Trigonometria: storia e applicazioni

Nella presente tesi si cerca di tratteggiare lo sviluppo storico della disciplina trigonometrica: da fedele alleata di astronomia e geodesia, appendice naturale di effemeridi e manuali topografici, fino all’emancipazione a scienza autonoma, branca indipendente della matematica pura. Un cammino lungo ed affascinante che attraversa i millenni: dalle prime tracce individuabili nella civiltà egizia ed in quella mesopotamica fino alla definitiva fioritura e successiva sistemazione logica della trigonometria degli archi e delle corde, avvenuta nel mondo greco ed alessandrino. Poi il rinascimento culturale europeo, passando attraverso la tradizione indiana e la mediazione arabo-islamica. Quindi il preludio alla trigonometria moderna grazie al contributo di matematici del calibro di Viète e Napier, sino alla scoperta delle sue innumerevoli applicazioni alla fisica durante la gloriosa Rivoluzione Scientifica. Infine la nascita e lo studio sistematico delle funzioni circolari, colonne portanti dell’analisi, ad opera di Eulero ed ancora la Rivoluzione Francese con Carnot e Fourier. Ampio spazio, inoltre, è dedicato a problemi ed applicazioni pratiche tratte da manuali per la scuola secondaria largamente diffusi intorno alla metà del secolo scorso.

La formula di Eulero per i poliedri fra storia e didattica

Questa tesi riguarda la formula di Eulero per i poliedri: F - S + V = 2 dove F indica il numero di facce, S il numero di spigoli e V quello dei vertici di un poliedro. Nel primo capitolo tratteremo i risultati ottenuti da Cartesio: egli fu il primo a considerare non solo le caratteristiche geometriche ma anche metriche di un solido. Partendo dall'analogia con le figure piane, riuscì a ricavare importanti relazioni nei solidi convessi, riguardanti il numero e la misura degli angoli piani, degli angoli solidi e delle facce. Non arrivò mai alla formulazione conosciuta oggi ma ne intuì le caratteristiche topologiche, che però non dimostrò mai. Nel secondo capitolo invece ci occuperemo di ciò che scoprì Eulero. Il manoscritto contenente i risultati di Cartesio era scomparso e quindi questi non erano più conosciuti dai matematici; Eulero, in accordo con quanto avviene per i poligoni, desiderava ottenere un metodo di classificazione per i poliedri e si mise a studiare le loro proprietà. Oltre alla sua formula, in un primo articolo ricavò importanti relazioni, e in un secondo lavoro ne propose una dimostrazione. Riportiamo in breve anche un confronto tra il lavoro di Cartesio e quello di Eulero. Il terzo capitolo invece riguarda il metodo e il rigore nella formulazione di teoremi e dimostrazioni: I. Lakatos ne fa un esame critico nel libro "Dimostrazioni e Confutazioni - la logica della scoperta matematica", simulando una lezione dove a tema compaiono la Formula di Eulero e le sue dimostrazioni. Noi cercheremo di analizzare questo suo lavoro. Su questi tre autori e i loro lavori riportiamo alcune considerazioni biografiche e storiche che possono offrire interessanti spunti didattici: infatti nel quarto e ultimo capitolo ci occuperemo di alcune considerazioni didattiche a proposito della Formula. La struttura sarà quella di un'ipotetica lezione a studenti di Scuola Media Inferiore e utilizzeremo i risultati ottenuti nei precedenti capitoli e una personale esperienza di tirocinio.

Valutazione della stima della traiettoria dell'elettrodo in seno coronarico in pazienti sottoposti a terapia di resincronizzazione cardiaca

La tesi tratta della mancata efficacia della terapia di resincronizzazione cardiaca e valuta un metodo per poterne predire la futura efficacia o meno. Si propone ciò studiando la traiettoria 3D dell'elettrodo in seno coronarico e analizzando se le variazioni che la caratterizzano possono essere indicative di una futura risposta positiva alla terapia. Sono inoltre state apportate alcune modifiche al programma Matlab che ricostruisce la traiettoria 3D per eliminare alcune approssimazioni.

Eulero, Mascheroni e Riemann costanti ed ipotesi

In questa tesi si descrivono la funzione zeta di Riemann, la costante di Eulero-Mascheroni e la funzione gamma di Eulero. Si riportano i legami tra questi e si illustra brevemente l'ipotesi di Riemann degli zeri non banali della funzione zeta, ovvero l'ipotesi della distribuzione dei numeri primi nella retta dei numeri reali.

