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24 KiB
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\documentclass[11pt]{article}
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\usepackage{personal_commands}
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\usepackage[italian]{babel}
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\usepackage[a4paper, total={7in, 8in}]{geometry}
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\title{\textbf{Note del corso di Geometria 1}}
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\author{Gabriel Antonio Videtta}
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\date{10 maggio 2023}
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\begin{document}
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\maketitle
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\begin{center}
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\Large \textbf{Quadriche e classificazione affine delle coniche}
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\end{center}
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\begin{note}
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Nel corso del documento si assume $\Char \KK \neq 2$.
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\end{note}
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\begin{definition}[quadriche] Si dice \textbf{quadrica} il luogo di zeri
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di un polinomio $p \in \KK[x_1, \ldots, x_n]$ con $\deg p = 2$.
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\end{definition}
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\begin{definition}[coniche] Si dice \textbf{conica} una quadrica relativa ad un polinomio
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in due variabili.
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\end{definition}
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\begin{remark}\nl
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\li Una quadrica è invariante per la relazione $\sim$ su $\KK[x_1, \ldots, x_n]$, dove
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$p_1 \sim p_2 \defiff \exists \alpha \in \KK^* \mid p_1 = \alpha p_2$. Infatti
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il luogo di zeri di un polinomio non varia se esso viene moltiplicato per una costante non nulla di $\KK$. \\
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\li Una quadrica può essere vuota (come nel caso della conica relativa a $x^2 + y^2 + 1$ in $\RR$). \\
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\li Si identifica con la notazione $p(\x)$ con $\x \in \KK^n$, la valutazione del polinomio $p$ nelle coordinate
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di $\x$. Per esempio, se $\x = (1, 2)$ e $p(x, y) = x^2 + y^2$, con $p(\x)$ si identifica il valore
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$p(1, 2) = 1^2 + 2^2 = 5$.
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\end{remark}
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\begin{remark} [riscrittura di $p$ mediante matrici]
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Sia $p \in \KK[x_1, \ldots, x_n]$ di grado due. Allora $p$ si può sempre scrivere come $p_2 + p_1 + p_0$,
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dove $p_i$ è un polinomio omogeneo contenente soltanto monomi di grado $i$. \\
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In particolare, $p_2(x_1, \ldots, x_n)$ può essere sempre riscritto come $\sum_{i=1}^n \sum_{j=1}^n a_{ij}$
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con $a_{ij} \in \KK$ con $a_{ij} = a_{ji}$.
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È infatti sufficiente "sdoppiare" il coefficiente $c_{ij}$
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di $x_i x_j$ in due metà, in modo tale che $c_{ij} x_i x_j = \frac{c_{ij}}{2} x_i x_j + \frac{c_{ij}}{2} x_i x_j = \frac{c_{ij}}{2} x_i x_j + \frac{c_{ij}}{2} x_j x_i$. Inoltre, anche $p_1(x_1, \ldots, x_n)$ può essere riscritto come $\sum_{i=1}^n b_{ij}$. \\
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Si possono allora considerare la matrice $A \in M(n, \KK)$ ed il vettore $\vec b \in \KK^n$, definiti in modo tale che:
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\[ A = (a_{ij})_{i,j=1\mbox{--}n}, \qquad \vec b = (b_i)_{i=1\mbox{--}n} \in \KK^n. \]
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Infatti, $A$ e $\vec b$ soddisfano la seguente identità:
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\[ p(\x) = \x^\top A \x + \vec b^\top \x + c, \]
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che, riscritta tramite l'identificazione di $\AnK$ come l'iperpiano $H_{n+1} \in \Aa_{n+1}(\KK)$,
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diventa:
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\[ p(\x) = {\hat \x}^\top \hat A \hat \x, \quad \dove \hat A = \Matrix{A & \rvline & \nicefrac{\vec b}{2} \, \\ \hline \nicefrac{{\vec b}^\top}{2} & \rvline & c }. \]
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\vskip 0.05in
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Si osserva che $\hat A$ è una matrice simmetrica di taglia $n+1$ a elementi in $\KK$, e in quanto
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tale essa induce un prodotto scalare su $\KK^{n+1}$. Pertanto la quadrica relativa $p$ è esattamente
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l'intersezione tra $H_{n+1}$ e $\CI(\hat A)$, identificando $\KK^{n+1}$ come $H_{n+1}$, ossia
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la quadrica è esattamente $\iota\inv(H_{n+1} \cap \CI(\hat A))$.
