Distanza con segno da una retta e trasformazioni del piano cartesiano
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Distanza con segno da una retta e trasformazioni del piano cartesiano
Distanza con segno da una retta e trasformazioni del piano cartesiano Antonino Leonardis 1 Rette nel piano cartesiano (ripasso) Una retta r nel piano cartesiano è associata a un polinomio di primo grado ax + by + c (con almeno uno tra a e b diverso da 0), o equivalentemente a un equazione ax + by + c = 01 , in modo che un punto specifico P (xP , yP ) appartenga alla retta se e solo se è verificata l’equazione: axP + byP + c = 0. Data una retta r = ax + by + c = 0 e un punto P (xP , yP ), la distanza tra la retta e il punto è data dalla formula2 : d(r, P ) = |axP + byP + c| √ a2 + b2 dalla quale possiamo subito vedere che un punto ha distanza 0 da una retta (nel qual caso si deve annullare il numeratore) se e solo se le appartiene, come ci aspetteremmo. Due polinomi ax + by + c e a0 x + b0 y + c0 rappresentano la stessa retta (ovvero due rette coincidenti) se e solo se si ottengono l’uno dall’altro moltiplicando per una costante diversa da 0. Infatti in tal caso le equazioni ax + by + c = 0 e a0 x + b0 y + c0 = 0 hanno le stesse soluzioni, come si può verificare in più modi (supponiamo a0 = ka, b0 = kb, c0 = kc): - Modo difficile: Il sistema: ax + by + c = 0 a0 x + b0 y + c0 = 0 per trovarne le intersezioni è indeterminato perché i determinanti (Cramer) sono tutti nulli: • a · kb − b · ka = 0 1 la quale, risolta rispetto a y, dà la forma esplicita equivalente y = mx+q (con m = − ab e q = − cb ) nel caso la retta non sia verticale 2 si noti che siccome a e b non sono entrambi nulli a2 + b2 è una quantità strettamente maggiore di 0 1 • b · kc − c · kb = 0 • c · ka − a · kc = 0 - Modo facile: Se ax + by + c è uguale a 0, allora lo è anche moltiplicato per una costante (0 · k = 0), e viceversa lo stesso vale per a0 x + b0 y + c. 2 Distanza con segno da una retta 2.1 Normalizzazione Data una retta r = {ax + by + c = 0} possiamo considerare l’equazione equivalente a0 x + b0 y + c0 = 0 ottenuta moltiplicando per k = √a21+b2 . Come abbiamo ricordato precedentemente, tale equazione rappresenta la stessa retta, e viene chiamata equazione normalizzata. Un rapido conto: (a0 )2 + (b0 )2 = a2 b2 a2 b2 + 2 = 2 + 2 =1 2 2 k k a +b a + b2 ci permette di dire che una retta normalizzata soddisfa (a0 )2 + (b0 )2 = 1. Una seconda normalizzazione, che verifica anch’essa tale proprietà, si ottiene moltiplicando per −k, ottenendo la stessa normalizzazione cambiata di segno3 . D’ora in poi supporremo che la retta r = {ax + by + c = 0} sia già normalizzata, ovvero che a2 + b2 = 1. La distanza di un punto P (xP , yP ) da tale retta sarà quindi data dalla formula4 : d(r, P ) = |axP + byP + c|. 2.1.1 Esempi √ • La retta 3x+4y +7 = 0 si può normalizzare ( 32 + 42 = 5) ottenendo: r1 → r2 → 3 4 7 5 x + 5 y + 5 = 0. − 53 x − 45 y − 75 = 0. 2 2 9 Come affermato si ha ± 35 + ± 45 = 25 + 16 25 = 1. Tutte e tre le equazioni, per esempio, hanno la soluzione x = −1, y = −1, ovvero tale punto appartiene a tutte e tre le rette (ovviamente, visto che le rette sono tutte uguali!). 3 Si osservi che, dato un rapporto a : b, esistono solo due coppie (a0 , b0 ) tali che (a0 )2 + (b0 )2 = 1 e a : b = a0 : b0 ovvero a0 b = ab0 (si intende che 0 : 0 è uguale a qualsiasi rapporto e due rapporti x : 0 sono uguali). Tali coppie si ottengono intersecando la retta xb = ay e la circonferenza x2 + y 2 = 1 ottenendo le due soluzioni x = a0 , y = b0 e x = −a0 , y = −b0 . 4 Tale formula è semplicemente ottenuta da quella solita notando che il denominatore è 1. 