Studio di un nuovo sistema angiotermografico tridimensionale per la diagnostica del tumore al seno.

L’angiotermografia dinamica (DATG) è una tecnica diagnostica per il tumore al seno non invasiva e che non richiede l'utilizzo di radiazioni ionizzanti. La strumentazione fornisce immagini della vascolarizzazione della mammella rilevate e visualizzate da tre placche a cristalli liquidi. Le immagini, sulla base della teoria della neoangiogenesi, permettono la diagnosi anche precoce del tumore al seno. Inoltre, la DATG può essere impiegata su donne di ogni età e grazie al suo basso costo può coadiuvare le altre tecniche per lo screening. Scopo di questo lavoro è la caratterizzazione della strumentazione e lo studio di un nuovo metodo di elaborazione che permetta di ottenere immagini tridimensionali della vascolarizzazione. Poiché le immagini fornite dalla DATG sono a colori, si è elaborato il calcolo della tonalità (hue) per poter avere un valore da mettere in relazione con la temperatura misurata con una termocamera. Sperimentalmente è stato osservato che le placche rispondono a temperature comprese rispettivamente tra 31,5°C e 34,0°C per quella con cornice bianca, con una risoluzione tra 0,50 e 1,50 mm, tra 32,5oC e 34,5°C per quella con cornice grigia, che è in grado di rivelare dettagli con dimensioni minime dell'ordine di 0,50-2,50 mm e tra 34,0°C e 36,5°C per quella con cornice nera, con una risoluzione compresa tra 0,25 mm e 1,50 mm. Le immagini fornite dalla DATG sono bidimensionali. Per ricavare l’informazione sulla profondità di provenienza del segnale, è stata acquisita una sequenza dinamica angiotermografica in vivo. Per ottenere la distribuzione spaziale della vascolarizzazione in tre dimensioni, sulla base dell’equazione del trasporto del calore di Fourier, è stata ipotizzata una relazione esponenziale tra contributo temporale nella formazione dell’immagine e profondità di provenienza del segnale. I primi test sperimentali mostrano con buona approssimazione che è possibile ottenere immagini tridimensionali angiotermografiche, anche se il metodo andrà ulteriormente affinato. In futuro si cercherà di realizzare dei fantocci dedicati che consentano di verificare ulteriormente la modalità con cui si formano le immagini e di sfruttare i dati raccolti per conoscere con maggior accuratezza la profondità da cui proviene il segnale. Si spera, infine, che questo studio possa contribuire a diffondere la conoscenza di tale metodica e il suo utilizzo sia per la diagnosi che per lo screening del tumore al seno.

Analisi di tendenza per ozono e CFC-11 nella serie decennale delle misure di MIPAS in stratosfera e alta troposfera

