La cultura delle monete [XI.7.1] ovvero La matematica delle leghe Franco Ghione |
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La prima zecca a Pisa, in concorrenza con quella di Lucca già esistente da diverso tempo, fu istituita ufficialmente nel 1155, anno nel quale l'imperatore Federico Barbarossa concesse a Pisa il privilegio di coniare proprie monete (I denari pisani fino alla prima metà del '200). Le monete venivano ottenute da una lega omogenea formata da una certa quantità di argento puro (che andava estratto con un procedimento chimico detto coppellazione dal minerale grezzo) e di minerale vile, generalmente rame. L'omogeneità della lega viene assunta per ipotesi e questo significa che la quantità A(a) di argento, (misurata generalmente in once) contenuta in una quantità a di quella lega (generalmente misurata in libre) è lineare, cioè che A(2a)=2A(a), A(3a) = 3 A(a) ecc il che implica che se a1 e a2 sono due quantità di minerale di una stessa lega
a1 : a2 =A(a1) : A(a2)
e quindi il "rapporto"
ν = A(a1)a1 =
A(a2)a2
non dipende dalle quantità a1 o a2 scelte ma definisce una caratteristica di quella lega che potremmo chiamare la qualità di quella lega: si tratta di una nuova grandezza misurata in once a libbra che indica la maggiore o minore preziosità della lega utilizzata per coniare le monete. La qualità di una lega è dunque il numero di once d'argento puro contenuto in una libbra di quella lega.
ν = A(1)1 =
A(a)a
e una data quantità di a libbre (a numero intero, rotto o misto) di quella lega contiene ν×a once d'argento. Una lega di qualità ν è detta da Fibonacci una lega da ν once sotto intendendo "a libbra". In questa scheda, per essere più vicino al mondo di Fibonacci, conserviamo questo modo, anche se sarebbe più comodo, come si fa modernamente, definire la qualità di una lega attraverso un numero, detto il titolo, che indica la percentuale di argento contenuta in una quantità a (comunque sia misurata) di quella lega. Poiché una libbra (cioè 12 once) di qualità ν, contiene ν once d'argento, la percentuale di argento contenuta in quella libbra è
ν×10012 %. Se, ad esempio il titolo di una lega da 6 once è il 50% e ogni quantità a di quella lega contiene il 50% di argento: se a sono once conterrà
a2 once d'argento, se a è misurata in libbre conterrà
a2 libbre di argento.
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Le varie zecche europee, coniavano, fino a tutta la metà del XIII secolo, solo piccole monete ottenute dividendo una libbra da ν once in 240 monetine chiamate denari piccoli o pisanini, se coniati a Pisa, o genovini se a Genova o, per una generica moneta, semplicemente "denari". Nei conti economici e per tutte le monete, a partire da Carlo Magno, 12 denari davano luogo a 1 soldo e 20 soldi a una lira, chiamata anche libbra (in latino il termine libra indica sia il peso che il valore monetario) essendo una lira equivalente, in peso, a una libbra di una lega contenente ν once di argento, l'ipotesi di omogeneità della lega implica che ogni denaro coniato ha la stessa quantità di argento data da
ν240 once. La qualità delle monete era molto variabile passando da poco più di 4 nel 1164 (33,3% di argento) fino a 1 nel 1202 (8,3 %). "I denari pisani fino alla prima metà del ‘200".
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Monete varie medioevali
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Il capitolo XI del Liber abaci è interamente dedicato alla fusione di monete di qualità diverse e al modo di ottenere monete di una data qualità fondendo tra loro monete di varia tipologia. La matematica sottostante a questi problemi riguarda i sistemi di equazioni lineari in due o più incognite che in questo modo vengono introdotti nella storia della matematica in occidente sul modello delle ricerche che gli arabi avevano iniziate tempo addietro.
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Un primo problema proposto da Fibonacci consiste nel trovare quanta moneta da w once si può ottenere fondendo una data quantità a di monete da v once senza aggiungere argento ma aggiungendo o levando il rame a seconda che la qualità che si vuole ottenere sia migliore o peggiore della precedente.
[XI.2.1] Qualcuno ha 7 libbre di moneta, da 5 once, dalle quali vuole fare moneta da 2 once; e si chiede il totale della moneta in lega e la quantità di rame da aggiungere.
