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Opere matematiche di Luigi Cremona/Introduzione ad una teoria geometrica delle curve piane/Teoria de' centri armonici

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Art. 3. Teoria de’ centri armonici
Introduzione ad una teoria geometrica delle curve piane - Projettività delle punteggiate e delle stelle Introduzione ad una teoria geometrica delle curve piane - Teoria dell'involuzione
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Art. III.

Teoria de’ centri armonici.

11. Sopra una retta siano dati n punti a1,a2,,an ed un polo o. Sia poi m un punto della retta medesima, tale che la somma dei prodotti degli n rapporti maoa, presi ad r ad r, sia nulla. Esprimendo questa somma col simbolo (maoa)r, il punto m sarà determinato per mezzo della equazione:

1)
(maoa)r=0,


che per l’identità ma=oaom, può anche scriversi:

2)
(1om1oa)r=0,


[p. 329 modifica]ossia sviluppando:

3)
[nr](1om)r[n1r1](1om)r1(1oa)1+
+[n2r2](1om)r2(1oa)2=0;


ove il simbolo [nr] esprime il numero delle combinazioni di n cose prese ad r ad r.

L’equazione 3), del grado r rispetto ad om, dà r posizioni pel punto m: tali r punti m1m2mr si chiameranno[1] centri armonici, del grado r, del dato sistema di punti a1a2an rispetto al polo o.

Quando r=1, si ha un solo punto m, che è stato considerato da Poncelet sotto il nome di centro delle medie armoniche[2].

Se inoltre è n=2, il punto m diviene il coniugato armonico di o rispetto ai due a1a2 (4).[3]

12. Se l’equazione 1) si moltiplica per oa1.a2oan e si divide per ma1.ma2man, essa si muta evidentemente in quest’altra:

4)
(oama)nr=0,


donde si raccoglie:

Se m è un centro armonico, del grado r, del dato sistema di punti rispetto al polo o, viceversa o è un centro armonico, del grado nr, del medesimo sistema rispetto al polo m.

13. Essendo m1m2mr gli r punti che sodisfanno all’equazione 3), sia μ il loro centro armonico di primo grado rispetto al polo o; avremo l’equazione:

(1oμ1om)1=0


analoga alla 2), ossia sviluppando:

roμ=(1om)1.


Ma, in virtù della 3), è:

(1om)1=rn(1oa)1,

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dunque:

noμ=(1oa)1,


ossia:

(1oμ1oa)1=0.


Ciò significa che μ è il centro armonico, di primo grado, del dato sistema di punti a1a2an rispetto al polo o.

Indicando ora con μ uno de’ due centri armonici, di secondo grado, del sistema m1m2mr rispetto al polo o, avremo l’equazione analoga alla 2):

(1oμ1om)2=0,


ossia, sviluppando:

r(r1)2(1oμ)2(r1)1oμ(1om)1+(1om)2=0,


Ma, in virtù della 3), si ha:

(1om)1=rn(1oa)1,
(1om)2=r(r1)n(n1)(1oa)2,


onde sostituendo ne verrà:

n(n1)2(1oμ)2(n1)1oμ(1oa)1+(1oa)2=0,


vale a dire:

(1oμ1oa)2=0;


dunque μ è un centro armonico, di secondo grado, del sistema a1a2an rispetto al polo o.

Lo stesso risultato si ottiene continuando a rappresentare con μ un centro armonico, del terzo, quarto, ... (r1)esimo grado, del sistema m1m2mr rispetto al polo o. Dunque:

Se m1m2mr sono i centri armonici, di grado r, del dato sistema a1a2an rispetto al polo o, i centri armonici, di grado s (s<r), del sistema m1m2mr rispetto al polo o sono anche i centri armonici, del grado s, del sistema dato rispetto allo stesso polo o. [p. 331 modifica]

14. Se m è un centro armonico, del grado n1, del dato sistema a1a2an rispetto al polo o, si avrà l’equazione 4) nella quale sia posto r=n1. Vi s’introduca un arbitrario punto i (della retta data) mediante le note identità oa=oi+ia, ma=iaim, onde si avrà:

(oi+iaiaim)1=0,


ossia, sviluppando:

5)
imn1{n.oi+(ia)1} imn2{(n1)oi(ia)1+2(ia)2} +imn3{(n2)oi(ia)2+3(ia)3} +(1)n1{oi(ia)n1+n(ia)n}=0.

Siano m1m2mn1 i centri armonici, di grado n1, del dato sistema rispetto al polo o, cioè i punti che sodisfanno alla 5); si avrà:

(im)r=(nr)oi(ia)r+(r+1)(ia)r+1n.oi+(ia)1.


Ora sia μ uno de’ centri armonici, del grado n2, del sistema m1m2mn1 rispetto ad un punto o (della retta data); avremo analogamente alla 5):

iμn2{(n1)oi+(im)1} iμn3{(n2)oi(im)1+2(im)2} +(1)n2{oi(im)n2+(n1)(im)n1}=0.


