Circunferência tangente a três outras circunferências

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Um exemplo de síntese num problema de construção cujos passos são sugeridos pela análise do problema

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Problema: Construir uma circunferência tangente a três circunferências dadas pelos seus centros e respetivos raios $\;(A,a), \;(B,b), \;(C, c)\;$

15 abril 2018, Criado com GeoGebra

Transcrevemos a seguir uma adaptação do excerto de metodologia para a resolução de problemas de
F.G.-M., Exércices de Géométrie…. 6ème éd., J. de Gigord. Paris:1920, (http://gallica.fr)-

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Nota (45 de F.G-M.).Há problemas de construção geométrica para os quais basta o recurso a um só teorema para acedermos à solução. Mas para a maioria dos problemas, a resposta não depende de um só resultado já conhecido. E, por isso, para resolver um problema é necessário recorrer a uma sucessão de problemas mais simples. Já percorremos longos caminhos construtivos em que cada passo dado não é mais do que um apoio para o passo seguinte até termos conseguido a solução do problema originalmente proposto. Apresentamos a seguir um problema de construção que analisamos para descobrir a sequência de problemas que é necessário resolver por uma ordem que é a inversa da que vamos seguir quando apresentamos em síntese.

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Problema 46: Construir uma circunferência tangente a três circunferências dadas pelos seus centros e respectivos raios $\;(A,a), \;(B,b), \;(C, c)\;$

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F.G.-M., Exércices de Géométrie…. 6ème éd., J. de Gigord. Paris:1920, (http://gallica.fr)- Problème
46. Décrire une circonférence tangente à trois circonférences données $\;A, B, C\;$

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Consideremos o problema resolvido, isto é, suponhamos que temos determinada uma circunferência $\;(D, d)\;$ que é tangente a cada uma das circunferências $\;(A, a),\; (B, b), \; (C, c)\;$ dadas pelos respectivos (centro, raio). Consideremos, por exemplo, que $\;(A, a)\;$ é a de menor raio das circunferências dadas: $\;a < b, \;a < c \;$

A distância entre centros de circunferências tangentes é igual à soma dos seus raios e, assim, $\;DA= d+a,\; DB=d+b,\; DC= d+c.\;$ Uma circunferência de centro em $\;D\;$ e raio $\;DA=d+a\;$ é tangente à circunferência de centro em $\;B\;$ e raio $\;DB-DA=d+b-(d+a)=b-a\;$ e também à circunferência de centro em $\;C\;$ e raio $\;DC-DA=d+c-(d+a)=c-a.\;$ Se existir, a circunferência $\;(D, AD)\:$ é tangente a $\;(B, b-a)\;$ e a $\;(C, c-a)\;$ e passa por $\;A.$
Consideremos a semelhança (homotetia) entre as circunferências $\;(B, b-a)\;$ e a $\;(C, c-a)\;$ e tiremos pelo centro $\;E\;$ da homotetia uma tangente $\;EFG\;$ comum às duas, sendo pontos de tangência $ \;F\;$ e $\;G,\;$ respetivamente de $ \;(B, b-a)\;$ e $\;(C, c-a).\;$

Por isso, podemos dizer que precisamos de resolver o seguinte
Problema 47: Construir uma circunferência que passa por um ponto $\;A\;$ e é tangente a duas circunferências dadas $\;(B,b-a),\; (C, c-a)\;$

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F.G.-M., Exércices de Géométrie…. 6ème éd., J. de Gigord. Paris:1920, (http://gallica.fr)- Problème
47. Décrire une circonférence qui passe par un point $\;A\;$ et qui soit tangente à deux circonférences données $\;(B, F)\;$ et $\;(C, G)\;$

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A reta $\;EA\;$ intersectará a circunferência $\;(D,d)\;$ num ponto $\;H\;$ tal que $\;EA.EH=EF.EG,\;$ potência de $\;E\;$ relativamente à circunferência $\;(FGH)\;$ ou seja um ponto da circunferência $\;(D,d)\;$ fica determinado na intersecção de $\;EF\;$ com $\;(FGA).\;$
E o nosso problema depende da resolução do