Il metodo risolutivo si svolge naturalmente passo dopo passo calcolando prima la quantità di argento contenuta nelle 7 libbre che, essendo da 5 once, darà luogo a 35 once con le quali, dividendo per 2, si ottengono 1712 once che permettono di fare una lega del peso di 1712 libbre da 2 once aggiungendo il rame che manca. Poiché la seconda lega ha tutto l'argento e tutto il rame della prima lega che pesa 7 libbre, dobbiamo aggiungere il rame che serve per arrivare al peso di 1712 libbre, il rame da aggiungere sarà dato semplicemente da 1012 libbre. Come si vede la soluzione di questo problema usa la linearità della quantità di argento in un dato peso e il significato delle operazioni di moltiplicare, dividere e sottrarre. |
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Le cose diventano più complicate quando dobbiamo lavorare con due o più leghe ognuna di valore diverso. L'uso del calcolo algebrico e la possibilità di indicare con delle lettere dei generici numeri operando con quelle lettere come fossero numeri con le regole dell'Algebra facilita di molto il pensiero che trova nella scrittura un validissimo supporto anche visivo e mnemonico. Anche la "cosa", all'apparire dell'Algebra nel capitolo XII del Liber abaci, non avrà una scrittura formale con una propria lettera ma sarà sempre nel calcolo algebrico parlato (e scritto) la "cosa". In questo confine, che vede da un lato il ragionare concreto su oggetti reali e dall'altro gli albori del calcolo algebrico astratto, risalta con estrema chiarezza quanto si guadagni in generalità e semplicità con l'Algebra astratta, ma anche quanto pensiero puro, non formalizzato, non meccanico si perda; quanta fatica intellettuale sia necessaria per raggiungere determinati risultati che in poco si potrebbero raggiungere servendoci delle x e delle y. Fibonacci è su questo confine e il suo lavoro ci fornisce un esempio concreto delle possibilità e della forza del pensiero pre-algebrico e, nello stesso tempo, ci fornisce degli esempi, che nell'evidenziare le difficoltà cognitive, apre la strada e giustifica il salto successivo, nel mondo dell'Algebra, così importante nella formazione matematica di un allievo. In particolare, nel capitolo XI del Liber abaci troviamo dei sistemi di equazioni lineari in due o più incognite (anche 240 ! [XI.6.17]) che Fibonacci analizza e risolve in modo diretto servendosi di un pensiero concreto e nello stesso tempo immaginifico a nostro avviso di grande interesse. Si tratta di argomenti da tempo trattati con grande profondità dai matematici arabi e, tra questi, come vedremo anche più avanti, spicca il nome di Abu Kamil
[RR]
Roshdi Rashed,
(IX sec. d.C.) il grande matematico egiziano che diede all'algebra di al-Kwarizmi una sistemazione rigorosa e generale, noto probabilmente anche a Fibonacci attraverso una traduzione latina della sua opera
Abu Kamil, Algèbre et Analyse Diophantienne, | |||||||||||||
Il problema dei monetieri consiste essenzialmente nel decidere a priori in quali quantità si debbano fondere tra loro due o più leghe di diversa qualità per realizzare delle monete di qualità determinata. Ciò che si conosce è la qualità delle leghe a disposizione e si cerca la quantità di metallo di ogni singola lega che si deve fondere per ottenere la qualità voluta.
Una lega di rame e argento raffigurata nel trattato di Aritmetica di Calandri
Vi sono dunque dei numeri noti che sono le qualità delle leghe che si vuol fondere e che quindi saranno scritti e indicati col loro valore numerico ma anche delle incognite che non si conoscono a priori che sono le quantità di materiale da fondere per ottenere la lega voluta e che lui indica come calcolare attraverso un algoritmo che opera sui numeri noti.
