I Fondamenti di Geometria nella scuola italiana di fine Ottocento Carmela Zappulla a.a. 2005-06 Corso “Storia della Matematica” 26-30.05.2006 INDICE • Introduzione: Come e perché una scuola italiana • R. De Paolis e F. Klein (1871-1880) • C. Segre e G. Peano (1884-1889) • G. Fano: la memoria del 1892 • F. Enriques e la sua filosofia (1898-1907) • M. Pieri: culmine e declino (1894-1897) • Conclusioni Introduzione • Solo Hilbert? Geometria come matematica pura • Enti primitivi e postulati nella scuola italiana • Contesto diverso da quello puramente • • • assiomatico Non un singolo ma tutta una scuola Dopo Hilbert la scuola italiana viene dimenticata - fondamenti come conclusione - connessione con la didattica Ma anche: - Hilbert come grande matematico - Göttingen come fucina della matematica - Grundlagen: semplici e immediate Riccardo De Paolis (1854-1892) • Studia a Roma con Cremona, Beltrami e Battaglini • 1880-81: Sui fondamenti della geometria projettiva • • C. von Staudt e coordinatizzazione dello spazio proiettivo a partire da considerazioni puramente geometriche L’opera è divisa in due parti: - 1. dim. Th. Fondamentale per forme di 1a specie, completa e semplifica i metodi correnti (di Staudt, Reye, Klein) - 2. retta proiet. Q, poi, postulandone la completezza: retta proiet. R È una novità, influenza sugli italiani, non specifica l’origine degli enti (generatori) della forma, prende le mosse da v. Staudt e Klein. Felix Klein (1849-1925) • 1871-74, Articoli nei Mathematische Annalen -1874: Nachtrag zu dem zweiter Aufsatz über die sogenannte Nicht-Euklidische Geometrie • Geometria assoluta e sottogeometrie • Puntocoordinata: Staudt (quadrangolo Completo + V post.>>circolo vizioso) • Rinnovare, riordinare, rendere più trasparente Staudt, che era poco scorrevole e incompleta. Corrado Segre (1863-1924) • Torino 1883, con tesi : Studio sulle quadriche in uno spazio lineare a un numero qualunque di dimensioni (1884) - Geometria Proiettiva degli iperspazi per la teoria delle curve e delle superfici • Deriva da: Riemann 1854, Plücker, Klein e Clebsch, Lie, Grassmann da Segre 1884 -introduzione La geometria degli spazi ad un numero qualsiasi n di dimensioni ha preso ormai il suo posto tra i rami della matematica; e, … anche quando l'elemento o punto di un tale spazio non si consideri come un ente geometrico dello spazio ordinario (e neppure,…, come un ente analitico costituito dai valori di n quantità variabili), bensì come un ente a sé, la natura intima del quale si lascia indeterminata, non si può rifiutare di ammetterla come scienza, in cui tutte le proposizioni sono rigorose, perché dedotte con ragionamenti essenzialmente matematici; la mancanza di una rappresentazione pei nostri sensi degli enti che essa studia non ha molta importanza pel matematico puro. Sorta, si può dire, colla celebre Memoria del 1854 di Riemann ... la geometria a n dimensioni va sviluppandosi secondo due vie diverse: l'una riguarda la teoria della curvatura degli spazi e si connette quindi alla geometria non euclidea, l'altra invece studia la geometria proiettiva degli spazi lineari ... ed è appunto questa ch'io mi propongo di seguire in questo lavoro. Essa apre ai cultori della matematica un campo sconfinato di ricerche piene di interesse. Def. Segre (1884): Spazio lineare n-dimensionale Un insieme continuo qualunque di enti, il cui numero sia m volte infinito (cioè tra i quali ve ne sia in generale un numero finito che soddisfino a m condizioni semplici qualunque date) dicesi formare uno spazio ad m dimensioni, di cui quegli enti diconsi elementi. ...Uno spazio qualunque ad m dimensioni dicesi lineare quando si possono attribuire a ciascun suo elemento i valori numerici (reali od immaginari) di m quantità in modo che, senza alcuna eccezione, ad ogni gruppo arbitrario di valori di queste corrisponda un solo elemento di quello spazio, e viceversa ad ogni elemento di questo corrisponda un solo determinato gruppo di valori di quelle. I valori di queste quantità corrispondenti a quell'elemento si