GEOMETRIA

1.12.14

Pontos equidistantes de uma circunferência e um ponto a ela exterior.

Ao longo dos anos, apresentamos várias definições e várias construções para as cónicas recorrendo a condições com distâncias de ponto a ponto, de ponto a reta, de reta a reta. Vamos agora introduzir lugares geométricos dos pontos que verificam condições usando distâncias de ponto a circunferência, reta a circunferência e circunferência a circunferência. Nesta entrada, trataremos do lugar geométrico dos pontos equidistantes a um ponto e a uma circunferência dados.

Tomemos um ponto $\;A\;$ e uma dada circunferência $\;(O, r)\;$. A distância do ponto $\;A\;$ a $\;(O, \;r)\;$ é dada por

$\;AO - r\;$ no caso de $\;A\;$ ser exterior à circunferência; <\li>
$\;r-AO\;$ no caso de $\;A\;$ ser interior à circunferência;
$\;0\;$ n caso de $\;A\;$ estar sobre a circunferência.

De um modo geral, podemos dizer que a distância de um ponto $\;P\;$ qualquer do plano a uma circunferência $\;(O, \; r)\:$ é dada por $$\; |PO-r|\;$$

Na nossa construção,
$\;\; \fbox{n=1}:\;\;$ é dada a circunferência $\;(O, \; r)\;$ e um ponto $\;A\;$ exterior a ela.
Fazendo variar os valor de $\;n\;$ no cursor $\;\fbox{n=}\;$, pode seguir os passos da resolução do problema de construção do lugar geométrico dos pontos equidistantes de $\;A\;$ e de $\;(O, \;r)\;$
$\;\; \fbox{n=2}:\;\;$ A reta definida por $\;A\,$ e $\;O\;$ interseta a circunferência no ponto $\;B_0\;$ que é o ponto da circunferência mais próximo de $\;A. \;$ A distância de $\;A\;$ à circunferência é, pois, $\;AB_0= AO-r\;$ e o ponto $\;M-0\;$, médio do segmento $\;AB_0\;$ é equidistante de $\;A\;$ e de $\;(O, \;r)\;$ e, por isso é um ponto do lugar geométrico que procuramos.

$\;\; \fbox{n=3}:\;\;$ Para determinar outros pontos $\;P\;$ equidistantes de $\;A\;$ e da circunferência, lembremo-nos que a distância de pontos $\; P\;$ à circunferência é medida sobre a reta $\;PO\;$. Tomando um ponto $\;B\;$ da circunferência, variável, a existirem cada um dos pontos $\;P\;$ que procuramos estará sobre alguma reta $\;BO,\;$ com $\;B\;$ a percorrer a circunferência. Como distância $\;PB\;$ de $\;P\;$ à circunferência terá de ser igual a $\;PA, \;$ $\;P\;$ terá de ser um ponto da mediatriz de $\;AB\;$, para cada $\;B\;$ da circunferência.
$\;\; \fbox{n=4}:\;\;$Clicando sobre o botão $\;\; \fbox{|>}\;\;$ de animação de $\;B\;$ verificará que, quando $\;B\;$ percorre a circunferência $\;(O, \;r),\;$ o ponto $\;P\;$ percorre uma hipérbole de focos $\;A\;$ e $\;O,\;$ como seria de esperar, já que $\;PA=PB=PO-r\;$ que é o mesmo que $\;PO-PA=r :\;$
A diferença $\;PO-PA\;$ das distâncias de $\;P\;$ a $\;A\;$ e a $\;O\;$ é constante (igual ao raio $\;r\;$da circunferência dada).