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Consideriamo il primo esempio proposto da Fibonacci [XI.6.1] che riguarda il caso nel quale si vuole realizzare una lega di valore intermedio tra i due valori delle due leghe assegnate. Nello specifico, abbiamo due leghe, una da 2 once e un'altra da 9, e vogliamo fare una lega da 5 once. Se ad esempio mettiamo 1 libbra di ciascuna lega otteniamo 11 once di argento in 2 libbre quindi una lega da 512 mentre vogliamo ottenere una lega da 5 once. Se indichiamo con x1 la quantità in libbre di lega da 9, allora l'argento che otteniamo da questa fusione sarà di 9x1 once mentre, indicando con x2 la quantità in libbre di lega da 2, da questa fusione otteniamo 2x2 once d'argento e unendo insieme le due quantità otteniamo x1+x2 libbre di minerale che contiene 9x1+2x2 once d'argento. Volendo che questa fusione contenga 5 once d'argento per ogni libbra sarà necessario avere
9x1 + 2x2 = 5(x1 + x2)
Fibonacci, che non è in grado di scrivere questa equazione, ma fornisce un semplice algoritmo che opera sui valori iniziali noti, i soli che può scrivere, cioè sui numeri 2, 9 e 5 e indica una serie di operazioni da fare con questi numeri per ottenere il risultato voluto. Descrive anche un diagramma che riassume, per aiutare la memoria, il da farsi in ogni problema analogo e, infine, giustifica il suo algoritmo con un convincente ragionamento non formalizzato.
Ecco l'algoritmo [XI.6.1]:
Poni così il 2 e il 9 su una stessa linea, e sotto di esse tra l'una e l'altra scrivi il 5, come si vede in margine: poi poni la differenza che c'è fra 2 e 5, cioè 3, sopra il 9; e viceversa metti la differenza che c'è tra il 5 e il 9, cioè 4, sopra il 2; e avrai quanto cercato, cioè che dovrai mettere da parte dalla moneta minore 4 [ libbre ], e dalla maggiore 3. Ecco il diagramma: Il diagramma indica anche in nero il risultato che fornisce l'algoritmo nell'ipotesi aggiuntiva che si vogliano realizzare 12 libbre di lega da 5 once e, più in basso quanto si debba aggiungere della lega da 9 once se si decide di usare 10 libbre di monete da 2. La soluzione del primo problema si ottiene fondendo 3 parti della lega da 9 e 4 parti della lega da 2 e, volendo realizzare 12 libbre, si dovrà dividere 12 in due parti proporzionali a 3 e 4 cosa che è stata trattata precedentemente e che comunque è facile da realizzarsi e fornisce i valori 517 per la lega maggiore 667 per quella minore. Se poi si dispone di 10 libbre della lega minore e si vuol sapere quanto si deve mettere della maggiore per ottenere una lega da 5, basterà trovare un numero che rapportato a 10 sia come 3 rapportato a 4 numero che si ottiene ovviamente moltiplicando 3 per 10 e dividendo per 4. Ecco la giustificazione (dimostrazione?) dell'algoritmo [XI.6.1]: Perché quanto argento avanza nelle tre libbre della moneta maggiore, tanto manca nelle 4 libbre della minore. Per esempio: se avanzano 4 once in ciascuna libbra della moneta maggiore, cioè la differenza che c'è tra 5 e 9; nelle 3 libbre avanza il triplo dell'argento delle 4 once, cioè 12 once; questo 12 proviene dal 3 posto sopra il 9 moltiplicato per il 4 posto sopra il 2. E invece nella libbra della moneta minore mancano 3 once d'argento, cioè la differenza che c'è fra 2 e 5: perciò nelle 4 libbre della moneta minore manca di argento il quadruplo delle tre once, cioè 12 , che anche vengono dal 4, che sta sopra il 2 per il 3 che sta sopra il 9. |
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Spiega Fibonacci: mettendo 3 libbre della moneta da 9 si ottengono 27 once d'argento mentre, volendo fare monete da 5, ne dovrebbero contenere 15 abbiamo quindi 12 once in più di argento. Questo surplus viene compensato mettendo 4 libbre della moneta da 2. Queste 4 libbre contengono 8 once d'argento mentre, volendo fare monete da 5, ne dovrebbero contenere 20: ne mancano quindi 12 che sono compensati dai 12 in più derivanti dalla lega maggiore. Ma, a ben guardare, questo ragionamento ha un valore generale non legato dai numeri in gioco che vogliamo illustrare parola per parola usando dei simboli per i numeri in gioco (peraltro non necessari) per aiutare il lettore. Siano ν1 > ν2 i valori delle due leghe che vogliamo fondere e sia ν (ν1 > ν > ν2) il valore della lega che si vuole realizzare. Ogni libbra da ν1 once contiene ν1-ν once d'argento in più, mentre ogni libbra da ν2 once contiene ν-ν2 once di argento in meno. Quindi se fondiamo ν-ν2 libbre della lega maggiore abbiamo un surplus di argento pari (ν-ν2)×(ν1-ν) ma se a questo aggiungiamo la fusione di ν1-ν libbre della lega minore abbiamo una mancanza di argento di (ν1-ν)×(ν-ν2) compensato esattamente dal surplus prodotto dalla lega maggiore proprio perché