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\end{remark}
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\begin{definition}[matrice associata ad una quadrica]
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Si definisce la costruzione appena fatta di $\hat A$ come la \textbf{matrice associata alla quadrica relativa a $p$}, e si indica con $\MM(p)$. In particolare, $A$ è detta la matrice che rappresenta la \textit{parte quadratica}, e si indica con $\AA(p)$, mentre $\nicefrac{\vec b}2$ rappresenta la \textit{parte lineare}, indicata con $\Ll(p)$,
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e $c = c(p)$ è detto \textit{termine noto}.
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\end{definition}
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\begin{definition}[azione di $A(\Aa_n(\KK))$ su $\KKxn$]
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Sia $f \in A(\Aa_n(\KK))$. Allora $A(\Aa_n(\KK))$ agisce (a destra) su $\KKxn$ in modo tale che
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$p' = p \circ f$ è un polinomio per cui $p'(\x) = p(f(\x))$.
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\end{definition}
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\begin{definition}[equivalenza affine tra polinomi e quadriche]
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Si dice che due polinomi $p_1$, $p_2 \in \KKxn$ sono affinemente equivalenti se e solo se $\exists f \in A(\AnK) \mid p_1 = p_2 \circ f$.
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In tal caso si scrive che $p_1 \sim p_2$. Analogamente due quadriche
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si dicono affinemente equivalenti se i relativi polinomi sono
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affinemente equivalenti.
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\end{definition}
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\begin{remark}\nl
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\li L'equivalenza affine è una relazione di equivalenza. \\
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\li Sia $Z(p)$ il luogo di zeri di $p$. Allora, $p_1 \sim p_2 \implies
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\exists f \in A(\AnK) \mid Z(p_2) = f(Z(p_1))$. \\
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\li In generale, se $p_1 = p_2 \circ f$, vale che $Z(p_2) = f(Z(p_1))$. \\
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\li Dal momento che $A(\AnK)$ su $\KKxn$ è un azione (destra)
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di gruppo, vale che $(p \circ f_1) \circ f_2 = p \circ (f_1 \circ f_2)$ $\forall f_1$, $f_2 \in A(\AnK)$, $p \in \KKxn$.
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\end{remark}
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\begin{proposition} [formula del cambiamento della matrice associata su azione di $A(\Aa_n(\KK))$]
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Sia $f \in A(\Aa_n(\KK))$ e sia $p \in \KK[x_1, \ldots, x_n]$ di grado due. Allora vale
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la seguente identità:
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\begin{equation*}
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\MM(p \circ f) = {\hat M}^\top \MM(p) \hat M = \Matrix{M^\top \AA(p) M & \rvline & M^\top(\AA(p) \vec t + \Ll(p)) \, \\ \hline \, \left(M^\top(\AA(p) \vec t + \Ll(p))\right)^\top & \rvline & p(\vec t)},
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\end{equation*}
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con $\hat M = \Matrix{ M & \rvline & \vec t \, \\ \hline 0 & \rvline & 1 \, }$, dove $f(\x) = M \x + \vec t$ $\forall \x \in \KK^n$ con $M \in \GL(n, \KK)$ e $\vec t \in \KK^n$.
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\end{proposition}
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\begin{proof}
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Per definizione, $p \circ f$ è tale che $(p \circ f)(\x) = p(f(\x)) =
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p(M\x + \vec t)$. In particolare, $(p \circ f)(\x) = \widehat{\left( M \x + \vec t \right)^\top} \MM(p) \widehat{\left( M \x + \vec t \right)} = \left( \hat M \hat x \right)^\top \!\! \MM(p) \left( \hat M \hat x \right)$. Pertanto vale che:
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\[ (p \circ f)(\x) = \hat x^\top \hat M^\top \MM(p) \hat M \hat x \implies \MM(p \circ f) = {\hat M}^\top \MM(p) \hat M, \]
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\vskip 0.05in
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da cui la tesi.