dicono coordinate di questo. …cosicché ogni elemento di questo, senza eccezioni, sarà individuato dai rapporti mutui di queste coordinate omogenee e servirà viceversa ad individuare questi loro rapporti. Def. Peano (1888: Calcolo geometrico secondo l'Ausdehnungslehre di Grassmann): Spazio lineare n-dimension. Esistono dei sistemi di enti sui quali sono date le seguenti definizioni: 1. È definita l'eguaglianza di due enti a e b del sistema, cioè è definita una proposizione, indicata con a = b, la quale esprime una condizione fra due enti del sistema, soddisfatta da certe coppie di enti, e non da altre, e la quale soddisfa alle equazioni logiche: (a=b)=(b=a) (a=b)(b=c)<(a=c) 2. È definita la somma di due enti a e b vale a dire è definito un ente, indicato con a + b, che appartiene pure al sistema dato e che soddisfa alle condizioni: …. a=b<(a+c=b+c) a+b=b+a a+(b+c)=(a+b)+c 3. Essendo a un ente del sistema, ed m un numero intero e positivo, colla scrittura ma intenderemo la somma di m enti uguali ad a. È facile riconoscere, essendo a, b, ... enti del sistema, m, n, ... numeri interi e positivi, che (a=b)<(ma=mb) m(a+b)=ma+mb (m+n)a=ma+na m(na)=(mn)a 1a=a Noi supporremo che sia attribuito un significato alla scrittura ma, qualunque sia il numero reale m, in guisa che siano ancora soddisfatte le equazioni precedenti. L'ente ma si dirà prodotto del numero (reale) m per l'ente a. 4. Infine supporremo che esista un ente del sistema, che diremo ente nullo, e che indicheremo con 0, tale che, qualunque sia l'ente a, il prodotto del numero 0 per l'ente dia sempre 0, ossia 0a = 0 ... Def. I sistemi di enti per cui sono date le definizioni 1, 2, 3, 4 in guisa da soddisfare le condizioni imposte, diconsi sistemi lineari. ... Pasch (1843-1930) 1882: Vorlesungen über Neuere Geometrie • • • • Prima assiomatizzazione Carattere empirico Rigore Geometria = scienza naturale “Alla Geometria si possono comunque associare speculazioni di vario genere. Ma … i concetti geometrici originariamente corrispondono proprio agli oggetti empirici, anche se quelli vengono a poco a poco ricoperti da una rete di concetti arti-ficiali atti a promuovere sviluppi teorici. Ma se fin da princi-pio ci limitiamo al nucleo empirico, la Geometria conserva il carattere di scienza naturale … [poiché trae] dall’esperienza solo un numero assai limitato di concetti e di leggi” - Prima enunciati base che rielaborano e semplificano l’esperienza - Poi logica e niente più intuizione Peano (1858-1932) 1889: • I principii della geometria logicamente esposti, sulla scia di Pasch: Si ha così una categoria di enti, chiamati punti. Questi enti non sono definiti. Inoltre, dati tre punti, si considera una relazione fra essi, indicata colla scrittura abc , la quale relazione non è parimenti definita. Il lettore può intendere col segno 1 una categoria qualunque di enti, e con abc una relazione qualunque fra tre enti di quella categoria; avranno sempre valore tutte le definizioni che seguono .... Se un certo gruppo di assiomi è verificato, saranno pure vere tutte le proposizioni che si deducono. • Segre e Peano hanno p.d.v non tanto opposti quanto complementari Hilbert sta elaborando le idee base delle Grundlagen >>> li sintetizza • Segre: • Peano: - più discorsivo - impreciso - indeterminatezza enti primitivi - apre a possibili sviluppi - def. posta all’inizio: base fondamentale e concettuale - più rigoroso - linguaggio ideografico e formale - necessità logica - chiude il discorso e “surgela la teoria” - def. posta alla fine: sintesi del lavoro Comunque, nel 1891 Segre: Su alcuni indirizzi nelle investigazioni geometriche • Non è ancora stato assegnato e discusso (che io sappia) un sistema di postulati indipendenti che serva a caratterizzare lo spazio lineare ad n dimensioni, sì che se ne possa dedurre la rappresentazione dei punti di questo con coordinate. Sarebbe conveniente che qualche giovane si occupasse di questa quistione (che non sembra difficile). Gino Fano (1871-1952) • Allievo di Segre e Klein • 1892: Sui postulati fondamentali