo,
cioè ρ(B) = 4. Riferendoci quindi alle equazioni canoniche dei due tipi I) e
II) si vede che tutti i coefficienti che vi figurano devono essere non nulli. Se
ne deduce che le quadriche del I) tipo αX 2 + βY 2 + γZ 2 = δ, che si possono
X2 Y 2 Z2
anche scrivere δ + δ + δ = 1, producono, a meno del cambio del nome
α
β
γ
degli assi e a secondo del rapporto dei segni fra α, β, γ, e δ,
1.
X2 Y 2 Z2
+ 2 + 2 = −1
a2
b
c
2.
X2 Y 2 Z2
+ 2 + 2 =1
a2
b
c
124
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
3.
X2 Y 2 Z2
− 2 + 2 =1
a2
b
c
4.
X2 Y 2 Z2
− 2 − 2 =1
a2
b
c
Mentre le quadriche del secondo tipo: βY 2 + γZ 2 = 2δX, che si possono
Y 2 Z2
scrivere anche: δ + δ = 2X, producono a meno del cambio del nome
β
γ
degli assi
1.
Y 2 Z2
+ 2 = −2X
b2
c
2.
Y 2 Z2
+ 2 = 2X
b2
c
3.
Y 2 Z2
− 2 = 2X
b2
c
Le quadriche del primo gruppo hanno la C∞ irriducibile, mentre quelle
del secondo gruppo hanno la C∞ riducibile. Inoltre le quadriche 1. e 2. del
primo gruppo hanno la C∞ priva di punti reali, mentre per le altre la C∞ ha
punti reali. In base a questi elementi si dà la seguente classificazione delle
quadriche non degeneri.
Una quadrica non degenere, quindi tale che det(B) 6= 0 si dice:
1. ellissoide se la C∞ è irriducibile ed è priva di punti reali.
2. iperboloide se la C∞ è irriducibile ma ha dei punti reali.
3. paraboloide se la C∞ è spezzata.
Ciò si può sintetizzare nella seguente tabella:
Una quadrica non deg. è . . .
ellissoide
iperboloide
paraboloide
se la C∞ è . . .
irrid. e senza punti reali
irrid. e con punti reali
spezzata
e det(A) è . . .
det(A) 6= 0
det(A) 6= 0
det(A) = 0
Come si vede dalla precedente tabella gli ellissoidi e gli iperboloidi hanno
det(B) 6= 0 e det(A) 6= 0. La differenza fra i due tipi di quadriche consiste
5.7. CENTRO E PIANI DI SIMMETRIA DI UNA QUADRICA
125
nel fatto che gli ellissoidi hanno la C∞ irriducibile e priva di punti reali,
mentre per gli iperboloidi la C∞ è irriducibile ma è dotata di punti reali.
Ne segue che perché una quadrica sia un ellissoide deve accadere che gli
autovalori α, β, γ siano tutti dello stesso segno. Quindi per distinguere gli
ellissoidi dagli iperboloidi si deve studiare il segno della forma quadratica φ2 (x, y, z), con uno qualunque dei metodi studiati. Per esempio basta
considerare l’equazione caratteristica |A − T I| = 0. Poiché tale equazione
è di terzo grado non sempre è facile calcolare esplicitamente gli autovalori.
Di fatto però a noi interessano i segni di tali autovalori; quindi è sufficiente
applicare la regola di Cartesio “generalizzata”, per cui ad ogni variazione di
segno fra due coefficienti consecutivi del polinomio caratteristico corrisponde
una radice positiva, mentre ad una permanenza corrisponde una radice negativa. Quindi
Proposizione 19 Condizione necessaria e sufficiente perché una quadrica non degenere con det(A) 6= 0 sia un ellissoide è che il polinomio
caratteristico abbia i coefficienti tutti dello stesso segno, oppure a segni
alternati.
5.7
Centro e piani di simmetria di una quadrica
Sia fissato un sistema di riferimento cartesiano ortogonale nello spazio O~x~y~z.u.
Perché una data quadrica Q, non degenere, di equazione t xBx = 0 abbia
l’origine O del riferimento come centro di simmetria deve accadere che l’equazione non contenga termini di primo grado in x, y, e z, in modo che se
la quadrica contiene il punto di coordinate (α, β, γ), conterrà anche il suo
simmetrico rispetto all’origine che ha coordinate (−α, −β, −γ).
Cerchiamo adesso le condizioni perché la quadrica abbia centro di simmetria
in un punto O0 = (a, b, c). Deve accadere che facendo una traslazione nel
~ Y
~ , Z.u
~ sia mancante dei
punto O0 , la quadrica nel nuovo riferimento O0 X,
termini di primo grado in X, Y, Z.
La matrice del cambio di coordinate, in questo caso, è la matrice della
traslazione:


1 0 0 a
0 1 0 b 

Q=
0 0 1 c
0 0 0 1
126
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
e le formule della traslazione sono date da:
x = QX
Facendo il cambio di coordinate dato dalle precedenti, l’equazione della
~ Y
~ , Z.u
~ si può scrivere nella forma:
quadrica Q, nel nuovo riferimento O0 X,
t
X t QBQX = 0
dove t QBQ = B 0 è la matrice di Q nel nuovo riferimento. A noi interessano
i coefficienti a014 , a024 , a034 di X, Y e Z. È facile vedere che tali coefficienti si
possono ottenere prendendo le prime tre componenti del vettore:
 0

a11 a012 a013 a014
 a012 a022 a023 a024 
0
0
0

(0, 0, 0, 1) 
 a013 a023 a033 a034  = (a14 , a24 , a34 , −)
a014 a024 a034 a044
Sostituendo a B 0 il suo valore si ha:

1 0

0 1
(a014 , a024 , a034 , −) = (0, 0, 0, 1) 
0 0
a b
 

0 0
1 0 0 a


0 0
B 0 1 0 b 
1 0 0 0 1 c
c 1
0 0 0 1
Il risultato di tale prodotto è un vettore 1 × 4 le cui prime tre componenti
sono date da:
(a11 a + a12 b + a13 c + a14 , a12 a + a22 b + a23 c + a24 , a13 a + a23 b + a33 c + a34 , −)
Se ne deduce che il punto O0 = (a, b, c) è centro di simmetria per la
quadrica Q se con le sue coordinate soddisfa il sistema:
(a a + a b + a c + a = 0
11
12
13
14
a12 a + a22 b + a23 c + a24 = 0
a13 a + a23 b + a33 c + a34 = 0
(5.10)
È immediato osservare che il sistema (5.10) ammette una e una sola soluzione
quando la nostra quadrica è un ellissoide o un iperboloide. Infatti in tal caso
det(A) 6= 0.
5.8. RETTE E PIANI TANGENTI
127
Se invece la nostra quadrica è un paraboloide, il precedente sistema non
è risolubile in quanto il rango della matrice dei coefficienti è due, si tenga
conto che det(A) = 0, mentre il rango della matrice completa del sistema è
tre.
Per ellissoidi e iperboloidi, in analogia a quanto fatto per le coniche, si può
affermare che i piani di simmetria si ottengono prendendo piani per il centro
di simmetria ortogonali agli autovettori della matrice A.
Per trovare i piani di simmetria di un paraboloide, il discorso è più complesso
e quindi non viene affrontato nell’attuale contesto.
5.8
Rette e piani tangenti
Data una quadrica Q, sia P0 un suo punto, non vertice. Poniamo la seguente
Definizione 23 Una retta r per P0 si dice tangente alla quadrica Q
nel punto P0 se incontra Q in due intersezioni coincidenti in P0 oppure
giace sulla quadrica.
Dimostriamo adesso l’importante
Teorema 13 Tutte e sole le rette tangenti ad una quadrica Q in un
suo punto P0 giacciono su uno stesso piano.
Dimostrazione. Sia t xBx = 0 l’equazione di Q. Consideriamo una retta
generica P0 P1 per P0 . Come abbiamo visto in 5.3, formula (5.7) la risolvente
del sistema che dà i punti comuni alla retta e alla quadrica si può scrivere
nella forma:
λ2 (t x0 Bx0 ) + 2λµ (t x0 Bx1 ) + µ2 (t x1 Bx1 ) = 0
(5.11)
Poiché P0 ∈ Q allora t x0 Bx0 = 0. Ne deriva che la retta P0 P1 è tangente
in P0 se e solo se la retta ha due intersezioni coincidenti in P0 , ed in tal
caso la risolvente deve ridursi a µ2 = 0, oppure la retta giace su Q ed in tal
caso la risolvente dev’essere un’identità. La condizione comune ai due casi
è t x0 Bx1 = 0.
In definitiva perché una retta per P0 sia tangente alla quadrica Q in P0 è
necessario e sufficiente congiungere P0 con tutti i punti P1 che con le loro
coordinate soddisfano l’equazione:
t
x0 Bx = 0
(5.12)
128
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
Se il punto P0 non è vertice, come è stato posto per ipotesi, allora la precedente è l’equazione di un piano. Quindi le tangenti alla quadrica nel punto
P0 sono tutte e sole rette che giacciono su uno stesso piano. 2
Definizione 24 Il piano che contiene tutte le tangenti alla quadrica nel
punto P0 si dice piano tangente alla quadrica in P0 e la sua equazione
è la precedente equazione (5.12).
Osservazione 15 È immediato osservare che se una quadrica Q di equazione t xBx = 0 passa per l’origine O del riferimento, l’equazione del
piano tangente, supposto che O non sia vertice, si ottiene eguagliando
a zero il complesso dei termini di primo grado nelle variabili x, y, z.
Infatti l’equazione del piano tangente in O si ottiene da:

 
a11 a12 a13 a14
x
 a12 a22 a23 a24   y 
 
(0, 0, 0, 1) 
 a13 a23 a33 a34   z  = 0
a14 a24 a34
0
1
che esplicitata, nel nostro caso, diventa:
a14 x + a24 y + a34 z = 0
5.8.1
Sezioni delle quadriche coi piani tangenti
Come abbiamo visto se P0 è un punto, non vertice, di una quadrica Q allora
esiste il piano tangente π0 alla quadrica Q in P0 e la sua equazione è data
da t x0 Bx = 0.
Vogliamo adesso provare l’importante
Teorema 14 Se si seca una quadrica irriducibile Q con il piano tangente π0 in un punto P0 , non vertice, allora la conica sezione Γ = Q∩π0
è spezzata. D’altra parte se un piano π seca una quadrica Q in una
conica spezzata in due rette distinte r ed s e T = r ∩ s non è vertice
allora π è tangente a Q in T ; se π seca Q in una retta r contata due
volte allora π è tangente a Q lungo tutti i punti di r che non sono
vertici.
5.8. RETTE E PIANI TANGENTI
129
Dimostrazione. Se P è un punto della conica sezione Γ, distinto da P0 ,
allora la retta P0 P sta sul piano π0 , quindi è tangente alla quadrica. Ma
poiché passa per il punto P che è distinto da P0 tale retta è una tangente
che giace sulla quadrica. Ne segue che la conica sezione è spezzata.
D’altra parte se il piano π0 seca Q in una conica spezzata in due rette distinte r ed s che si intersecano in un punto T non vertice, allora il piano π è
tangente alla quadrica Q in T . Infatti, le due rette r ed s sono tangenti a Q
in T e come sappiamo due tangenti distinte individuano il piano tangente.
Se invece il piano π seca Q in una conica spezzata nella retta r contata due
volte, allora detto T un qualunque punto di r che non sia vertice, il piano
π è tangente a Q in T . Se infatti s è una qualunque retta per T , distinta
da r e giacente su π, essa è tangente a Q in T perché incontra Q in due
punti coincidenti in T . Allora il piano è tangente in T alla quadrica perché
contiene due rette tangenti distinte. 2
La dimostrazione del precedente Teorema 14 si può considerare “qualitativa”, adesso facciamo una dimostrazione “analitica” dello stesso teorema, ma
che fornisce più informazioni della precedente.
Teorema 15 La conica sezione di una quadrica irriducibile Q di equazione t xBx = 0, con il piano tangente π0 in un punto reale non vertice
P0 è spezzata in due rette:
reali e distinte
se e solo se det(B) > 0
immaginarie e coniugate se e solo se det(B) < 0
se e solo se det(B) = 0.
reali e coincidenti
Dimostrazione. Se il punto P0 è proprio è possibile fare un cambiamento
~Y
~Z
~ il punto P0 sia la
di coordinate in modo che nel nuovo riferimento O0 X
nuova origine e il piano π0 sia il piano coordinato Z = 0. Per quanto osservato nella sezione precedente, l’equazione della quadrica, nel nuovo riferimento,
deve mancare del termine noto e deve avere il complesso φ1 (X, Y, Z) dei termini di primo grado del tipo a034 Z, con a034 6= 0. Quindi l’equazione della
quadrica deve assumere la forma seguente:
a011 X 2 + 2a012 XY + 2a013 XZ + a022 Y 2 + 2a023 Y Z + a033 Z 2 + 2a034 Z = 0 (5.13)
dove necessariamente il coefficiente a034 6= 0. Allora la sezione della nostra
quadrica col piano tangente Z = 0 si può esprimere nella forma:
º
Z=0
(5.14)
a011 X 2 + 2a012 XY + a022 Y 2 = 0
130
La precedente è l’equazione di
due rette:
1. reali e distinte,
2. reali e coincidenti,
3. immaginarie e coniugate,
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
una conica del piano Z = 0 che si spezza in
0
0
se a02
12 − a11 a22 > 0.
02
0
se a12 − a11 a022 = 0.
0
0
se a02
12 − a11 a22 < 0.
La matrice B 0 della quadrica è data da:
 0
a11 a012

a012 a022
B0 = 
 a013 a023
0
0
a013
a023
a033
a034

0
0 

a034 
0
Calcolando il determinante di B 0 si trova subito che:
02
0
0
det(B 0 ) = a02
34 (a12 − a11 a22 ). A questo punto è immediato trarre le conclusioni del teorema, tenuto conto che det(B 0 ) = det(B) è un invariante
ortogonale.
In modo del tutto analogo si procede nel caso in cui il punto P0 sia improprio.
2
Si pone la seguente:
Definizione 25 Un punto reale P0 di una quadrica reale irriducibile Q
si dice che è un:
punto iperbolico se il piano tangente in esso seca Q in una conica
spezzata in due rette reali e distinte.
punto parabolico se il piano tangente in esso seca la quadrica Q in
una conica spezzata in due rette reali e coincidenti.
punto ellittico se il piano tangente in esso seca la quadrica Q in una
conica spezzata in due rette immaginarie e coniugate.
Poiché l’essere un punto reale P0 di una quadrica irriducibile Q iperbolico,
parabolico o ellittico dipende da det(B) e non dal particolare punto P0 , si
ha
Corollario 7 Se una quadrica irriducibile Q ha un punto iperbolico
allora tutti i suoi punti reali sono iperbolici; se ha un punto parabolico
allora tutti i suoi punti reali sono parabolici; se ha un punto ellittico
allora tutti i suoi punti reali sono ellittici.
5.9. STUDIO DELLE QUADRICHE NON DEGENERI
131
Definizione 26 Si dice che una quadrica irriducibile Q è:
a punti iperbolici se ha un punto iperbolico;
a punti ellittici se ha un punto ellittico;
a punti parabolici se ha un punto parabolico.
Poiché una quadrica irriducibile Q ha un punto parabolico ⇐⇒ det(B) = 0,
si ha
Corollario 8 I coni e cilindri sono tutte e sole le quadriche a punti
parabolici.
5.9
Studio delle quadriche non degeneri
I) Cominciamo con lo studio dell’ellissoide reale. La sua equazione in
forma canonica è:
X2 Y 2 Z2
+ 2 + 2 =1
(5.15)
a2
b
c
È immediato provare le seguenti elementari proprietà.
1. La parte reale dell’ellissoide è all’interno del parallelepipedo limitato
dai piani: X = ±a, Y = ±b, Z = ±c.
2. I piani coordinati X = 0, Y = 0, Z = 0 sono piani di simmetria per la
quadrica.
3. L’origine O del sistema di riferimento è centro di simmetria per la
quadrica.
4. La quadrica è a punti ellittici.
5. Le sezioni piane della quadrica con piani non tangenti sono tutte ellissi,
in quanto la C∞ è irriducibile e priva di punti reali, e quindi la retta
impropria del piano secante la incontra sempre in due punti impropri
immaginari e coniugati.
II) L’equazione:
X2 Y 2 Z2
− 2 + 2 =1
(5.16)
a2
b
c
è l’equazione canonica dell’iperboloide ad una falda o iperbolico, visto
che det(B) > 0. È immediato provare le seguenti elementari proprietà.
132
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
1. La parte reale della quadrica non è tutta al finito.
2. I piani coordinati X = 0, Y = 0, Z = 0 sono piani di simmetria per la
quadrica.
3. L’origine O del sistema di riferimento è centro di simmetria per la
quadrica.
4. Su tale quadrica le sezioni piane con piani non tangenti possono essere
iperboli, ellissi e parabole, vista la natura della C∞ .
III) L’equazione:
X2 Y 2 Z2
− 2 − 2 =1
(5.17)
a2
b
c
è l’equazione canonica di un iperboloide a due falde o ellittico, visto
che in tal caso det(B) < 0.
Si possono ripetere le stesse considerazioni fatte per l’iperboloide iperbolico.
Questa volta la quadrica è a punti ellittici.
Le sezioni piane con piani non tangenti anche in tal caso possono essere
iperboli, ellissi e parabole.
IV) L’equazione:
Y 2 Z2
− 2 = 2X
(5.18)
b2
c
è l’equazione canonica del paraboloide a sella o iperbolico, in quanto si
ha det(B) > 0 .
1. I piani di equazione: Y = 0 e Z = 0 sono di simmetria.
2. La parte reale della quadrica non è tutta al finito.
3. In tal caso la C∞ è spezzata in due rette reali e distinte r e s. Le
sezioni piane fatte con piani propri e non tangenti sono iperboli se la
retta impropria del piano secante non passa per il punto C = r ∩ s.
Se invece la retta impropria del piano secante passa per C la sezione
è una parabola.
V) l’equazione:
Y 2 Z2
+ 2 = 2X
(5.19)
b2
c
è l’equazione canonica del paraboloide ellittico, in quanto in tal caso
det(B) < 0. Valgono le stesse considerazioni dell’esempio precedente.
Le sezioni piane con piani non tangenti sono in tal caso ellissi o parabole.
5.10. SISTEMI DI RETTE SULLE QUADRICHE
5.10
133
Sistemi di rette sulle quadriche
Le quadriche vengono dette superficie rigate perché esse contengono dei sistemi di rette che, a secondo del tipo di quadrica considerata, possono essere
reali o immaginarie.
L’iperboloide iperbolico e il paraboloide iperbolico sono le quadriche contenenti delle famiglie di rette reali. Consideriamo per esempio l’equazione
canonica dell’iperboloide iperbolico:
X2 Y 2 Z2
− 2 + 2 =1
a2
b
c
(5.20)
Tale equazione si può anche scrivere nella forma:
³²
³ ²
³²
³
²
X
Z
Z
X
Y
Y
= 1−
1+
−
+
a
b
a
b
c
c
Dalla precedente si deducono i due sistemi seguenti:
 °
±
°
±
X
Y
Z

