Elipse: Polo e polar

Construção da polar de um ponto P exterior

- Método das tangentes: traçamos por P as tangentes à cónica; os pontos de tangência definem a polar.

[A.A.F.]
< - Método do quadrilátero: por P traçamos duas secantes; as intersecções com a cónica determinam um quadrilátero; os dois pontos de intersecção dos lados opostos definem a polar de P.



[A.A.F.]

Cónicas: pólo e polar

Há cerca de um ano atrás, decidimos dar uma determinada orientação a este blogue. De facto, estava a iniciar-se uma "febre" de resolução de problemas de geometria no "Geometriagon" (http://www.polarprof.org/geometriagon/default.asp). Atendendo a que muitos dos problemas exigiam o conhecimento de conceitos geométricos (e propriedades) muito afastados dos actuais programas escolares, considerámos que seria desejável fornecer instrumentos de trabalho para evitar frustrações...

Recentemente têm aparecido no "Geometriagon" uma série de problemas referentes a cónicas que exigem o conhecimento de questões tais como razões harmónicas, polos e polares, elementos conjugados, projectividades, involuções. Daí estarmos a desenvolver tais assuntos na medida em que vão ser necessários para resolver os problemas propostos.
Voltemos, então, às cónicas como foi prometido.

Polo e polar relativamente à elipse

Tomemos um ponto P e uma elipse. Façamos passar por P uma secante s à elipse; sejam A e B os pontos de intersecção. Determinemos o conjugado harmónico P' de P em relação a A e B. Para toda a secante por P à elipse é possível determinar o conjugado harmónico P' de P em relação aos pontos de intersecção.

Demonstra-se que o lugar geométrico de tais conjugados harmónicos é uma recta p que se diz polar de P em relação à elipse; P é o polo de p.
Se P é ponto da cónica, a sua polar é a tangente em P.


[A.A.F.] Ao deslocar o ponto B da elipse, verificará que o conjugado P' de P em qualquer dos quartetos harmónicos da figura vai estar sobre uma reta p. Deslocando P para tomar posições quaisquer no exterior da elipse verificará que a cada posição de P corrresponde um ponto P' e que ao deslocar B verificará que P' tomará, como é de esperar, posições sobre a mesma reta - polar de P.

Círculo polar

Publicamos um exemplo de exercício interactivo em que se aplicam definições de polar de um ponto (relativamente a uma circunferência) como uma actividade de descontração no meio deum grande conjutno de resultados que nos vão levar de volta às cónicas.
Aqui fica: Dados dois pontos P e A, pretende-se determinar uma circunferência que passe por P e em relação à qual uma recta a dada é a polar de A.

Polaridade

Polar de um ponto em relação a duas rectas

Tomemos um ponto P e duas rectas r e r' concorrentes em O. Façamos passar por P uma recta s que intersecta r e r' em A e B; determinemos o conjugado harmónico, P', de P em relação a A e a B: (PP'AB) = -1.
Qual será o lugar geométrico dos pontos P' conjugados harmónicos de P em relação aos pontos A e B quando s varia?
Demonstra-se que é uma recta d´definida por P' e O. Diz-se que d' é a polar do ponto P em relação às rectas r e r'.





Se a polar de P passa por P', a polar de P' passa por P.

Considerámos duas rectas concorrentes. Se as rectas são paralelas mantém-se o que foi dito.

Polar de um ponto em relação a uma circunferência

Tomemos um ponto P e uma circunferência (c). Façamos passar por P uma secante s à circunferência; sejam A e B os pontos de intersecção. Determinemos o conjugado harmónico P' de P em relação a A e B. Para toda a secante por P à circunferência é possível determinar o conjugado harmónico P' de P em relação aos pontos de intersecção. Demonstra-se que o lugar geométrico de tais conjugados harmónicos é uma recta p que se diz polar de P em relação à circunferência; P é o polo de p.





Para determinar a polar de P, basta fazer passar por P duas secantes e determinar os dois conjugados harmónicos de P. Claro que se traçarmos as tangentes ªa circunferência por P, a polar é definida pelos pontos de tangência.

Considerámos o ponto P exterior à circunferência. Se P for interior, a polar será uma recta exterior.

Se P é ponto da circunferência, a sua polar é a tangente à circunferência em





Um exemplo notável de polo e polar: já foi referido que, na elipse e na hipérbole, cada directriz é a polar do foco correspondente em relação ao círculo principal.

