Fondamenti Teorici: la Metrica Lβ
Immaginiamo una cittΓ a griglia perfetta β Manhattan. Per andare dall'angolo A all'angolo B non possiamo volare in diagonale: percorriamo solo blocchi orizzontali e verticali. Quella che misuriamo Γ¨ la distanza di Manhattan, o distanza Lβ β si conta a isolati, non in linea d'aria.
Un dettaglio sorprendente: tra A e B non esiste una sola strada piΓΉ corta, ma infinite β ogni "scaletta" di passi orizzontali e verticali ha esattamente la stessa lunghezza. Γ da qui che nasce tutta la geometria che segue.
Dati due punti P(x, y) e A(xβ, yβ) nel piano reale βΒ², si definisce la distanza di Manhattan:
dβ(P, A) = |x β xβ| + |y β yβ|
Dettaglio matematico Β· sciogliere i moduli
I valori assoluti rendono il calcolo meno diretto che nella metrica euclidea. Per trattarli algebricamente bisogna "scioglierli", distinguendo i casi in base al segno dell'argomento.
Per ogni costante c β β, si ha:
|x β c| = x β c se x β₯ c
|x β c| = c β x se x < c
Il valore x = c Γ¨ detto valore critico e corrisponde alla retta verticale che separa i due casi.
Le rette critiche partizionano il piano in regioni in ciascuna delle quali tutti i moduli hanno segno costante, riducendo l'equazione del luogo a un sistema lineare. Questa tecnica β la griglia di regioni β Γ¨ il metodo unificante di tutta la geometria del taxi.
| ProprietΓ | Metrica Lβ (euclidea) | Metrica Lβ (Manhattan) |
|---|---|---|
| Formula | β((xβxβ)Β² + (yβyβ)Β²) | |xβxβ| + |yβyβ| |
| "Cerchio" unitario | Cerchio continuo | Quadrato ruotato 45Β° |
| Natura dei luoghi | Coniche (curve lisce) | Poligoni (segmenti) |
| Simmetrie | Tutte le rotazioni | Solo riflessioni assiali |
| Disuguaglianza | dβ β€ dβ | dβ β€ β2 Β· dβ |
E se cercassimo tutti i punti a uguale distanza da un centro? In linea d'aria è un cerchio. A isolati⦠preparati a una sorpresa.
La Circonferenza Taxicab
Cos'Γ¨ un "cerchio"? L'insieme dei punti a distanza fissa R dal centro. In linea d'aria viene la curva tonda che conosciamo. A isolati, invece, i punti a distanza R formano un quadrato ruotato di 45Β° β un rombo, con le quattro punte sui semiassi.
Γ qui che spunta il risultato piΓΉ sorprendente: misurando tutto con il taxi, il rapporto perimetro/diametro non vale 3,14β¦ ma esattamente Ο = 4.
La circonferenza taxicab di centro C(xκ, yκ) e raggio R Γ¨ l'insieme dei punti P(x, y) tali che:
dβ(P, C) = R βΊ |x β xκ| + |y β yκ| = R
Dettaglio matematico Β· le 4 regioni e i vertici
Le rette critiche x = xκ e y = yκ dividono il piano in 4 quadranti. In ciascuno i moduli si sciolgono con segni costanti, riducendo l'equazione a una retta.
| Regione | Condizione | Equazione sciolta | Pendenza |
|---|---|---|---|
| RI (NE) | x β₯ xκ, y β₯ yκ | y = βx + (xκ + yκ + R) | β1 |
| RII (NW) | x < xκ, y β₯ yκ | y = x β (xκ β yκ β R) | +1 |
| RIII (SW) | x < xκ, y < yκ | y = βx + (xκ + yκ β R) | β1 |
| RIV (SE) | x β₯ xκ, y < yκ | y = x β (xκ β yκ + R) | +1 |
VN = (xκ, yκ+R), VE = (xκ+R, yκ), VS = (xκ, yκβR), VW = (xκβR, yκ).
Perimetro taxicab: 8R. Perimetro euclideo: 4Rβ2. Area: 2RΒ².
Una conseguenza notevole. Definiamo il "Ο" di questa geometria come il rapporto tra perimetro e diametro, misurando tutto nella metrica del taxi. Ogni lato del rombo, percorso a isolati, vale |Ξx| + |Ξy| = R + R = 2R: quattro lati danno un perimetro taxicab di 8R. Quindi:
Il valore Οβ = 4 (rispetto a Ο β 3.14159β¦) Γ¨ uno dei risultati piΓΉ sorprendenti della geometria del taxi.
Un centro solo ci ha dato un rombo. E con due fuochi, chiedendo che la somma delle distanze resti costante?
