Ferdinando Casolaro, Luca Cirillo, Raffaele Prosperi
2.4 Composizioni di isometrie inverse
Consideriamo ora le isometrie inverse dello spazio: una di queste è la simmetria planare. Il teorema fondamentale (pag. 17) permette di classificare tutte le isometrie dello spazio (Morelli 1989).
Si possono, infatti, dimostrare i seguenti teoremi: Teorema 1
Il prodotto di due simmetrie planari con i piani di simmetria paralleli è la traslazione, il cui modulo è il vettore perpendicolare a questi piani con il verso che va dal primo al secondo di essi e di lunghezza doppia della distanza tra essi. Dim.: Se s e s sono le simmetrie rispetto ai piani e , i segmenti PP’ e P’P” Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. sono entrambi perpendicolari alla giacitura individuata da e Poiché tali segmenti sono consecutivi e paralleli, allora risultano anche adiacenti ed allineati. Pertanto il punto P è trasformato nel punto P” da s s, mediante lo spostamento individuato dal segmento orientato PP” che definisce la trasformazione come traslazione avente per modulo il vettore P P".
Ferdinando Casolaro, Luca Cirillo, Raffaele Prosperi
96
Teorema 2
Il prodotto di due simmetrie planari con i piani di simmetria incidenti è la rotazione avente per asse la retta comune a questi due piani ed ampiezza doppia dell’angolo formato da essi.
Dim.: siano e due piani incidenti e sia t la loro retta di intersezione (Figura 29).
Se s è la simmetria dello spazio rispetto al piano ed s è la simmetria dello spazio rispetto al piano , il prodotto s s presenta le seguenti caratteristiche:
(Figura 29)
1) s s è un’isometria in quanto prodotto di due isometrie; 2) la retta t è una retta di punti uniti in s s ;
3) ogni piano perpendicolare a t è unito in tale isometria, in quanto unito in ciascuna delle due simmetrie.
Proprio quest’ultima considerazione ci permette di asserire che per dimostrare l’asserto basta dimostrare che su ogni piano perpendicolare a t, l’isometria s s subordina una rotazione. A tale scopo siano r ed s le tracce di e su (ovvero le rette di intersezione rispettivamente di con e di con ); la simmetria s induce su la simmetria rispetto ad r, e la s induce su la simmetria rispetto ad s. Ma, dallo studio delle trasformazioni nel piano, sappiamo che il prodotto di due simmetrie è una rotazione di centro Ot (ovviamente è anche Ors) ed ampiezza uguale al doppio dell’ampiezza dell’angolo orientato (acuto o retto) formato da una semiretta di r e da una semiretta di s tale che
2 ˆs
O
r .
Pertanto il prodotto s sè una rotazione dello spazio che ha uniti tutti i punti della retta t ed ha per ampiezza = 2 cioè il doppio dell’angolo individuato dalla sezione normale del diedro tˆ e tale che
2
Le Trasformazioni Geometriche nello Spazio: Isometrie
97
Notiamo che, nel caso in cui i due piani sono perpendicolari tra di loro, il prodotto è una simmetria assiale avente per asse la retta di intersezione dei due piani.
Teorema 3
Il prodotto di quattro simmetrie planari quando non è una traslazione o una rotazione, allora risulta essere una rototraslazione.
Dim.: sianoquattro piani e s, s, s e s le simmetrie planari rispetto a
tali piani. Se consideriamo il prodotto di queste quattro simmetrie planari s s
s s si verificano i seguenti casi:
1) se i primi due piani di simmetria sono paralleli, e così come anche gli altri due, si ha:
s s s s = (s s) (s s) = t2 t1
è una traslazione, essendo il prodotto di due traslazioni di moduli rispettivamente a e b ancora una traslazione avente per modulo la somma dei moduli a+b;
2) se i primi due piani di simmetria sono incidenti, e così anche gli altri due, si ha:
s s s s = (s s) (s s) = r2 r1
come si è visto il prodotto di due rotazioni con gli assi incidenti è una rotazione; se gli assi sono paralleli si ha una traslazione o una rotazione a seconda che gli angoli hanno una somma 0 (mod. 2), oppure no; se gli assi sono sghembi si ha una rototraslazione;
3) se i primi due piani di simmetria sono incidenti e gli altri due paralleli, si ha: s s s s = (s s) (s s) = r t
è una rototraslazione essendo il prodotto di una rotazione intorno ad una retta r per una traslazione;
4) se i primi due piani di simmetria sono paralleli e gli altri due incidenti, si ha: s s s s = (s s) (s s) = t r
è una rototraslazione essendo il prodotto di una traslazione per una rotazione di asse una retta r. c.v.d.
Teorema 4
Il prodotto di una simmetria planare per una simmetria assiale avente l’asse appartenente al piano della simmetria planare è la simmetria planare rispetto al piano per l’asse della simmetria assiale perpendicolare al piano della simmetria planare.