λ
+
=
µ
1
+

a
b
c

(S1 )
°
±
°
±


µ X − Y = λ 1− Z
a
b
c
(S2 )
 °
0 X


λ a −
°


 µ0 X +
a
Y
b
±
Y
b
±
°
= µ0 1 +
Z
c
±
Z
c
±
(5.21)
(5.22)
(5.23)
=
λ0
°
1−
È chiaro che (S1 ) ed (S2 ) rappresentano, al variare dei parametri λ e µ,
λ0 e µ0 , due sistemi di rette giacenti sulla quadrica.
Infatti il sistema (S1 ) rappresenta una totalità di rette, dipendenti, per
esempio, dal parametro µλ (o µλ ). Ed è immediato verificare che eliminando
tale parametro si ottiene come luogo la nostra quadrica. Ciò vuol dire che
la quadrica è “generata”dalle rette di (S1 ). Analogamente il discorso vale
per le rette di (S2 ).
Per tali sistemi di rette, valgono le seguenti proprietà:
1. Per un punto P0 della quadrica passa una ed una sola retta del
sistema (S1 ) e una ed una sola retta del sistema (S2 ).
134
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
Infatti imponendo alla generica retta del sistema (S1 ) di passare per
P0 = (x0 , y0 , z0 ), punto della quadrica, si ottiene
°
 °x
y0 ±
z0 ±
0

λ
+
=
µ
1
+


a
b
c
(5.24)
±
°
±
°


 µ x0 − y0 = λ 1 − z0
a
b
c
Il precedente è un sistema lineare omogeneo di due equazioni nelle
incognite λ e µ, col determinante dei coefficienti nullo, visto che P0
appartiene alla quadrica. Come sappiamo tale sistema ammette una e
una sola soluzione non nulla, a meno di un fattore di proporzionalità.
Quindi c’è una e una sola retta di (S1 ) passante per P0 . Analogamente
c’è una e una sola retta di (S2 ) passante per P0 .
2. Rette di uno stesso sistema sono sghembe.
Infatti se due rette r1 ed r2 del sistema (S1 ) fossero incidenti in un
punto R, allora per R passerebbero due rette di uno stesso sistema,
contro quanto provato nel punto precedente.
3. Ogni retta giacente sulla quadrica è in (S1 ) o in (S2 ).
Infatti sia r è una retta giacente sulla quadrica, con r ∈
/ (S1 ). Sia
A ∈ r ed r1 la retta in (S1 ) passante per A. Allora r deve appartenere
a (S2 ), perché se cosı̀ non fosse la retta r2 di (S2 ) passante per A
sarebbe distinta da r. Ma ciò non è possibile perché altrimenti le tre
rette r, r1 , r2 , giacenti sulla quadrica, sarebbero tangenti e il piano da
esse individuato secherebbe la quadrica in (almeno) tre rette distinte;
e ciò è assurdo.
4. Rette di due sistemi diversi sono complanari.
Infatti se due rette r1 ∈ (S1 ) e r2 ∈ (S2 ) fossero sghembe, allora preso
un punto T ∈ Q fuori da entrambe le rette, esisterebbe una retta t
passante per T incidente sia r1 che r2 . Ma allora la retta t apparterrebbe a Q, ed essendo incidente sia r1 che r2 , non apparterrebbe a
nessuno dei due sistemi di rette, contro quanto abbiamo provato in 3.
Analoghe considerazioni si possono fare per i paraboloidi iperbolici. Anche
in tal caso si ottengono due famiglie di rette reali giacenti sulla quadrica.
Nel caso di ellissoidi, iperboloidi ellittici e paraboloidi ellittici le stesse considerazioni portano a sistemi di rette sulle quadriche che però non sono
reali.
5.11. POLARITÀ RISPETTO AD UNA QUADRICA
5.11
135
Polarità rispetto ad una quadrica
Sia Q una quadrica non degenere di equazione t xBx = 0. Abbiamo visto nel
in 5.8 che per ogni punto P0 ∈ Q, non vertice, si definisce il piano tangente
π0 di equazione: t x0 Bx = 0.
Sia adesso P0 un qualunque punto dello spazio.
Definizione 27 Si chiama piano polare del punto P0 il piano π0 di
equazione t x0 Bx = 0. Il punto P0 si chiama il polo di π0 .
È chiaro che per ogni punto P0 , il piano polare è perfettamente determinato.
Se fosse t x0 B = (0, 0, 0, 0) allora seguirebbe Bx0 = 0 e il punto P0 sarebbe
vertice, contro l’ipotesi che la quadrica è non degenere.
Viceversa dato un qualunque piano π di equazione: ax + by + ct + dt = 0 esiste un unico punto P0 avente π come piano polare. Infatti, detta t x0 Bx = 0
l’equazione del piano polare del generico punto P0 , le due equazioni definiscono lo stesso piano π, se hanno i coefficienti proporzionali.
Ciò implica che
 