2 2.2 Semipiano positivo determinato da una retta normalizzata Data una retta normalizzata r = {ax + by + c = 0} possiamo considerare il vettore ~v (a, b). Tale vettore è perpendicolare alla retta, infatti giace sulla retta bx − ay = 0 che si verifica facilmente essere perpendicolare a r (la verifica è lasciata per esercizio), ed ha lunghezza 1 grazie alla normalizzazione. In particolare, mi dà una “freccetta” che indica uno dei due semipiani in cui r divide il piano. La normalizzazione con segno opposto ovviamente darà il vettore opposto. 2.2.1 Definizione Il semipiano indicato dal vettore ~v (a, b) è il semipiano positivo determinato dalla retta normalizzata ax + by + c = 0. Cambiando di segno la normalizzazione, si ottiene l’altro semipiano come semipiano positivo. 2.3 Distanza con segno Alla distanza tra una retta normalizzata r = {ax + by + c = 0} e un punto P (xP , yP ) possiamo dare un segno: diamo segno positivo se P appartiene al semipiano positivo determinato da r, negativo (o nullo) altrimenti. Facendo un pochino di conti si verifica che tale segno è quello originale del polinomio axP + byP + c, ovvero la distanza con segno avrà formula: ˜ P ) = axP + byP + c. d(r, 2.4 Esempi importanti Le due equazioni degli assi rx → y = 0 e ry → x = 0 sono già normalizzate (12 +02 = 02 +12 = 1) e le distanze con segno non sono altro che le coordinate del punto: ˜ y , P ) = xP d(r ˜ x , P ) = yP d(r e in effetti è proprio cosı̀ che sono definite le coordinate: • La coordinata x è la distanza dall’asse delle y ({x = 0}) con segno positivo nel semipiano del 1◦ e 4◦ quadrante, che è proprio il semipiano indicato dal vettore ~vx (a, b) = (0, 1). • La coordinata y è la distanza dall’asse delle x ({y = 0}) con segno positivo nel semipiano del 1◦ e 2◦ quadrante, che è proprio il semipiano indicato dal vettore ~vx (a, b) = (1, 0). 3 Questo ci permette di capire, come vedremo nel prossimo paragrafo, quali sono le coordinate in un sistema definito da due rette perpendicolari e normalizzate in modo da avere il verso positivo di ogni retta nel semipiano positivo determinato dall’altra retta. 2.5 2.5.1 Cambio di sistema di riferimento Teorema Sia data una coppia ordinata di rette r = {ax + by + c = 0} e s = {dx + ey + f = 0} perpendicolari e normalizzate in modo che ~v (a, b) ruotato di 90◦ in senso orario dia ~v 0 (d, e), ovvero si possono orientare le rette secondo questi vettori. Questo vuol dire d = b e e = −a, come si può vedere in figura nel caso a, b > 0 (usando la congruenza dei due triangoli rettangoli disegnati5 e quindi dei loro cateti a, b, d, e). Ad esempio tali richieste sono soddisfatte dagli assi cartesiani: {0x+1y+0 = 0} e {1x − 0y + 0 = 0}. Con tali premesse, dato un punto P (xP , yP ), le sue coordinate nel sistema di riferimento determinato dalle rette r, s sono date sostituendo nei corrispettivi polinomi di primo grado le coordinate di P : ˜ P ) = bxP − ayP + f x0P = d(s, ˜ P ) = axP + byP + c. yP0 = d(r, 5 Se ciò non fosse già stato fatto e non fosse troppo scontato per lo studente, è un buon esercizio dimostrare tale congruenza. 4 2.5.2 Fatto importante (non è richiesta la dimostrazione) Data una trasformazione (che in particolare è una funzione biunivoca) del piano T (traslazione, rotazione, riflessione, omotetia, etc.), le coordinate di un punto P nel sistema in cui gli assi sono T (rx ) e T (ry ) (ovvero sono traslati/ruotati/etc. secondo T ) danno le coordinate del punto T −1 (P ) (ovvero del punto ottenuto applicando a P la trasformazione (= funzione) inversa, cioè rispettivamente traslazione del vettore opposto/rotazione in verso contrario/etc.)6 . Ad esempio se sposto gli assi di un vettore (1, 1) ottengo i nuovi assi {x − 1 = 0} e {y − 1 = 0} da cui le coordinate x0P = xP − 1, yP0 = yP − 1 che non sono altro che le coordinate del punto di partenza traslato del vettore opposto (−1, −1). 