della geometria proiettiva in uno spazio lineare a un numero qualunque di dimensioni “Una varietà [insieme] di enti di qualsiasi natura; enti che chiameremo, per brevità, punti, indipendentemente però, ben inteso, dalla loro stessa natura. ... Io preferisco addirittura riservare ... il nome di postulati [... a quelle proprietà che] ci daranno le proprietà prime degli enti o punti della nostra varietà; quelle proprietà che (opportunamente scelte) dovremo ammettere per caratterizzare gli enti stessi e poterne poi dedurre nuove proprietà di questi.” Fano 1892 • Originale, passo avanti rispetto De Paolis • Rinuncia a giustificare la scelta degli enti primitivi e dei postulati e la loro origine • Astrazione (seppur non molto rigoroso) • Indipendenza dei postulati modelli di geometria finita • Dai postulati (astratti) a Rn (concreto) • Ricerca di un numero minimo di postulati indipendenti atti a poter coordinatizzare uno spazio proiettivo astratto I primi postulati (sono classici) P 1. Due punti qualunque determinano, e sempre in modo unico, un ente chiamato retta. Def. di piano: insieme di tutti i punti contenuti nelle rette che congiungono i singoli punti di una retta data con un punto fisso ed assegnato ad arbitrio, purché fuori dalla retta stessa. P 2. La retta determinata da due punti qualunque di un piano giace tutta in questo. P 3. Due rette giacenti in uno stesso piano hanno sempre un punto a comune. Indipendenza del Pn dai primi n-1 • Indipendenza di P 3 • Indipendenza di P2: A A M O B M P B A O P N P N n B m Federigo Enriques • Livorno 5.1.1871 - Roma 14.6.1946 • Laurea: Pisa 1891 • 1894 Bologna, professore di Geometria proiettiva e descrittiva (dal 1896, a 25 anni, ordinario) • Dal 1922 a Roma, sino alla morte, salvo la parentesi delle persecuzioni razziali (1938-44). • Con C. Segre, G. Castelnuovo (suo cognato), F. Severi fondatore della scuola italiana di geometria algebrica F.Enriques (2) • Grande interesse per la filosofia e la storia • Si rese presto consapevole del carattere storico della evoluzione scientifica, dando importanti contributi alla storia della Matematica e del pensiero scientifico e filosofico • Non disdegnò di occuparsi di didattica, cui portò un efficacissimo contributo coi volumi delle Questioni da lui diretti e con una collana di diffusissimi testi per le scuole medie, scritti con U. Amaldi (1903). Federigo Enriques (1871-1946) • 1898: Lezioni di geometria proiettiva (per universitari, ma mira a sistemare ulteriormente i fondamenti di Geom. Proiet. secondo l’indirizzo di Staudt) “Noi abbiamo cercato di porre in luce come la geometria proiettiva si riferisca a concetti intuitivi, ... . D’altra parte però è stato avvertito ... che tutte le deduzioni sono fondate soltanto sopra quelle proposizioni, desunte immediatamente dall’intuizione, … enunciate come postulati. Sotto questo punto di vista la geometria svolta, appare come un organismo logico, nel quale i concetti elementari di punto, retta e piano (e quelli definiti mediante questi) figurano soltanto come elementi di alcune relazioni logiche primitive (i postulati) e di altre relazioni logiche che vengono dedotte. Il contenuto intuitivo di questi concetti resta perfettamente indifferente. Da questa osservazione scaturisce un principio molto fecondo, che informa tutta la moderna geometria: il principio di sostituibilità degli elementi geometrici. Si abbiano dei concetti comunque definiti i quali vengono convenzionalmente designati coi nomi di “punto”, “retta” e “piano”; e suppongasi che tra di essi intercedano le relazioni logiche fondamentali enunciate dai postulati della geometria proiettiva. Tutti i teoremi della detta geometria avranno ancora significato e validità, ove si intenda di considerarli non più come esprimenti relazioni fra “punti”, “rette” e “piani” intuitivi, ma invece come relazioni tra i concetti dati, i quali sono stati convenzionalmente designati coi detti nomi ... . In altre parole: La geometria proiettiva può essere considerata come scienza astrat- ta, e ricevere