Lo strumento MIPAS, operativo a bordo del satellite polare ENVISAT negli anni dal 2002 al 2012, ha misurato spettri di emissione nel medio infrarosso utilizzando la tecnica di scansione del lembo atmosferico. L'Agenzia Spaziale Europea (ESA), mediante un algoritmo di inversione ottimizzato, ha ricavato dagli spettri di MIPAS la distribuzione verticale di diversi composti chimici minoritari in stratosfera e alta troposfera. Tra questi composti figurano l'ozono (O3) e il CFC-11. Lo strato di ozono stratosferico svolge una funzione fondamentale come schermo della radiazione ultravioletta solare, altrimenti dannosa per gli esseri viventi sulla terra. D'altra parte, da alcuni decenni i cosiddetti cloro-fluoro carburi (CFC), tra cui la molecola di CCl3F (indicata sinteticamente con la sigla CFC-11) sono ritenuti responsabili della diminuzione generale dell'ozono stratosferico. Per questo motivo nel 1987 a Montreal è stato siglato un accordo internazionale per limitare l'immissione dei CFC in atmosfera. A partire dalla fine degli anni '80, in base a questo accordo, ci si aspetta quindi una progressiva riduzione dei CFC e un conseguente graduale recupero della concentrazione di ozono. Le misure di MIPAS, con copertura geografica globale, offrono una possibilità assai interessante per la verifica di queste tendenze attese. In questo lavoro di tesi, i profili verticali di frazione volumetrica (VMR) di ozono e CFC-11 ricavati dal processore di ESA versione 6.0 sono stati interpolati a livelli di pressione costante, raggruppati per bande di latitudine e mediati su intervalli di tempo mensili. Abbiamo quindi sviluppato un modello di tendenza parametrico che include un termine costante, uno lineare, due termini dell'oscillazione quasi biennale (QBO), un termine di flusso solare radio e diversi termini armonici in seno e coseno con periodo diverso. Il modello è stato quindi adattato mediante un algoritmo di minimizzazione di Levenberg-Marquardt alle medie mensili ottenute dalle misure di MIPAS per tutto il periodo che va da luglio 2002 ad aprile 2012. Le stime di tendenza ottenute per ozono e CFC-11 sono statisticamente significative e, a seconda della latitudine e del livello di pressione considerato, assumono una gamma di valori che va da -0.15 ppmv/decade a +0.44 ppmv/decade per l'ozono e una gamma di valori che va da -50.2 pptv/decade a +6.5 pptv/decade per il CFC-11. Abbiamo ottenuto tendenze per la maggior parte leggermente positive per l'ozono e quasi ovunque fortemente negative per il CFC-11, risultato in accordo con le disposizioni emanate a seguito del Protocollo di Montreal e in buon accordo anche con lavori precedentemente pubblicati in letteratura. Infine abbiamo stimato l'errore sistematico sulle tendenze ricavate, causato dalla deriva strumentale dovuta alla non-linearità della risposta dei rivelatori, che varia a seguito dell'invecchiamento dei rivelatori stessi.

Valutazione dell'allineamento del profilo del seno nello screening mammografico.

La branca della ricerca impegnata sul fronte riguardante lo studio della proliferazione dei tumori, si è confrontato negli ultimi anni con una forma di patologia in crescente diffusione a livello mondiale. In particolare si è messo in evidenza che, per quanto riguarda la popolazione femminile, la tipologia più diffusa di tumore colpisce il seno e, se non individuata in tempo, rende molto difficile la sopravvivenza dei soggetti in cui si manifesta. Tutto questo ha portato gli studiosi a sviluppare metodologie di intervento sempre più accurate e specifiche nel tentativo di far fronte a queste complesse situazioni. In particolare, un ruolo molto importante per la diagnosi, è ricoperto dalla Mammografia Digitale ( Digital Mammography): una tecnologia biomedicale principalmente deputata allo screening preventivo, in grado di individuare il tumore al suo stato iniziale e di aumentare quindi la probabilità di una completa guarigione. Tale tecnica si è evoluta di pari passo con i grandi progressi nell’ambito dell’ingegneria biomedicale e dell’informatizzazione dei processi all’interno delle strutture ospedaliere. Questa tesi si propone di descrivere il funzionamento e le normative che regolamento la Digital Mammography, seguendone il processo di integrazione all’interno del panorama clinico sanitario. Si propone inoltre di mettere in evidenza le grandi potenzialità che essa è in grado di presentare a scopo diagnostico se correttamente interfacciata agli altri sistemi che attualmente caratterizzano il parco clinico nelle strutture ospedaliere. L’analisi è stata condotta partendo dagli aspetti che riguardano la trasmissione delle informazioni e delle immagini digitali, passando attraverso la necessità di un ambiente omogeno e funzionale all’interno del quale tali dati possano essere condivisi, fino ad arrivare all’esaminazione degli standard che rendono possibile una condivisione il più possibile diffusa delle informazioni in ambito ospedaliero. L’ultima parte della trattazione intende valutare una tecnica per l’allineamento dei profili del seno relativi ad una stessa paziente, ma provenienti da acquisizioni temporalmente distinte, con lo scopo di fornire uno strumento di diagnosi più efficace e funzionale.

Ellissoide di inerzia, equazioni di Eulero e applicazioni al moto alla Poinsot e ai fenomeni giroscopici

Viene definito e descritto l'ellissoide di inerzia relativo ad un corpo rigido rispetto ad un punto e la corrispondente matrice di inerzia. Inoltre si definiscono gli angoli di Eulero e vengono ricavate le equazioni di Eulero. Tali strumenti vengono poi utilizzati nell'analisi del moto del corpo rigido libero e con punto fisso e nello studio del moto alla Poinsot di un corpo a struttura giroscopica e dei fenomeni giroscopici.