Configurazioni di esempio di pentagramma mirificum Relazioni tra angoli e lati di cinque triangoli rettangoli adiacenti al pentagono interno. I loro cerchi di Napier contengono spostamenti circolari di parti
(
a
,
{\displaystyle (a,}
π
/
2
−
B
,
{\displaystyle \pi /2-B,}
π
/
2
−
c
,
{\displaystyle \pi /2-c,}
π
/
2
−
A
,
{\displaystyle \pi /2-A,}
b
)
{\displaystyle b)}
Pentagramma miracoloso (dal latino Pentagramma mirificum ) è un poligono stellato su una sfera , composto da cinque grandi archi di cerchio , i cui angoli interni sono tutti angoli retti . Questa forma è stata descritta da Nepero nel 1614 nel libro Mirifici Logarithmorum Canonis Descriptio (Descrizione della tabella Ammirabile di logaritmi) insieme alle regole che collegano i valori delle funzioni trigonometriche di cinque parti di un triangolo sferico rettangolo (due angoli e tre lati). Le proprietà del pentagramma miracoloso furono studiate, tra gli altri, da Carl Friedrich Gauss .[1]
Su una sfera, sia gli angoli che i lati di un triangolo (archi di grandi cerchi) sono misurati come angoli.
Ci sono cinque angoli retti, ciascuno di misura
π
/
2
,
{\displaystyle \pi /2,}
A
{\displaystyle A}
B
{\displaystyle B}
C
{\displaystyle C}
D
{\displaystyle D}
E
.
{\displaystyle E.}
Ci sono dieci archi, ciascuno di misura
π
/
2
:
{\displaystyle \pi /2:}
P
C
{\displaystyle PC}
P
E
{\displaystyle PE}
Q
D
{\displaystyle QD}
Q
A
{\displaystyle QA}
R
E
{\displaystyle RE}
R
B
{\displaystyle RB}
S
A
{\displaystyle SA}
S
C
{\displaystyle SC}
T
B
{\displaystyle TB}
T
D
.
{\displaystyle TD.}
Nel pentagono sferico
P
Q
R
S
T
{\displaystyle PQRST}
P
{\displaystyle P}
R
S
{\displaystyle RS}
Q
{\displaystyle Q}
S
T
{\displaystyle ST}
Ad ogni vertice del pentagono
P
Q
R
S
T
{\displaystyle PQRST}
angolo esterno è uguale in misura al lato opposto. Per esempio,
∠
A
P
T
=
∠
B
P
Q
=
R
S
,
∠
B
Q
P
=
∠
C
Q
R
=
S
T
,
{\displaystyle \angle APT=\angle BPQ=RS,\;\angle BQP=\angle CQR=ST,}
I triangoli sferici di Nepero
A
P
T
{\displaystyle APT}
B
Q
P
{\displaystyle BQP}
C
R
Q
{\displaystyle CRQ}
D
S
R
{\displaystyle DSR}
E
T
S
{\displaystyle ETS}
rotazioni l'una dell'altra.
Gauss ha introdotto la notazione
(
α
,
β
,
γ
,
δ
,
ε
)
=
(
tan
2
T
P
,
tan
2
P
Q
,
tan
2
Q
R
,
tan
2
R
S
,
tan
2
S
T
)
.
{\displaystyle (\alpha ,\beta ,\gamma ,\delta ,\varepsilon )=(\tan ^{2}TP,\tan ^{2}PQ,\tan ^{2}QR,\tan ^{2}RS,\tan ^{2}ST).}
Le seguenti identità valgono, consentendo la determinazione di tre qualsiasi delle quantità di cui sopra dalle due rimanenti:[2]
1
+
α
=
γ
δ
1
+
β
=
δ
ε
1
+
γ
=
α
ε
1
+
δ
=
α
β
1
+
ε
=
β
γ
.
{\displaystyle {\begin{aligned}1+\alpha &=\gamma \delta &1+\beta &=\delta \varepsilon &1+\gamma &=\alpha \varepsilon \\1+\delta &=\alpha \beta &1+\varepsilon &=\beta \gamma .\end{aligned}}}
Gauss ha dimostrato la seguente "bella uguaglianza" (schöne Gleichung ):[2]
α
β
γ
δ
ε
=
3
+
α
+
β
+
γ
+
δ
+
ε
=
(
1
+
α
)
(
1
+
β
)
(
1
+
γ
)
(
1
+
δ
)
(
1
+
ε
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}\alpha \beta \gamma \delta \varepsilon &=\;3+\alpha +\beta +\gamma +\delta +\varepsilon \\&=\;{\sqrt {(1+\alpha )(1+\beta )(1+\gamma )(1+\delta )(1+\varepsilon )}}.\end{aligned}}}
L'equazione è soddisfatta, ad esempio, dai numeri
(
α
,
β
,
γ
,
δ
,
ε
)
=
(
9
,
2
/
3
,
2
,
5
,
1
/
3
)
{\displaystyle (\alpha ,\beta ,\gamma ,\delta ,\varepsilon )=(9,2/3,2,5,1/3)}
α
β
γ
δ
ε
{\displaystyle \alpha \beta \gamma \delta \varepsilon }
20
{\displaystyle 20}
