La scoperta dei numeri immaginari

“Numeri immaginari”. La prima volta che sentii questa parola nell’aula del mio liceo, durante l’ora di matematica, storsi un po’ il naso. Adesso va bene tutto, bella la matematica eh, ma pure studiare quella immaginaria mi sembra un po’ un’esagerazione, pensai tra me e me. Poi, però, approfondendo maggiormente, si scopre che di immaginario hanno ben poco, anzi: sono un’arma, e bella potente. Proseguendo negli studi scoprii che questi simpaticoni spuntano fuori quando meno te lo aspetti e ti permettono di risolvere problemi a prima vista impossibili. Ma andiamo con ordine.

Un po’ di storia

Facciamo un piccolo salto indietro, circa al 1500, ma restiamo in Italia. Tra i matematici c’era una simpatica usanza molto diffusa: 2 contendenti si sfidavano a una gara matematica, e il vincitore acquisiva fama, gloria, ed era un ottimo modo per mettersi in mostra con i potenti nobili di allora. La sfida era così costituita: ognuno doveva stilare 30 problemi matematici che era in grado di risolvere, consegnarli all’avversario e questo aveva un po’ di giorni per risolverne il più possibile. Poi, dopo una certa data, i due si ritrovavano davanti alla folla per decretare il vincitore. Potete considerarlo come un analogo delle battaglie freestyle tra rapper, solo che molto più nerd. A Bologna, questa era la piazza dove si ritrovavano, davanti alla Basilica di Santa Maria dei Servi.

Immaginatevi due matematici battagliare qui davanti alla folla

Questa usanza ebbe conseguenze curiose e forse un po’ negative. Appena un matematico faceva un’importante scoperta, invece che diffonderla, se la teneva tutta per sè. Quando poi sfidava un altro matematico, gli dava 30 problemi tutti su quell’argomento, e di solito vinceva a mani basse. Per questo motivo risalire al primo scopritore di determinate soluzioni è un po’ difficile, ma ci si prova. Questo è quello che accadde per la formula generale delle equazioni di terzo grado.

La formula per le equazioni di terzo grado

I babilonesi e i greci sapevano risolvere alcuni casi particolari, ma una formula generale era ancora sconosciuta. Il primo a scoprire una formula fu Scipione del Ferro, ma, per motivi che ormai sapete, non divulgò mai. Solo in punto di morte decise di svelare qualcosa al suo migliore studente, Antonio Maria del Fiore, obbligandolo a non rivelare nulla. Successivamente anche Niccolò Fontana, detto Tartaglia per la sua balbuzie, scoprì la stessa formula, e diventato famoso per le numerose gare matematiche vinte, fu invitato da Gerolamo Cardano e Lodovico Ferrari a Milano, e rivelò loro le sue scoperte, con la promessa di non rivelarle a nessuno.

Gerolamo Cardano

Tartaglia così descrisse a Cardano la formula scoperta, vediamo se anche voi riuscite a risolvere l’indovinello.

«Quando che’l cubo con le cose appresso
Se agguaglia à qualche numero discreto
Trovan dui altri differenti in esso.

Dapoi terrai questo per consueto
Che’llor produtto sempre sia eguale
Al terzo cubo delle cose neto,

El residuo poi suo generale
Delli lor lati cubi ben sottratti
Varra la tua cosa principale.»

Cardano in seguito venne a sapere dei risultato già ottenuti da Scipione del Ferro, e scoprì che erano gli stessi. Decise allora di infrangere la sua promessa e di pubblicarla, con il nome di Formula di Cardano, la quale permette di risolvere qualsiasi equazione di terzo grado, o quasi. Mai si sarebbe aspettato che questa formula avrebbe fatto sorgere problemi ben peggiori di quelli che risolveva. Per farvi capire, vi mostro qui di seguito il procedimento.

