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Altre vie per l’esercizio con le frazioni armoniche

Varianti e approfondimenti. Dal metodo dei coefficienti parziali alla simmetria, fino alla generalizzazione: altre strade per scoprire le stesse radici

Sulla scorta di quanto ci ha segnalato la professoressa Adriana Lanza, riprendiamo l’equazione proposta in Un altro esercizio per legare algebra e analisi:

\[
\frac{1}{x}+\frac{1}{x-1}+\frac{1}{x-2}+\frac{1}{x-3}+\frac{1}{x-4}+\frac{1}{x-5}=0,
\qquad x\neq 0,1,2,3,4,5.
\]

Nella sua nota la professoressa Lanza, che nell'ideale albo d’oro degli insegnanti di matematica e fisica occupa da tempo un posto d'onore, ha osservato quanto segue:

Algebra e analisi sono spesso relegate al ruolo di “cassette degli attrezzi” per risolvere problemi di varia natura e in questo caso è sufficiente utilizzare un software, eventualmente ad elaborazione grafico-simbolica. Nell’esercizio in questione algebra e analisi si supportano a vicenda e il centro di interesse non è il risultato ma la sfida della ricerca di una strategia risolutiva. Ai tempi di Besso si trattava di una vera e propria sfida tra gli appassionati di matematica.

Fine a se stessa? Non proprio. Forse vale la pena notare che l’IA sfrutta il patrimonio intellettuale umano, accumulato nel corso dei secoli. Dobbiamo pertanto coltivare lo stimolo ad occuparci di questioni “inutili”, eventualmente col supporto (ben mirato) dell’IA.

La professoressa Lanza ha premesso:

Ho provato anch'io a far risolvere l’equazione a ChatGPT. Effettivamente è in grado di utilizzare vari artifici e alla fine arriva alla soluzione di una biquadratica.

Siamo ricorsi allora ancora a ChatGPT che ci ha assistito con efficacia nella nostra ricerca mostrandoci, con le  varianti qui di seguito riportate, come uno stesso esercizio possa diventare terreno fertile per diversi percorsi: algebrici, grafici, simmetrici o generali. Questa pluralità di linguaggi porta inevitabilmente a chiedersi, in forma più generale: come intrecciare algebra, analisi, grafico, calcolo numerico ... in un’unica didattica della matematica?

1. Metodo dei coefficienti parziali (denominatore comune)

L’equazione originale può essere portata a denominatore comune:
\[
\sum_{k=0}^5 \frac{1}{x-k} = \frac{Q(x)}{x(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)(x-5)}=0.
\]

Il denominatore è un polinomio di grado 6, quindi il numeratore \(Q(x)\) è un polinomio di quinto grado.

In simboli:
\[
\deg(Q)=5,
\] dove \(\deg\) è l’abbreviazione internazionale di degree (inglese per “grado”): significa semplicemente che «il polinomio \(Q(x)\) ha grado 5».

Questo approccio mostra la complessità “bruta” dell’impostazione tradizionale e rende ancora più evidente il vantaggio del metodo elegante basato su \(P'(x)/P(x)\).

2. Simmetria come metodo autonomo

Senza introdurre \(P(x)\), si può osservare subito che:
\[
\frac{1}{x}+\frac{1}{x-5} = \frac{2x-5}{x(x-5)}, \quad
\frac{1}{x-1}+\frac{1}{x-4} = \frac{2x-5}{(x-1)(x-4)}, \quad
\frac{1}{x-2}+\frac{1}{x-3} = \frac{2x-5}{(x-2)(x-3)}.
\]

L’equazione diventa quindi
\[
(2x-5)\left[\frac{1}{x(x-5)} + \frac{1}{(x-1)(x-4)} + \frac{1}{(x-2)(x-3)}\right]=0.
\]

- Si individua immediatamente la soluzione \(x=\tfrac{5}{2}\).
- Gli altri quattro zeri provengono dal fattore tra parentesi quadre.

Sviluppo algebrico del fattore

Indichiamo
\[
S(x)=\frac{1}{x(x-5)}+\frac{1}{(x-1)(x-4)}+\frac{1}{(x-2)(x-3)}.
\]

Portando a denominatore comune \(D(x)=x(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)(x-5)\), si ottiene
\[
S(x)=\frac{N(x)}{D(x)},
\] con
\[
\begin{aligned}
N(x)
=(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)
\quad +\,x(x-2)(x-3)(x-5)
\quad +\,x(x-1)(x-4)(x-5)
\end{aligned}
\]

Sviluppando:
\[
N(x)=3x^4-30x^3+95x^2-100x+24.
\]

Dunque, oltre alla radice centrale \(x=\tfrac{5}{2}\), le altre quattro soluzioni corrispondono agli zeri di \(N(x)=0\).