quindi interpretazioni diverse da quella intuitiva, fissando che gli elementi (punti, rette, piani) di essa siano concetti comunque determinati, tra i quali intercedono le relazioni logiche espresse dai postulati.” F. Enrques: • Metodo assiomatico formale - Non per scelta filosofia o per esigenze di linguaggio - è dovuto a uno sviluppo interno alla geometria • Intuizione come guida iniziale per fissare i concetti e gli enunciati primitivi che privati di significato diventano suscettibili di infinite interpretazioni successivamente niente più intuizione ma solo sistema dedotto formalmente • Enriques completa v. Staudt secondo l’indirizzo di Fano e Amodeo, ma a differenza di Fano non è indifferente alla natura dei postulati, infatti: Enriques 1898 • “…stabilire i postulati desunti dall'intuizione sperimentale dello spazio che si presentano più semplici per definire l'oggetto della geometria proiettiva.” Fano 1892 • Fano: stabiliva un sistema di postulati- ipotesi capaci di definire uno spazio lineare al quale applicare i risultati dell’ordinaria geometria Enriques • La geometria euclidea è confermata dall’esperienza a meno di confutazioni • Problemi molto discussi - origine degli assiomi - rapporti tra geometria e realtà - considerazioni di carattere psicofisiologico • Lo spazio non è una realtà anteriore ed esterna alla mente ma un’insieme di relazioni il cui oggetto è dato da operazioni inerenti la struttura mentale Eco in Germania tramite Klein (affine alle idee di Enriques), che fa tradurre il testo del 1898 e vi antepone una introduzione molto esplicativa: “L'Italia è da due decenni il vero centro di lavori avanzati nel campo della geometria proiettiva. .... i ricercatori italiani sono andati di gran lunga più avanti anche dal lato pratico: non hanno disdegnato di trarre delle conseguenze didattiche dalle loro indagini. I manuali, assai degni di nota, per le scuole medie e superiori, che in tal modo sono nati, possono essere resi accessibili agli ambienti più larghi interessati a essi, tramite adeguate traduzioni. E che ciò accada appare tanto più desiderabile proprio in Germania in quanto la nostra letteratura manualistica ha perso del tutto i contatti con la ricerca attiva. …A noi non mancano opere stimolanti adatte per un’introduzione alla geometria proiettiva, ma non ne conosco alcuna che offra la costruzione sistematica di tale disciplina, in una forma corrispondente al suo stato attuale, in modo così chiaro e contem-poraneamente completo. Inoltre l’esposizione è sempre intuitiva, ma del tutto rigorosa, …, dopo le acute ricerche sui fondamenti della geometria proiettiva contetenute in precedenti saggi dell’autore. Particolarmente degna di nota è la trattazione della metrica” Enriques e filosofia • Epistemologia come rapporto tra sapere • • • • geometrico e considerazioni generali sulla conoscenza Rivisitare Kant alla luce delle nuove geometrie Geometria Euclidea come una delle possibili Geometrie, poiché si sceglie di volta in volta quella più comoda e/o conveniente La base empirica resta forte, soprattutto nella fase iniziale della scelta dei postulati (un po’ legato alla vecchia maniera di metà Ottocento) Hilbert, invece, annuncia una nuova filosofia più vicina alla pratica del matematico che a quella del filosofo o del logico >>> studio dei sistemi formali e ricerca di proe di non contradditorietà Riflessioni: In questo quadro concettuale che possiamo ormai considerare consolidato, se il sistema edificato per la geometria proiettiva non si discosta da quello utilizzato nelle sue lezioni, ben differente è l'attenzione che Enriques porta ai risultati di Hilbert e della sua scuola (in particolare Max Dehn). I vari controesempi, la costruzione delle geometrie che egli chiama non pappiane (le non pascaliane di Hilbert) e il loro legame con la problematica della non commutatività, la costruzione dei corpi non archimedei, sono presentati con grande attenzione e precisione. Si noti che né Enriques né alcun altro tra i nostri matematici di primo piano trasformarono