Come risolvere le equazioni di terzo grado

Partendo da una generica equazione di terzo grado, $ a x^3+bx^2+cx+d=0 $ , dovete applicare la sostituzione $x=y-\frac{b}{3a} $ così da eliminare il termine $x^2$ e ottenere un’equazione nella forma $y^3+py+q=0$ e adesso dovreste applicare questa facile facile formula:

$y = \sqrt[3]{-\frac{q}{2} + \sqrt{ \frac{q^2}{4} + \frac{p^3}{27}}} + \sqrt[3]{-\frac{q}{2} – \sqrt{ \frac{q^2}{4} + \frac{p^3}{27}}} $

“La bellezza è un requisito fondamentale: al mondo non c’è un posto perenne per la matematica brutta”

(Godfrey Harold Hardy)

Sarà bella questa formula? Ai posteri l’ardua sentenza. Quello che invece voglio farvi notare sono le due radici quadrate presenti nella formula. Dovreste sapere bene che un’equazione di terzo grado ha SEMPRE almeno una soluzione, e questo lo sapevano bene già i matematici ai tempi di Cardano. Però loro sapevano anche che una radice quadrata negativa non ha soluzioni, e qui nasce il problema. Partendo dal presupposto che almeno una soluzione doveva per forza esserci, per alcuni valori non riuscivano a trovarlo comunque: $\sqrt{ \frac{q^2}{4} + \frac{p^3}{27}}$ era irrisolvibile. Come trattare le radici negative? Per il momento si decise di utilizzare il termine “caso irriducibile” e arrendersi davanti alla potenza dell’ignoranza.

I “numeri silvestri”

Poi, arrivò una bella intuizione da parte di Raffaele Bombelli, matematico bolognese. La sua idea era molto semplice: “ok, le radici quadrate negative non sappiamo calcolarle…. non possiamo semplicemente ignorare il problema e andare avanti lo stesso?” decise allora di definirle “quantità silvestri” e procedette con lo studiarne le proprietà. Per Bombelli erano “quantità silvestri”, per Leibniz erano “mostri di un mondo ideale” e per Eulero erano “numeri che per la loro natura sono impossibili, che esistono solo nella nostra immaginazione”. Potete immaginare quanto abbiano scombussolato il mondo matematico. Cartesio fu il primo a dargli il nome che conosciamo, numeri immaginari.

Personalmente mi trovo un po’ in disaccordo su queste definizioni. Definire “immaginario” un campo della matematica sembra voler fare intendere che sia un qualcosa di inventato dall’uomo, che esiste solo nella sua immaginazione, quasi come se fosse falso. La parola “inventato” non deve mai essere usata in matematica. La matematica viene scoperta, non inventata.

Le leggi della matematica non sono semplici invenzioni o creazioni umane. Esse semplicemente “sono”; esistono abbastanza indipendentemente dall’intelletto umano. Il meglio che chiunque possa fare è di scoprire che queste esistono e di prenderne conoscenza.

(Maurits Cornelis Escher )

La più bella equazione della matematica

Dopo aver fatto un po’ di storia, ci terrei anche a fare un po’ di matematica. Se non avete la più pallida idea di cosa siano i numeri immaginari e di come usarli nei calcoli e vorreste una spiegazione chiara e rigorosa, vi consiglio di leggere questo articolo prima di andare avanti: https://www.mathone.it/numeri-complessi/

In questo articolo vorrei dimostrarvi come i numeri immaginari saltano fuori dove meno ve lo aspettereste. Vi ricordate quando a scuola facevate le prime funzioni, seno, coseno, logaritmo , arcocoseno e vi facevano mettere le condizioni di esistenza? Vi siete mai chiesti quali pericoli vi aspettano in quelle lande desolate al di fuori delle C.E? volete sapere quanto vale $\log{(-1)}$ o per quali valori $\cos{(x)} = 3$? Sarà che ho sempre avuto un’indole avventuriera e ho sempre odiato avere vincoli, ma io le condizioni di esistenza non le ho mai sopportate. O forse sono semplicemente pazzo, spiegherebbe molte cose. Ho sempre desiderato avventurarmi in quel regno desolato, e a fornirmi la mappa ci pensò proprio Eulero.

La più bella equazione esistente in matematica, la mappa che unisce regno reale e immaginario

Credo che anche a prima vista riuscite a capire perchè è considerata l’equazione più bella di tutta la matematica. $e$ è il numero di Nepero, $\pi$ è il rapporto tra circonferenza e diametro e $i$ è un numero immaginario dotato della proprietà tale che $i^2 = -1$. Gli altri due numeri spero li conosciate.