a
b

Bx0 = % 
c
d
Essendo det(B) 6= 0, tale sistema ammette una ed una sola soluzione.
Quindi esiste un unico punto P0 avente π come piano polare.
Abbiamo cosı̀ provato che c’è una corrispondenza biunivoca, senza eccezioni,
tra tutti i punti dello spazio e tutti i piani dello spazio.
Tale corrispondenza si chiama la polarità, rispetto alla quadrica non degenere Q.
Definizione 28 Un punto P0 si dice autoconiugato se appartiene al
proprio piano polare π0 .
Analogamente un piano π0 si dice autoconiugato se contiene il proprio polo P0 .
Due punti si dicono coniugati se l’uno appartiene al piano polare
dell’altro.
Sono immediate le seguenti proprietà.
136
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
1. Se P0 ∈ Q allora il piano polare π0 coincide col piano tangente.
2. Tutti e soli i punti autoconiugati sono i punti della quadrica Q.
Infatti: P0 ∈ π0 ⇐⇒ t x0 Bx0 = 0 ⇐⇒ P0 ∈ Q.
3. Teorema di reciprocità Siano P0 , P1 due qualunque punti dello
spazio e π0 , π1 i loro piani polari. Si ha: P0 ∈ π1 ⇐⇒ P1 ∈ π0 .
Infatti dire che P1 ∈ π0 vuol dire che t x0 Bx1 = 0. Ma t x0 Bx1 è una
matrice 1 × 1 ed allora coincide con la sua trasposta; quindi si ha
t x Bx = 0, cioè P ∈ π e viceversa.
0
1
1
0
4. Se un punto R descrive una retta r allora il suo piano polare πR varia
in un fascio.
Infatti le coordinate omogenee di R si possono esprimere come combinazione lineare omogenea delle coordinate omogenee di due punti P0
e P1 di r, cioè: xR = λx0 + µx1 .
Allora l’equazione del piano polare πR è :
t x Bx = λ(t x Bx) + µ(t x Bx) = 0. Quest’ultima è l’equazione del
R
0
1
fascio di piani avente per asse la retta r0 = π0 ∩ π1 .
Due rette come r ed r0 si dicono rette coniugate nella polarità,
rispetto alla quadrica Q.
In analogia a quanto fatto per le coniche si dà la seguente
Definizione 29 Si chiama centro della quadrica il polo del piano
improprio.
Proposizione 20 Il centro di una quadrica non degenere Q di equazione t xBx = 0 è il punto C = (B41 , B42 , B43 , |A|), dove Bij è il complemento algebrico di aij in B e |A| è il determinante della sottomatrice
A di B.
Dimostrazione. Basta cercare il polo P0 del piano improprio t = 0. Si
deve allora avere: t x0 B = (0, 0, 0, 1). Questa equivale al sistema
(a x + a y + a z + a t = 0
11 0
12 0
13 0
14 0
a12 x0 + a22 y0 + a23 z0 + a24 t0 = 0
a13 x0 + a23 y0 + a33 z0 + a34 t0 = 0
(5.25)
Il precedente è un sistema omogeneo di 3 equazioni in 4 incognite, con rango
della matrice dei coefficienti tre. Come sappiamo tale sistema ammette una
5.11. POLARITÀ RISPETTO AD UNA QUADRICA
137
sola soluzione, a meno di un fattore di proporzionalità, e una base per lo
spazio delle soluzioni si trova prendendo i determinanti, a segni alternati, dei
minori che si ottengono sopprimendo ordinatamente le colonne della matrice
dei coefficienti. Da ciò il risultato di cui all’enunciato. 2
Osservazione 16 È chiaro che ellissoidi e iperboloidi hanno il centro
proprio, in quanto |A| =
6 0. Per tali quadriche il centro coincide con il
centro di simmetria, come visto in (5.10).
Per i paraboloidi, che hanno |A| = 0, il centro è improprio, quindi
appartiene al proprio piano polare. Ne segue che il centro nei paraboloidi è autoconiugato. Se ne deduce che il piano improprio è tangente
alla quadrica Q in C e quindi la seca in una conica spezzata, in due
rette reali e distinte se il paraboloide è iperbolico, oppure in due rette
immaginarie e coniugate se il paraboloide è ellittico.
Sia Q una quadrica non degenere e P0 un punto non appartenente a Q. Si
dimostra il seguente
Teorema 16 Le rette tangenti a Q per P0 sono tutte e sole le rette che
congiungono P0 con i punti della conica sezione Γ = Q ∩ π0 , dove π0 è
il piano polare di P0 rispetto a Q.
Dimostrazione. Basta provare che se una retta r per P0 è tangente alla
quadrica in un punto T , allora T e P0 sono coniugati. Infatti r deve stare sul
piano tangente a Q in T , diciamolo πT ; quindi per il teorema di reciprocità
il piano polare π0 di P0 dovrà passare per T .
Viceversa se P0 T è la retta congiungente P0 con un punto T della conica
sezione Γ, segue che i punti P0 e T sono coniugati; si deduce che il piano
tangente in T deve contenere la retta P0 T , la quale è quindi tangente alla
quadrica in T . 2
Dal teorema precedente si deduce che il luogo delle rette tangenti a Q e
passanti per P0 ∈
/ Q è un cono di vertice P0 se P0 è proprio, un cilindro se
P0 è improprio. Si pone quindi la seguente
Definizione 30 Si chiama cono o cilindro circoscritto alla quadrica
da P0 , il luogo delle rette per P0 tangenti alla quadrica.
Per trovare l’equazione del cono o cilindro circoscritto ad una data quadrica
Q di equazione t xBx = 0 da un punto P0 si può procedere nel modo seguente:
138
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
si consideri la generica retta P0 P per P0 e si faccia sistema con la quadrica.
Come sappiamo si ottiene la risolvente:
λ2 (t x0 Bx0 ) + 2λµ(t x0 Bx) + µ2 (t xBx) = 0
(5.26)
Basta imporre che la generica retta incontri la quadrica in due punti coincidenti. A tale scopo il discriminante della (5.26) deve essere nullo. Quindi il
luogo richiesto ha equazione:
(t x0 Bx)2 − (t x0 Bx0 )(t xBx) = 0
Si ha allora che, detta f (P ) = 0 l’equazione della quadrica e φ0 = 0 l’equazione del piano polare del punto P0 , l’equazione del cono circoscritto si può
ottenere dalla formula:
φ20 − f (P0 )f (P ) = 0
dove f (P0 ) è il valore assunto dall’equazione della quadrica in P0 .
5.12
Alcune osservazioni
Supponiamo che sia data una conica Γ di equazioni: z = 0; x2 + 2y 2 = 2.
Ci poniamo il problema di determinare l’equazione della generica quadrica
contenente la data conica Γ. Ricordiamo che una quadrica dello spazio ha
equazione:
f (x, y, z, t) ≡ a11 x2 + 2a12 xy + 2a13 xz + 2a14 xt + a22 y 2 +
+ 2a23 yz + 2a24 yt + a33 z 2 + 2a34 zt + a44 t2 = 0 (5.27)
che, raggruppando tutti i termini contenenti la variabile z, si può riscrivere
nella forma:
f (x, y, z, t) ≡ z(2a13 x + 2a23 y + a33 z + 2a34 t) + a11 x2 +
+ 2a12 xy + 2a14 xt + a22 y 2 + 2a24 yt + a44 t2 = 0 (5.28)
Si vede subito dalla precedente che a fattore della z c’è una forma lineare
generica in x, y, z, t. Se quindi noi vogliamo che secando la generica quadrica
col piano z = 0 si ottenga la conica data, dobbiamo considerare la quadrica
di equazione:
z(ax + by + cz + dt) + x2 + 2y 2 − 2 = 0.
(5.29)
5.13. SFERE
139
Come si vede la generica quadrica contenente una data conica dipende da
quattro parametri a, b, c e d. Ciò è in accordo con la teoria generale. Infatti per individuare una quadrica si devono assegnare nove condizioni lineari
indipendenti; per individuare una conica si devono assegnare cinque condizioni lineari. Quindi per individuare la generica quadrica contenente una
data conica si devono assegnare quattro condizioni lineari.
Dall’esempio concreto che abbiamo esaminato si può prendere spunto per
affrontare il problema in generale, nel senso che ora preciseremo.
Supponiamo che sia data la conica di equazioni: x − z = 0; x2 − 3y 2 + 2xz −
4yz = 0. Determinare la generica quadrica contenente la conica.
È chiaro che ci si può ricondurre al caso precedente, facendo un cambiamento di coordinate, ne segue che la generica quadrica contenente la nostra
conica ha equazione:
(x − z)(ax + by + cz + dt) + x2 − 3y 2 + 2xz − 4yz = 0
(5.30)
Portiamo un ultimo esempio. Determinare la generica quadrica avente come
C∞ la conica: x2 + y 2 + z 2 = 0; t = 0.
Per quanto abbiamo visto tale quadrica ha equazione:
t(ax + by + cz + dt) + x2 + y 2 + z 2 = 0
(5.31)
Come vedremo questa è l’equazione di una sfera.
5.13
Sfere
Sia fissato nello spazio un sistema di riferimento cartesiano ortogonale O~x~y~z.u.
Siano dati un punto C di coordinate (α, β, γ) e un numero reale r > 0.
Il luogo dei punti P = (x, y, z) tali che d(P, C) = r si può scrivere nella
forma:
(x − α)2 + (y − β)2 + (z − γ)2 = r2
(5.32)
Con opportune posizioni la precedente si può scrivere anche nella forma:
x2 + y 2 + z 2 + ax + by + cz + d = 0
(5.33)
da cui si deduce subito che per determinare una sfera si devono assegnare
quattro condizioni indipendenti, al fine di determinare i parametri a, b, c, d.
140
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
Viceversa sia data una equazione del tipo (5.33), col metodo del completamento dei quadrati, essa si può scrivere anche nella forma:
² ³µ2 h
° c ±i2 a2 b2 c2
h
° a ±i2 ´
b
+ z− −
x− −
+ y− −
=
+
+
− d (5.34)
2
2
2
4
4
4
Se nella precedente equazione (5.34) il termine a secondo membro
a2 b2 c2
h=
+
+
− d è positivo allora l’equazione (5.34) è l’equazione di
4
4
4
√
c
a b
una sfera di centro C = (− , − , − ) e raggio r = h. Tale nozione si
2 2 2
generalizza anche al caso in cui il precedente h è negativo o nullo. Quando
h è negativo la sfera è priva di punti reali, mentre quando h è nullo l’unico
punto reale è il centro C. In definitiva possiamo porre la seguente:
Definizione 31 Si definisce sfera una quadrica la cui equazione è del
tipo:
(x − α)2 + (y − β)2 + (z − γ)2 = h.
Se si vogliono cercare i punti impropri di una sfera, basta scrivere la sua
equazione in coordinate omogenee e secarla col piano improprio t = 0.
Se ne deduce che la C∞ di una sfera è la conica: t = 0; x2 + y 2 + z 2 = 0.
Tale conica si chiama il cerchio assoluto, e si può interpretare come il
luogo dei punti ciclici dello spazio.
Se una quadrica contiene il cerchio assoluto è una sfera, nel senso della
definizione che abbiamo dato. Infatti perché una quadrica contenga il cerchio
assoluto la sua equazione dev’essere del tipo:
t(ax + by + cz + dt) + x2 + y 2 + z 2 = 0
che scritta in coordinate non omogenee fornisce l’equazione della generica
sfera.
Come abbiamo osservato per determinare una sfera si devono assegnare
quattro condizioni indipendenti. Per esempio imporre il passaggio per quattro punti, non complanari. Se Pi = (xi , yi , zi ) allora l’equazione della sfera
si trova dalla formula:
¬ 2
¬
¬ x + y2 + z2 x y z 1 ¬
¬ 2
¬
¬ x1 + y12 + z12 x1 y1 z1 1 ¬
¬ 2
¬
¬ x + y 2 + z 2 x2 y2 z2 1 ¬ = 0
(5.35)
2
2
¬ 2
¬
¬ x2 + y 2 + z 2 x3 y3 z3 1 ¬
3
3
¬ 3
¬
¬ x2 + y 2 + z 2 x4 y4 z4 1 ¬
4
4
4
5.13. SFERE
141
La precedente è l’equazione di una sfera, soddisfatta dalle coordinate dei
punti Pi .
Si considerino adesso due sfere distinte S1 ed S2 . Per trovare il luogo comune
alle due sfere si deve risolvere il sistema formato dalle loro equazioni, in
coordinate omogenee:
º 2
x + y 2 + z 2 + a1 xt + b1 yt + c1 zt + d1 t2 = 0
(5.36)
x2 + y 2 + z 2 + a2 xt + b2 yt + c2 zt + d2 t2 = 0
Il sistema (5.36) è equivalente al seguente:
º
x2 + y 2 + z 2 + a1 xt + b1 yt + c1 zt + d1 t2 = 0
[(a1 − a2 )x + (b1 − b2 )y + (c1 − c2 )z + (d1 − d2 )t] t = 0
(5.37)
Il precedente sistema rappresenta una curva nello spazio, del quarto ordine,
spezzata nel cerchio assoluto e nella circonferenza Γ di equazioni:
º
x2 + y 2 + z 2 + a1 xt + b1 yt + c1 zt + d1 t2 = 0
(5.38)
(a1 − a2 )x + (b1 − b2 )y + (c1 − c2 )z + (d1 − d2 )t = 0
Se si considera il fascio di sfere determinato dalle equazioni delle due sfere
S1 ed S2 il piano di equazione:
(a1 − a2 )x + (b1 − b2 )y + (c1 − c2 )z + (d1 − d2 )t = 0
(5.39)
si chiama il piano radicale del fascio di sfere.
Osserviamo che quando le due sfere sono concentriche, cioè a1 = a2 ; b1 =
b2 ; c1 = c2 , allora il piano radicale coincide col piano improprio t = 0. In
tal caso le due sfere hanno doppiamente a comune il cerchio assoluto.
5.13.1
Esempi
1. Determinare il fascio di sfere contenenti la circonferenza di equazioni:
x2 + y 2 + z 2 = 4; z = 1.
Innanzitutto si osserva che, anche nel caso delle quadriche, un fascio è
individuato da due qualunque quadriche passanti per il luogo base, che
in tal caso è la conica data. Si può rispondere subito a tale questione
considerando il fascio individuato dalla sfera S1 di equazione x2 + y 2 +
z 2 = 4 e da S2 che è la quadrica spezzata nel piano radicale z = 1 e
nel piano improprio. Quindi il fascio di sfere richiesto ha equazione:
λ(x2 + y 2 + z 2 − 4) + µ(z − 1)t = 0.
142
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
2. Determinare il fascio di sfere tangenti al piano di equazione: 3x + 2y −
z = 0, nel suo punto O = (0, 0, 0).
Il fascio si può ottenere facendo combinazione lineare della sfera S1 ,
di centro O e raggio nullo e della quadrica S2 spezzata nel piano 3x +
2y − z = 0 e nel piano improprio t = 0. Quindi il fascio richiesto si
può scrivere:
λ(x2 + y 2 + z 2 ) + µ(3x + 2y − z)t = 0.
5.14
Cenni su curve e superficie nello spazio
Noi abbiamo studiato le quadriche che sono le superficie di ordine due; ma
si possono studiare superficie di ordine n qualunque.
Una tale superficie S è il luogo dei punti propri o impropri, reali o immaginari
che con le loro coordinate omogenee soddisfano una forma F (x, y, z, t) = 0,
di grado n nelle variabili x, y, z, e t.
C’è da convenire che se il polinomio F (x, y, z.t) si spezza nel prodotto di k
fattori irriducibili F1 , F2 , · · · , Fk ciascuno contato n1 , n2 , · · · , nk volte cioè se
F = F1n1 ·F2n2 · · · Fknk , allora la superficie è costituita dai punti di S1 : F1 = 0
contati n1 volte,. . . , dai punti di Sk : Fk = 0 ciascuno contato nk volte.
Le superficie F1 = 0, . . . , Fk = 0 sono dette le componenti irriducibili della
superficie F = 0.
Come abbiamo visto, una conica nello spazio si può rappresentare come
intersezione di una quadrica con un piano.
Più in generale, l’intersezione L = S ∩ T di due superficie S e T , senza
componenti comuni, di gradi m ed n definisce una curva L nello spazio di
grado mn.
Talvolta è possibile assegnare una curva L, in coordinate non omogenee,
mediante equazioni parametriche.
Precisamente:

 x = x(t)
L : y = y(t)
(5.40)

z = z(t)
dove x = x(t), y = y(t), z = z(t) sono funzioni non tutte costanti del parametro t, che possono essere algebriche (o trascendenti).
Noi considereremo solo curve particolarmente semplici e per lo più algebriche.
5.14. CENNI SU CURVE E SUPERFICIE NELLO SPAZIO
143
Anche di una superficie S si può dare talvolta una rappresentazione parametrica.
Precisamente, dette x, y, z le coordinate non omogenee di un punto P di S,
si ha:

 x = x(u, v)
S : y = y(u, v)
(5.41)

z = z(u, v)
dove x = x(u, v), y = y(u, v), z = z(u, v) sono funzioni, non costanti, algebriche (o trascendenti) di due parametri indipendenti u e v.
5.14.1
Superficie coniche e cilindriche
Siano dati una curva L e un punto proprio P0 . Si pone la seguente
Definizione 32 Si dice superficie conica di vertice P0 e direttrice L la
superficie luogo delle rette passanti per P0 e per il generico punto G ∈
L, al variare di G.
Data una curva L e un punto improprio P∞ , si pone la seguente
Definizione 33 Si dice superficie cilindrica di vertice P∞ e direttrice L
la superficie luogo delle rette che passano per il generico punto G ∈ L
e hanno per direzione quella determinata dal punto improprio P∞ , al
variare di G.
Esempio a) Data la conica L di equazioni: z = 0; x2 − y 2 − 1 = 0 e il
punto P0 = (1, 0, −1). Determinare l’equazione del cono con vertice P0
e direttrice L.
Si consideri il punto generico G = (x0 , y0 , z0 ) ∈ L. Esso deve soddisfare le
equazioni di L. Quindi dev’essere z0 = 0 e x20 − y02 − 1 = 0. Il nostro luogo
è descritto dalle generatrici P0 G. Una tale retta ha equazioni:
x − x0
y − y0
z
=
=
1 − x0
−y0
−1
Allora per trovare il luogo descritto da tali rette si deve considerare il sistema:
 2
2
 x0 − y0 = 1


x+z
x0 =
(5.42)
1+z

y

 y =
0
1+z
144
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
dove la seconda e la terza equazione sono le equazioni della retta P0 G, mentre
la prima è la condizione che dev’essere soddisfatta perché G ∈ L.
Per trovare l’equazione cartesiana del luogo si devono eliminare i parametri
x0 e y0 dal sistema.
Si deduce l’equazione del luogo:
° x + z ±2 ° y ±2
−
−1=0
1+z
1+z
che si può anche scrivere:
x2 − y 2 + 2xz − 2z − 1 = 0
Esempio b) Sia data la conica Γ di equazioni x − z = 0; x2 − xy + 2z 2 −
2x = 0.
Determinare l’equazione del cilindro avente direttrice Γ e vertice il
punto P∞ = (1, −1, −1, 0)
Sia P0 = (x0 , y0 , z0 ) un punto generico appartenente a Γ. Pertanto tale
punto con le sue coordinate deve soddisfare le equazioni di Γ. Si ha quindi
x0 = z0 ; x20 − x0 y0 + 2z02 − 2x0 = 0.
Tenuto conto che le prime tre coordinate del punto improprio P∞ danno i
parametri direttori delle rette aventi direzione determinata da quel punto
improprio, le equazioni della retta P0 P∞ sono:
y − y0
z − z0
x − x0
=
=
.
1
−1
−1
Quindi l’equazione del cilindro richiesto si trova come risultante del sistema:


3x20 − x0 y0 − 2x0 = 0



x+z
x0 =
(5.43)
2


x + 2y − z

 y0 =
2
Eliminando i parametri x0 , y0 con semplici calcoli si ottiene l’equazione
del cilindro:
x2 − xy + 3xz − yz + 2z 2 − 2x − 2z = 0.
C’è da osservare che nei precedenti esempi la direttrice L è stata una conica,
ma se fosse stata una curva di ordine più alto il procedimento sarebbe stato
lo stesso. In tal caso si sarebbe trovata una superficie di ordine più alto
anziché trovare una quadrica.
5.15. CARATTERIZZAZIONE DI CILINDRI E CONI
5.14.2
145
Proiezioni di curve
Sia data una curva L nello spazio. Proiettare questa curva su un dato piano,
da un punto P0 , proprio o improprio, significa trovare il luogo dei punti del
piano ottenuti come intersezione del piano con le rette P0 G, dove G è il
generico punto di L.
Chiaramente per proiettare la curva L su un piano π dal punto proprio P0
basta trovare la curva L0 intersezione del cono di vertice P0 e direttrice L
col piano π.
Riferendoci ai dati dell’esempio a) del numero precedente, se si vuole proiettare la conica Γ data di equazioni: z = 0; x2 − y 2 − 1 = 0, dal punto
P0 = (1, 0, −1) sul piano di equazione x − y + z = 0, basta intersecare il
cono trovato di equazione x2 − y 2 + 2xz − 2z − 1 = 0 col piano. Quindi la
proiezione richiesta è la conica Γ0 di equazioni:
º 2
x − y 2 + 2xz − 2z − 1 = 0
x−y+z =0
Se si vuole proiettare una curva L su un piano π, da un punto improprio
P∞ , basta secare il cilindro di vertice P∞ e direttrice L col piano π.
Riferendoci ai dati dell’esempio b) del numero precedente se vogliamo proiettare la conica Γ di equazioni x − z = 0; x2 − xy + 2z 2 − 2x = 0 dal punto
improprio P∞ = (1, −1, −1, 0) sul piano y = 0, basta intersecare l’equazione
del cilindro trovato nell’esempio col piano y = 0. Quindi le equazioni della
conica proiezione Γ0 si ottengono dal sistema:
º
y=0
x2 − xy + 3xz − yz + 2z 2 − 2x − 2z = 0
5.15
Caratterizzazione di cilindri e coni
Sia data nello spazio una retta r come intersezione dei due piani
f (P ) = 0; g(P ) = 0 e sia S una superficie di equazione χ(P ) = 0. Vogliamo
provare il seguente
Teorema 17 Condizione necessaria e sufficiente perché S sia una superficie cilindrica con generatrici parallele alla retta r è che esista una
funzione di due variabili φ = φ(u, v) tale che l’equazione della superficie
χ(P ) = 0 si possa scrivere nella forma: φ(f (P ), g(P )) = 0.
146
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
Dimostrazione. Supponiamo che la nostra superficie S abbia equazione
φ(f (P ), g(P )) = 0. Detto P0 un qualunque punto di S, basta provare che
la retta per P0 parallela ad r giace sulla superficie. Intanto per ipotesi
φ(f (P0 ), g(P0 )) = 0. Poi le equazioni della retta r0 per P0 parallela ad r si
possono scrivere nella forma f (P ) = f (P0 ); g(P ) = g(P0 ). La precedente
affermazione segue dal fatto che se il piano π: f (P ) = 0 ha equazione
ax + by + cz + d = 0 il piano per P0 = (x0 , y0 , z0 ) parallelo a π ha equazione
a(x − x0 ) + b(y − y0 ) + c(z − z0 ) = 0, che è equivalente a f (P ) = f (P0 ).
D’altra parte la retta per un punto P0 parallela alla retta intersezione di due
piani è l’intersezione dei due piani per P0 paralleli ai piani che determinano
la retta data. Segue quindi che per ogni punto P 0 della retta r0 si ha f (P 0 ) =
f (P0 ); g(P 0 ) = g(P0 ) ed allora φ(f (P 0 ), g(P 0 )) = 0, cioè la retta r0 giace su
S.
Viceversa supponiamo che S sia una superficie cilindrica con generatrici parallele alla retta r intersezione dei due piani f (P ) = 0 e g(P ) = 0. È possibile
operare un cambiamento di coordinate in modo che la retta r sia l’asse delle
~Y
~ Z.
~ Come sappiamo, S in tale
~ di un nuovo riferimento nello spazio O0 X
Z
riferimento deve avere equazione del tipo: Φ(X, Y ) = 0.
I due piani f (P ) = 0; g(P ) = 0 hanno, nel nuovo riferimento, equazioni:
F (P ) = 0 e G(P ) = 0.
A questo punto osserviamo che i due piani coordinati X = 0 e Y = 0 sono
piani del fascio individuato da F (P ) = 0 e G(P ) = 0. Quindi: X = aF + bG
e Y = cF + dG. Allora la superficie S si può scrivere Φ(aF + bG, cF + dG) =
0. Riscrivendo questa equazione nel vecchio riferimento si vede subito che
l’equazione di S è una funzione delle due variabili f (P ) e g(P ) uguagliata a
zero, come volevasi. 2
Diamo adesso la caratterizzazione delle superficie coniche algebriche con
vertice nella origine O del riferimento.
Teorema 18 Condizione necessaria e sufficiente perché la superficie
algebrica S di equazione f (x, y, z) = 0 sia una superficie conica con
vertice nell’origine O è che il polinomio f (x, y, z) sia omogeneo.
Dimostrazione. Se f (x, y, z) è omogeneo allora detto P0 un qualunque
punto di S si ha f (x0 , y0 , z0 ) = 0. Consideriamo la retta OP0 e proviamo
che essa giace sulla quadrica. Infatti le sue equazioni si possono scrivere
nella forma: x = tx0 ; y = ty0 ; z = tz0 . Intersecando con la superficie si ha
la risolvente: tα f (x0 , y0 , z0 ) = 0, la quale è una identità. Quindi l’origine O
5.16. SUPERFICIE DI ROTAZIONE
147
è vertice per S.
Viceversa se S è una superficie conica col vertice in O di equazione f (x, y, z) =
0, proviamo che f (x, y, z) è omogeneo. Sia L una direttrice del cono, per
esempio quella che si ottiene secando S col piano z = 1.
Scriviamo l’equazione della superficie conica di vertice O e direttrice L. Sia
(x0 , y0 , 1) un punto generico di L. Pertanto dev’ essere f (x0 , y0 , 1) = 0. L’equazione della nostra superficie conica si ottiene come luogo delle generatrici
OP0 , quindi eliminando i parametri x0 , y0 e t dal sistema:

f (x0 , y0 , 1) = 0


x = x0 t
 y = y0 t

z = z0 t
°x y ±
, , 1 = 0, la quale è una funzione omoSi ottiene subito l’equazione f
z z
genea di grado zero. 2
Osservazione 17 Se nel precedente teorema si considerano solo i polinomi omogenei irriducibili allora si caratterizzano le superfici coniche
algebriche aventi l’origine O come unico vertice. Si ritrovano cosı̀ i
coni quadrici.
5.16
Superficie di rotazione
Sia data nello spazio una retta r. Una superficie S si dice che è di rotazione
attorno all’asse r se tutte le sezioni di S con piani perpendicolari ad r sono
circonferenze con centri sulla retta r.
Esempio Sia data la retta g di equazioni x = 2z; y = −2z e la retta r
di equazioni x = y = z. Determinare l’equazione della superficie generata
dalla rotazione di g attorno a r.
Sia P0 = (x0 , y0 , z0 ) un generico punto di g. Allora le sue coordinate sono
(2z0 , −2z0 , z0 ). Consideriamo il piano per P0 perpendicolare a r, esso ha
equazione x − 2z0 + y + 2z0 + z − z0 = 0 ed incontra la retta r nel punto C
z0 z0 z0
di coordinate ( , , ).
3 3 3
La circonferenza di centro C e raggio d(P0 , C) del suddetto piano è una
148
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
generatrice della superficie di rotazione cercata.
Tale superficie si ottiene allora eliminando il parametro z0 dal sistema:
º
x + y + z = z0
(x − z30 )2 + (y − z30 )2 + (z − z30 )2 = (2z0 − z30 )2 + (−2z0 − z30 )2 + (z0 −
z0 2
3)
Dei semplici calcoli permettono di trovare la superficie richiesta; essa ha
equazione:
25
2
x2 + y 2 + z 2 − (x + y + z)(x + y + z) = (x + y + z)2
3
3
che semplificata ulteriormente dà x2 + y 2 + z 2 = 9(x + y + z)2 .
Tale superficie, come del resto si poteva prevedere geometricamente, è una
superficie conica con vertice nell’origine delle coordinate, visto che la sua
equazione è omogenea di grado 2.
In un caso particolare la superficie di rotazione di una curva L attorno ad
un asse è veramente facile da scrivere. Ciò si ha quando la curva L giace su
uno dei piani coordinati e l’asse di rotazione è uno degli assi coordinati.
Precisamente:
Teorema 19 Sia L una curva del piano y = 0 di equazioni: y = 0;
superficie di rotazione attorno
φ(x, z) = 0. Allora l’equazione della p
all’asse delle ~z si ottiene sostituendo x2 + y 2 alla variabile x nell’equazione φ(x, z) = 0.
p
Quindi la superficie di rotazione in tale caso è: φ( x2 + y 2 , z) = 0.
Dimostrazione. Sia P0 = (x0 , 0, z0 ) un punto della curva L. Mentre la
curva ruota attorno all’asse delle ~z il punto P0 si porta in un punto P00 di
coordinate (x00 , y00 , z0 ), con la stessa z0 in quanto P00 e P0 stanno entrambi
su un piano perpendicolare all’asse ~z. Ma dobbiamo imporre che le distanze
02
di P0 e P00 dall’asse ~z siano uguali. Quindi dev’essere: x20 = x02
0 + y0 . Ne
deriva
p che la superficie di rotazione è il luogo dei punti (x, y, z) per cui
φ( x2 + y 2 , z) = 0.
5.16.1
Sezioni circolari di una quadrica
Nei numeri precedenti abbiamo visto come trovare la superficie di rotazione
di una curva attorno ad una retta. Adesso vogliamo capire quando la sezione
di una quadrica con un piano è una circonferenza. Cioé vogliamo studiare
5.16. SUPERFICIE DI ROTAZIONE
149
le cosiddette sezioni circolari di una quadrica.
Ricordiamo che una conica, non contenente come parte la retta impropria,
che passi per i punti ciclici del piano è una circonferenza, reale o immaginaria.
Inoltre abbiamo già osservato che la totalità dei punti
º ciclici dello spazio è
t=0
un luogo, detto il cerchio assoluto, che ha equazioni
x2 + y 2 + z 2 = 0.
È chiaro che per ottenere su una quadrica Q sezioni circolari la C∞ della
quadrica non dev’essere spezzata in due rette reali distinte o coincidenti,
perché in tal caso non ci sarebbero piani che secano la quadrica in ellissi e
quindi nemmeno in circonferenze.
Per fissare le idee supponiamo che la nostra quadrica Q sia un paraboloide ellittico, quadrica sulla quale sono consentite le sezioni circolari. La
C∞ della quadrica è spezzata in due rette immaginarie coniugate r ed r. Sul
piano improprio t = 0 la C∞ di Q e il cerchio assoluto si secano in quattro
punti immaginari A, A, B e B, di cui A e B sono i punti complessi coniugati
dei punti A e B. Se cerchiamo i piani reali che secano Q in circonferenze
basta prendere tutti ( e soli) i piani dei due fasci che hanno per asse le due
rette reali AA e BB. Ovviamente potrebbe accadere che A coincida con B
e A con B. In tal caso la retta AA coinciderebbe con BB. Se ne conclude
che, in entrambi i casi, ci sono infiniti piani che secano Q in circonferenze.
Nel primo caso, quando tutti e quattro i punti sono distinti, esaminiamo
qual’è il luogo descritto dai centri delle circonferenze secate dai piani reali
passanti per la retta AA. Innanzitutto tali piani sono paralleli perché hanno
la stessa giacitura, che è quella determinata dalla retta impropria AA. Detto
π un piano passante per la retta AA che seca Q in una circonferenza, per
il teorema che lega le tangenti alle polari, segue che il centro della circonferenza essendo il polo della retta impropria del piano secante π è anche il
punto comune alle tangenti al cerchio in A e A. Quindi tali tangenti saranno
anche tangenti a Q in A e A, ed allora apparterranno ai piani tangenti alla
quadrica Q in A e A. In definitiva tutti i centri delle circonferenze secate
dai piani aventi asse la retta AA apparterranno alla retta t intersezione dei
due piani tangenti alla quadrica πA e πA , rispettivamente in A e A. La retta
t incontra il piano improprio nel centro C del paraboloide. Tale punto non
è il polo della retta AA, nella polarità rispetto al cerchio assoluto perché le
congiungenti C con A e A non sono tangenti al cerchio assoluto. Tale ultimo
150
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
fatto equivale a dire che la retta t non è perpendicolare ai piani del fascio di
asse AA.
Quanto affermato segue dalla seguente affermazione: sia P0 = (x0 , y0 , z0 , 0)
un punto del ºpiano improprio. La sua polare, rispetto al cerchio assoluto,
t=0
ha equazioni
x0 x + y0 y + z0 z = 0.
È ovvio che
un
qualunque piano ax + by + cz + dt = 0 che abbia retta
º
t=0
impropria
è perpendicolare alla direzione determix0 x + y0 y + z0 z = 0
nata dal punto improprio (x0 , y0 , z0 , 0).
Quindi si puó affermare che, nel caso precedente, Q non è di rotazione intorno alla retta t. Perché ció accada deve invece verificarsi il secondo caso,
quando si hanno le coincidenze dei punti A = B e A = B.
La conclusione è che perché una quadrica sia di rotazione deve accadere che
il cerchio assoluto e la C∞ della quadrica siano bitangenti in A e A. In tal
caso tutti ( e soli) i piani reali che la secano in circonferenze sono quelli
del fascio di piani avente per asse la retta che congiunge A e A, e il luogo
descritto dai centri di tali circonferenze è la retta t intersezione dei piani
tangenti alla quadrica Q in A e A.
Oltre ai paraboloidi ellittici che abbiamo ora considerato, le quadriche su
cui esistono sezioni circolari sono: i coni, i cilindri ellittici, gli ellissoidi e gli
iperboloidi. Il ragionamento che abbiamo fatto nel caso esaminato è estendibile, con pochi e semplici adattamenti, a tutte le altre quadriche.
Facciamo un esempio che possa chiarire quanto affermato.
Esempio 27 Consideriamo il paraboloide ellittico 2x2 + (y − z)2 − (y +
z) = 0. Proviamo che esso è di rotazione e troviamo la retta asse della
rotazione.
Dimostrazione. Come affermato nella teoria dobbiamo trovare i punti
comuni al cerchio assoluto e alla conica all’infinito della nostra quadrica. Si
ha