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\end{proof}
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\begin{remark}\nl
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\li Per la proposizione precedente, due matrici, associate a due
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polinomi di secondo grado affinemente equivalenti, variano
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per congruenza, così come le matrici della parte quadratica. \\
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Pertanto $\rg(\MM(p \circ f)) = \rg(\MM(p))$, come $\rg(\AA(p \circ f))
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= \rg(\AA(p))$ (così come, per $\KK=\RR$, non variano i segni
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dei vari determinanti). Allo stesso
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tempo, la classe di equivalenza di $\MM(p)$ è rappresentata completamente per $\KK = \CC$ (tramite il rango) e per $\KK = \RR$
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(tramite la segnatura), per il teorema di Sylvester. \\
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\li Se $f$ è una traslazione, $M = I_n$, e dunque la formula
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si riduce alla seguente:
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\[ \MM(p \circ f) = \Matrix{\AA(p) & \rvline & \AA(p) \vec t + \Ll(p) \, \\ \hline \, \left(\AA(p) \vec t + \Ll(p)\right)^\top & \rvline & p(\vec t)}. \]
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\vskip 0.05in
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In particolare, non varia la matrice relativa alla parte quadratica,
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ossia vale che $\AA(p \circ f) = \AA(p)$. \\
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\li Se $\lambda \in \KK^*$, $\MM(\lambda p) = \lambda \MM(p)$, dal
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momento che $\AA(\lambda p) = \lambda \AA(p)$, così come
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$\Ll(\lambda p) = \lambda \Ll(p)$ e $c(\lambda p) = \lambda c(p)$.
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Tuttavia, a differenza del cambio di matrice per equivalenza
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affine, per $\KK=\RR$ la segnatura non è più un invariante (infatti, in generale $\sigma(-S) = (\iota_-(S), \iota_+(S), \iota_0(S))$, se $S \in \Sym(n, \RR)$). Ciononostante non varia, in valore assoluto, la differenza tra l'indice di positività
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e quello di negatività, ossia $S(\MM(p)) := \abs{\iota_+ - \iota_-}$ continua ad essere invariante. \\
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\li Vale sempre la disuguaglianza $\rg(\MM(p)) \geq \rg(\AA(p)) \geq 1$, dal momento che $\AA(p)$ è
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una sottomatrice di $\MM(p)$ e che $p$, per definizione
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di quadrica, contiene sempre un termine quadratico
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(e dunque la matrice $\AA(p)$ non è mai nulla).
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\end{remark}
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\begin{definition} [quadrica non degenere]
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Una quadrica relativa a $p \in \KKxn$ si dice \textbf{non degenere} se $\rg(\MM(p)) = n+1$ (ossia se $\det(\MM(p)) \neq 0$), e altrimenti
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si dice degenere. In particolare, una conica si dice \textit{non degenere} se $\rg(\MM(p)) = 3$ e degenere altrimenti.
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\end{definition}
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\begin{definition} [quadrica a centro]
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Una quadrica $C$ relativa a $p \in \KKxn$ (o $p$ stesso) si dice \textbf{a centro} se
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$\exists \x_0 \in \KK^n \mid p(\x_0 + \x) = p(\x_0 - \x)$ $\forall \x \in \KK^n$. In particolare, si dice che tale $\x_0$ è un \textbf{centro di simmetria} per $C$.
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\end{definition}
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\begin{remark}\nl
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\li Si osserva che $\vec 0$ è un centro di simmetria per $p$ se
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$p(\x) = p(-\x)$, ossia se e solo se la parte lineare $\Ll(p)$ è
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nulla. \\
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\li Allora $\x_0$ è un centro di simmetria per $p$ se e solo se $\vec 0$
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è un centro di simmetria per $p \circ f$, dove $f$ è la traslazione
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che manda $\vec 0$ in $\x_0$. Infatti, in tal caso, vale che $f(\x) = \x + \x_0$ e che:
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\[ (p \circ f)(\x) = p(\x + \x_0) = p(\x - \x_0) = (p \circ f)(-\x). \]
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\vskip 0.05in
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\li Per le osservazioni precedenti, vale allora che $\x_0$ è un centro
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di simmetria per $p$ se e solo se la parte lineare di $p \circ f$
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è nulla, ossia se e solo se $\x_0$ è tale che $\AA(p) \x_0 + \Ll(p)$.
