sabato 29 ottobre 2011

84. Radici

Il calcolo della radice quadrata di un numero e’ abbastanza laborioso.
Può comunque essere effettuato semplicemente, senza l’utilizzo di una calcolatrice, utilizzando lo sviluppo in serie di Taylor della radice di 1+x :


Ad esempio la radice di 2 può essere calcolata nei pochi seguenti passaggi.

Per prima cosa si moltiplica la radice per 10


cioè il radicando viene moltiplicato per 100.

Il passaggio successivo consiste nel dividere e moltiplicare per un numero intero il cui quadrato differisca di poco da 200 (in questo caso 14 con quadrato 196).


ora utilizzando i primi 2 termini dello sviluppo in serie

infine moltiplicando per 14 e dividendo per 10 si ottiene


che non differisce molto dal valore reale di  


L’errore commesso e’ o(x), cioè un infinitesimo di ordine superiore al primo grado, e questo consente sempre una buona approssimazione.

Per la  "radice quadrata di 3  =  1,732050... "     si ha:



Analogamente per valori di  n  da 2 a 11 si può calcolare:

n
sqrt reale
100 n
  k
    k2
1 + x
1 + x/2
sqrt
2
1,41421356
200
14
196
1,0204
1,0102
1,41428
3
1,73205081
300
17
289
1,04
1,02
1,734
4
2
5
2,23606798
500
22
484
1,033
1,016
2,2352
6
2,44948974
600
24
576
1,04
1,02
2,448
7
2,64575131
700
26
676
1,04
1,02
2,652
8
2,82842712
800
28
784
1,0204
1,0102
2,82856
9
3
10
3,16227766
1000
31
961
1,04
1,02
3,162
11
3,31662479
1100
33
1089
1,01
1,005
3,3165


Con un po’ di allenamento questi conti possono tranquillamente essere fatti a mente.
Le radici cubiche possono essere calcolate in modo analogo sostituendo  100  con 1000  e  ½  con  1/3.

domenica 23 ottobre 2011

83. Maxwell

La prima fotografia della storia fu realizzata nell’estate del 1826 da Joseph Nicephore Nièpce e ritrae una veduta dalla finestra dello studio dell’autore (oggi esposta all’Università di Austin in Texas).

L’immagine, realizzata pennellando con uno strato di bitume una lamina di rame ricoperta d’argento, richiese più di 8 ore di esposizione.

Nel 1827, durante un viaggio a Parigi, Nièpce conosce il pittore Louis Jacques Mandé Daguerre che in seguito diventerà suo collaboratore.    Nel 1829 fonda con Daguerre un'associazione per il perfezionamento dei materiali fotosensibili. Muore tuttavia quattro anni dopo e il figlio Isidore prende il suo posto nell’associazione con Daguerre, ma non riesce a fornire alcun contributo, tanto che Daguerre modifica il contratto e muta il nome dell’invenzione in dagherrotipia, sfruttando le intuizioni di Nièpce.

Con un procedimento modificato Daguerre ottiene prima una buona immagine di una natura morta su una lastra di rame allo ioduro d’argento che misura cm 16 x 21, poi, da una finestra che dà verso il Boulevard du Temple a Parigi, riprende per la prima volta due persone.
La prima fotografia a colori fu invece realizzata nel 1861 dal matematico e fisico scozzese James Clerk Maxwell (1831 – 1879), il quale scoprì che la fotografia a colori poteva essere realizzata con filtri rossi, verdi e blu. Fece fotografare tre volte un tartan scozzese mettendo sopra l'obiettivo tre filtri di diverso colore. Le tre immagini furono, poi, sviluppate e proiettate su uno schermo con tre proiettori differenti. Una volta messe a fuoco sullo stesso punto ne scaturì l'immagine a colori, la prima nella storia.