Pontos conjugados em relação a uma circunferência: A e B são conjugados se a polar de cada um passa pelo outro.
Rectas conjugadas em relação a uma circunferência: a e b são conjugadas se o polo de cada uma pertence à outra.

A razão positiva

Se a razão dupla anarmónica (ABCD) = k for positiva, C e D não separam A e B, que é o mesmo que dizer que C e D ou estão ambos entre A e B ou ambos fora do segmento [AB].
Para determinar um quaterno anarmónico de razão dupla positiva, por exemplo, (ABCD)=1/4, basta fazer uma construção semelhante à que fizemos no artigo anterior, mas em que tomamos sobre a recta tirada por A dois segmentos 4 para 1 num dos semiplanos definidos pela recta dos pontos AB.
Assim:


[A.A.M.]
Na nossa construção pode fazer variar a recta m (AMN) e os pontos A, B e C.

Razão anarmónica

Até agora temos vindo a considerar casos de divisão e separação harmónica em que a razão dupla de quatro pontos colineares (ABCD) =(|AC|/ |BC|) / (|AD|/ |BD|)= 1, (ou -1, considerando os vectores).

Podemos considerar casos de divisão e separação não harmónica em que a razão dupla (ABCD)=k diferente de -1. Dizemos que tal razão é anarmónica. Interessante é saber determinar o quarto anarmónico, isto é, determinar sobre uma recta r, o ponto D assim relacionado com A, B e C: |AC|/|BC| = k. (|AD|/|BD|). Para o exemplo de construção que se segue, consideramos k=2 (k=-2, se considerássemos os vectores).



[A.A.M.]

Por A fazemos passar uma recta m qualquer em que marcamos dois segmentos na razão 2 para 1. Com o extremo do segmento 2 (de m) e o ponto C definimos uma recta n; n intersecta a recta p paralela a m tirada por B. Unindo esta intersecção (de m com p) ao extremo do segmento 1 de m, definimos uma recta que intersecta r no ponto D.

Nota: No caso da nossa construção, não haverá ponto próprio D, correspondendo a um ponto C que seja tal que |AC|=2.|BC|.

Feixes harmónicos

Se tivermos quatro pontos - A, B, C e D - colineares e tais que (ABCD)=-1, dizemos que um feixe de rectas paralelas ou concorrentes que passem por eles é um feixe harmónico e convencionamos escrever O(ABCD)= (abcd)=-1.


[AdAM]
Se um recta corta um feixe num quarteto harmónico convencionamos chamá-lo de feixe harmónico porque qualquer outra recta que corta o feixe o faz segundo um quarteto harmónico (a harmonia é invariante por projecção central ou paralela). Um exemplo simples e interessante de feixe harmónico é constituído por dois lados de um triângulo qualquer e as bissectrizes internas e externas do ângulo formado por esses dois lados.

Harmonia que se projecta

Se na recta r, C e D separam harmonicamente A e B, (ABCD)=-1, os seus transformados, por projecção de centro O sobre s, são tais que C' e D' separam harmonicamente A' e B'.


[A.dA.M.]
A razão harmónica é invariante por projecção (seja ela paralela, seja central). No caso, pode verificar que a razão harmónica se mantém invariante, quando desloca O (muda o centro da projecção), quando desloca S (faz variar a recta s), e ainda quando deslocar A, B ou C sobre a recta r.

Harmonia que se projecta

Se na recta r, C e D separam harmonicamente os pontos A e B, as imagens por projecção paralela sobre s, C' e D' separam harmonicamente os pontos A' e B'.



[A.dA.M.]
Na construção, pode deslocar os pontos A,B e C sobre r, bem como A' sobre s e mudando de uma para outra projecção paralela. Pode ainda verificar factos de que as harmonias se matem para cada ABC-->D depende de Q e A'B'C'-->D' não depende de T e variando as posições de P pode obter prova de que não depende do destino da projecção paralela.

Quadrilátero completo

Chamamos quadrilátero completo à figura formada por 4 rectas (lados) que se cortam duas a duas, de tal modo que haja 6 intersecções (vértices). Às 3 rectas definidas por vértices não consecutivos, damos o nome de diagonais e ao triângulo por elas formado, damos o nome de triângulo diagonal.