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Pertanto $p$ è a centro se e solo se il sistema $\AA(p) \x = - \Ll(p)$
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è risolvibile, e quindi se e solo se $\rg\!\Matrix{\AA(p) & \rvline & \Ll(p)} = \rg(\AA(p))$ $\iff \Ll(p) \in \Im(\AA(p))$, per il teorema di Rouché-Capelli. Vale
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dunque che $p$ è sempre a centro, se $\AA(p)$ è invertibile. \\
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Poiché i centri di una conica sono esattamente le soluzioni del
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sistema lineare $\AA(p) \x = - \Ll(p)$, essi formano un sottospazio
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affine. In particolare, se $\x_0$ è un centro, vale che tale sottospazio
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è esattamente $\x_0 + \Ker \AA(p)$. Pertanto, se $\AA(p)$ è invertibile
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(ossia se è iniettiva), il centro è unico.
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\end{remark}
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\hr
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\begin{theorem} [classificazione delle coniche complesse]
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Sia $\KK=\CC$. Allora ogni conica è affinemente equivalente ad
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un'equazione canonica della seguente tabella, unicamente
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determinata dagli invarianti $\rg(\MM(p))$ e $\rg(\AA(p))$.
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\begin{center}
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\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}
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\hline
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& $\rg(\MM(p))$ & $\rg(\AA(p))$ & Equazione canonica & A centro \\ \hline
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$\mathcal{C}_1$ & 3 & 2 & $x^2+y^2=1$ & Sì \\ \hline
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$\mathcal{C}_2$ & 3 & 1 & $x^2=y$ & No \\ \hline
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$\mathcal{C}_3$ & 2 & 2 & $x^2+y^2=0$ & Sì \\ \hline
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$\mathcal{C}_4$ & 2 & 1 & $x^2=1$ & Sì \\ \hline
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$\mathcal{C}_5$ & 1 & 1 & $x^2=0$ & Sì \\ \hline
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\end{tabular}
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\end{center}
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\end{theorem}
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\vskip 0.01in
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\begin{proof}
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La classificazione è completa perché sono comprese tutte le possibili
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scelte di rango. Inoltre tale classificazione è ben definita, dal momento che due coniche distinte della tabella differiscono di almeno un'invariante, e pertanto non possono essere affinemente
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equivalenti. Pertanto, se esiste, una conica è affinemente equivalente
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ad una sola delle coniche presenti nella tabella. \\
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Sia allora $\mathcal{C}$ una conica relativa al polinomio $p \in \CC[x, y]$. Se $\rg(\AA(p)) = 2$, allora, per il teorema di Sylvester
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complesso, esiste una matrice $M \in \GL(2, \CC)$ tale per
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cui $M^\top \AA(p) M = I_2$. \\
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Si consideri allora l'affinità $f_1 \in A(\Aa_2(\CC))$ tale per cui $f_1(\x) = M\x + \vec t$, dove $\vec t = - \AA(p)\inv \vec b$. Se $p_1 = p \circ f_1$, allora, per la formula
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di cambiamento della matrice associata, vale che:
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\[ \MM(p_1) = \MM(p \circ f_1) = \Matrix{I_2 & \rvline & 0 \, \\ \hline \, 0 & \rvline & p(\vec t)}. \]
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\vskip 0.05in
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Se $\rg(\MM(p)) = 2$, $c(p_1) = p(\vec t)$ è nullo (altrimenti i ranghi di $\MM(p)$ e $\MM(p_1)$ sarebbero diversi; assurdo, dal momento che il rango di $\MM(p)$ è invariante per equivalenza affine, \Lightning).