Dimostrazione della prima parte dell'uguaglianza:
α
β
γ
δ
ε
=
α
β
γ
(
1
+
α
γ
)
(
1
+
γ
α
)
=
β
(
1
+
α
)
(
1
+
γ
)
=
β
+
α
β
+
β
γ
+
α
β
γ
=
β
+
(
1
+
δ
)
+
(
1
+
ε
)
+
α
(
1
+
ε
)
=
2
+
α
+
β
+
δ
+
ε
+
1
+
γ
=
3
+
α
+
β
+
γ
+
δ
+
ε
{\displaystyle {\begin{aligned}\alpha \beta \gamma \delta \varepsilon &=\alpha \beta \gamma \left({\frac {1+\alpha }{\gamma }}\right)\left({\frac {1+\gamma }{\alpha }}\right)=\beta (1+\alpha )(1+\gamma )\\&=\beta +\alpha \beta +\beta \gamma +\alpha \beta \gamma =\beta +(1+\delta )+(1+\varepsilon )+\alpha (1+\varepsilon )\\&=2+\alpha +\beta +\delta +\varepsilon +1+\gamma \\&=3+\alpha +\beta +\gamma +\delta +\varepsilon \end{aligned}}}
Prova della seconda parte dell'uguaglianza:
α
β
γ
δ
ε
=
α
2
β
2
γ
2
δ
2
ε
2
=
γ
δ
⋅
δ
ε
⋅
ε
α
⋅
α
β
⋅
β
γ
=
(
1
+
α
)
(
1
+
β
)
(
1
+
γ
)
(
1
+
δ
)
(
1
+
ε
)
{\displaystyle {\begin{aligned}\alpha \beta \gamma \delta \varepsilon &={\sqrt {\alpha ^{2}\beta ^{2}\gamma ^{2}\delta ^{2}\varepsilon ^{2}}}\\&={\sqrt {\gamma \delta \cdot \delta \varepsilon \cdot \varepsilon \alpha \cdot \alpha \beta \cdot \beta \gamma }}\\&={\sqrt {(1+\alpha )(1+\beta )(1+\gamma )(1+\delta )(1+\varepsilon )}}\end{aligned}}}
Gauss ha ottenuto anche la formula[2]
(
1
+
i
α
)
(
1
+
i
β
)
(
1
+
i
γ
)
(
1
+
i
δ
)
(
1
+
i
ε
)
=
α
β
γ
δ
ε
e
i
A
P
Q
R
S
T
,
{\displaystyle (1+i{\sqrt {^{^{\!}}\alpha }})(1+i{\sqrt {\beta }})(1+i{\sqrt {^{^{\!}}\gamma }})(1+i{\sqrt {\delta }})(1+i{\sqrt {^{^{\!}}\varepsilon }})=\alpha \beta \gamma \delta \varepsilon e^{iA_{PQRST}},}
dove
A
P
Q
R
S
T
=
2
π
−
(
|
P
Q
⌢
|
+
|
Q
R
⌢
|
+
|
R
S
⌢
|
+
|
S
T
⌢
|
+
|
T
P
⌢
|
)
{\displaystyle A_{PQRST}=2\pi -(|{\overset {\frown }{PQ}}|+|{\overset {\frown }{QR}}|+|{\overset {\frown }{RS}}|+|{\overset {\frown }{ST}}|+|{\overset {\frown }{TP}}|)}
P
Q
R
S
T
{\displaystyle PQRST}
L'immagine del pentagono sferico
P
Q
R
S
T
{\displaystyle PQRST}
proiezione gnomonica (una proiezione dal centro della sfera) su qualsiasi piano tangente alla sfera forma un pentagono rettilineo. I suoi cinque vertici
P
′
Q
′
R
′
S
′
T
′
{\displaystyle P'Q'R'S'T'}
determinano in modo univoco una sezione conica ; in questo caso - un'ellisse . Gauss ha mostrato che le altezze del pentagramma
P
′
Q
′
R
′
S
′
T
′
{\displaystyle P'Q'R'S'T'}
O
′
{\displaystyle O'}
Arthur Cayley ha osservato che, se impostiamo l'origine di un sistema di coordinate cartesiane nel punto
O
′
{\displaystyle O'}
P
′
Q
′
R
′
S
′
T
′
{\displaystyle P'Q'R'S'T'}
(
x
1
,
y
1
)
,
…
,
{\displaystyle (x_{1},y_{1}),\ldots ,}
(
x
5
,
y
5
)
{\displaystyle (x_{5},y_{5})}
x
1
x
4
+
y
1
y
4
=
{\displaystyle x_{1}x_{4}+y_{1}y_{4}=}
x
2
x
5
+
y
2
y
5
=
{\displaystyle x_{2}x_{5}+y_{2}y_{5}=}
x
3
x
1
+
y
3
y
1
=
{\displaystyle x_{3}x_{1}+y_{3}y_{1}=}
x
4
x
2
+
y
4
y
2
=
{\displaystyle x_{4}x_{2}+y_{4}y_{2}=}
x
5
x
3
+
y
5
y
3
=
−
ρ
2
{\displaystyle x_{5}x_{3}+y_{5}y_{3}=-\rho ^{2}}
ρ
{\displaystyle \rho }
[3]
^ Carl Friedrich Gauss , Pentagramma mirificum Werke, Band III: Analysis , Göttingen, Königliche Gesellschaft der Wissenschaften, 1866, pp. 481–490. ^ a b c H. S. M. Coxeter , Frieze patterns PDF Acta Arithmetica , vol. 18, 1971, pp. 297–310, DOI :10.4064/aa-18-1-297-310 . ^ Arthur Cayley , On Gauss's pentagramma mirificum The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science , vol. 42, n. 280, 1871, pp. 311–312, DOI :10.1080/14786447108640572 . 
Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Pentagramma miracoloso