In questa equazione posto per (im)r il valore antecedentemente scritto, si ottiene:

oi.oi{n(n1)iμn2(n1)(n2)iμn3(ia)1 +(n2)(n3)iμn4(ia)2} +(oi+oi){(n1)iμn2(ia)12(n2)iμn3(ia)2 +3(n3)iμn4(ia)3} +{1.2iμn2(ia)22.3iμn3(ia)3 +3.4iμn4(ia)4}=0;


il qual risultato, essendo simmetrico rispetto ad o,o, significa che:

Se m1m2mn1 sono i centri armonici, di grado n1, del sistema a1a2an rispetto al polo o, e se m1m2mn1 sono i centri armonici, di grado n1, dello stesso sistema a1a2an rispetto ad un altro polo o; i centri armonici, del grado [p. 332 modifica]n2, del sistema m1m2mn1 rispetto al polo o coincidono coi centri armonici, del grado n2, del sistema m1m2mn1 rispetto al polo o.

Questo teorema, ripetuto successivamente, può essere esteso ai centri armonici di grado qualunque, e allora s’enuncia così:

Se m1m2mr sono i centri armonici, di grado r, del sistema dato a1a2an rispetto al polo o, e se m1m2mr sono i centri armonici, di grado r, dello stesso sistema dato rispetto ad un altro polo o, i centri armonici, di grado r+rn, del sistema m1m2mr rispetto al polo o coincidono coi centri armonici, di grado r+rn, del sistema m1m2mr, rispetto al polo o.

15. Se m e μ sono rispettivamente i centri armonici, di primo grado, dei sistemi a1a2an ed a2a3an, rispetto al polo o, si avrà:

nom=1oa1+1oa2++1oan,

n1oμ=1oa2+1oa3++1oan.


Si supponga μ coincidente con a1: in tal caso le due equazioni precedenti, paragonate fra loro, danno om=oμ. Dunque:

Se a1 è il centro armonico, di primo grado, del sistema di punti a2a3an rispetto al polo o, il punto a1 è anche il centro armonico, di primo grado, del sistema a1a2an rispetto allo stesso polo.

16. Fin qui abbiamo tacitamente supposto che i dati punti a1a2an fossero distinti, ciascuno dai restanti. Suppongasi ora che r punti anan1anr+1 coincidano in un solo, che denoteremo con a0. Allora, se nella equazione 5) si assume a0 in luogo dell’origine arbitraria i, risulta evidentemente:

(ia)n=0,(ia)n1=0,(ia)nr+1=0,


onde l’equazione 5) riesce divisibile per a0mr1, cioè r1 centri armonici del grado n1 cadono in a0, e ciò qualunque sia il polo o. Ne segue inoltre, avuto riguardo al teorema (13), che in a0 cadono r2 centri armonici di grado n2; r3 centri armonici di grado n3, ed un centro armonico di grado nr+1.

17. L’equazione 3) moltiplicata per omr e per (1)roa1.oa2oan diviene:

6)
omr(oa)nr(nr+1)omr1(oa)nr+1 +(nr+2)(nr+1)1.2omr2(oa)nr+2 +(1)rn(n1)(nr+1)1.2r(oa)n=0.

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Suppongo ora che il polo o coincida, insieme con anan1ans+1, in un unico punto. Allora si ha:

(oa)n=0,(oa)n1=0,(oa)ns+1=0;


quindi l’equazione che precede riesce divisibile per oms, ossia il polo o tien luogo di s centri armonici di grado qualunque. Gli altri rs centri armonici, di grado r, sono dati dall’equazione:

omrs(oa)nr(nr+1)omrs1(oa)nr+1 +(nr+2)(nr+1)1.2omrs2(oa)nr+2=0,


ove le somme (oa) contengono solamente i punti a1a2ans. Dunque, gli altri rs punti m, che insieme ad o preso s volte costituiscono i centri armonici, di grado r, del sistema a1a2an rispetto al polo o, sono i centri armonici, di grado rs, del sistema a1a2ans rispetto allo stesso polo o[4].

Si noti poi che, per s=r+1, l’ultima equazione è sodisfatta identicamente, qualunque sia m. Cioè, se r+1 punti a ed il polo o coincidono insieme, i centri armonici del grado r riescono indeterminati, onde potrà assumersi come tale un punto qualunque della retta a1a2[5].

18. Abbiasi, come sopra (11), in una retta R (fig. 5.a) un sistema di n punti a1a2anFig.ª 5.ªFig.ª 5.ª ed un polo o; sia inoltre m un centro armonico di grado r, onde fra i segmenti ma, [p. 334 modifica]oa sussisterà la relazione 1). Assunto un punto arbitrario c fuori di R e da esso tirate le rette ai punti o,a,m, seghinsi queste con una trasversale qualunque R nei punti o,a,m. Allora si avrà:

maca:maca=sencmasencma,


ed analogamente:

oaca:oaca=sencoasencoa,


donde si ricava:

maoa:maoa=sencmasencoa:sencmasencoa.

Il secondo membro di questa equazione non varia, mutando i punti a,a, quindi avremo:

ma1oa1:ma2oa2::manoan=ma1oa1:ma2oa2::manoan.