In precedenza, nel 1859, Maxwell fece conoscere la sua Teoria sulla visione dei colori, che va considerata come l'origine della misura quantitativa dei colori (Colorimetria). Grazie ad una serie di esperimenti condotti con cerchi colorati rotanti, che gli permettevano di miscelare i colori controllandone con precisione le intensità, Maxwell riuscì a creare dei diagrammi, famosi con il nome di Triangoli di Maxwell. Adoperando questi diagrammi era possibile ottenere tutte le sfumature ottenibili dai tre colori primari: rosso, verde e blu.
I contributi di Maxwell alla fisica del XIX secolo riguardano fenomeni termici, ottici, elettrici e magnetici. In particolare le 4 equazioni che portano il suo nome, sono un sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali lineari in quattro variabili che descrivono completamente l'interazione elettromagnetica classica e raccolgono in modo omogeneo le leggi di Gauss per i campi elettrici e magnetici, insieme alle leggi di Faraday e Ampere-Maxwell.
Nel XVII secolo fu Christiaan Huygens (1629 – 1695) il primo a chiedersi quale fosse la natura della luce. Osservando l'analogia di alcuni comportamenti della luce con altri fenomeni, ipotizzò che la luce fosse un'onda longitudinale che si propaga in un mezzo che permea tutto l'universo, detto etere.
Secondo Isaac Newton (1642 – 1727) invece, la luce è formata da corpuscoli di massa piccolissima, emessi ad elevata velocità dalle sorgenti luminose.
Le due teorie proponevano due concezioni contrapposte. Nel modello ondulatorio di Huygens, la luce è propagazione di energia e non di materia, ma richiede un mezzo materiale elastico per propagarsi, mentre secondo il modello corpuscolare di Newton l'energia luminosa si accompagna al trasporto di materia, ma non richiede alcun mezzo per propagarsi.
Entrambi  i modelli erano in grado di descrivere in modo coerente la maggior parte dei fenomeni luminosi conosciuti, ma divergevano nell'interpretazione di alcuni di essi, tra cui il fenomeno dei colori, della rifrazione, la teoria delle ombre.
Inoltre la teoria ondulatoria prevede una velocità minore nei mezzi trasparenti più densi, mentre per la teoria corpuscolare avviene l'opposto.
Thomas Young (1773 – 1829) osservò figure di interferenza che potevano essere descritte solo in termine di onde. Jean Bernard Léon Foucault (1819 – 1868) misurò la velocità della luce nell’aria e nell’acqua e trovò che essa e’ minore nel mezzo più denso.  
Nel 1873 le equazioni di Maxwell appaiono per la prima volta in forma differenziale nel testo "A Treatise on Electricity and Magnetism"; la loro importanza consiste nella previsione delle onde elettromagnetiche, prima di allora sconosciute, che verranno scoperte in seguito da Hertz e Marconi. E che fornirà ad Einstein le basi per l'unificazione dello spazio-tempo e la formulazione della Teoria della Relatività che si ritiene debba venire soddisfatta da tutte le interazioni del mondo fisico.
Le equazioni di Maxwell prevedono in modo naturale la velocità delle onde elettromagnetiche, e quindi della luce, nel vuoto: c = 299.792,458 km/s

venerdì 14 ottobre 2011

82. I miserabili

Nel romanzo scritto nel 1862 da Victor HugoI miserabili”, Jean Valjean, per disperazione, si trova costretto a rubare un tozzo di pane e per questo crimine viene condannato ai lavori forzati, pena che viene allungata di ulteriori 14 anni a seguito di vari tentativi falliti di evasione. Viene infine liberato dal carcere a seguito di un'amnistia nei primi giorni del 1815, dopo 19 anni di reclusione.
Hugo narra le vicende di vari personaggi nella Parigi post Restaurazione, in un arco di tempo di circa 20 anni (dal 1815 al 1833, con alcune digressioni alle vicende della Rivoluzione francese, delle Guerre napoleoniche, con particolare riguardo alla battaglia di Waterloo).
Dopo molte peripezie, Valjean  si ritrova a Parigi sulle barricate mentre infuriano gli scontri della notte fra il 5 e 6 giugno 1832.
Il 2 giugno 1832, i funerali del giovane matematico repubblicano Evariste Galois, rimasto ucciso in duello, avevano acceso l'opposizione, i cui dirigenti attendevano i funerali del generale Lamarque, altro rappresentante del partito repubblicano, morto nella grande epidemia di colera che aveva imperversato in maggio, che dovevano tenersi il 5 giugno. Poiché si attendeva un ampio concorso di popolo, l'occasione di una rivolta, preparata segretamente dai circoli repubblicani, appariva propizia.
Il 5 giugno, il convoglio funebre che percorreva i grandi viali di Parigi diretto al ponte d'Austerlitz si trasformò in una manifestazione che degenerò in un conflitto con la truppa mandata a reprimere la temuta rivolta. Una parte della Guardia nazionale si unì ai manifestanti e i combattimenti si prolungarono fino a sera, quando polizia e Guardia Nazionale irruppero nelle barricate. Il 6 giugno fu dichiarato lo stato d'assedio: i combattimenti erano cessati ma l'ordinanza fu emessa egualmente per poter trasferire i processi contro gli insorti dai tribunali civili a quelli militari, molto più severi.
Luigi Filippo fu poi costretto a revocare l'ordinanza del 6 giugno, considerata dall'opposizione repubblicana un vero e proprio tentativo di colpo di Stato.
La travagliata storia di Jean Valjean si conclude l’anno successivo, mentre Luigi Filippo di Francia resterà in carica fino al 1848.