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In tal caso $p_1$ è il polinomio $x^2 + y^2$, e
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dunque $\mathcal{C}$ è affinemente equivalente a $\mathcal{C}_3$ tramite
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l'identità $p_1 = p \circ f_1$. \\
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Se invece $\rg(\MM(p)) = 3$, $c' := c(p_1)$ non è nullo,
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e dunque $p_1$ è il polinomio $x^2 + y^2 + c'$. Considerando
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allora $f_2 \in A(\Aa_2(\CC))$ tale che $f_2(\x) = \sqrt{-c\,'} \, \x$, si ottiene che $p_2 = p_1 \circ f_2$ è tale per cui:
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\[ \MM(p_2) = -c' \Matrix{ I_2 & \rvline & 0 \\ \hline 0 & \rvline & -1 }, \]
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\vskip 0.05in
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ossia $p_2$ è il polinomio $c'(x^2 + y^2 - 1) = 0$. Poiché
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$c'$ è diverso da zero, $p_2$ ha lo stesso luogo di zeri
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di $x^2 + y^2 - 1$, ossia $p_2$ è legato alla conica
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$\mathcal{C}_1$. Si conclude dunque che $p$ e $p_2$
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sono affinemente equivalenti tramite l'identità
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$p_2 = p \circ \, (f_1 \circ f_2)$. \\
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Sia ora invece $\rg(\AA(p)) = 1$. Allora, sempre per
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il teorema di Sylvester complesso, esiste $M \in \GL(2, \CC)$
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tale per cui:
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\[ B := M^\top \AA(p) M = \Matrix{1 & 0 \\ 0 & 0}. \]
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\vskip 0.05in
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Si consideri allora l'affinità $f_1 \in A(\Aa_2(\CC))$ tale
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per cui $f_1(\x) = M \x$. Allora, se $p_1 = p \circ f_1$, vale che:
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\[ \MM(p_1) = \MM(p \circ f_1) = \Matrix{ 1 & 0 & b_1 \\ 0 & 0 & b_2 \\ b_1 & b_2 & c(p) }, \]
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\vskip 0.05in
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dove $(b_1, b_2)^\top = M^\top \Ll(p)$. Se $\rg(\MM(p)) = 3$, $b_2$ è necessariamente non nullo (altrimenti
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$\rg(\MM(p \circ f_1)) \leq 2$, \Lightning). Si consideri
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allora l'affinità $f_2 \in A(\Aa_2(\CC))$ tale che
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$f_2(\x) = \x - \vec t_1$, dove $\vec t_1 = (-b_1, 0)^\top$.
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Allora, se $p_2 = p_1 \circ f_2$, vale che:
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\[ \MM(p_2) = \MM(p_1 \circ f_2) = \Matrix{1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & b_2 \\ 0 & b_2 & c'}, \]
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\vskip 0.05in
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dove $c' := p_1(\vec t_1)$. Pertanto $p_2$ è il polinomio
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$x^2 + 2b_2 y + c'$. Si cerca adesso di eliminare il termine
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noto considerando una traslazione di vettore $\vec t_2$ in
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modo tale che $p_2(\vec t_2) = 0$ e che rimanga invariata
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la parte lineare. Se $\vec t_2 = (x', y')^\top$, si considera
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$x' = 0$ in modo tale da lasciare invariata la parte lineare
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e si cerca $y'$ in modo tale che:
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\[ 2b_2 y' + c' = 0 \implies y' = -\frac{c'}{2 b_2}. \]
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\vskip 0.05in
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Sia dunque $f_3 \in A(\Aa_2(\CC))$ tale che $f_3(\x) = \x + \vec t_2$. Se $p_3 = p_2 \circ f_3$, vale allora che:
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\[ \MM(p_3) = \MM(p_2 \circ f_3) = \Matrix{1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & b_2 \\ 0 & b_2 & 0}. \]
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\vskip 0.05in
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Pertanto $p_3$ è il polinomio $x^2 + 2b_2 y$. Sostituendo
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allora $y \mapsto -\nicefrac{y}{2b_2}$, si può normalizzare il
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coefficiente di $y$. Si considera allora $f_4 \in A(\Aa_2(\CC))$ tale che:
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\[ f_4(\x) = \Matrix{1 & 0 \\ 0 & \nicefrac{-y}{2b_2}} \x. \]
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\vskip 0.05in
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Se si pone allora $p_4 = p_3 \circ f_4$, si ottiene
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finalmente che:
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\[ \MM(p_4) = \MM(p_3 \circ f_4) = \Matrix{1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -\nicefrac{1}{2} \\ 0 & -\nicefrac{1}{2} & 0}, \]
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\vskip 0.05in
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e dunque $p_4$ rappresenta il polinomio $x^2 - y$,
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legato alla conica $\mathcal{C}_2$. Si conclude dunque
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che $\mathcal{C}$ è affinemente equivalente a $\mathcal{C}_2$
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tramite l'identità $p_4 = p \circ \, (f_1 \circ f_2 \circ f_3 \circ f_4)$. \\
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Se invece $\rg(\MM(p)) \leq 2$, $b_2$ è necessariamente
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nullo (altrimenti $\rg(\MM(p \circ f_1)) = 3$, \Lightning).