questo interesse generale in un vero e proprio indirizzo di ricerca. Ma in realtà i fondamenti della geometria sono stati visti dalla scuola italiana più come un elemento, anche se importante, collegato con la didattica che con la ricerca. In ultima analisi questa visione rese praticamente impossibile la sopravvivenza, agli alti livelli della fine del secolo scorso, di una scuola italiana di fondamenti della geometria capace di competere a livello internazionale almeno per circa la prima metà di questo secolo. Una parziale eccezione è costituita da Mario Pieri, la cui figura deve quindi costituire un elemento di riflessione importante. Mario Pieri (1860-1913) • Lucca 22.01.1860-01.03.1913 • Pisa 1884 con De Paolis • Insegna a Torino (Segre e • • • Peano), Catania, Parma Prima: Geometria proiettiva ed enumerativa Poi: Assiomatizzazione e fondamenti Muore prematuramente M. Pieri • Costituisce un ponte tra Segre e Peano: - da Segre: struttura assiomatica staccata dall’esperienza - da Peano: rigore, astrazione, linguaggio • 1889 traduzione di (Staudt 1847) - “Per eccellenza d'ordine e di metodo e scrupolosità nelle dimostrazioni, gli elementi di cui offriamo la traduzione non sono stati superati da alcun'altra opera consimile.” • Dal 1894 al 1899 opere sui fondamenti • 1897: I principii della geometria di posizione composti in sistema logico deduttivo - articolo completo, indipendenza dall’intuizione, tutto sotto il controllo della formalizzazione Pieri 1897 “È generalmente riconosciuta l'utilità di un buon algoritmo ideografico, come strumento atto a prevenire e a disciplinare il pensiero; e ad escludere le ambiguità, i sottintesi, le restrizioni mentali, le insinuazioni e altri difetti presso che insuperabili dal comune linguaggio sì parlato che scritto -e tanto nocivi alle indagini speculative.” Pieri diverso da Peano • Peano • Pieri - linguaggio ideografico senza rilievo epistemologico - chiarezza, univocità, capacità analitica - tramite Pasch, dipende dall’esperienza - Geometria = sistema ipotetico deduttivo - postulati ed enti primitivi privi di significato comune - il linguaggio è uno strumento - totale astrazione infatti: • Il punto di vista di Pieri è: “astratto, in quanto prescinde da ogni interpretazione fisica delle premesse, e quindi anche dalla loro evidenza ed intuitività geometrica” • Il punto di vista di Peano: “gli enti primitivi e gli assiomi vogliono esser desunti dall'osservazione diretta del mondo esterno, e identificati con le idee che si acquistano per via di induzione sperimentale da certi determinati oggetti e fatti fisici.” (Pieri 1899). Pieri 1899 • La geomertria di posizione è una disciplina astratta “i cui soggetti sono mere creazioni del nostro spirito, e semplici atti della nostra volontà i postulati (senza escludere che essi abbiano la loro prima radice in qualche fatto esteriore): onde arbitrari gli uni e gli altri, almeno in quanto non gli coordiniamo ad un fine prestabilito, che debba esser guida per il pensiero.” Per Pieri i fondamenti di geometria devono • Essere espressi con un linguaggio semi formale • Avere un numero minimo di relazioni fondamentali (non ulteriormente scomponibili) • Avere un sistema assiomatico minimo • Godere di indipendenza e non-contraddittorietà (relativa) • In 1897: punto, congiungente due punti + 19 postulati “Ogni ragione o fatto pertinente al dominio della geometria proiettiva non potrà essere in ultima analisi che una combinazione logica delle proposizioni primitive... ed un'affermazione più o meno complessa circa gli enti primitivi punto proiettivo e congiungente due punti proiettivi.” In 1897, due anni prima di Hilbert, Pieri afferma che: “Le interpretazioni o specificazioni degli enti primitivi sono al tutto arbitrarie: a patto, s'intende, di tener conto per ogni singolo caso delle proposizioni soltanto, che nascono da premesse verificate in quello. E ogni qual volta si attribuisce a ciascuno degli enti [0] e [1] un significato speciale, onde risultino veri senza eccezione i postulati I-XIX, si ottiene un'interpretazione, o rappresentazione, di tutta quanta la geometria proiettiva ordinaria.” 