(ν-ν2)×(ν1-ν) =
(ν1-ν)×(ν-ν2)
Così prosegue Fibonacci:
Similmente quella parte, o parti che avrai messo delle 4 libbre della moneta minore, la stessa parte, o parti, metterai delle tre libbre della maggiore. Proporzionalmente infatti come il 4 sta al 3, così ciò che hai messo della moneta minore starà a ciò che sarà da mettere della maggiore. Infatti se prendiamo un multiplo (o una parte) delle ν-ν2 libbre della lega maggiore e lo stesso multiplo (o parte) delle ν1-ν libbre della lega minore avremmo lo stesso multiplo (o parte) dell'argento contenuto in queste leghe ma anche lo stesso multiplo (o parte) della quantità di materiale ottenuto dalla fusione di queste due leghe ragion per cui la sua qualità non cambia. | |||||||||||||
Col linguaggio astratto dell'algebra tutto questo pensiero fatto di argento luccicante, minerali che si fondono e si mischiano tra loro, equilibrio tra il troppo e il troppo poco, si riduce a semplici cieche operazioni
9x1 + 2x2 = 5(x1 + x2)
(9-5)x1 = (5-2)x2 4x1 = 3x2 x1 = 3k e x2 = 4k
perché, per ogni k, 4(3k) = 3(4k).
Vi sono infiniti modi di scegliere le due quantità di monete da 2 e da 9 per realizzare una lega da 5 che è come dire che l'equazione 9x1 + 2x2 = 5(x1 + x2) ha infinite soluzioni che dipendono linearmente da un parametro k. Una ulteriore condizione come x1 + x2 = 12 o x1 =10 individua una soluzione unica. L'immagine, il racconto, il ragionamento sulla fusione di due tipi di monete diventa in Fibonacci il prototipo di un problema molto più generale riducibile a quello e al suo metodo risolutivo. |
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Il problema si allarga immediatamente al caso che le monete da fondere siano più di due diventando man mano che il pensiero prosegue sempre più ricco di soluzioni e di varianti. Fondere tre monete da 3, 4, 6 once per ottenere una moneta da 5, oppure 4 monete di vario valore [XI.6.10] o anche 7 monete [XI.6.13]. In questi casi vi sono infinite soluzioni dato che le incognite sono più del numero di condizioni e Fibonacci descrive diversi metodi per trovare queste soluzioni. In un primo tempo suggerisce di fare due monete: una fondendo quelle che hanno valore più piccolo del valore ν che si vuole ottenere e l'altra fondendo quelle che hanno un valore maggiore. Fatto questo, si fondono queste due leghe con l'algoritmo precedente ottenendo una moneta di valore ν: una fusione di fusioni! Ma suggerisce anche un secondo metodo completamente diverso, che letto in termini moderni è molto significativo. Si fondono coppie di monete in una sola moneta del valore cercato ν. In questo modo di ottengono tante monete in diverse quantità ma tutte di valore ν, sommando queste monete, cioè fondendole tutte insieme in opportune proporzioni si possono ottenere diverse soluzioni al problema iniziale, dal momento che, se si fondono in proporzioni arbitrarie monete dello stesso valore ν si ottengono sempre monete di valore ν. In termini moderni questa strategia è estremamente interessante perché prefigura una idea importante che si utilizza oggi per risolvere sistemi di equazioni lineari omogenei: si cercano soluzioni particolari e poi si combinano linearmente le soluzioni trovate. Più precisamente, abbiamo n monete da ν1, ν2, ... , νn once e vogliamo con esse fare una lega che contenga x1 libbre di monete da ν1 once, x2 libbre di monete da ν2, ... , xn libbre di monete da νn once, in modo che la lega ottenuta sia da ν once. Questo problema conduce all'equazione:
ν1x1 +
ν2x2 + ...+
νnxn = ν(x1 +
x2 + ... + xn)
si tratta di un sistema lineare omogeneo di 1 equazione in n incognite. Fibonacci, se n > 2, calcola n-2 soluzioni particolari fondendo coppie di monete una col valore maggiore di ν e l'altra col valore minore. Combinando linearmente queste soluzioni può trovare soluzioni generali del sistema. Nel caso [XI.6.10] vi sono monete da 2, da 3, da 6 e da 7 once a libbra e si vuole vedere come è possibile ottenere 19 libbre di monete da 4 fondendo insieme quantità opportune e da determinare, di queste quattro tipologie di monete. In questo caso l'equazione è
2x1 +
3x2 +
6x3 +
7x4 =
4(x1 + x2 + x3 + x4)
e Fibonacci calcola 3 soluzioni particolari : P=(3,0,0,2), S= (0,2,1,0), T= (1,0,1,0) fondendo coppie di monete per ottenere monete dello stesso valore 4. Nel primo caso P ottiene 5 libbre (3 da 2 once e 2 da 7) da 4 once, nel secondo 3 libbre (2 da 3 e una da 6) da 4 once e nel terzo 2 libbre da 4 (una libbra da 2 e una libbra da 6). Per ottenere complessivamente 19 libbre da 4 once, cioè per verificare l'ulteriore condizione
x1 + x2 + x3 + x4 = 19
prende la soluzione 2P + S + 3T.