Simmetria delle radici

Ponendo \(x=y+\tfrac{5}{2}\):
\[
N(y+\tfrac{5}{2})=3y^4-\tfrac{35}{2}y^2+\tfrac{259}{16},
\] che contiene solo potenze pari di \(y\).

Poniamo \(z=y^2\):
\[
3z^2-\tfrac{35}{2}z+\tfrac{259}{16}=0,
\] da cui
\[
z=\frac{35}{12}\ \pm\ \frac{2}{3}\sqrt{7}, \qquad
y=\pm\sqrt{z}, \qquad
x=\tfrac{5}{2}\pm y.
\]

Valori numerici

\[
x\approx 0.3365534733,\quad 1.4262996418,\quad 3.5737003582,\quad 4.6634465267,
\]

in coppie simmetriche rispetto a \(2.5\).

3. Approccio grafico puro

Si considera la funzione
\[
f(x)=\sum_{k=0}^5 \frac{1}{x-k}.
\]

- È somma di sei curve iperboliche con asintoti verticali in \(0,1,2,3,4,5\).
- Su ciascun intervallo \((k,k+1)\), \(f(x)\) varia da \(-\infty\) a \(+\infty\) o viceversa, quindi attraversa necessariamente l’asse \(x\).
- Ne segue subito che esiste uno zero in ogni intervallo, senza calcoli.

In classe: con GeoGebra si può far variare la finestra grafica e osservare le intersezioni reali, evidenziando il passaggio da polo a polo.

4. Generalizzazione a \(n\) termini

L’esercizio proposto da Besso è solo il caso \(n=5\) della più generale equazione:
\[
\sum_{k=0}^n \frac{1}{x-k}=0.
\]

- Per analogia, se poniamo \(P(x)=\prod_{k=0}^n (x-k)\), allora
\[
\sum_{k=0}^n \frac{1}{x-k}=\frac{P'(x)}{P(x)}.
\] - Applicando Rolle: \(P'\) ha grado \(n\) e dunque n zeri reali, uno in ciascun intervallo \((k,k+1)\) per \(k=0,\dots,n-1\).
- In particolare, l’equazione ammette sempre n soluzioni reali.

Per \(n=5\) abbiamo i 5 zeri già discussi; per \(n=6\) ci sarebbero 6 zeri, e così via.
Questa osservazione apre la strada a una trattazione più generale, utile anche per studenti avanzati.

5. Spunti didattici

- Mostrare agli studenti i tre approcci (brutalmente simbolico/muto, simmetria, grafico) e confrontarli.
- Evidenziare la generalizzazione: “non è un problema isolato, ma il caso particolare di una famiglia infinita”.
- Proporre come attività di laboratorio la costruzione con GeoGebra per vari \(n\), verificando che gli zeri cadono sempre tra gli interi consecutivi.

 

Autore

  • Emilio Ambrisi

    Laureato in Matematica, è stato docente, dirigente scolastico e ispettore tecnico del Ministero dell’Istruzione. A partire dagli anni Ottanta ha partecipato alle tante commissioni ministeriali, tra cui quella dei “Quaranta” istituita dal ministro Franca Falcucci, incaricate della definizione dei programmi di insegnamento degli indirizzi sperimentali e, successivamente, delle Indicazioni Nazionali. Ha svolto numerosi incarichi ispettivi in Italia e all’estero e, dal 1997, ha curato la predisposizione delle prove ministeriali d’esame di maturità e di concorso. Dal 2008 al 2015 ha fatto parte del collegio di direzione della Struttura Tecnica del Ministero. Nel 1980/81 ha prestato servizio presso la Facoltà di Magistero di Roma (cattedra del prof. Mauro Laeng) incaricato di collaborare agli atti preparatori dell’indagine I.E.A., e per alcuni anni ha insegnato come professore a contratto presso le Università “Federico II” e “Vanvitelli” di Napoli. Dal 2009 al 2019 è stato Presidente nazionale della Mathesis e direttore del Periodico di Matematiche.

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