Problema 48: Construir uma circunferência que passa por dois pontos $\;A,\; H\;$ dados e é tangente a uma das circunferências $\;(B, b-a)\;$ ou $\;(C, c-a)\;$ que se resume a construir uma circunferência que passe por três pontos dados $\;F,\;G, \;A.$

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F.G.-M., Exércices de Géométrie…. 6ème éd., J. de Gigord. Paris:1920, (http://gallica.fr)- Problème
48. Décrire une circonférence qui passe par deux points A, H donnés et qui soit tangente à une circonférence donnée
Ce troisième problème se ramène à ce quatrième : faire passer une circonférence par trois points donnés.

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Nota (49a F.G.-M.) As indicações dadas são analíticas, desmontam o problema em vários, mas como cada resultado não é recíproco de nenhum dos outros, é preciso estudar cada um deles com cuidado, para não omitir alguma das soluções. Atente-se:

1. Há uma só circunferência a passar por três pontos não colineares.
2. Há duas circunferência a passar por dois pontos e tangente a uma outra circunferência.
3. Há quatro circunferências a passar por um ponto e tangente a duas outras circunferências
4. Há oito circunferências tangentes a três outras circunferências.

O método sintético expõe em primeiro lugar o problema mais simples que é o quarto e logo depois o terceiro, o segundo, e finalmente o problema geral, caminho inverso do seguido no método da exposição analítica percorrido, provavelmente seguido por François Viète e, como exemplo de simplificações sucessivas, apresentado por Georges RITT no seu Problèmes de Géometrie.

Triângulo isósceles: invariância da soma das distâncias do lados iguais a pontos da base.

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TEOREMA: Se por um ponto qualquer $\;D,\;$ da base $\;BC\;$ de um triângulo $\;ABC\;$ isósceles, tirarmos perpendiculares $\;DE, \; DF\;$ respetivamente aos lados $\;AC\;$ e $\;AB\;$ iguais, então a soma $\;DE+DF\;$ é sempre a mesma qualquer que seja a posição de $\;D.\;.$
PROBLEMA: Provar que é invariante a soma das distâncias $\;DE+DF\;$ de um ponto qualquer $\;D\;$ de $\;BC\;$ aos lados $\;AC\;$ e $\;AB\;$ .

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F.G.-M., Exércices de Géométrie…. 6ème éd., J. de Gigord. Paris:1920, - Problème 20. 20. La somme des perpendiculaires abaissées d'un point quelconque de la base d'un triangle isocèle sur les côtés égaux, quelconque est une quantité constante.

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Todos os passos da construção e demonstração em tudo são análogos aos usados na anterior entrada

$\;\fbox{n=1}:\;$ Apresenta-se um triângulo isósceles $\;ABC\;$ de base $\;BC\;$ e sobre esta um ponto $\;D\;$ que pode tomar a posição de qualquer dos seus pontos. E mostram-se também os pontos $\;E, \;F\;$ pés das perpendiculares a $\;AC,\; AB\;$ por $\;D\;$ tiradas.Também se mostram os segmentos (distâncias do problema) das perpendiculares $\;[DE],\; [DF]$

$\;\fbox{n=2}:\;$ Para verificar a invariância da soma, bastará prolongar uma das perpendiculares, no caso da nossa construção prolongamos o segmento $\;[DF]\;$ acrescentando $\;[DN],\;$ em que $\;N\;$ é ponto de intersecção da recta $\;DF\;$ com uma paralela a $\;AC\;$ tirada por $\;C\;$ (ou o que é o mesmo com uma perpendiculara a $\;DF\;$ tirada por $\;C.$)
Ficamos assim com três triângulos retângulos semelhantes $\;DBF, \;CDN, \;DCE:\;$

