Giochi proiettivi — 3. Qualche calcolo

“Ora facciamo un po' di conti”.

“Con gli spazi proiettivi?”.

“Sì, proviamo a contare i punti, le rette, e proviamo a capire se c'è qualche relazione interessante”.

“Bene”.

“Supponiamo quindi di avere un piano proiettivo che contiene almeno una retta”.

“Giusto, non vogliamo strutture degeneri”.

“Esatto. E supponiamo che esista una retta che contiene n + 1 punti”.

“Perché n + 1 e non semplicemente n?”.

“Perché è più comodo”.

“Allora non discuto”.

“Con n almeno 2, per evitare i casi degeneri”.

“Bene. Quindi questa retta ha almeno tre punti”.

“Esatto, come nel primo esempio che abbiamo visto”.

“Quello a triangolo: ricordo”.

“Ricordi anche che abbiamo inserito un postulato che evita i casi degeneri?”.

“Sì, quello che dice che esistono almeno 4 punti distinti, a 3 a 3 non allineati”.

“Che si può esprimere anche in forma duale: esistono almeno 4 rette distinte, che a 3 a 3 non passano per lo stesso punto”.

“Giusto”.

“Quindi, oltre alla nostra retta che contiene n + 1 punti, ci sono altre rette e altri punti fuori da essa”.

“Ancora giusto”.

“Consideriamo un qualsiasi punto al di fuori della nostra retta, e chiamiamolo P”.

“Ok”.

“Ora possiamo considerare tutte le rette che passano per uno dei punti della nostra retta e per P”.

“Sono n + 1, dato che abbiamo n + 1 punti, giusto?”.

“Dimmi tu: sono davvero tutte diverse, oppure qualcuna di queste è sempre la stessa?”.

“Uh. Mi sembra che non sia possibile che due di queste rette siano la stessa retta”.

“Prova a spiegare”.

“Provo: indico con r la retta data, quella che non contiene P, e chiamo A e B due suoi punti. Poi considero le due rette PA e PB”.

“Quindi la domanda diventa: è possibile che PA e PB siano la stessa retta? I postulati ce lo consentono?”.

“Il primo dice che per due punti distinti passa una sola retta”.

“Giusto”.

“Quindi se PA e PB fossero la stessa retta, essa dovrebbe contenere i tre punti P, A e B. Ah, ho capito! La retta che passa per A e per B è proprio r, quindi anche questa retta dovrebbe essere r”.

“E perché non è possibile?”.

“Perché dovrebbe contenere quindi anche P, ma abbiamo detto all'inizio che P è un punto esterno”.

“Ottimo. Quindi, riassumendo: abbiamo la retta r che contiene n + 1 punti, abbiamo un punto P esterno, e abbiamo n + 1 rette che passano per P e intersecano r in n + 1 punti diversi”.

“Ci sono”.

“Ora facciamo un disegno che ci faccia vedere le cose:”.

“Oh, benissimo”.

“Ora, l'ultimo postulato dice che esistono quattro rette distinte che a tre a tre non passano per uno stesso punto”.

“In questo disegno di rette ce ne sono anche di più di quattro”.

“Però non rispettano il postulato”.

“Ma come?”.

“Se ne prendi quattro che passano per P, evidentemente passano tutte per lo stesso punto e quindi il postulato è falso”.

“E fin qua ci siamo”.

“Se ne prendi solo tre che passano per P, e come quarta retta prendi quella viola, le tre che passano per P non rispettano il postulato”.

“Ah, già. E allora? C'è qualcosa di sbagliato?”.

“No, semplicemente il disegno non è completo: deve esistere un'altra retta, che non passa per P”.

“Ah-ha!”.

“E dovrà passare per uno dei punti della retta viola”.

“Perché non esistono rette parallele: due rette si intersecano sempre in un punto: ho capito. Facciamo il disegno, però”.

“Sì, immagino che questa nuova retta passi per A:”.

“Vedo. Ma cosa sono quei punti arancioni?”.

“Beh, se la nuova retta disegnata passa per A, non può passare per gli altri punti della prima retta”.

“Giusto, altrimenti sarebbe coincidente con essa”.

“E, però, deve intersecare le altre rette”.

“Perché non esistono parallele, giusto?”.

“Sì. Quindi devono esistere altri punti di intersezione, quelli che ho segnato in arancione”.

“Ok, ci sono”.

“Allora quanti punti avrà la nuova retta?”.

“Dunque, contiene A, e contiene i punti arancioni… i punti arancioni sono uno in meno rispetto alle rette che avevamo, cioè n… ah, certo! La nuova retta contiene n + 1 punti”.

“Allora abbiamo dimostrato un teorema importante: se in un piano proiettivo c'è una retta che contiene n + 1 punti, allora tutte le rette contengono n + 1 punti”.

“Ah, ecco”.

“E, grazie alla magia del principio di dualità, possiamo immediatamente dire, senza fare altre figure o considerazioni, che per tutti i punti passano n + 1 rette”.

“Bello”.

“Ora contiamo tutti i punti del piano”.

“Oh. Proviamo”.

“Fissiamone uno, e chiamiamolo P”.

“Fin qua è facile, uno l'abbiamo contato”.

“Ora, per esso e per ognuno di tutti gli altri punti passa una e una sola retta: ce lo assicurano i postulati”.

“Giusto”.

“Ci sono n + 1 rette che passano per P, e ognuna di esse contiene n punti diversi da P”.

“Vero. Quindi in tutto ci sono n(n + 1) punti?”.

“No: hai dimenticato di contare P”.

“Giusto: allora possiamo dire che ci sono n(n + 1) + 1 punti”.

“O, anche, n² + n + 1 punti”.

“Ok, è la stessa cosa. Ehi, possiamo usare la dualità anche qui, vero?”.

“Certo”.

“Allora ci sono anche n² + n + 1 rette!”.

“Certo”.

“Quindi ci siamo riusciti: un piano proiettivo di ordine n contiene n² + n + 1 punti e n² + n + 1 rette”.

“Se esiste”.

“Come se esiste?”.

“Eh”.