(t = 0
t = 0
2
2
2
x +y +z =0
x2 + y 2 + z 2 = 0
 2
2
2x + (y − z) = 0
x2 = 2yz
5.17. ALCUNI ESEMPI NOTEVOLI
151
da ció segue immediatamente
(t = 0
(y + z)√2 = 0
x = ± 2iz
√
√Otteniamo quindi i due punti immaginari A = ( 2i, −1, 1, 0) e A =
(− 2i, −1, 1, 0), ciascuno dei quali contato due volte visto che nel sistema
la seconda equazione era (y + z)2 = 0. Si deduce che la nostra quadrica è di
rotazione. Tutti i piani che la secano in circonferenze sono tutti e soli quelli
del fascio avente per asse la retta AA. Nel nostro caso si imponga al generico
piano dello
º √ spazio ax + by + cz + dt = 0 dinpassare per i due punti A e A. Si
a=0
2ia − b + c = 0
√
ottiene
da cui
. In definitiva i piani che
b=c
− 2ia − b + c = 0
secano Q in circonferenze sono tutti e soli quelli del tipo b(y + z) + dt = 0.
Troviamo adesso l’asse di rotazione. In conformità a quanto affermato si
deve trovare la retta comune ai piani tangenti alla quadrica in A e A. Nel
nostro caso la matrice della quadrica è


2 0
0
0
 0 1 −1 − 1 
2
B=
 0 −1 1 − 1 
2
0
0 − 12 − 12
√
√
I piani polari di A e A sono rispettivamente 2 2ix−2y +2z =º0 e −2 2ix−
x=0
2y+2z = 0. Il sistema formato dalle equazioni dei due piani è
.
y−z =0
Quest’ultima retta è l’asse di rotazione.
5.17
Alcuni esempi notevoli
Esempio 28 Data la conica Γ di equazioni: z = 0,
Fra le quadriche contenenti Γ:
y 2 − 2x = 0.
1. caratterizzare quelle, a punti parabolici, aventi l’asse ~z come una
generatrice;
2. determinare e studiare quelle aventi in Z∞ il piano y = 0 come
piano tangente;
152
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
3. caratterizzare i piani che secano le quadriche di cui al punto 2.
in parabole.
4. Detta Q la quadrica del tipo 2. passante per il punto P = (1, 1, 1),
caratterizzare i piani che la secano in iperboli equilatere.
1. Le quadriche contenenti Γ hanno equazione z(ax + by + cz + d) + y 2 −
2x = 0.
Perché contengano l’asse ~z, facendo sistema con x = 0, y = 0 la risolvente dev’essere una identità. Facilmente si deduce c = 0, d = 0. Allora
le quadriche sono del tipo: axz + byz + y 2 − 2x = 0. Secando col piano
tangente nell’origine, che è x = 0, dobbiamo ottenere una conica spezzata
in due rette coincidenti. Per x = 0 si ha byz + y 2 = 0. Deve essere b = 0.
La totalità delle quadriche che si ottiene è: axz + y 2 − 2x = 0.
Per a = 0 si ha un cilindro parabolico; per a 6= 0 si hanno coni.
2. Come nel quesito precedente l’equazione della generica quadrica contente
la conica è z(ax + by + cz + dt) + y 2 − 2x = 0. Perchè la quadrica passi
per Z∞ dev’essere c = 0. Il piano tangente in Z∞ è : ax + by + dt = 0.
Perché questa equazione definisca il piano y = 0 dev’essere: a = 0, d = 0.
Si ottiene allora byz + y 2 − 2x = 0, con b 6= 0.
Le quadriche ottenute sono a punti iperbolici perché secando col piano tangente nell’origine che è x = 0 si ottiene x = 0, y(bz + y) = 0 che è una
conica spezzata in due rette reali e distinte. La C∞ è: t = 0, y(bz + y) = 0
ed è pure spezzata in due rette reali e distinte. Si tratta, quindi, sempre di
paraboloidi iperbolici. Il centro di tali paraboloidi, punto comune alle due
rette in cui si spezza la C∞ , è X∞ = (1, 0, 0, 0) per ogni quadrica del fascio.
3. I piani che secano le quadriche in parabole sono tutti e soli quelli passanti
per il centro, esclusi i piani aventi per assi le due rette in cui si spezza la C∞ .
I piani per X∞ sono quelli del tipo b0 y + c0 z + d0 t = 0 e dobbiamo ecludere
i piani dei due fasci summenzionati. Deve quindi essere: c0 6= 0; c0 6= bb0 .
4. La quadrica Q passante per P = (1, 1, 1) ha equazione yz + y 2 − 2x = 0.
La C∞ della quadrica è t = 0, y(y +z) = 0. Consideriamo la retta impropria
del generico piano ax + by + cz + dt = 0; essa seca la C∞ nei due punti:
(c, 0, −a, 0) e (b − c, −a, a, 0). Noi vogliamo che tali punti siano in direzioni
ortogonali e pertanto dev’essere: c(b − c) − a2 = 0. In conclusione tutti i
piani i cui coefficienti soddisfano la precedente relazione secano la quadrica
in iperboli equilatere.
Esempio 29 Sia data la generica iperbole Γ di equazioni z = 0,
xy =
5.17. ALCUNI ESEMPI NOTEVOLI
153
k, con k > 0, e sia t una sua tangente. Dette A e B le intersezioni di
t rispettivamente con gli assi ~x e ~y ,
1. Trovare le equazioni della conica C luogo del punto P = r ∩ s,
dove r è la retta per A parallela all’asse trasverso di Γ, ed s la
parallela per B all’asse ~x.
2. Studiare le quadriche Q contenenti gli asintoti di C, aventi in
X∞ il piano y − z = 0 comenpiano tangente
n e contenenti la conica
y=0
y=0
spezzata nelle due rette:
x − z + 1 = 0.
z=0
3. Tra i piani passanti per l’asse ~z determinare quelli che secano il
paraboloide di Q in una iperbole equilatera e quelli che lo secano
in una parabola.
1. Lavoriamo nel piano z = 0. Sia P0 = (x0 , y0 ) un punto generico della
iperbole xy = k. P0 con le sue coordinate deve soddisfare l’equazione della
iperbole e si ha: x0 y0 = k. L’equazione della tangente è data da x0 y + y0 x =
2k. Tale retta incontra gli assi ~x e ~y rispettivamente in A = (2k/y0 , 0) e
B = (0, 2k/x0 ). Ne segue che le due rette r ed s hanno rispettivamente
equazioni: y = x − 2k/y0 e y = 2k/x0 . Il luogo descritto dal punto P si
ottiene eliminando i parametri x0 e y0 dal sistema