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La cosa didatticamente interessante è che questo tipo di problemi ha infinite soluzioni e non una unica soluzione, soluzioni che possono essere ottenute seguendo diverse strade. Il pensiero è libero di trovare strategie diverse tutte possibili e vincenti lasciando spazio all'insegnante per sviluppare negli studenti lo spirito critico basato sul confronto delle scelte liberamente, ma non casualmente, fatte. Alla fine, nasce un gioco surreale, una sfida apparentemente impossibile, non più per monetieri ma per matematici dove mettere alla prova la propria abilità:
[XI.6.17] Qualcuno ebbe 240 [ tipologie di ] monete, delle quali la prima era da 120 di un'oncia d'argento per libbra; la seconda da 220, cioè da 110; la terza da 320; la quarta da 420, cioè da 15, e così via per le rimanenti in ordine c'era sempre 120 d'oncia in più fino all'ultima moneta che era da 24020, cioè di 12 once d'argento, cioè tutta la moneta era d'argento; dalle quali volle fare una moneta da 122 once: si chiede quanto metterà di ciascuna moneta. |
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Alla fine le monete, le leghe, la fusione dei metalli, svaniscono dall'orizzonte, ma resta un modello, il prototipo di un metodo, di una "cultura" quella delle monete, con la quale è possibile risolvere varie questioni che con le monete non hanno più nulla a che fare.
[XI.7.1] Un uomo taglia due pezzi d'oro il cui peso totale era di una libbra; di questi ne vende uno a 67 bisanti per libbra; e l'altro invece a 50 bisanti per libbra, ebbe 56 bisanti per entrambi i pezzi; si chiede quanto fu il peso di ciascun pezzo. Riportiamo la norma di questo problema alla cultura delle monete. Come se si dicesse: ho moneta da 67 once, e da 50; e voglio ricavare da esse moneta da 56; |
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Osserviamo intanto che ogni sistema di due equazioni lineari in due incognite che abbia la forma
ax1 + bx2 = BA (x1 + x2) Supponiamo di avere delle monete da a once e delle monete da b once e supponiamo di voler fondere opportune quantità di quelle monete per ottenere una lega da BA once. L'algoritmo di Fibonacci fornisce, a calcoli fatti, la soluzione x1 = B - bAa - b , x2 = B - aAb - a naturalmente il parallelo con le monete diventa effettivo se i numeri in gioco sono tutti positivi e i valori sono minori di 12. L'immagine, il racconto, il ragionamento sulla fusione di due tipi di monete diventa in Fibonacci il prototipo di un problema molto più generale riducibile a quello e al suo metodo risolutivo. Nel problema [XI.7.1] citato sopra abbiamo ovviamente
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I problemi successivi nel Liber abaci si riducono tutti alla "cultura delle monete" e trattano di mele e pere, vari tipi di selvaggina, del calcolo di un giusto salario, di un uomo che compra a Costantinopoli 90 moggi di biade varie o di come fare una campana con 5 metalli diversi che hanno prezzi diversi, ma, il problema finale di un uomo che compra 30 uccelli di tre tipi per 30 denari, apre, anche in occidente, un nuovo campo di ricerca estremamente interessante: la così detta analisi indeterminata. Si tratta del famoso problema "dei cento uccelli" formulato in Cina (Zhang Qiujian) nel V secolo (e forse anche prima) giunto in India (Bakhshali) nel VII, tra i matematici arabi nel IX e, infine, in Europa nel Liber abaci di Fibonacci nel XII secolo.