3 Funzioni trigonometriche elementari Indichiamo con O l’origine e con I il punto (1, 0) del piano cartesiano. Sia dato un angolo (orientato) α. 3.1 Definizione Si consideri un punto P tale che OP = 1 (quindi sulla circonferenza di raggio 1 e centro nell’origine, che è chiamata circonferenza goniometrica) e [ sia equivalente ad α. Allora definiamo il coseno che l’angolo orientato IOP e il seno dell’angolo α come le coordinate del punto P : P = (xP , yP ) =: (cos(α), sin(α)). Definiamo inoltre la tangente come il rapporto di tali coordinate: tan(α) := sin(α) cos(α) ovvero come il coefficiente angolare della retta OP . Tale valore non è ovviamente definito per angoli equivalenti a ± π2 . Si osservi che dalla definizione si ottiene immediatamente la seguente formula trigonometrica fondamentale: sin(α)2 + cos(α)2 = 1 (Esercizio: Perché?). 6 Dimostrazione intuitiva (bisogna ragionarci su un po’ per capirla): se si sposta il piano con i nuovi assi per farli tornare a coincidere con quelli standard, i punti subiranno la trasformazione inversa rispetto a quella che manda gli assi standard nei nuovi assi. 5 3.2 Definizione equivalente per angoli acuti Si consideri un triangolo rettangolo qualsiasi con un angolo 0 < α < π/2 e lati a (opposto ad α), b, c (ipotenusa). Allora i rapporti tra i lati dipendono solo da α (criterio di similitudine per triangoli rettangoli). Definiamo dunque: a c b cos(α) = c a tan(α) = b sin(α) = 1 b = (chiamata cotangente) tan(α) a 1 c = (chiamata secante) sec(α) = cos(α) b 1 c csc(α) = = (chiamata cosecante) sin(α) a cot(α) = Verrà eventualmente vista la dimostrazione dell’equivalenza delle due definizioni date (non molto complicata) a lezione o in una interrogazione guidata. 6 Come vedremo in seguito, si possono ottenere facilmente le funzioni trigonometriche di un angolo sapendo il suo supplementare o il suo opposto (esplementare); quindi, siccome per multipli di π/2 il loro valore è facilissimo da calcolare (sono le coordinate delle intersezioni della circonferenza goniometrica con gli assi cartesiani), è sufficiente conoscerle per gli angoli acuti (inoltre discende immediatamente dalla definizione col triangolo che considerando l’angolo complementare le funzioni trigonometriche si scambiano, pertanto basterebbe anche limitarsi ad α ≤ π/4). 3.3 Disuguaglianza fondamentale Confrontando le aree in figura (moltiplicate per due) si ottiene la seguente disuguaglianza fondamentale per angoli acuti in radianti : sin(α) < α < tan(α) 7 4 Riflessione Siano date le equazioni normalizzate di due rette perpendicolari, che quindi formano un sistema di riferimento: r = {ax + by + c = 0} s = {bx − ay + f = 0} Allora la riflessione rispetto alla retta r conserva le distanze dai due nuovi assi cambiando il segno a quella rispetto a r in quanto viene cambiato il semipiano mentre non modifica il segno della distanza rispetto a s. Questo significa che se P 0 = (xP 0 , yP 0 ) è il riflesso di P = (xP , yP ) rispetto alla retta r valgono le uguaglianze (ovvero il sistema): axP 0 + byP 0 + c = −(axP + byP + c) = bxP − ayP +f bxP 0 − ayP 0 +f Risolvendo tale sistema rispetto a xP 0 e yP 0 si ottengono le equazioni della riflessione rispetto alla retta r. Si osservi che la prima equazione si può riscrivere come: a xP 0 + xP yP 0 + yP +b +c=0 2 2 ovvero è equivalente alla condizione che il punto medio di P P 0 sia sulla retta r (ESERCIZIO: Verificare geometricamente che quando due punti hanno distanza opposta da una retta allora il punto medio sta su tale retta.). Invece la seconda può essere riscritta come proporzione: a : b = (xP − xP 0 ) : (yP − yP 0 ) ovvero il vettore