[A.A.M]
E, como é óbvio, cada diagonal é dividida harmonicamente pelas outras duas.
Usando a liberdade de C, D, E pode, sem mudar as posições de A e B, pode deslocar P até que coincida com a posição do ponto médio de [AB], e verá que CE fica paralelo a AB e deixamos de ter o triângulo diagonal (Q está no infinito ou, se quisermos, é um ponto impróprio).
Dito de outro modo, não falamos do conjugado harmónico de P relativamente a A e a B, se P for ponto médio de [AB] ( se fosse |AP|=|BP|, para haver conjugado harmónico de P relativamente a A e B, teria de haver em AB um ponto Q fora de [AB] tal que |AQ|=|BQ|).

Conjugados harmónicos, com régua

Sejam [AB] e P de [AB]. A partir de A e B construimos um quadrilátero completo de vértices A, B, C, D, E e F obrigando a que uma diagonal passe por P (E tem de ficar determinado sobre a recta PC). A outra diagonal DF intersecta AB em Q, que é o conjugado harmónico de P relativamente a A e B.



[A.A.M.]
Na figura, pode movimentar o ponto C e verificar que as mudanças no quadrilátero não influenciam e para um ponto fixo P há um só conjugado Q. Movimentando o ponto P verifica que as variações de comprimentos dos vectores não prejudicam a igualdade das razões. Para cada ponto P há um conjugado Q relativamente a A e B.
Claro que também pode movimentar A e B e verificar que para cada par (A,B) há um conjugado de P.

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À margem:
Estas entradas sobre divisões harmónicas resolvem problemas de divisão e multiplicação de segmentos (em linha).
Se P e Q são conjugados harmónicos relativamente a A e B, |AP|/|BP|=|AQ|/|BQ|. Por exemplo, dizer que |AP|/|BP|=3 é o mesmo que dizer |AB|=4|BP| e determinar o conjugado de P é determinar um ponto Q tal que |AQ|=3|BQ|.
|AB|=|AQ|-|BQ|=2|BQ|, logo |AQ|=1,5|AB|

Conjugados harmónicos, com régua e compasso.

Sabendo que as bissectrizes do ângulo C de um triângulo [ABC] determinam sobre AB conjugados harmónicos relativamente a [AB], podemos tratar de encontrar um processo geral para determinar o conjugado de um ponto qualquer da recta AB relativamente a A e B.

Tomando a mediatriz de [AB] e uma circunferência que passe por A e B, bem como o diâmetro [MN] sobre a mediatriz , a recta que passa por M e qualquer ponto P entre A e B é a bissectriz de um ângulo ACB, em que C é um ponto de MP sobre a circunferência. A recta NC é bissectriz externa do mesmo ângulo e, por isso, intersecta AB em Q que é o conjugado de P. De modo análogo, podemos partir de um ponto exterior a [AB] unindo-o a N para determinar o seu conjugado relativamente a A e B.

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Passos da construção com régua e compasso:

• de n=1 a n=5 determina-se o conjugado de um ponto do segmento [AB];
• de n=6 até n=10 determina-se o conjugado de um ponto da reta AB exterior ao segmento [AB]

[AdAM]

Na figura, pode movimentar o centro O da circunferência e verificar que para um ponto fixo P há um só conjugado Q. Ao movimentar o ponto P verifica que para cada ponto P há um conjugado Q. Pode também movimentar A e B.

harmonia triangular

Seja o triângulo [ABC] e as bissectrizes interna e externa do ângulo C que intersectam a recta AB em P (entre A e B) e Q. Estão dados os comprimentos |PA|, |PB|, |QA| e |QB|, para verificar que |PA|/|PB|= |QA|/|QB|. Pode mover os potos A, B sobre a recta r e C livremente na folha. Constatará que as razões se mantêm iguais.


[A.A.M.]

Quando há esta relação de igualdade entre as razões |PA|/|PB| e |QA|/|QB|, dizemos que é harmónica a separação operada por P e Q no segmento [AB] e que P e Q são conjugados harmónicos relativamente a A e B.

Para continuar as cónicas mais adiante

Só aparentemente é que vamos interromper a série de propridades e exercícios sobre cónicas. Para continuar esse trabalho, sentimos necessidade de fazer algumas viagens por conceitos que não são leccionados nas escolas portuguesas e são, por isso, estranhos à maioria dos leitores portugueses deste "blog".
Cónicas, até já!

Em busca da hipérbole IV

Traçar uma hipérbole de que se conhece um ponto Q, uma assíntota a₁ e uma directriz d₁.

Em busca da hipérbole III

Traçar uma hipérbole de que se conhece um ponto Q, uma assíntota a₁ e as duas directrizes, d₁ e d₂.