Viviani's Theorem: In an equilateral triangle, the sum of the distances of an interior point to the three sides equals the altitude of the triangle.
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Viviani's Theorem: In an equilateral triangle, the sum of the distances of an interior point to the three sides equals the altitude of the triangle.
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The following proof can be found in the MO thread [1].
Assume that the harmonic series $\sum_{n=1}^{+ \infty}\frac{1}{n}$ converges. Then the sequence of functions $\{f_n\}$ defined by $f_n = \frac{1}{n} \chi_{[0, \, n]}$ is dominated by the function $$g = \chi_{[0, \, 1]} + \frac{1}{2} \chi_{[1, \, 2]}+\frac{1}{3} \chi_{[2, \, 3]}+ \frac{1}{4} \chi_{[3, \, 4]}+\ldots,$$ which is by assumption absolutely integrable over $\mathbb{R}$.
By applying Lebesgue's Dominate Convergence Theorem [2] we get: $$1 = \lim_n \int_{\mathbb{R}} f_n(x) dx = \int_{\mathbb{R}} \lim_n f_n(x)dx = 0,$$ a contradiction. $\Box$
References
[1] https://mathoverflow.net/questions/42512/awfully-sophisticated-proof-for-simple-facts
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Dominated_convergence_theorem
Theorem. The only field automorphism of $\mathbb{R}$ is the identity.
Theorem. Every non-constant polynomial $P \in \mathbb{C}[z]$ must have a zero.
Let us consider the linear operator of Banach spaces $$F \colon C[0, \, 1/2] \to C[0, \, 1/2], \quad F(f(x)):= \int_0^x f(t)dt.$$ Then the identity $\int_0^x e^tdt=e^x-1$ can be rewritten as $$(I-F)(e^x)=1. \quad (\sharp)$$ The operator $F$ is bounded and we have $$||F|| = \sup_{f \in C[0, \, 1/2]} \frac{||F(f)||}{||f||} \leq \frac{1/2 \, ||f||}{||f||} = \frac{1}{2} <1.$$ This implies that $I-F$ is invertible as a bounded linear operator and moreover $$(I-F)^{-1} = \sum_{k=0}^{+ \infty} F^k.$$ Substituting in $(\sharp)$, we get $$e^x=(I-F)^{-1}(1)=\left(\sum_{k=0}^{+ \infty} F^k \right) (1) = \sum_{k=0}^{+ \infty} F^k(1) = \sum_{k=0} ^{+ \infty}\frac{x^k}{k!},$$ which is the well-known Taylor series expansion of $e^x$.
Supponiamo di avere un triangolo $T$ aventi lati di lunghezza razionale $a$, $b$, $c$ e area razionale $A$, e di volere determinare un altro triangolo $T'$ (non congruente a $T$) con lati di lunghezza razionale e avente lo stesso perimetro $2p=a+b+c$ e la stessa area $A$.
Indicando con $$a'=a+x, \quad b'=b+y, \quad c'=c-x-y$$ le lunghezze dei lati del nuovo triangolo $T'$, applicando la formula di Erone otteniamo con semplici passaggi l'eguaglianza
\begin{equation} \label{erone} \big(x- \alpha\big) \big(y-\beta \big) \big(x+y+\gamma \big)- \frac{A^2}{p}= 0, \end{equation}
dove $$\alpha=p-a, \quad \beta = p-b, \quad \gamma = p-c.$$ Si può vedere \eqref{erone} come l'equazione di una curva ellittica $E$ definita su $\mathbb{Q}$, il cui luogo dei punti reali consiste di quattro rami: un ovale compatto contenuto nel triangolo definito nel piano $(x, \, y)$ dalle tre rette di equazione $$x= \alpha, \quad y=\beta, \quad y=-x- \gamma$$ e tre rami illimitati aventi ciascuno due delle suddette rette come asintoti (si veda la Figura 1).
Figura 1 |
L'ovale compatto corrisponde esattamente ai valori $(x, \, y, \, z)$ per i quali esiste un triangolo $T'$ che ha area $A$. Esso contiene in generale almeno sei punti a coordinate razionali: il punto $o=(0, \, 0, \, 0)$, corrispondente al triangolo di partenza $T$ avente lati $(a, \, b, \, c)$, e i cinque punti corrispondenti alle permutazioni non banali di $(a, \, b, \, c)$.
Il problema geometrico originale di determinare il triangolo $T'$ si traduce quindi nel seguente problema di Teoria dei Numeri:
Problema. Si determini un punto razionale non banale nell'ovale compatto della curva ellittica $E$.
Non intendiamo qui risolvere il problema nella sua generalità, ma ci limitiamo a trattare un importante esempio. Si consideri il famoso triangolo rettangolo $T$ di lati $(a, \, b, \, c)=(3, \, 4, \,5)$, che ha perimetro $6$ e area $12$. In questo caso, l'equazione di $E$ diventa \begin{equation} \label{erone2} \big(x- 3\big) \big(y- 2 \big) \big(x+y+1 \big)- 6= 0. \end{equation}
Per determinare un punto razionale non banale nell'ovale compatto, utilizziamo il classico metodo delle rette secanti.
L'ovale compatto contiene il punto razionale $o=(0, \, 0, \, 0)$, corrispondente a $T$, il punto razionale $p_1=(1, \, 1)$, corrispondente al triangolo di lati $(a, \, b, \, c)=(4, \,5, \, 3)$ e il punto razionale $p_2=(1, \, -1)$, corrispondente al triangolo di lati $(a, \, b, \, c)=(4, \, 3, \, 5)$.
Le retta $y-x=0$ passa per $o$ e $p_1$ e interseca $E$ nell'ulteriore punto razionale $p_3=(7/2, \, 7/2)$; tale punto non è ancora una soluzione al nostro problema, in quanto appartiene ad uno dei rami illimitati.
Possiamo però considerare la retta passante per $p_3$ e $p_2$, che interseca $E$ nell'ulteriore punto razionale $p_4=(38/21, \, 16/35)$. Tale punto sta nell'ovale limitato, quindi corrisponde effettivamente ad una soluzione del problema (si veda la Figura 2, realizzata con il calcolatore grafico Desmos).
Figura 2 |
Infatti, $p_4$ corrisponde al triangolo $T'$ di lati razionali $$(a, \, b, \, c)=(101/21, \, 156/35, \, 41/15).$$ È semplice verificare che esso è un triangolo acutangolo di perimetro $12$ e area $6$, gli stessi valori del triangolo rettangolo $T$ di partenza (Figura 3).
Figura 3 |
Varianti di questo procedimento permettono di determinare ulteriori triangoli con lati razionali, perimetro $12$ e area $6$. Ad esempio, partendo dalla retta tangente ad $E$ nel punto $o=(0, \, 0, \, 0)$ si può ottenere il triangolo ottusangolo di lati $$(a, \, b, \, c)=(35380/10153, \, 81831/16159, \, 27689/8023),$$ si veda la Figura 4.
Figura 4 |