Una pagina del Zhang Qiujian suanjing La formulazione cinese riportata nel libro di Zhang Qiujian è la seguente:
Se un gallo è in vendita per cinque monete, una gallina per tre monete e tre pulcini insieme per una moneta, quanti galli, galline e pulcini posso comprare con cento monete se voglio in tutto cento animali?
Il problema ha tre soluzioni in numeri interi positivi che il matematico cinese riporta integralmente: indicando come primo numero quello dei galli, come secondo quello delle galline e come terzo quello dei pulcini, le tre soluzioni sono (4,18,78), (8,11,81), (12,4,84). |
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In generale il problema ha questa forma: vi sono diverse qualità di uccelli ognuna delle quali ha un certo prezzo e si vuole sapere quanti uccelli di ciascun tipo sono stati acquistati sapendo che in tutto si è speso per 100 uccelli 100 denari. Il problema consiste dunque, dati i numeri razionali (positivi) a1, a2, ... , an e il numero positivo A, trovare, se esistono, n numeri interi incogniti x1, x2, ... , xn che verificano le condizioni:
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E' chiaro che, essendo il problema relativo all'acquisto di uccelli, e non potendo acquistare una frazione di uccello, le soluzioni che si cercano devono essere espresse in numeri interi e positivi. Si tratta dunque di un problema indeterminato che rientrerà nella grande classe di problemi diofantei all'origine di una nuova branchia della matematica: la teoria dei numeri. E' anche chiaro che il problema, se non è impossibile, ha un numero finito di soluzioni essendo finito il numero di modi di scrivere un numero A come somma di n numeri interi positivi (numero certamente minore di An ).
Abu Kamil, il matematico arabo successore di Al-Khwarizmi, dopo aver studiato e risolto alcuni casi trovando tutte le soluzioni possibili, decide di scrivere un piccolo trattato Sui volatili, oggi noto col titolo I problemi rari di aritmetica [RR]
Roshdi Rashed,
. In quel trattato propone 6 problemi, uno impossibile e gli altri con diversi numeri di soluzioni ed, infine, nel caso seguente
Abu Kamil, Algèbre et Analyse Diophantienne,
Ho visto vari problemi di aritmetica in circolazione tra gli uomini di scienza e gli uomini comuni, tra i sapienti e gli ignoranti, considerati apprezzabili e ingegnosi con i quali si divertivano, sui quali gli uni interrogavano gli altri. Coloro che davano delle risposte lo facevano attraverso delle congetture e intuitivamente senza trovare in queste un principio o delle inferenze. Molti uomini di scienza e uomini comuni mi hanno interrogato in merito a questi problemi di aritmetica e io rispondevo con un solo problema con una sola soluzione e nessuna altra; ma era possibile che in altri problemi ci fossero 2 o 3 o 4 o anche più soluzioni o poteva anche accadere che il problema fosse impossibile. A un certo punto sono arrivato a un problema di questo tipo che aveva molte soluzioni; ho esaminato in modo esaustivo tutto ciò che porta delle soluzioni e ho ottenuto 2676 risposte corrette. Grande fu la mia sorpresa, e ho verificato che quando raccontavo questo lo si è trovato eccessivo, scioccante, e mi si accusava senza conoscermi. Ho dunque deciso di scrivere un libro su questo soggetto, nel quale espongo facilmente il procedimento e lo rendo accessibile.