Ellisse Taxicab: il Metodo delle 9 Regioni
L'ellisse, "a isolati": prendi due fuochi e cerca tutti i punti da cui due taxi, partendo dai due fuochi, percorrono in totale sempre la stessa distanza. In linea d'aria otterresti l'ovale di sempre. Con il taxi ottieni β quasi sempre β un ottagono.
Per scioglierla servono ora quattro rette critiche (una per coordinata di ciascun fuoco), che tagliano il piano in una griglia 3Γ3: il metodo delle 9 regioni.
Dati Fβ(xβ, yβ), Fβ(xβ, yβ) e una costante 2a > dβ(Fβ, Fβ), l'ellisse taxicab Γ¨:
π = { P(x,y) : dβ(P,Fβ) + dβ(P,Fβ) = 2a }
Dettaglio matematico Β· le 9 regioni e la forma
Poniamo dβ = dβ(Fβ,Fβ) e k = a β dβ/2. Le rette critiche x = xβ, x = xβ, y = yβ, y = yβ creano una griglia 3Γ3 di 9 regioni Rij. Questa partizione Γ¨ la chiave del metodo.
Analizzando il segno dei moduli in ciascuna regione, si ottengono i contributi al luogo geometrico:
- R22 (tra i fuochi): la somma vale costantemente dβ β contribuisce solo se 2a = dβ
- R21 e R23 (sopra/sotto tra i fuochi): rette orizzontali
- R12 e R32 (a sinistra/destra tra i fuochi): rette verticali
- R11, R13, R31, R33 (angoli esterni): rette con pendenza Β±1
Esempio numerico. Fβ(0,0), Fβ(4,2) (fuochi obliqui), 2a = 10.
| Dato | Calcolo | Valore |
|---|---|---|
| dβ | |4β0| + |2β0| | 6 |
| k | a β dβ/2 = 5 β 3 | 2 |
| Estensione x | dal vertice sinistro a quello destro | da β2 a 6 |
| Estensione y | dal vertice basso a quello alto | da β2 a 4 |
| Forma | fuochi obliqui β sempre ottagono | ottagono (8 vertici) |
Gli 8 vertici sono (β2,0), (0,β2), (4,β2), (6,0), (6,2), (4,4), (0,4), (β2,2): un ottagono, non un esagono. L'esagono comparirebbe solo se i due fuochi fossero allineati.
Somma costante β ottagono. E se invece imponiamo che resti costante la loro differenza?
Iperbole Taxicab: la Differenza delle Distanze
Se l'ellisse chiede una somma costante, l'iperbole chiede una differenza costante: i punti da cui un taxi arriva a un fuoco percorrendo sempre 2a isolati in piΓΉ (o in meno) rispetto all'altro. Il risultato sono due rami separati.
Ecco il perchΓ© della loro forma: quando i due fuochi sono allineati in orizzontale, "spostarsi in alto o in basso" cambia le due distanze-taxi nello stesso modo, lasciando invariata la differenza. Per questo ogni ramo diventa un segmento verticale dritto.
Dettaglio matematico Β· i due rami e le regioni
Dati Fβ(xβ,yβ), Fβ(xβ,yβ) e 0 < 2a < dβ(Fβ,Fβ):
β = { P(x,y) : |dβ(P,Fβ) β dβ(P,Fβ)| = 2a }
Equivale a due rami: dβ(P,Fβ) β dβ(P,Fβ) = +2a e dβ(P,Fβ) β dβ(P,Fβ) = β2a.
Applicando il metodo delle 9 regioni al Ramo 1 (differenza = +2a), si ottengono i seguenti risultati nelle regioni non banali:
| Regione | Risultato |
|---|---|
| R11 (NW esterno) | Nessuna soluzione |
| R33 (SE esterno) | Esiste solo se 2a = dβ |
| R21 | Segmento verticale x = (xβ+xβ)/2 + a |
| R23 | Segmento x = (xβ+xβ)/2 + a β (yββyβ)/2 |
Due fuochi, due rami. Ultimo atto: un fuoco e una retta, da cui essere equidistanti.
La Parabola Taxicab
Ultimo caso: la parabola. Stavolta il confronto non Γ¨ tra due fuochi, ma tra un fuoco e una strada (la direttrice). Cerchiamo i punti che distano β a isolati β la stessa quantitΓ dal fuoco e dalla retta.
Il risultato taxi ha un dettaglio elegante: in cima Γ¨ fatto di due semirette verticali dritte, e solo verso il vertice piega in due rami obliqui. Il vertice sta esattamente a metΓ strada tra fuoco e direttrice.