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Si cerca adesso una traslazione di vettore $\vec t = (t_1, t_2)^\top$
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tale che annulli la parte lineare del polinomio, ossia
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un vettore per cui $\AA(p_1) \vec t + (b_1, 0)^\top = \vec 0$. Un vettore di questo tipo è $\vec t = (-b_1, 0)^\top$. \\
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Sia allora $f_2 \in \Aa_2(\CC)$ per cui $f_2(\x) = \x + \vec t$, e sia $p_2 = p_1 \circ f_2$. Vale allora che:
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\[ \MM(p_2) = \Matrix{1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & c'}, \]
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\vskip 0.05in
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dove $c' := p_1(\vec t)$. Se $\rg(\MM(p)) = 1$,
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$c'$ è necessariamente nullo (altrimenti $\MM(p_2)$ non
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sarebbe congruente a $\MM(p)$, \Lightning), e dunque
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$p_2$ è il polinomio $x^2 = 0$, legato alla conica $\mathcal{C}_5$ (quindi $\mathcal{C}$ è affinemente equivalente a $\mathcal{C}_5$ tramite l'identità $p_2 = p \circ \, (f_1 \circ f_2)$). \\
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Altrimenti, se $\rg(\MM(p)) = 2$, $c' \neq 0$. Sia
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allora $f_3 \in A(\Aa_2(\CC))$ tale che:
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\[ f_3(\x) = \Matrix{\sqrt{-c'\,} & 0 \\ 0 & 1} \x. \]
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\vskip 0.05in
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Se $p_3 = p_2 \circ f_3$, allora risulta che:
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\[ \MM(p_3) = \MM(p_2 \circ f_3) = -c' \Matrix{1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -1}, \]
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\vskip 0.05in
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e dunque $p_3$ è il polinomio $-c'(x^2 - 1)$. Poiché
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$c' \neq 0$, $p_3$ ha lo stesso luogo di zeri di
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$x^2 - 1$, e dunque è legato alla conica $\mathcal{C}_4$.
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Allora $\mathcal{C}$ è affinemente equivalente a
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$\mathcal{C}_4$ mediante l'identità $p_3 = p \circ (f_1 \circ f_2 \circ f_3)$, concludendo la classificazione
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delle coniche complesse.
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\end{proof}
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\begin{theorem} [classificazione delle coniche reali]
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Sia $\KK=\RR$. Allora ogni conica è affinemente equivalente ad
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un'equazione canonica della seguente tabella, unicamente
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determinata dagli invarianti $\rg(\MM(p))$, $\rg(\AA(p))$,
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$S(\MM(p)) := \abs{\iota_+(\MM(p)) - \iota_-(\MM(p))}$ e
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$S(\AA(p)) := \abs{\iota_+(\AA(p)) - \iota_-(\AA(p))}$. \\[0.1in]
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\centering\small
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\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}
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\hline
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& $\rg(\MM(p))$ & $\rg(\AA(p))$ & $S(\MM(p))$ & $S(\AA(p))$ & Equazione canonica \\ \hline
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ellisse reale ($\mathcal{C}_1$) & 3 & 2 & 1 & 2 & $x^2+y^2-1=0$ \\ \hline
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iperbole ($\mathcal{C}_2$) & 3 & 2 & 1 & 0 & $x^2-y^2-1=0$ \\ \hline
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parabola ($\mathcal{C}_3$) & 3 & 1 & 1 & 1 & $x^2-y=0$ \\ \hline
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due rette reali incidenti ($\mathcal{C}_4$) & 2 & 2 & 0 & 0 & $x^2-y^2=0$ \\ \hline
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due rette reali parallele ($\mathcal{C}_5$) & 2 & 1 & 0 & 1 & $x^2-1=0$ \\ \hline
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due rette reali coincidenti ($\mathcal{C}_6$) & 1 & 1 & 1 & 1 & $x^2=0$ \\ \hline
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ellisse immaginaria ($\mathcal{C}_7$) & 3 & 2 & 3 & 2 & $x^2+y^2+1=0$ \\ \hline
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\begin{tabular}[c]{@{}l@{}}due rette complesse coniugate\\ e incidenti in un punto reale ($\mathcal{C}_8$)\end{tabular} & 2 & 2 & 2 & 2 & $x^2+y^2=0$ \\ \hline
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\begin{tabular}[c]{@{}l@{}}due rette complesse coniugate,\\ distinte e parallele ($\mathcal{C}_9$)\end{tabular} & 2 & 1 & 2 & 1 & $x^2+1=0$ \\ \hline
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\end{tabular}
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\end{theorem}
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\vskip 0.1in
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%TODO: terminare dimostrazione della classificazione
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\begin{proof}
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Come già visto precedentemente, la classificazione è completa perché sono comprese tutte le possibili
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scelte di invarianti, ed è anche ben definita, dacché
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due coniche distinte della tabella differiscono di almeno un'invariante. \\
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Sia allora $\mathcal{C}$ una conica relativa al polinomio $p \in \RR[x, y]$. Sia $\rg(\AA(p)) = 2$.