In generale il procedimento di Abu Kamil consiste nel ricavare una incognita da una equazione sostituirla nell'altra e ridurre il problema a una sola equazione lineare che viene risolta con numeri interi usando criteri di divisibilità. |
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Il problema dei 100 uccelli è trattato da Fibonacci alla fine del capitolo XI del Liber abaci con degli esempi sia nel caso di 3 tipologie di uccelli che di 4. La cosa interessante è che il metodo utilizzato da Fibonacci è diverso da quello che troviamo in Abu Kamil ed è straordinariamente vicino ai moderni metodi di algebra lineare usati oggi per risolvere sistemi di equazioni di primo grado. Per questo è interessante vedere più da vicino il metodo utilizzato da Fibonacci. Come prima cosa il problema viene inquadrato nella “cultura delle monete”: il sistema iniziale viene riletto come
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Vediamo ora, passo passo, come procede Fibonacci nel caso di tre tipologie di uccelli
[XI.7.13] Qualcuno comprò 30 uccelli per 30 denari. Tra questi ci furono pernici, colombe, e passeri: le pernici le comprò per 3 denari; la colombe per 2 denari, e 2 passeri per 1 denaro, cioè 1 passero per
12 denaro. Si chiede quanti uccelli comprò di ciascun tipo.
Usando le nostre notazioni dobbiamo risolvere con numeri interi positivi simultaneamente le due equazioni
x1 + x2 + x3 = 30
3x1 + 2x2 +
12x3 = 30
Ancora Fibonacci:
Dì allora: ho moneta da 12, e da 2, e da 3; e voglio fare moneta da 1
cioè:
3x1 + 2x2 +
12x3 = (x1 + x2 + x3)
e moltiplicando per 2 abbiamo
6x1 + 4x2 +
x3 = 2(x1 + x2 + x3)
Fibonacci continua:
ho moneta da 1, e da 4, e da 6; e voglio fare moneta da 2.
Fa la prima unione di passeri e pernici; e saranno 5 uccelli per 5 denari, cioè 4 passeri e 1 pernice, e fai una seconda unione di passeri e colombe, e avrai 3 uccelli per 3 denari, cioè 2 passeri e 1 colomba: col metodo della fusione di due monete trova una prima soluzione particolare P=(1,0,4) cioè una penice e 4 passeri e una seconda soluzione particolare S=(0,1,2) cioè una colomba e 2 passeri. Col nostro linguaggio P ed S formano una base per lo spazio delle soluzioni. Ora Fibonacci fa una “fusione di fusioni” per trovare una soluzione con 30 uccelli e verifica che 3P+5S, cioè 3 pernici, 5 colombe e 22 passeri, risolve il problema. Col nostro linguaggio, Fibonacci trova una combinazione lineare delle due soluzioni particolari che verifica la prima condizione.
poi, per avere 30 uccelli mischiati tra loro, metti la prima unione tre volte, nella quale ci saranno 12 passeri, e 3 pernici; e rimarranno 15 uccelli da unire; per i quali metterai la seconda unione 5 volte, e avrai 10 passeri e 5 colombe; e così nei predetti uccelli ci saranno 22 passeri, e 5 colombe, e 3 pernici, come si mostra nel riquadro.
Poi, senza giustificare le sue affermazioni forse perché all'epoca facili da verificare, specifica:
E sappi che degli uccelli scritti sopra ne potrai avere un numero intero per quanti ne vorrai per altrettanti denari oltre i 15, ma sotto i 15 non si possono avere uccelli, se non in numero di 13 e 11 e 8. E allora in 13 uccelli va a finire la prima lega due volte, e la seconda 1 volta; e negli 11 uccelli va a finire la seconda lega due volte, e la prima una volta sola, e in 8 uccelli va finire una volta ogni fusione.
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In effetti, una soluzione dell'equazione omogenea è ottenuta combinando le due soluzioni trovate aP + bS = (a,b,4a+2b) e il totale degli uccelli è 5a + 3b con a e b interi positivi perché cerchiamo soluzioni intere. Inoltre, se A è il numero di uccelli, l'equazione
5a + 3b = A
può essere sempre risolta in più di un modo se A>15. Infatti, dividendo A per 5, abbiamo
A = 5q + r
In Appendice abbiamo discusso questo problema usando un calcolatore che ci permette di trovare tutte le soluzioni e verificare le affermazioni di Fibonacci. |
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L'esempio cinese è molto simile a questo perché l'equazione omogenea che risulta
15x1 + 9x2 +
x3 = 3(x1 + x2 + x3)
ha le due soluzioni particolari P=(1,0,6) e S=(0,1,3) e ogni soluzione intera si scrive sempre come aP + bS con a e b interi positivi.