Ferdinando Casolaro, Luca Cirillo, Raffaele Prosperi
98
Dim.: sia il piano della simmetria planare ed r l’asse della simmetria assiale, appartenente al piano ; indichiamo con s la simmetria planare rispetto al piano ed sr la simmetria assiale di asse la retta r .
Abbiamo visto che una simmetria assiale di asse una retta r è il prodotto di due simmetrie planari in cui i piani di simmetria sono perpendicolari tra loro ed avente per intersezione r; possiamo considerare uno di questi piani coincidenti con , e sia il piano perpendicolare ad ; si ha:
sr s = (s s) s = s (s s) = s
2
s
= s I = sdove s è la simmetria planare rispetto al piano perpendicolare al piano c.v.d.
(Figura 30) (Figura 31) (Figura 32)
Teorema 4’
Il prodotto di una simmetria planare per una rotazione avente l’asse appartenente al piano della simmetria planare è la simmetria planare rispetto al piano per l’asse della rotazione perpendicolare al piano della simmetria planare.
Dim.: sia il piano della simmetria planare ed r l’asse della rotazione, appartenente al piano ; indichiamo con s la simmetria planare rispetto al piano ed la rotazione di asse la retta r Errore. L'origine riferimento non è stata trovata..
Abbiamo visto che una rotazione di asse una retta r è il prodotto di due simmetrie planari con i piani di simmetria incidenti nella retta r e tali che l’angolo diedro che essi formano ha le sezioni normali di ampiezza uguale alla metà dell’ampiezza di rotazione;
Le Trasformazioni Geometriche nello Spazio: Isometrie
99
possiamo considerare uno di questi piani coincidenti con , e sia il piano che forma con un angolo di ampiezza
2
uguale alla metà dell’ampiezza di
rotazione; si ha:
s = (s s) s = s (s s) = s
s
2 = s I = sdove s è la simmetria planare rispetto al piano perpendicolare al piano . c.v.d.
Teorema 5
Il prodotto di una simmetria planare per una simmetria assiale avente l’asse parallelo al piano della simmetria planare è una antitraslazione.
Dim.: sia il piano della simmetria planare ed r l’asse della simmetria assiale, parallelo al piano ; indichiamo con sla simmetria planare rispetto al piano
ed sr la simmetria assiale di asse la retta r .
Abbiamo visto che una simmetria assiale di asse una retta r è il prodotto di due simmetrie planari con piani e perpendicolari tra loro ed aventi intersezione r; possiamo considerare uno di questi piani ad es. perpendicolare ad , e l’altro piano parallelo ad ; si ha:
sr s= (sr s) s= (s) s = s (s s) = s t
Il prodotto s t è una antitraslazione, in quanto prodotto di una simmetria planare rispetto al piano con una traslazione avente la direzione parallela al piano c.v.d.
Teorema 5’
Il prodotto di una simmetria planare per una rotazione avente l’asse parallelo al piano della simmetria planare è una antitraslazione.
Dim.: sia il piano della simmetria planare ed r l’asse della rotazione, parallelo al piano ; indichiamo con s la simmetria planare rispetto al piano ed la rotazione di asse la retta r
Ferdinando Casolaro, Luca Cirillo, Raffaele Prosperi
100 .
Abbiamo visto che una rotazione di asse una retta r è il prodotto di due simmetrie planari con piani e incidenti nella retta r e tali che l’angolo diedro che essi formano ha le sezioni normali di ampiezza uguale alla metà dell’ampiezza di rotazione; possiamo considerare uno di questi piani
perpendicolare ad e sia r’ la retta di intersezione di e
(Figura 33) (Figura 34)
Indicata con sr’ la simmetria assiale di asse la retta r’, si ha:
s = (sr s) s= s (s s) = s sr’
Facendo ruotare i piani e intorno alla retta r’ si ottengono i piani ’ parallelo a ed ’ perpendicolare a , in modo tale che risulta ’ perpendicolare ad ’.
Allora la simmetria sr’ si può decomporre nel prodotto s' s’ ; pertanto si ha:
s = s sr’ = s (s’ s’) s = s (s’ s’) = (s s) s’ = t s’
Il prodotto t s’ è una antitraslazione, in quanto prodotto di una simmetria planare rispetto al piano' con una traslazione avente la direzione parallela al piano '. c.v.d.
Teorema 6:
Il prodotto di una simmetria planare per una simmetria assiale avente l’asse incidente il piano della simmetria planare è una antirotazione.
Dim.: sia il piano della simmetria planare ed r l’asse della simmetria assiale incidente il piano in P; indichiamo con s la simmetria planare rispetto al piano ed sr la simmetria assiale di asse la retta r .