P~P 0 ha la stessa direzione (non orientata) di ~v = (a, b) che abbiamo visto a lezione essere appunto perpendicolare alla retta r. Si osservi inoltre che s può essere sostituita da qualunque retta parallela ottenendo la medesima soluzione (il termine noto f infatti si cancella). Per completezza, risolviamo dunque il sistema col metodo di riduzione (ricordando che le equazioni sono normalizzate): 2+ 2 b (a )xP 0 + ac = (b2 − a2 )xP − 2abyP − ac a2 )yP 0 + bc = −2abxP + (a2 − b2 )yP − bc (b2+ ovvero: xP 0 = (b2 − a2 )xP − 2abyP − 2ac yP 0 = −2abxP + (a2 − b2 )yP − 2bc. 8 4.1 Esempio: riflessione rispetto alla bisettrice del 1◦ e 3◦ quadrante La retta normalizzata ha equazione: 1 1 √ x+ √ y =0 2 2 e dunque in questo caso la riflessione si ottiene dalle ben note formule (c = 0, a2 = b2 = −ab = 12 ): 1 xP 0 = ( 12 − 12 )x P − 2 · − 2 yP = yP yP 0 = −2 · − 12 xP + ( 12 − 12 )yP = xP . In particolare da queste formule si deduce che: π π − α = cos(α), cos − α = sin(α). sin 2 2 4.2 Esempio: riflessione rispetto agli assi cartesiani Riflettendo rispetto agli assi cartesiani usuali (Esercizio: applicare la formula per la riflessione a tali rette e dedurre le formule seguenti) si ottengono inoltre le seguenti formule notevoli: sin(α) = − sin(−α) = − sin(π + α), cos(α) = cos(−α) = − cos(π + α). 5 Rotazione intorno all’origine Ricordiamo innanzitutto la formula fondamentale sin2 + cos2 = 1, per la quale abbiamo che le rette considerate in questo paragrafo sono già normalizzate. Sia dato un angolo (orientato) α. Ruotando gli assi dell’angolo −α (e ricordando le ultime relazioni trigonometriche ottenute) otteniamo il sistema di riferimento (vedi figura): r = {sin(α)x + cos(α)y = 0} s = {cos(α)x − sin(α)y = 0} da cui il cambiamento di coordinate, e quindi anche la rotazione dell’angolo α (fatto importante osservato alla fine del capitolo sul cambiamento di coordinate), è dato dalle formule: 0 xP = cos(α)xP − sin(α)yP yP0 = sin(α)xP + cos(α)yP 9 5.1 Applicazione: formule trigonometriche Se P è il punto della circonferenza goniometrica che corrisponde all’angolo α e P 0 e lo stesso punto ruotato di un altro angolo β intorno all’origine, che quindi corrisponde all’angolo α + β, otteniamo che: cos(α+β) = x0P = cos(α) cos(β)−sin(α) sin(β), sin(α+β) = yP0 = sin(α) cos(β)+cos(α) sin(β). Ricapitolazione - riassunto dei concetti fondamentali Rette nel piano cartesiano (ripasso) • Ripasso1: Due equazioni implicite di una retta rappresentano la stessa retta (ovvero due rette coincidenti) se e solo se si ottengono l’una dall’altra moltiplicando per una costante diversa da 0. • Ripasso2: La distanza di un punto P (xP , yP ) da una retta r = ax + by + c = 0 è: d(r, P ) = |axP + byP + c| √ . a2 + b2 Distanza con segno da una retta • Possiamo quindi normalizzare l’equazione di una retta dividendola per √ a2 + b2 ed eventualmente cambiandola di segno. In questo caso a2 + b2 = 1 e quindi la distanza diventa: d(r, P ) = |axP + byP + c|. • Togliendo il valore assoluto, otteniamo una distanza con segno che è positiva nel semipiano indicato dalla “freccetta” (vettore) ~v (a, b) e negativa (o nulla) altrimenti: ˜ P ) = axP + byP + c. d(r, • La distanza con segno è esattamente come sono definite le coordinate cartesiane (distanza con segno dall’asse y per la coordinata x e distanza con segno dall’asse x per la coordinata y); pertanto, possiamo generalizzare a due assi cartesiani qualunque (perpendicolari e normalizzati con verso positivo scelto). 