Siccome poi la relazione 1) è omogenea rispetto alle quantità maoa, così se ne dedurrà:

(maoa)r=0,


cioè:

Se m è un centro armonico, di grado r, di un dato sistema di punti a1a2an situati in linea retta, rispetto al polo o posto nella stessa retta, e se tutti questi punti si projettano, mediante raggi concorrenti in un punto arbitrario, sopra una trasversale qualunque, il punto m (projezione di m) sarà un centro armonico, di grado r, del sistema di punti a1a2an (projezioni di a1a2an) rispetto al polo o (projezione di o).

Questo teorema ci abilita a trasportare ad un sistema di rette concorrenti in un punto le definizioni ed i teoremi superiormente stabiliti per un sistema di punti allineati sopra una retta.

19. Sia dato un sistema di n rette A1A2An ed un’altra retta O, tutte situate in uno stesso piano e passanti per un punto fisso c. Condotta una trasversale arbitraria R che, senza passare per c, seghi le rette date in a1a2an ed o, si imaginino gli r centri armonici m1m2mr, di grado r, del sistema di punti a1a2an [p. 335 modifica]rispetto al polo o. Le rette M1M2Mr condotte da c ai punti m1m2mr si chiameranno assi armonici, di grado r, del dato sistema di rette A1A2An rispetto alla retta O.

Considerando esclusivamente rette passanti per c, avranno luogo i seguenti teoremi, analoghi a quelli già dimostrati per un sistema di punti in linea retta.[6]

Se M è un asse armonico, di grado r, del dato sistema di rette A1A2An rispetto alla retta O, viceversa O è un asse armonico di grado nr, del medesimo sistema, rispetto alla retta M.

Se M1M2Mr sono gli assi armonici, di grado r, del dato sistema A1A2An, rispetto alla retta O, gli assi armonici, di grado s(s<r), del sistema M1M2Mr, rispetto ad O, sono anche gli assi armonici, del grado s, del sistema dato, rispetto alla stessa retta O.

Se M1M2Mr sono gli assi armonici, di grado r, del sistema dato A1A2An rispetto alla retta O e se M1M2Mr sono gli assi armonici, di grado r, dello stesso sistema dato, rispetto ad un’altra retta O; gli assi armonici, di grado r+rn, del sistema M1M2Mr, rispetto alla retta O, coincidono cogli assi armonici, di grado r+rn, del sistema M1M2Mr, rispetto alla retta O.

Qualunque sia la retta O, se r fra le rette date A1A2An coincidono in una sola, questa tien luogo di r1 assi armonici di grado n1, di r2 assi armonici di grado n2, di un asse armonico di grado nr+1.

Se s rette AnAn1Ans+1 coincidono fra loro e colla retta O, questa tien luogo di s assi armonici di qualunque grado, e gli altri rs assi armonici, di grado r, sono gli assi armonici, di grado rs, del sistema A1A2Ans rispetto ad O.

20. Se al n.º 18 la trasversale R vien condotta pel punto o, ossia se la retta R si fa girare intorno ad o, il teorema ivi dimostrato può essere enunciato così:

Siano date n rette A1A2An concorrenti in un punto c. Se per un polo fisso o si conduce una trasversale arbitraria R che seghi quelle n rette ne’ punti a1a2an, i centri armonici di grado r, del sistema a1a2an, rispetto al polo o, generano, ruotando R intorno ad o, r rette M1M2Mr concorrenti in c.

E dagli ultimi due teoremi (19) segue:

Se s rette AnAn1Ans+1 fra le date coincidono in una sola A0, questa tien luogo di s(nr) delle rette M1M2Mr. Se inoltre A0 passa pel polo o, essa tien luogo di s delle rette M1M2Mr. Le rimanenti rs, fra queste rette, sono il luogo de’ centri armonici di grado rs (rispetto al polo o) de’ punti, in cui R sega le rette A1A2Ans.

Note

  1. Jonquières, Mémoire sur la théorie des pôles et polaires etc. (Journal de M. Liouville, août 1857, p. 266).
  2. Mémoire sur les centres des moyennes harmoniques (Giornale di Crelle, t. 3, Berlino 1828, p. 229).
  3. {Se n=1, ossia se il dato sistema riducesi ad un punto unico, con questo coincide il centro armonico di 1.º grado di qualsivoglia polo.}
  4. {Viceversa, se s centri armonici (di grado qualunque) coincidono nel polo o, in questo coincideranno s punti del sistema fondamentale.}
  5. {Viceversa, se i centri armonici di grado r rispetto ad un polo o sono indeterminati, i centri armonici di grado r+1 sono tutti riuniti in o, e questo punto in tal caso assorbe anche r+1 punti del sistema fondamentale.}
  6. [p. 496 modifica]In un esemplare dell’edizione tedesca (Einleitung), sul quale l’A. fece segni in margine, probabilmente per servirsene in una ristampa, tutto il seguito di questo n. 19 è segnato come cosa da sopprimere.