La formula di Eulero

Adesso, dimostrarvela interamente potrebbe essere un po’ impegnativo, magari in un prossimo articolo. Per il momento mi piacerebbe darvi una prova del fatto che sia vera, ma nel caso vogliate dimostrarla voi stessi, vi darò qualche piccolo indizio. Vi serve sapere solo gli sviluppi in serie di Taylor. Se non ne avete mai sentito parlare, vi basta sapere che è un modo per trasformare funzioni complicate in semplici polinomi di lunghezza infinita. Ecco gli esempi che mi servono, se non gli avete mai visti, potete provare a disegnarli su una qualsiasi app e vedrete che sono perfettamente valide.

$e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \frac{x^4}{4!} + \frac{x^5}{5!} + \frac{x^6}{6!} + \frac{x^7}{7!} $ …… e così via

$cos(x) = 1 – \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} – \frac{x^6}{6!} +$ …… e così via

$sin(x) = x – \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} – \frac{x^7}{7!} +$ ….. e così via

Notate una leggera somiglianza uno dall’altro? Sono praticamente uguali, cambia solo un po’ il segno. E qui arrivano in aiuto i numeri immaginari, e vi permettono di risolvete tutto. Sostituite $e^x$ con $e^{ix}$ e $\sin{x}$ con $i\sin{x}$ e il gioco è fatto. La prima riga è esattamente uguale alla somma delle altre due. Usiamo $z$ al posto della $x$ perchè mi piace di più e otteniamo:

A questo punto, vi basta sostituire $z=\pi$ e riotterrete la formula vista prima.

Logaritmi negativi

Ora che abbiamo tutto quello che ci serve, iniziamo ad avventurarci nella desolata landa fuori dalle C.E. Partirei dal logaritmo naturale, molto semplice. Sapete bene che quando studiate $\log{x}$ dovete sempre porre $x>0$ ma per quale motivo? Cosa succede quando $x$ assume valori negativi? E’ presto detto. Considerate la prima formula, $e^{i\pi} +1 =0$ spostate il $+1$ a destra ed eseguiamo il logaritmo da entrambe le parti dell’uguale, per ottenere $\log{(e^{i\pi})} = \log{(-1)}$ .

Applicando le formule dei logaritmi troviamo che $i\pi\log{(e)} = \log{(-1)}$ e quindi che $\log{(-1)} = i\pi$.

Ora ci basta ricordare la formula del prodotto, $\log{(ab)} = \log{(a)} + \log{(b)}$ e possiamo generalizzare per qualsiasi numero negativo. infatti, $\log{(-n)} = \log{(n)} + \log{(-1)}$ ovvero che $\log{(-n)} = \log{(n)} + i\pi$ .

Il valore di un logaritmo negativo è esattamente quello che ha per valori positivi, più $i\pi$

Se quindi volessimo disegnare il grafico di $\log{(-n)}$ dovremmo semplicemente specchiare quello di $\log{(n)}$ e traslarlo nel piano immaginario di un vettore lungo esattamente $\pi$. Fermatevi un attimo a cercare di visualizzare questa cosa. Non pensate sia un risultato incredibile? La parte immaginaria di un logaritmo in base $e$ di un qualsiasi numero negativo è sempre esattamente $\pi$.

Seni e Coseni

Un’altra delle funzioni che avevano un dominio abbastanza ristretto erano l’arcoseno e l’arcocoseno, con $x$ compreso tra -1 e 1. Perchè? Cosa succede se usiamo altri valori? Considerando che queste funzioni sono esattamente l’inversa di seno e coseno, la domanda equivale a chiedersi se esistono valori di $x$ per i quali $sin(x)>1$ o $cos(x)>1$

Per rispondere, ci serve la formula più generale di Eulero, $e^{xi}=cos(x) + i*sin(x)$ effettuare prima la sostituzione $x=n*i$ dove $n$ stà ad indicare un generico multiplo. Facciamo poi qualche passaggio algebrico, ricordando che $cos(-x)=cos(x)$ e che $sin(-x)=-sin(x)$

Ecco quello che otteniamo:

$e^{n(i)(i)}=cos(in) + isin(in)$

$e^{-n}=cos(in) + isin(in)$

E in seguito ripetere sostituendo invece $x=-i\cdot n$ per ottenere:

$e^{-n(i)(i)}=cos(-in) + isin(-in)$

$e^{n}=cos(in) – isin(in)$

Mettiamo ora la seconda e la quarta assieme per ottenere:

$\begin{cases} e^{-n}=cos(in) + isin(in) \\ e^{n}=cos(in) – isin(in) \end{cases}$

Sommando e sottraendo le due righe, ottenete un espressione per calcolare seni e coseni immaginari:

$cos(in) = \frac{e^n + e^{-n}}{2}$

$sin(in) = \frac{e^n-e^{-n}}{2}i$

Ci terrei giusto a farvi notare la bellezza di quello che abbiamo appena calcolato. Per prima cosa, il seno di un numero immaginario è un numero immaginario. E fin qui non sembra nulla di troppo strano. Invece, il coseno di un qualsiasi numero immaginario è un numero Reale. Vi sareste mai aspettati prima di iniziare a leggere questo articolo che $cos(i)=\frac{e+\frac{1}{e}}{2}$?

Ora lascio a voi il compito, se l’argomento vi interessa, di approfondire. Il campo della matematica coi numeri complessi è enorme e affascinante. Pensate che qualsiasi argomento abbiate studiato nel campo Reale, può essere studiato anche in campo immaginario e complesso, e le applicazioni sono innumerevoli e utilissime.

Esiste qualcosa di più complesso dei numeri complessi?

Pensate che non ci sia altro dopo i numeri complessi? Sbagliatissimo. Così come ci sono i numeri Reali, e ci sono i numeri complessi (che possiamo chiamare bidimensionali) esistono poi i Quaternioni, numeri quadri-dimesionali, scrivibili nella forma $a+bi+cj+dk$ con $a, b, c, d$ numeri reali e $i, j, k$ che sono analoghi alla $i$ dei numeri complessi. Esistono poi gli Ottetti i Sedenioni, e chi più ne ha più ne metta, seguendo gli esponenti di $2^n$.

E così come esiste l’analisi in campo reale, esiste l’analisi complessa e l’analisi ipercomplessa, che non ho mai avuto il piacere di provare ma non faccio fatica a credere sia davvero un macello. L’unica cosa davvero interessante che so dirvi è che ogni gradino che saliamo verso la complessità, la difficoltà aumenta a livelli imbarazzanti. Non solo il numero di costanti complesse aumenta di un fattore 2^n ogni volta, ma anche perdete ogni volta una proprietà.

Nei numeri Reali, avete numeri del tipo $a$ e valgono tutte le proprietà che conoscete.

Nel numeri complessi, avete numeri del tipo $a + bi$ e perdete la relazione d’ordine.

Nei quaternioni, avete numeri del tipo $a+bi+cj+dk$ e perdete anche la proprietà commutativa

Negli ottetti, avete numeri del tipo $a+bi+cj+dk+el+fm+gn+ho$ e perdete anche la proprietà associativa

Mi fermo qui, perchè direi di avervi già terrorizzato abbastanza. Potrei magari in un prossimo articolo parlarvi dei quaternioni, numeri che hanno applicazioni gigantesche e sono usati dappertutto. Pensate che i vostri telefoni li usano costantemente per capire la loro posizione e angolazione nello spazio.

Approfondimenti

Se volete approfondire bene l’argomento, sinceramente non potrei fare altro che consigliarvi di prendere libri universitari di analisi matematica. E’ un argomento così vasto, che cibarsi di bricioline non ne renderebbe sicuramente il sapore originario. Se volete giusto affacciarvi a questo argomento per cercare di capirci meglio, vi lascio sotto dei video molto interessanti che io stesso ho guardato per imparare a naufragare dolcemente in questo mare.

Un altro video interessante è questo : https://www.youtube.com/watch?v=19c4c3SwtS8

Fonti

https://it.wikipedia.org/wiki/Storia_dei_numeri_complessi

https://it.wikipedia.org/wiki/Gerolamo_Cardano

https://it.wikipedia.org/wiki/Rafael_Bombelli

https://st.ilsole24ore.com/art/cultura/2012-02-05/numeri-grande-schermo-081450_PRN.shtml

https://www.youmath.it/domande-a-risposte/view/6122-identita-eulero.html

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