x0 y0 = k



2k

y =x−
y0


2k

y =
x0
º
z=0
La conica luogo C ha equazioni:
(x − y)y = 4k.
2. La più generale quadrica contenente la conica spezzata nei due asintoti
ha equazione:
z(ax + by + cz + d) + xy − y 2 = 0.
Essa passa per il punto X∞ e il piano tangente in esso a Q ha equazione
az + y = 0. Ne segue che dev’essere a = −1. Perché Q contenga la conica
spezzata nelle due rette date, deve accadere che secando Q con y = 0 si
ottenga un residuo proporzionale a xz − z 2 + z = 0. Si deduce che Q ha
equazione: z(−x + by + z − 1) + xy − y 2 = 0.
154
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
L’origine O è un punto iperbolico; infatti il piano tangente in O ha equazione
z = 0 e seca la quadrica nella conica spezzata nelle due rette di equazioni:
z = 0, y = 0 e z = 0, x − y = 0. Quindi le quadriche del fascio Q sono tutte
a punti iperbolici e sono iperboloidi iperbolici o paraboloidi iperbolici. Per
ottenere i paraboloidi bisogna cercare i valori del parametro b per cui la C∞
è spezzata. Si vede subito che ciò si verifica per b = 0. In tal caso la C∞ si
spezza nelle due rette t = 0, y − z = 0 e t = 0, z + y − x = 0. Il centro C
del paraboloide è il punto comune a tali rette e si trova che C = (2, 1, 1, 0).
3. Sia adesso x = λy l’equazione del generico piano contenente l’asse ~z.
Troviamo adesso i punti comuni alla retta impropria del piano secante e alla
C∞ ; essi sono (λ, 1, 1, 0) e (λ, 1, λ − 1, 0). Perché siano ortogonali dev’essere
λ2 + 1 + λ − 1 = 0; quindi i due piani x = 0 e x + y = 0 secano il paraboloide
in iperboli equilatere. Fra i piani contenenti l’asse ~z c’è anche il piano di
equazione y = 0, che non rientra nei piani indicati dall’equazione x = λy. Si
vede subito che esso non seca il paraboloide in punti in direzioni ortogonali.
Le parabole si ottengono imponendo al fascio x = λy di passare per il centro
C, escludendo i piani dei due fasci che contengono le due rette in cui si
spezza la C∞ . Si ha λ = 2. Quindi il piano x = 2y è l’unico piano che seca
il paraboloide in una parabola. Infatti il piano y = 0 non passa per il punto
C e d’altra parte x = 2y non contiene le due rette in cui si spezza la C∞ .
Esempio 30 Siano date le rette r ed s di equazioni rispettivamente
nx = z
nx = y
y=0
z = 0.
1. Detto α il generico piano contenente la retta s, sia t la retta
che si ottiene proiettando ortogonalmente r su α. Determinare e
studiare la quadrica Q descritta dalla retta t al variare di α nel
fascio di piani che ha per asse la retta s.
2. Detta Γ la conica sezione di Q col piano z = 1 determinare e
studiare le quadriche che contengono Γ ed hanno Q come cono
circoscritto lungo Γ.
1. Sia α di equazione x − y + λz = 0, si consideri il fascio di piani contenente r ; esso ha equazione x − z + µy = 0. Imponendo che i due piani
siano ortogonali si ha che µ = 1 − λ. Allora la retta t si ottiene come intersezione
di α e del piano per r ortogonale ad α. Ne segue che t è data da
º
x − y + λz = 0
Eliminando λ si ottiene la quadrica luogo Q, la
x − z + (1 − λ)y = 0.
5.17. ALCUNI ESEMPI NOTEVOLI
155
cui equazione è: xz − z 2 + yz − y 2 + xy = 0. Poichè l’equazione trovata è una
equazione omogenea la quadrica trovata è un cono con vertice nell’origine
delle coordinate.
2. La conica Γ ha equazioni
º
z=1
xy − y 2 + x + y − 1 = 0.
La generica quadrica contenente Γ ha equazione
(z − 1)(ax + by + cz + d) + xy − y 2 + x + y − 1 = 0
Se si vuole che il cono Q sia circoscritto alla generica quadrica lungo Γ deve
accadere che il piano polare del vertice di Q sia proprio il piano z = 1.
Facendo i calcoli si trova che l’equazione di tale piano polare è
(1 − a)x + (1 − b)y + (d − c)z − 2 − 2d = 0
Identificando tale equazione con z = 1 si trova che a = 1, b = 1, c = −d − 2.
Quindi le quadriche richieste hanno equazione:
xy + xz − y 2 + yz + (−d − 2)z 2 + 2(d + 1)z − d − 1 = 0
La matrice B di tali quadriche è


0 1/2
1/2
0
 1/2 −1
1/2
0 


 1/2 1/2 −d − 2 d + 1 
0
0
d + 1 −d − 1
Un semplice calcolo mostra che |B| = −3/4(d + 1), mentre |A| = 1/4(d + 4).
In conclusione possiamo dire che le quadriche sono a punti iperbolici per
d < −1 e a punti ellittici per d > −1.
Per d = −4 si ha un paraboloide iperbolico.
Per d > −1 le quadriche sono tutte iperboloidi ellittici.
1. Trovare le equazioni dell’iperbole equilatera C del
Esempio 31
piano z = 0 di cui x + y = 0 è un asintoto e tale che la retta
x − y − 2 = 0 sia la polare di (0, 1, 0, 1), rispetto a C.
156
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
2. Detta c la conica spezzata nelle due tangenti condotte dall’origine
O alla iperbole C, trovare l’equazione della generica quadrica Q
contenente d e tale che la sua sezione col piano x = y si proietta
su ~x~z nella conica y = 0, 4x2 + z 2 + z = 0.
3. Studiare le quadriche cosı̀ trovate.
1. Lavoriamo nel piano z = 0. Visto che l’iperbole cercata dev’essere equilatera e x + y = 0 dev’essere un asintoto, l’altro asintoto dev’essere ad esso
ortogonale, quindi la nostra iperbole deve appartenere al fascio di equazione:
(x + y)(x − y + 2d) + λt2 = 0.
La polare del punto (0, 1, 1) ha equazione dx + (d − 1)y + d + λ = 0 e perché
sia la retta x − y − 2 = 0 dev’essere

d = ρ
d − 1 = −ρ

d + λ = −2ρ
da cui si deduce d = 1/2 e λ = −3/2. L’iperbole cercata ha quindi equazione
2x2 − 2y 2 + 2x + 2y − 3 = 0.
2. La conica c spezzata nelle due tangenti dall’origine O alla iperbole è la
conica, passante per O, del fascio individuato dalla iperbole e dalla polare
di O contata due volte.
Quindi si consideri il fascio
2x2 − 2y 2 + 2x + 2y − 3 + λ(x + y − 3)2 = 0
e si imponga ad esso di passare per O. Si trova subito 7x2 − 5y 2 + 2xy = 0.
Adesso si considera la generica quadrica contenente la conica d trovata.
L’equazione è data da
z(ax + by + cz + d) + 7x2 − 5y 2 + 2xy = 0
Secando la precedente col piano x = y si ottiene una conica del piano x = y.
Per proiettare tale conica sezione, parallelamente all’asse ~y sul piano y = 0
basta secare col piano y = 0 il cilindro contenente la conica con generatrici
parallele all’asse ~y che si ottiene eliminando la y dal sistema
º
z(ax + by + cz + d) + 7x2 − 5y 2 + 2xy = 0
x=y
5.17. ALCUNI ESEMPI NOTEVOLI
157
Si ottiene la conica
º
z(ax + bx + cz + d) + 4x2 = 0
y=0
Imponendo che essa sia la conica y = 0, 4x2 + z 2 + z = 0 si deducono i valori
a + b = 0, c = d = 1.
L’equazione della generica quadrica è:
axz − ayz + z 2 + z + 7x2 − 5y 2 + 2xy = 0.
Secando col piano z = 0 si deduce subito che l’origine O è un punto iperbolico
e quindi le quadriche sono a tutte a punti iperbolici; inoltre il det(A) 6= 0
per ogni a ∈ IR; si deduce che le quadriche sono tutte iperboloidi iperbolici.
1. Determinare l’equazione del cono Q di vertice V =
Esempio 32
(1, 0, 0), tangente in O all’asse ~y e passante per i punti: A =
(1, 0 − 1), B = (0, 1, −1), e C = (0, −1, −1).
2. Detta Γ la conica intersezione del cono Q trovato col piano di
equazione x = 0, determinare e studiare le quadriche Q aventi
come cono circoscritto lungo Γ il cono di vertice V e direttrice Γ.
3. Determinare i piani del tipo z = mx che secano in parabole le
quadriche a punti ellittici di Q.
1. Per la proprietà del vertice il cono Q deve contenere le rette nV O, V A e
y=0
V B. Allora il cono dovrà contenere la conica spezzata nelle rette:
,
z=0
n
y=0
e quindi la sua equazione deve essere del tipo:
x−1=0
y(ax + by + cz + d) + z(x − 1) = 0
º
x−1=z
Le equazioni della retta V B sono:
Imponendo che la quadrica
y = −z.
contenga tale retta deve accadere che la risolvente
il sistema dev’essere una
º
a−b+c−1=0
identità. Si deduce subito che dev’essere:
a + d = 0.
Imponendo
alla quadrica il passaggio per C e che l’asse ~y sia tangente in O
º
d=0
si ha:
b+c−d+1=0
158
CAPITOLO 5. LE QUADRICHE
In definitiva il cono ha equazione: y 2 − xz + z = 0.
º
x=0
2. La conica Γ è quindi data dal sistema:
y 2 + z = 0.
Le quadriche di Q devono contenenere Γ. Quindi la loro equazione è del
tipo:
x(ax + by + cz + d) + y 2 + z = 0
Perché tali quadriche abbiano Q come cono circoscritto lungo Γ deve accadere che il piano polare di V , rispetto alla generica quadrica di Q, sia proprio
il piano x = 0. Si trova subito che tale piano polare ha equazione:
(2a + d)x + by + (c + 1)z + d = 0.
Segue che dev’essere: b = 0, c = −1, d = 0. Quindi le quadriche Q hanno
equazione: ax2 − xz + y 2 + z = 0. Un semplice calcolo prova che la C∞ è
sempre irriducibile. Inoltre per a > 0 si hanno quadriche a punti ellittici.
Per a < 0 quadriche a punti iperbolici.
3. Supposto allora a > 0 si cercano i punti impropri della conica sezione
della generica quadrica di Q e del piano z = mx. Si ha il sistema:
( z = mx
ax2 − xz + y 2 + zt = 0
t=0
Si vede facilmente che per avere punti impropri coincidenti dev’essere m = a.
In conclusione i piani che secano le quadriche a punti ellittici di Q in parabole
sono tutti e soli quelli del tipo z = ax.
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