Dato un fuoco F e una direttrice r, la parabola taxicab Γ¨:
π« = { P(x,y) : dβ(P,F) = dβ(P,r) }
dove dβ(P,r) Γ¨ la distanza Lβ di P dalla retta r.
Dettaglio matematico Β· regioni e formula master
Per una direttrice orizzontale r: y = k e fuoco F(xF, yF) con yF > k, la distanza Lβ da P alla direttrice Γ¨ semplicemente |y β k|. Ponendo p = yF β k, l'equazione diventa |xβxF| + |yβyF| = |yβk|.
Le quattro regioni, determinate da y = k e y = yF come rette critiche orizzontali e x = xF come verticale, producono:
| Regione | Condizione | Equazione | Tipo |
|---|---|---|---|
| A | y β₯ yF | |xβxF| = yF β k = p | Due semirette verticali |
| B | yV β€ y < yF, x β₯ xF | x = 2y β yF β k + xF | 2 passi in x per 1 in y |
| C | yV β€ y < yF, x < xF | x = β2y + yF + k + xF | 2 passi in x per 1 in y |
| D | y < yV | β | Impossibile |
dove yV = (yF + k)/2 Γ¨ il vertice della parabola, a metΓ strada tra fuoco e direttrice. Sotto il vertice non c'Γ¨ alcun punto del luogo.
Per una direttrice obliqua di equazione ax + by + c = 0, la distanza Lβ diventa dβ(P,r) = |ax+by+c| / (|a|+|b|), generando una formula ibrida la cui analisi richiede la medesima tecnica di scioglimento per regioni.
Abbiamo trasformato cerchio, ellisse, iperbole e parabola. Γ ora di tirare le fila.
Oltre il taxi: Minkowski e il teorema di GoΕΔ b
La geometria del taxi non Γ¨ un caso isolato: Γ¨ un membro di una famiglia piΓΉ grande, la geometria di Minkowski. Qui possiamo scegliere come misurare le distanze β e a ogni scelta cambia la forma del "cerchio".
Per un parametro p β₯ 1:
dp(A,B) = ( |Ξx|α΅ + |Ξy|α΅ )1/p
p = 1 β taxi (il cerchio Γ¨ un rombo) Β· p = 2 β euclidea (cerchio) Β· p = β β scacchiera/re (il cerchio Γ¨ un quadrato).
CuriositΓ : la geometria del taxi (Lβ) e quella della scacchiera (Lβ) sono gemelle β una rotazione di 45Β° trasforma l'una nell'altra. Il rombo diventa quadrato, e viceversa.
3 β€ Ο β€ 4
Il minimo, Ο = 3, si ottiene quando il cerchio Γ¨ un esagono regolare. Il massimo, Ο = 4, quando il cerchio Γ¨ un quadrato β cioΓ¨ proprio nella geometria del taxi.
Morale: il nostro Ο = 4 non Γ¨ una bizzarria isolata. Γ l'estremo massimo possibile in ogni universo geometrico coerente β e nessuna geometria potrΓ mai avere un Ο piΓΉ piccolo di 3.
I "cerchi unitari" al variare di p: rombo (taxi, p=1), cerchio (euclidea, p=2), quadrato (scacchiera, p=β).
In sintesi
Una sola idea attraversa tutto: cambia il modo di misurare le distanze e cambia la geometria. Passando dalla linea d'aria agli isolati, le forme familiari si trasformano β e spuntano risultati che sembrano impossibili.
Nel taxi il rapporto perimetro/diametro del "cerchio" Γ¨ esattamente 4 β e per il teorema di GoΕΔ b Γ¨ il massimo possibile (3 β€ Ο β€ 4).
Il cerchio diventa un quadrato ruotato di 45Β°: un rombo.
L'ellisse, con fuochi obliqui, Γ¨ quasi sempre un ottagono.
Dove si usa davvero
- Navigatori e routing urbano β in una cittΓ a griglia il percorso reale si misura a isolati, non in linea d'aria.
- Logistica e consegne β stimare tempi e costi di spostamento su una rete di strade ortogonali.
- Machine learning β la distanza di Manhattan (norma Lβ) compare in k-NN, clustering e regolarizzazione, spesso piΓΉ robusta agli outlier dell'euclidea.
- Progettazione di circuiti (VLSI) β le piste corrono in orizzontale e verticale: la loro lunghezza Γ¨ una distanza Lβ.
- Scacchi β il movimento della torre conta proprio passi orizzontali e verticali.
Il modo migliore per capirle Γ¨ costruirle.
Calcolatore Grafico
Costruisci e analizza luoghi geometrici nella metrica Lβ