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Se $S(\AA(p)) = 2$, allora, per il teorema di Sylvester, $\exists M \in \GL(2, \RR) \mid M^\top \AA(p) M = \pm I_2$. Sia allora
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$f_1 \in A(\AA_2(\RR))$ l'affinità tale per cui
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$f_1(\vec x) = M \vec x + \vec t$, dove $\vec t = - \AA(p)\inv \vec b$. Allora, detto $p_1$ il polinomio monico ottenuto moltiplicando eventualmente per $-1$ il polinomio $p \circ f_1$, vale che:
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\[ \MM(p_1) = \Matrix{I_2 & \rvline & 0 \, \\ \hline \, 0 & \rvline & c}, \]
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\vskip 0.05in
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dove $c \in \RR$. Se $\rg(\MM(p)) = 2$, allora
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$c$ deve necessariamente essere nullo. In tal caso
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$p_1(x, y) = x^2 + y^2$, la cui conica corrispondente
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è data da due rette complesse coniugate e incidenti in un punto reale ($\mathcal{C}_8$). \\
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Altrimenti, se
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$\rg(\MM(p)) = 3$, si discutono due casi dipendentemente dal valore di $S(\MM(p))$. Se
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$S(\MM(p)) = 3$, allora $c$ è necessariamente positivo. Pertanto, detta $f_2 \in A(\AA_2(\RR))$
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l'affinità tale per cui $f_2(\vec x) = \sqrt{c} \, \vec x$ e detto $p_2 = p_1 \circ f_2$, vale che $\MM(p_2) = c \, I_3$, ossia che $p_2(x, y) = c(x^2 + y^2 + 1)$. Si è ottenuto dunque che $\mathcal{C}$ è affinemente equivalente all'ellisse immaginaria ($\mathcal{C}_7$). \\
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Si procede analogamente se $S(\MM(p)) = 1$: in
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tal caso $c$ è necessariamente negativo, e quindi
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$f_2$ si costruità moltiplicando per $\sqrt{-c}$:
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si ottiene in questo modo l'ellisse reale ($\mathcal{C}_1$). \\
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Sia ora invece $S(\AA(p)) = 1$. Allora, per il teorema di Sylvester, $\exists M \in \GL(2, \RR) \mid M^\top \AA(p) M = \SMatrix{1 & 0 \\ 0 & -1}$.
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Si costruisca allora l'affinità $f_1 \in A(\AA_2(\RR))$ in modo tale che $f_1(\vec x) = M \vec x + \vec t$, dove $\vec t = -\AA(p) \vec b$.
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Detto allora $p_1 = p \circ f_1$, vale che:
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\[ \MM(p_1) = \Matrix{\begin{smallmatrix}
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1 & 0 \\ 0 & -1
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\end{smallmatrix} & \rvline & 0 \, \\ \hline \, 0 & \rvline & c}. \]
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\vskip 0.05in
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Se $\rg(\MM(p)) = 2$, allora $c$ è necessariamente nullo, e quindi $p_1(x, y) = x^2 - y^2$, da cui
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si deduce che $\mathcal{C}$ è affinemente
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equivalente alla conica generata da due rette
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reali incidenti ($\mathcal{C}_4$). Se invece
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$\rg(\MM(p)) = 3$, $c$ non è nullo, e quindi
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si può costruire l'affinità $f_2 \in A(\AA_2(\RR))$
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data da $f_2(\vec x) = \sqrt{\abs{c}} \, \vec x$. Allora, detto $p_2 = f \circ p_1$, $p_2$ può essere
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sempre ricondotto a un
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multiplo di $x^2 - y^2 - 1$: se infatti $c < 0$,
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$p_2$ lo è già, altrimenti è sufficiente applicare
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una terza affinità $f_3(\vec x) = \SMatrix{0 & 1 \\ 1 & 0} \, \vec x$ e considerare $p_3 = p_2 \circ f_3$. Pertanto $\mathcal{C}$ è in questo caso
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affinemente equivalente a un'iperbole ($\mathcal{C}_2$). \\
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Sia adesso $\rg(\AA(p)) = 1$. Allora, per il teorema
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di Sylvester, $\exists M \in \GL(2, \RR) \mid M^\top \AA(p) M = \SMatrix{1 & 0 \\ 0 & 0}$. Sia $\Ll(p) = \SMatrix{b_1 \\ b_2}$, con $b_1$, $b_2 \in \RR$. Si costruisca $f_1 \in A(\AA_2(\RR))$ in modo tale
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che $f_1(\vec x) = M \vec x$. Detto
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$p_1 = p \circ f_1$, vale che:
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\[ \MM(p_1) = \MM(p \circ f_1) = \Matrix{1 & 0 & b_1 \\ 0 & 0 & b_2 \\ b_1 & b_2 & c(p)}. \]
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\vskip 0.1in
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Si consideri dunque l'affinità $f_2 \in A(\AA_2(\RR))$ costruita in modo tale che
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$f_2(\vec x) = \vec x - (b_1, 0)^\top$. Detto
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quindi $p_2 = p_1 \circ f_2$, vale che:
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\[ \MM(p_2) = \Matrix{1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & b_2 \\ 0 & b_2 & c'}, \]
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\vskip 0.07in
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dove $c' \in \RR$. Se $\rg(\MM(p)) = 3$, allora $b_2$ è necessariamente
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non nullo. Si cerca adesso di eliminare
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il termine noto $c'$ mediante una traslazione:
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si consideri $f_3 \in A(\AA_2(\RR))$ definita in modo tale che $f_3(\vec x) = \vec x + (0, -\frac{c}{2 b_2})^\top$, analogamente a come
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era stata impostata l'affinità nel caso complesso.
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Allora, detto $p_3 = p_2 \circ f_2$, vale che:
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\[ \MM(p_3) = \Matrix{1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & b_2 \\ 0 & b_2 & 0}. \]
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\vskip 0.05in
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Normalizzando il coefficiente di $y$ mediante
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l'affinità $f_4 \in A(\AA_2(\RR))$ tale per cui $f_4(\vec x) = \SMatrix{1 & 0 \\ 0 & -\frac{1}{2b_2}}$,
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e detto $p_4 = p_3 \circ f_4$, si ottiene finalmente
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che $p_4(x, y) = x^2 - y$, ossia che $\mathcal{C}$ è
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affinemente equivalente a una parabola ($\mathcal{C}_3$). \\
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Se $\rg(\MM(p)) = 2$, allora necessariamente
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$b_2 = 0$ e $c \neq 0$. Si costruisce dunque
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l'affinità $f_3 \in A(\AA_2(\RR))$ definita in
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modo tale che $f_3(\vec x) = \SMatrix{\sqrt{\abs{c'}} & 0 \\ 0 & 1}$ e si pone
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$p_3 = p_2 \circ f_3$. Se $S(\MM(p)) = 0$, allora necessariamente $c' < 0$, e quindi vale che $p_3$ è multiplo di $x^2 - 1$. Pertanto $\mathcal{C}$ è affinemente
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equivalente alla conica generata da due rette reali parallele ($\mathcal{C}_5$). Se invece $S(\MM(p)) = 2$, $c'$ è strettamente positivo, e quindi $p_3$ è
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multiplo di $x^2 + 1$. In tal caso $\mathcal{C}$ è affinemente equivalente alla conica
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generata da due rette complesse coniugate, distinte e parallele ($\mathcal{C}_9$). \\
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Se invece $\rg(\MM(p)) = 1$, sia $b_2$ che $c$ devono
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essere nulli. Allora $p_2(x, y) = x^2$, da cui
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si deduce che $\mathcal{C}$ è affinemente
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equivalente alla conica generata da due rette
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reali coincidenti ($\mathcal{C}_6$), completando la classificazione.
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\end{proof}
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\begin{remark}
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È utile osservare che la classificazione delle
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coniche complesse è una mera conseguenza della
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classificazione delle coniche reali. È possibile
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infatti dedurre le coniche complesse
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``dimenticando'' il segno nelle equazioni canoniche
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delle coniche reali. Formalmente è sufficiente
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costruire un'affinità in modo tale che una variabile
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venga moltiplicata per $i$ per far sì che il segno
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scompaia.
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\end{remark}
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\end{document}
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