Abbiamo visto che una simmetria assiale di asse una retta r è il prodotto di due simmetrie planari con piani e perpendicolari tra loro ed aventi per
Le Trasformazioni Geometriche nello Spazio: Isometrie
101
intersezione la retta r; possiamo considerare uno di questi piani perpendicolare ad , e sia r’ la retta di intersezione di e .
Indicata con sr’ la simmetria assiale di asse la retta r’, si ha:
sr s= (s s) s = s (s s) = s (s s) = s sr'
Facendo ruotare i piani e intorno alla retta r’, detta s la retta per P perpendicolare al piano , risulterà che il piano ruotando intorno alla retta r’, passerà per s, quando diventerà ’ = r’ s. Allora ’ è perpendicolare a ; ma anche il piano ruota intorno alla retta r’, restando ’ perpendicolare ad ’, dove ’ è la nuova posizione.
Allora la simmetria sr’ si può decomporre nel prodotto s' s’ ; pertanto si ha:
sr s = s sr’ = s (s' s') = s (s' s') = (s s') s' = s' Il prodotto s’ è una antirotazione, in quanto prodotto di una simmetria planare per una rotazione intorno ad una retta perpendicolare al piano della simmetria planare.
c.v.d. Teorema 6’
Il prodotto di una simmetria planare per una rotazione avente l’asse incidente il piano della simmetria planare è una antirotazione.
(Figura 35)
Dim.: sia il piano della simmetria planare ed r l’asse della rotazione incidente il piano in P; indichiamo con s la simmetria planare rispetto al piano e
la rotazione di asse la retta r .
Abbiamo visto che una rotazione di asse una retta r è il prodotto di due simmetrie planari con piani e incidenti nella retta r e tali che l’angolo diedro che essi formano ha le sezioni normali di ampiezza uguale alla metà dell’am ìpiezza di rotazione; possiamo considerare uno di questi piani perpendicolare ad , e sia r’ la retta di intersezione di e .
Ferdinando Casolaro, Luca Cirillo, Raffaele Prosperi
102
s = (s s) s = s (s s) = s (s s) = s sr'
Facendo ruotare i piani e intorno alla retta r’, detta s la retta per P perpendicolare al piano , risulterà che il piano ruotando intorno alla retta r’, passerà per s, quando diventerà ’ = r’ s. Allora ’ è perpendicolare a ; ma anche il piano ruota intorno alla retta r’, restando ’ perpendicolare ad ’, dove ’ è la nuova posizione.
Allora la simmetria sr’ si può decomporre nel prodotto s s’ ; pertanto si ha:
s = s sr’ = s (s' s') = s (s' s') = (s s') s' = s'
Il prodotto s’ è una antirotazione, in quanto prodotto di una simmetria planare per una rotazione intorno ad una retta perpendicolare al piano della simmetria planare.
c.v.d. Teorema 7
Il prodotto di tre simmetrie planari, se non è una antitraslazione oppure una antirotazione, è una simmetria planare.
Dim.: siano tre piani e s, s e sle simmetrie planari rispetto a tali piani. Considerando il prodotto di queste tre simmetrie planari s s s si verificano i seguenti casi:
1) Se i tre piani sono paralleli, allora dal prodotto si ottiene una simmetria planare.
2) Se i tre piani passano per una stessa retta, allora dal prodotto si ottiene una simmetria planare.
3) Se due dei tre piani si intersecano in una retta parallela al terzo piano, allora dal prodotto si ottiene una antitraslazione.
4) Se due dei tre piani si intersecano in una retta incidente il terzo piano, allora dal prodotto si ottiene una antirotazione.
c.v.d. Vediamo ora altre composizioni di isometrie inverse.
Teorema 8:
Il prodotto di due simmetrie centrali è una traslazione che ha per modulo il vettore OO', dove O ed O’ sono i due centri di simmetria.
Le Trasformazioni Geometriche nello Spazio: Isometrie
103
Sia so la simmetria di centro O che porta il punto P (x, y, z) nel punto P’ (x’,
y’, z’) Errore. L'origine riferimento non è stata trovata..
(Figura 36)
Se Oxyz è un riferimento cartesiano con origine in O e se (h, k, l) sono le coordinate del punto O’ in tale riferimento, consideriamo il cambiamento di riferimento che porta Oxyz in O’XYZ, dove X, Y, Z, sono le parallele per O’ agli assi x, y, z, le cui equazioni sono:
l z Z k y Y h x X l Z z k Y y h X x (1)
Le equazioni della simmetria so che porta P (x, y, z) in P’(x’, y’, z’) sono:
z z y y x x ' ' '
Pertanto, il punto P’ avrà nel nuovo riferimento di origine O’ le seguenti coordinate: l z Z k y Y h x X ' ' '
Di conseguenza, la simmetria assiale so’ rispetto ad O’ che porta P’ (X, Y, Z) nel punto P” (X’, Y’, Z’) ha equazioni:
Z z Y y X x ' ' '
Ferdinando Casolaro, Luca Cirillo, Raffaele Prosperi
104
da cui, se (x”, y”, z”) sono le coordinate di P” nel riferimento Oxyz, si ha:
l Z z k Y y h X x ' " ' " ' "
Combinando queste ultime due equazioni risulta:
l Z z k Y y h X x " " "
Pertanto, tenuto conto delle equazioni (1) si ottengono le equazioni:
l z z k y y h x x 2 " 2 " 2 "
che individuano la traslazione che ha per modulo il vettore (2h, 2k, 2l).