10 • In formule, dati due tali assi {ax + by + c = 0} e {bx − ay + f = 0}, le coordinate di P (xP , yP ) sono semplicemente: x0P = bxP − ayP + f yP0 = axP + byP + c ovvero i polinomi di primo grado delle equazioni in cui si sostituiscono le coordinate di P . • Fatto importante (senza dimostrazione): Se una trasformazione T manda gli assi in T (rx ) e T (ry ), le coordinate utilizzando tali assi del punto P sono le stesse che ha il punto P 0 , trasformato di P tramite T −1 (funzione inversa), nel sistema cartesiano standard • Ad esempio la traslazione di un vettore ~v = (1, 1) manda gli assi in {x − 1 = 0} e {y − 1 = 0} e con questi assi P (xP , yP ) ha coordinate x0P = xP − 1 e yP0 = yP − 1; ma queste sono anche le coordinate di P 0 ottenuto traslando P del vettore −~v = (−1, −1). Vedremo qualcosa di analogo nel caso delle rotazioni (che analizzeremo solo nel caso in cui il centro di rotazione sia l’origine degli assi). Funzioni trigonometriche elementari • Si definiscono coseno e seno di un angolo α come le coordinate del punto P associato della circonferenza goniometrica (di centro l’origine e raggio 1). Il loro rapporto, ovvero il coefficiente angolare della retta OP , è per definizione la tangente (essa non è definita per OP verticale, ovvero tali angoli non appartengono al dominio della funzione). • Per gli angoli acuti vale la definizione equivalente come rapporti dei lati di un triangolo: – In un triangolo rettangolo il rapporto tra un cateto e l’ipotenusa è uguale al seno dell’angolo opposto. – In un triangolo rettangolo il rapporto tra un cateto e l’ipotenusa è uguale al coseno dell’angolo acuto adiacente. – In un triangolo rettangolo il rapporto tra i due cateti è uguale alla tangente dell’angolo opposto al primo. • Applicazioni/1: La tangente è legata alla nozione di coefficiente angolare, cioè all’equazione esplicita di una retta (non verticale). Come vedremo più approfonditamente nel prossimo capitoletto, coseno e seno di un angolo danno i coefficienti dell’equazione implicita normalizzata (infatti danno un vettore di lunghezza 1 che indica il semipiano positivo). 11 • Applicazioni/2: Come abbiamo appena detto, le funzioni trigonometriche sono legate ai rapporti dei lati di un triangolo rettangolo (Esercizio: Quanto è lunga una corda sottesa da un angolo al centro α di una circonferenza di raggio r?). Anticipiamo che esse danno anche luogo a molti altri teoremi che valgono per triangoli qualunque. • Applicazioni/3: Vale la disuguaglianza (per angoli acuti in radianti): sin(α) < α < tan(α). Da essa discenderanno alcune proprietà molto importanti nello studio delle funzioni trigonometriche che verrà fatto in 4◦ liceo. Riflessione • La riflessione rispetto alla retta r = {ax + by + c = 0} soddisfa il sistema (ottenuto confrontando le distanze con segno da r e da una retta perpendicolare s): axP 0 + byP 0 + c = −(axP + byP + c) bxP 0 − ayP 0 = bxP − ayP che risolto dà le seguenti formule risolutive (non richieste): xP 0 = (b2 − a2 )xP − 2abyP − 2ac yP 0 = −2abxP + (a2 − b2 )yP − 2bc. • Caso particolare: per la bisettrice del 1◦ e 3◦ quadrante si ritrovano le ben note formule: x P 0 = yP yP 0 = x P che danno anche le relazioni trigonometriche per angoli complementari: π sin − α = cos(α) 2 π − α = sin(α). cos 2 • Le riflessioni rispetto agli assi similmente danno le relazioni sin(α) = − sin(−α) = − sin(π + α), cos(α) = cos(−α) = − cos(π + α). Rotazione intorno all’origine • La rotazione di un angolo (orientato) α è data dalle formule (ottenute con la formula della distanza con segno dalla retta che forma un angolo 12 −α con l’asse x e dalla sua perpendicolare, entrambe passanti per l’origine e normalizzate nel modo giusto): 0 xP = cos(α)xP − sin(α)yP yP0 = sin(α)xP + cos(α)yP • Da queste si deducono le formule trigonometriche di addizione: cos(α+β) = cos(α) cos(β)−sin(α) sin(β), sin(α+β) = sin(α) cos(β)+cos(α) sin(β) dalle quali si può dedurre quasi ogni altra formula trigonometrica. 13