Il 31 maggio 1832 moriva Evariste Galois (1811-1832). Sulla sua vita e’ stato scritto molto e nell’immaginario collettivo rappresenta il prototipo del genio incompreso. Questa visione di un Galois solo contro tutto e contro tutti e’ stata diffusa soprattutto dal capitolo a lui dedicato nella monografia di E.T. BellMen of Mathematics”  la cui attendibilità storica e’ stata messa in discussione da Tony Rothman in un articolo dove con il ricorso alle fonti originali, ha ridimensionato gli aneddoti su Galois.
Morì durante un duello, combattuto per salvare l'onore di una donna che il giovane amava. Vi sono altre versioni che accusano la polizia segreta del Re della responsabilità del duello affermando che la motivazione dell'onore fu solo una copertura per nascondere un omicidio politico.
Quale sia la vera versione non è noto. È certo invece che Evariste fosse sicuro di morire durante quel duello, al punto che passò tutta la notte precedente a cercare di sistemare i suoi lavori matematici e in questi vi sono delle annotazioni in cui afferma che gli manca il tempo per un'esposizione più completa e chiara.
Il 30 maggio 1832 di prima mattina veniva colpito da un proiettile all'addome e il giorno seguente moriva (probabilmente di peritonite) all'ospedale di Cochin.

Le vicende di Galois matematico si intrecciano con il suo impegno politico.
Le tendenze liberali ereditate dai genitori si erano esasperate dopo la tragica morte del padre, sindaco di Bourg-la-Reine (periferia di Parigi), avvenuta per lo scandalo suscitato da alcuni poemetti oltraggiosi circolati sotto il suo nome, ma in realtà scritti da un sacerdote conservatore.
Inutile dire che il legame tra gesuiti e Borboni, unito alla parte che ebbe questa vicenda nel suicidio del padre di Galois, contribuirono ad alimentare il suo odio verso la monarchia.

La memoria di Galois sulla teoria delle equazioni fu proposta diverse volte per la pubblicazione, ma non venne mai pubblicata mentre lui era in vita.

Inizialmente il matematico fece pervenire la sua memoria a Cauchy. Questi la esaminò e gli disse di modificarla dato che coincideva in alcuni punti con un lavoro di Abel. Galois modificò la memoria e la inviò a Fourier verso l'inizio del 1830 per poter competere al Gran Premio indetto dall'Accademia. Sfortunatamente Fourier morì e della memoria si persero le tracce. Il premio fu assegnato ad Abel e a Jacobi. Nonostante la scomparsa dello scritto, Galois pubblicò quell'anno tre lavori dove gettò le basi della sua teoria.

Nel gennaio 1831, Galois inviò al matematico Poisson un breve riassunto dei suoi lavori. Nello stesso anno, mentre era in carcere, Galois ricevette la risposta di Poisson: questi rifiutava il lavoro, affermando che l'esposizione non era chiara ed era impossibile analizzarne con chiarezza la rigorosità, e lo invitava a lavorare per rendere il lavoro più rigoroso e comprensibile.
Si è molto discusso sull'importanza di quel lavoro e sul perché un matematico intelligente come Poisson non sia stato in grado di riconoscere il valore della memoria. Alcuni argomentano che Poisson riceveva moltissimi lavori da esaminare e probabilmente la difficoltà del manoscritto e la sua contorta esposizione lo hanno dissuaso da uno studio attento; bisogna tuttavia notare che altri matematici (come per esempio Cauchy), pur non comprendendo a pieno il lavoro di Galois, riconobbero in esso grandi potenzialità.
I contributi matematici di Galois furono alla fine pubblicati nel 1843 da Joseph Liouville che, ricevuto il manoscritto, lo lesse attentamente e lo sistemò per rendere l'esposizione più semplice. Liouville dichiarò che effettivamente Galois aveva risolto il problema proposto da Abel.

Per un approfondimento dei lavori di Galois si può vedere Wikipedia:


Dove si legge:

La nascita della teoria di Galois è stata motivata originariamente dalla seguente constatazione, nota con il nome di teorema di Abel-Ruffini.

"Non esiste nessuna formula per le radici di una generica equazione polinomiale di quinto grado (o superiore) in funzione dei coefficienti del polinomio, usando solo le normali operazioni algebriche (addizione, sottrazione, moltiplicazione, divisione) e l'applicazione di radicali (radici quadrate, radici cubiche, ecc.)"

La teoria di Galois rende chiaro ed evidente il perché sia possibile risolvere le equazioni di grado quattro o inferiore, specificando un criterio generale affinché una particolare equazione polinomiale di un qualsiasi grado abbia le soluzioni esprimibili mediante operazioni algebriche e radicali.
La teoria di Galois ha inoltre applicazioni in molti problemi di costruzione con riga e compasso in geometria.   Ad esempio:

"Quali poligoni regolari sono poligoni costruibili?"
"Perché non è possibile trisecare ogni angolo?"
"Perché non è possibile costruire un quadrato la cui area sia la stessa di un cerchio?"

In tutti i casi la costruzione deve essere svolta solo con una riga e un compasso.

È stato anche il primo ad utilizzare il termine gruppo in matematica per definire un insieme di possibili permutazioni di elementi, ed ha definito i gruppi che portano il suo nome:  i gruppi di Galois.

Oltre all’articolo di Tony Rothman si può leggere anche l’approfondito scritto di Leopold Infeld: “Tredici ore per l’immortalità





Mario Livio, L'equazione impossibile, Rizzoli, 2005
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