• $\; \angle F\hat{B}D = \angle D\hat{C}E\;$ ângulos da base do triângulo $\;ABC\;$ isósceles;
• $\; \angle D\hat{F}B = \angle C\hat{E}D= 1\;$ reto, por construção (dados da hipótese);
• e, em consequência, $\; \angle B\hat{D}F= \angle E\hat{D}C\;$;
• $\;\angle N\hat{C}D= \angle F\hat{B}D \;$ por terem os lados inversamente paralelos;
• e finalmente $\; \angle B\hat{D}F = \angle C\hat{D}N \;$ são iguais por serem verticalmente opostos.
• Podemos agora afirmar que, mais do que semelhantes, são iguais os triângulos $\;CED, \;CDN\;$ por terem os três ângulos iguais e a hipotenusa $\;CD\;$ comum.
• Por isso, $\;DE = DN\;$ e $\;FD+DN= FD+DE = FN\;$ que os valores referidos nos textos abaixo da construção sugerem que os diversos valores de $\;DE\;$ e $\;DF\;$ quando $\;D\;$ se desloca sobre a base $\;BC\;$ têm uma soma constante.

31 janeiro 2018, Criado com GeoGebra

$\;\fbox{n=3}:\;$ Apresenta-se neste passo o segmento $\;[CL]\;$ da paralela a $\;FN\;$ tirada por $\;C\;$ (ou da perpendicular a $\;AB\;$ tirada por $\;C\;$ que é uma das duas alturas iguais do triângulo $\;ABC\;$ tiradas pelos vértices opostos $\;C\;$ e $\;B\;$ opostos aos lados iguais $\;AB\;$ e $\;AC,\;$ que não sofre qualquer variação quando $\;D\;$ muda de posição e tem comprimento igual a $\;\overline{FN},\;$ ou seja, à soma das duas distâncias dos lados iguais do triângulo isósceles a cada ponto da base. Fica assim demonstrado que essa soma é constante.

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Quando $\;D\;$ se encontra em $\;C\;$o retângulo $\;CLFN\;$ tem área $\; CL\times FF\;$ nula. Quando $\;D\;$ se encontra em $\;B\;$o retângulo $\;CLFN\;$ tem área $\; CL\times LB\;$ máxima

Quanto ao perímetro, como uma das dimensões do retângulo é sempre a mesma, o perimetro é um mínimo $\;CL\;$ quando $\;D\;$ toma a posição de $\;C\;$ e é máximo $\;2(CL+LB)\;$ quando $\;D\;$ toma a posição de $\;B\;$

Paralelogramos inscritos num triângulo isósceles com um perímetro comum.

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TEOREMA:Por um ponto qualquer $\;D,\;$ da base $\;BC\;$ de um triângulo $\;ABC\;$ isósceles, tiram-se paralelas aos lados iguais $\;AB, \;AC\,$ do triângulo que intersetam os lados $\;AC, \;AB \;$ em $\;E\;$ e em $\;F\;$ respetivamente. Para cada $\;D\;$ de $\;]BC[\;$ há um paralelogramo $\;[DEAF].\;$ Prova-se que os paralelogramos $\;[DEAF]:\;D \in ]BC[\;$ são isoperimétricos.
PROBLEMA: Provar que a soma dos comprimentos dos lados de todos os paralelogramos é invariante.

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F.G.-M., Exércices de Géométrie…. 6ème éd., J. de Gigord. Paris:1920, - Problème 19. Par un point quelconque de la base d'un triangle isocèle on mène des parallèles aux côtés égaux; prouver qye le parallélogramme ainsi formé a un périmètre constant.

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Considera-se que na resolução deste problema de demonstração se recorre ao método geral de análise já que se aceita que a afirmação é verdadeira, o que é o mesmo que supor ter o problema resolvido. Os primeiros três passos da construção abaixo dão toos os elementos para a demonstração do teorema.