1896: Un sistema di postulati per la geometria projettiva degli iperspazii • Succinta analisi delle premesse su cui potrebbe • • logicamente fondarsi la G.P.I Passare dal campo delle rette e dei piani projettivi a quello molto più vasto delle forme lineari di n.esima specie in uno spazio generale Circa i postulati, non è detto che siano indipendenti né irreducibili: essi bastano a sostenere l’intero edificio d’una G.P. astratta degli Iperspazi. Pieri • B. Russell e L. Couturat lo considerarono il vero fondatore della matematica come scienza ipotetica-deduttiva • Non riuscì a inserirsi nel dibattito internazionale Conclusioni • Fondamenti nella scuola italiana: • - “ordinario strumento di lavoro” e non come campo di ricerca - rigorizzazione delle teorie già esistenti e non proiettata verso conoscenze più ardite - importante connessione con la didattica - crisi della scuola di Peano e suo isolamento Hilbert: - non ha solo tagliato il cordone tra geometria e realtà empirica (allora la scuola italiana lo avrebbe preceduto di 15 anni), ma ha dato impulso allo studio di nuove geometrie Fondamenti • Importanza dell’assiomatica come strumento • Non si coglie l’importanza dell’edificazione dei fondamenti quale autonomo settore di ricerca La scuola italiana chiude il processo di riassesto della geometria sintetica e proiettiva iniziato con v. Staudt e “soffre” di una certa sudditanza rispetto ad altre scuole. Hilbert apre la strada a nuovi capitoli di matematica e sintetizza egregiamente e semplicemente le teorie della scuola italiana dotandole di una veste nuova. Bibliografia • • • • • • • • • • • • • • • • • • Bottazzini U.,1994, I principi della geometria e la filosofia "scientifica" di Federico Enriques in Federigo Enriques filosofo e scienziato, Cappelli Bologna 1989; also in Bottazzini U., Va' pensiero, Mulino Bologna. 1994. De Paolis R., 1880-81, Sui fondamenti della geometria projettiva, Atti della Regia Accademia dei Lincei, (3), 9, 489-503. Enriques F., 1898, Lezioni di geometria proiettiva, Zanichelli, Bologna (2nd expanded. edition 1903; reprint 1996) Enriques F., 1907, Prinzipien der Geometrie, Encyklopedie der mathematischen Wissenschaften, 3a, b1, 1-129; French Translation, 1911 Fano G., 1892, Sui postulati fondamentali della geometria proiettiva in uno spazio lineare a un numero qualunque di dimensioni, Giornale di matematiche, 30, 106-132. Freguglia P., 1992, Dalle equipollenze ai sistemi lineari, Quattroventi Urbino Freudenthal H., 1957, Zur Geschichte der Grundlagen der Geometrie, Nieuw Archief voor Wiskunde, (4), 5, 105142. Gray J., 1998, The foundations of Geometry and the History of Geometry, Mathematical Intelligencer, 20, 54-59. Hilbert D., 1987, Grundlagen der Geometrie, 13th Edition with Supplements, Teubner, Stuttgart Klein F., 1871, Über die sogenannte Nicht-Euklidische Geometrie (Erster Aufsatz), Mathematische Annalen, 4; also in (Klein 1973, I, 254-305). Klein F., 1874, Nachtrag zu dem “zweiter Aufsatz über die sogenannte Nicht-Euklidische Geometrie”, Mathematische Annalen, 7; also in (Klein 1973, I, 344-350). Pasch M.,1882, Vorlesungen über Neuere Geometrie, Teubner Leipzig Peano G., 1889, I principii della geometria logicamente esposti, Bocca, Turin; also in (Peano 1957-59). Pieri M., 1896, Un sistema di postulati per la geometria projettiva degli iperspazii, Rivista di Matematica 6, 83-90. Pieri M., 1897-98, I principii della geometria di posizione composti in sistema logico deduttivo, Memorie. della Regia Accademia delle Scienze di Torino, (2), 48, 1-62. Segre C., 1884, Studio sulle quadriche in uno spazio lineare a un numero qualunque di dimensioni, Memorie della Regia Accademia delle Scienze di Torino, (2), 36, p. 3-86. Segre C., 1891, Su alcuni indirizzi nelle investigazioni geometriche, Rivista di Matematica, 1, 42-66. Staudt K. C. G., 1847 Geometrie der Lage, Nürnberg; translated in Italian by M. Pieri, Geometria di posizione, 1889, Bocca Turin;