L'esempio successivo in Fibonacci [XI.7.14] mostra un caso simile di tre tipi di uccelli dove si chiede che la somma di tutti gli uccelli sia 12. In questo caso Fibonacci trova due soluzioni particolari dell'equazione omogenea date da P =(3,0,4) e S=(1,2,0) e la soluzione generale è
(x1 , x2 , x3 ) = aP + bS = (3a+b,2b, 4a)
e, per avere soluzioni intere è non è più necessario avere a e b interi infatti affinché 2b sia intero si può avere anche b=p2, infatti la soluzione è
32P+12S. Anche se l'analisi è un po' più complicata dovendosi considerare per a e b anche delle frazioni, tuttavia il metodo è facilmente praticabile anche in questo caso (vedi Appendice).
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Ma l'esempio più interessante, molto simile allo spettacolare esempio di Abu Kamil, è l'ultimo [XI.7.15]. Si tratta di 4 tipologie di uccelli e di 4 coefficienti diversi da 1.
Ugualmente una pernice valga 3 denari, una colomba 2, una tortora
12 denaro, un passero di
14 denaro; e voglio di essi 30 uccelli per 30 denari.
... fa una prima unione di pernici, e passeri; e avrai 11 uccelli, cioè 3 pernici, e 8 passeri: e in una seconda unione ci saranno 2 tortore, e 1 colomba, cioè 3 uccelli. Ma con queste due unioni non si possono mettere insieme 30 uccelli; visto che sottratta da 30 la prima unione usata una volta e due, non resta un numero divisibile per 3, cioè per il totale della seconda unione.
In altri termini, Fibonacci trova due soluzioni indipendenti: la prima soluzione P=(3,0,0,8) è ottenuta “mettendo in lega” pernici e passeri e la seconda S= (0,1,2,0) tortore e colombe, ma le combinazioni aP + bS non possono produrre 30 uccelli dato che 11a + 3b = 30 non ha soluzioni intere se a e b sono interi positivi e questo non significa che il problema è impossibile perché, come diremo oggi, P e S sono linearmente indipendenti ma non generano lo spazio delle soluzioni. Fibonacci trova altre due soluzioni indipendenti da quelle T=(0,3,0,4) e Q=(1,0,4,0):
Perciò bisogna cambiare le unioni: si faccia così una terza unione di colombe, e passeri e avrai 7 uccelli, cioè 3 colombe e 4 passeri: restano per la quarta fusione 5 uccelli, cioè 4 tortore e 1 pernice: quindi in tutti i problemi simili devi mettere la prima unione, la seconda, o la terza, e la quarta una sola volta;
può a questo punto calcolare diverse possibili soluzioni combinando linearmente P, S e T o anche P, T e Q. In effetti trova le soluzioni 2P+S+Q=(7,1,6,16) e P+2T+Q=(4,6,4,16). Nella Appendice discutiamo questo problema con l'aiuto di un calcolatore che ci permette di trovare tutte le 19 soluzioni del problema proposto da Fibonacci. Se, invece di 30 uccelli chiediamo di comprarne 100 con i medesimi prezzi le soluzioni sono 238! Non possiamo certo affermare che Fibonacci avesse compreso il fatto che ogni possibile soluzione di una equazione lineare e omogenea in 4 incognite si possa sempre esprimere come combinazione lineare, a coefficienti razionali, di 3 soluzioni linearmente indipendenti e che P, S e Q formano una base per lo spazio delle soluzioni, tuttavia sull'esempio della fusione di monete, si comporta nei suoi calcoli come ci comporteremo noi oggi con le nostre conoscenze sugli spazi vettoriali e sulle loro basi. E’ interessante pensare che questa frase con cui conclude il capitolo [XI.7.15]
E nota, che quando di una qualche specie di uccello sia posto 1 uccello per 1 denaro, allora il problema è facilissimo (levissima est questio) ; poiché tralasci quella specie; e farai le unioni dei rimanenti, che metterai completando il totale richiesto con la specie tralasciata.
si riferisca, con una certa ironia, ai problemi trattati da Abu Kamil che sono quasi tutti di questo tipo, nella consapevolezza, forse, di avere un metodo più efficace di quello del grande matematico arabo.
In Appendice trattiamo i problemi che presenta Fibonacci risolti in generale con l’uso di un calcolatore e con lo stesso programma troviamo le soluzioni ai 6 casi proposti da Abu Kamil. |
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