$\;\fbox{n=1}:\;$ Apresenta-se um triângulo isósceles $\;ABC\;$ de base $\;BC\;$ e sobre esta um ponto $\;D\;$ que pode tomar a posição de qualquer dos seus pontos. E mostram-se também os pontos $\;E, \;F\;$ vértices do paralelogramo $\;DEAF\;$ conforme dados da hipótese do teorema.

$\;\fbox{n=2}:\;$ Claro que lados opostos do paralelogramo têm comprimento igual (segmentos paralelos entre paralelas são iguais) $\;AE=FD, \;AF=DE\;$ e, por isso, o perímetro de $\;DEAF\;$ é igual ao dobro da soma de dois dos seus lados consecutivos: $\;DE+EA+AF+FD= 2 (DE+FD). \;$ Se $\;DE+FD\;$ não depender da posição de $\;D\;$ em $\;BC\;$, o perímetro de $\;DEAF\;$ não varia quando a posição de $\;D\;$ varia. Desloque $\;D\;$ para confirmar isso (conjetura) - nos textos se vê como variam os comprimentos $\;DE\;$ e $\;FD\;$ tendo soma constante.

$\;\fbox{n=3}:\;$ Claro que ângulos de lados paralelos são iguais em amplitude, por exemplo, $\;\angle B\hat{A}C= \angle D\hat{E}C =\angle B\hat{E}D, \; $ $\angle B\hat{C}A= \angle D\hat{C}E = \angle B\hat{D}F\;$ e, como é óbvio, por ser $\;\angle A\hat{B}C = \angle B\hat{C}A\;$ do triângulo isósceles $\;ABC,\;$ os triângulos $\;BDF\;$ e $\;DCE,\;$ de onde se retira que $\;DE=EC\;$ ou seja $\;\overline{FD}+\overline{ED} = \overline{FD}+\overline{EC}=\overline{AE}+\overline{ED}\;$
Prolongando $\;FD\;$ e tirando por $C\;$ a paralela a $\;AB\;$ obtemos um paralelogramo $\;FGCA\;$ que para qualquer posição de $\;D\;$ (incluindo $\;B\;$ e $\;C\;$) $\;FD+DE =FG= AC\;$ que não depende da posição de $\;D\;$

22 janeiro 2018, Criado com GeoGebra

Aproveitamos a oportunidade para lembrar um OUTRO PROBLEMA (clássico), usando a mesma construção:
Dos paralelogramos $\;DEAF\;$ isoperimétricos, qual deles tem área máxima?
De outro modo, qual a posição de $\;D\;$ para a qual $\;DEAF\;$ tem área máxima?
Ou ainda, de entre os números com uma certa soma constante, quais deles têm um produto máximo?
$\;\fbox{n=4}:\;$ Mostra-se a área de $\;DEAF\;$ variável com $\;D\;$ como se pode ver.
$\;\fbox{n=5}:\;$ Quando a posição de $\;D\;$ varia em $\;BC\;$, a área de $\;DEAF\;$ como função de $\;BD\;$ é representada por uma curva que se mostra neste passo… □

Problema de construção —análise e síntese (9)

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De vez em quando vamos acrescentando problemas de construção euclidiana (régua e compasso) usando um outro dos métodos já apresentados seguindo vários autores que foram sendo referenciados. Hoje resolvemos um problema de quadrados a partir da análise das propriedades de quadrados, ângulos, … triângulos isósceles,….

Problema: Construir um quadrado de que é dado um segmento de comprimento igual à soma $\;d+l"\;$ dos comprimentos da diagonal e do lado.

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F.G.-M. Exércices de Géométrie…. 6ème éd., J. de Gigord. Paris:1920, Problema 41.