3 Conclusioni
L’Universo geometrico è tridimensionale, per cui le Trasformazioni che avvengono in esso sono generate nello spazio. La rappresentazione nel piano serve principalmente ad evidenziarne le caratteristiche.
La base dei metodi di rappresentazione è la Prospettiva (dal latino perspectiva optica) che è universalmente considerata anche il fondamento teorico dell'Arte pittorica (Casolaro, Paladino, 2012). La rappresentazione dei dettagli tecnici della figura avviene con i metodi della Geometria descrittiva (Loria, 1921). E’ compito, invece, della Geometria proiettiva la rappresentazione mediante le trasformazioni che essa subisce con le operazioni di proiezione e sezione (Casolaro, 2003). In bibliografia abbiamo anche citato (Casolaro, Eugeni, 1996) un lavoro che evidenzia le interrelazioni, anche di carattere metrico, del fusionismo tra geometria piana e geometria dello spazio con particolare riferimento alle Trasformazioni che conservano la norma.
Riteniamo allora, che per un’analisi corretta dei fenomeni fisici che si manifestano nell’universo, sia essenziale la conoscenza delle reali Trasformazioni che in esso avvengono.
Le Trasformazioni Geometriche nello Spazio: Isometrie
105
Purtroppo, anche nell’insegnamento ci si limita al solo studio delle Trasformazioni nel piano, sicuramente significativo e interessante anche dal punto di vista didattico, ma pensiamo che per una formazione completa non si può ignorare la conoscenza delle tematiche affrontate in questo lavoro.
Bibliografia
Casolaro, F. and Eugeni, F. (1996). “Trasformazioni geometriche che conservano la norma nelle algebra reali doppie”. Ratio Matematica n. 1, 1996. Casolaro, F. and Cirillo, L. (1996). “Le Trasformazioni omologiche. Atti Convegno Nazionale Mathesis”. I fondamenti della matematica per la sua didattica. Verona, novembre 1996.
Casolaro, F. (2002). “Un percorso di geometria per la scuola del terzo millennio: dal piano cartesiano ad un modello analitico su uno spazio curvo". Atti del Congresso Nazionale Mathesis "La Matematica fra tradizione e innovazione: un confronto europeo”. Bergamo 2002.
Casolaro, F. (2003). “Le trasformazioni omologiche nella Storia, nell'Arte, nella Didattica”. Atti del Convegno Internazionale “Matematica e Arte: un sorprendente binomio”. Vasto, 10-12 aprile 2003, 129-148.
Casolaro, F. and Pisano, R. (2011). “An Historical Inquiry on Geometry in Relativity: Reflections on Early Relationship Geometry-Physics (Part One)”. History Research, Vol. 1, Number 1, December 2011.
Casolaro, F. and Prosperi, R. (2011). “La Matematica per la Scuola Secondaria di secondo grado: un contributo per il docente di Matematica". Atti della “Scuola estiva Mathesis” 26-30 luglio 2011. Terni: Editore 2C Contact.
Casolaro, F. and Paladino L. (2012). “Evolution of the geometry through the Arts”. 11th International Conference APLIMAT 2012 in the Faculty of Mechanical Engineering - Slovak University of Tecnology in Bratislava, febbraio 2012.
Casolaro, F. (2014). “L'evoluzione della geometria negli ultimi 150 anni ha modificato la nostra cultura. Lo sa la Scuola?”. “Science&Philosophy Journal of Epistemology", Volume 2, Numero 1, 2014.
Cundari, C. (1992). “Disegno e Matematica per una didattica finalizzata alle nuove tecnologie”. Progetto del M.P.I. e del Dipartimento di Progettazione e
Ferdinando Casolaro, Luca Cirillo, Raffaele Prosperi
106
Rilievo dell’Università “La Sapienza” di Roma, 11-15 dicembre 1990; 6-10 maggio 1991; 8-12 dicembre 1991.
Loria, G. (1921). Storia della Geometria Descrittiva dalle Origini sino ai giorni nostri. Milano: Ulrico Hoepli.
Morelli, A. (1989). Geometria per il biennio delle scuole medie superiori. Napoli: Edizione Loffredo.
107