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Análise do problema:
Com o problema resolvido, teríamos um quadrado $\;[ABCD]\;$ sendo $\;AB=BC=CD=DA=l,\; AC=BD=d.\;$ Sabemos que as diagonais de um quadrado são perpendiculares se bissetam num ponto e bissectam os ângulos retos do quadrado. Cada uma das diagonais divide o quadrado em dois triângulos rectângulos isósceles. $\;ABC, \;CDA\;$ por $\;AC\;$ e $\;DAB, \; BCD\;$ por $\;DB.\;$
O que temos é um segmento de reta de comprimento $\;d+l = \overline{AC}+\overline{CD}.\;$ Tomada uma reta qualquer e sobre ela o segmento de reta de extremos $\;A\;$ e $\;E\;$ como uma extensão da diagonal $\;AC,\;$ o vértice $\;C\;$ do quadrado é o ponto que divide $\;AE = d+l\;$ em $\;AC=d\;$ e $\;CE=l.\;$
Chamemos $\;M\;$ ao ponto médio de $\;AE,\;$ podemos construir um triângulo retângulo isósceles de hipotenusa $\;AE\;$ e catetos $\;AF, \;EF\;$ sendo $\;F\;$ a intersecção da perpendicular a $\:AE\,$ tirada por $\;M\,$ com uma semicircunferência de diâmetro $\;AE\;$. Este triângulo isósceles é meio quadrado de diagonal $\;AE\;$ Sobre o cateto $\;AF\;$ deste triângulo $\;AEF,\;$ incidirá o vértice $\;D\;$ do quadrado que procuramos. Como $\;AE\;$ é a reta da diagonal $\;AC, \;\; CD \parallel EF \perp AF\;$

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A construção (sintética, a seguir) é sugerida pelas relações desveladas na análise acima feita. Pode segui-la fazendo variar os valores de $\;n\;$ no cursor $\;\fbox{n=1,..., 5}.\;$

8 janeiro 2018, Criado com GeoGebra

Considerando as considerações acima, podemos apresentar em síntese, os passos da nossa construção bem justificados.

Para $\;\fbox{n= 1}:\;$ a figura apresentada ilustra os dados $\;A, \;E,\;AE= d+l$, para além do cursor $\;\fbox{n=1,..., 5}.\;$

Para $\;\fbox{n= 2}:\;$ acrescentamos

• o ponto $\;M\;$ médio de $\;AE\;$ e a perpendicular a $\;AE\;$ tirada por $\;M\;$ — mediatriz — (recorrendo a $\;(A, \;AE). (E,\;EA)),\;$ por exemplo).
• o ponto $\;F\;$ numa intersecção $\; \displaystyle (\perp_M AE) . (M,\;ME)\;$ e os catetos $\;EF, \;FA\;$ triângulo retângulo isósceles de hipotenusa $\;AE.\;$

Para $\;\fbox{n= 3}:\;$ acrescentamos a bissetriz do ângulo $\; \displaystyle A\hat{E}F =\frac{\pi}{4}\;$ que determina o vértice $\;D\;$ do quadrado na sua intersecção com $\;AF. \;$ Como $\;CD \parallel EF\;$ e uma paralela a $\;EF\;$ fará um ângulo da mesma amplitude de $\; \displaystyle A\hat{E}F =\frac{\pi}{4}\;$ sendo ângulo externo do triângulo determinado por estas últimas 3 retas e igual à soma dos ângulos internos a ele não adjacentes e que devem ser de iguais amplitudes —$\;\displaystyle \frac{\pi}{8}\;$ para que os lados opostos a cada um deles sejam iguais, ou seja $\; DC=CE\;$ já que $\;C \;$ é tal que $\;AE = AC+CD=d+l. \;$

Para $\;\fbox{n= 4}:\;$ acrescentam-se

• o ponto $\;C\;$ como $\; (\parallel_D EF).AM\;$
• as retas $\; \displaystyle (\perp_A AF)\;$ e $\; \displaystyle (\perp_C EF)\;$
• o ponto $\;B\;$ como intersecção $\; \displaystyle (\perp_A AF) . (\perp_C EF)\;$
• os segmentos de reta $\; AB, \;BC, \; CD, \;DA\;$ como lados do quadrado que procurámos.

Para $\;\fbox{n= 5}:\;$ realçamos o interior do quadrado $\;[ABCD].\;$      □