26.11.14

Invariante nas triangulações de polígonos inscritíveis (2)

Consideremos um polígono convexo $\;[A_1 A_2 \;\ldots A_{k} \ldots A_n]\;$ inscrito numa circunferência de centro $\;O \;$ e raio $\;R\;$ dados. Tomemos uma triangulação, por exemplo $\; [A_1A_2A_3], \; [A_1A_3A_4],\; \dots , \; [A_1A_{k-1}A_k], \; \dots \; [A_1A_{n-1}{A_n}]$ de $\;n-2\;$ triângulos e designemos por $\;i_k\;$ o inraio do triângulo $\;[A_1A_kA_{k+1}]\;$. Há várias triangulações para cada polígono, mas
a soma dos raios das circunferências inscritas nos triângulos é a mesma para qualquer das triangulações possíveis. Provemos.

No artigo publicado a 20.11.14 sob o título soma invariante nas triangulações de quadrilátero convexo inscrito mostrámos que, para um quadrilátero convexo inscrito numa cirucnferência de centro $\;O\;$ e raio $\;R\;$ dados,

a soma dos inraios de uma das triangulações é igual à soma dos inraios da outra
e, para isso, se demonstrou o teorema de Carnot:
- para um triângulo acutângulo $\;ABC\;$ inscrito numa circunferência de centro $\;O\;$ e raio $\;R\;$ se chamarmos $\;i\;$ ao inraio de $\;ABC\;$ e $\; m, \; n, \;p\;$ às distâncias de $\;O\;$ aos lados $\;a=BC, \;b=AC, \;c=AB\;$ respetivamente, então $$R+i =m+n+p$$
- para um triângulo $\;ABC\;$, obtusângulo em $\;C, \;$ verifica-se que $$R+i =m+n-p$$
óbvio é que se $\;ABC\;$ for um triângulo retângulo em $\;C, \;$ verifica-se que $$R+i =m+n$$ já que $\;AB=c\;$ é um diâmetro de $\;(O)\;$

Na figura abaixo, apresenta-se um hexágono convexo $\;[A_1A_2A_3A_4A_5A_6]\;$ inscrito numa circunferência $\;(O).\;$ A imagem inicial apresenta um hexágono com $\;O\;$ como ponto do seu interior e no interior de $\;[A_1A_4A_5]\;$ triângulo da triangulação feita tomando as diagonais tiradas por $\;A_1\;$, no exemplo. Para além das diagonais, na figura também estão visíveis as distâncias $\;OM_k =m_k\;$ (aos lados do polígono $A_kA_{k+1} \;$) e $\;ON_k = n_k\;$ (às diagonais $\;A_1A_3,\; A_1A_4, \;A_1A_5\;$ que são lados dos triângulos da triangulação tomada.

Aplicando o Teorema de Carnot (referido acima) aos triângulos em que decompusémos o nosso polígono, temos
$ R+i_1 = m_1+m_2-n_1 $ $R+i_2 = n_1+m_3-n_2$ $R+i_3 = n_2+n_3 + m_4$ $R+i_4 = m_5 +m_6 -n_3$ e, por isso, $$ 4R + (i_1 + i_2 +i_3 +i_4 )= m_1+m_2+m_3+m_4 +m_5+m_6 $$ ou $$i_1 + i_2 +i_3 +i_4 =m_1+m_2+m_3+m_4 +m_5+m_6 -4R \;\;\;\;\; \square$$ A soma dos inraios é igual à soma das distâncias do circuncentro aos lados do polígono diminuida do número de circunraios igual ao número de triângulos da triangulação (exatamente igual a $\;n-2, \;$ sendo $\;n\;$ o número de vértices ou número de lados do polígonos unicamente dependente do polígono e da sua circunscrita e independente da triangulação tomada.

Este raciocínio aplica-se a qualquer polígono convexo inscritos em circunferência com centro no interior do polígono e, forçosamente, em algum triângulo cujos lados são lados ou diagonais do polígono.
O mesmo raciocínio pode ser utilizado para o caso de $\;O\;$ ser um ponto exterior ao polígono inscrito em $\;(O,\; R).\;$ Nestas condições, o ponto $\;O\;$ é exterior a todos os triângulos de qualquer triangulação que se tome.
Verificará que, por aplicação do Teorema de Carnot, o resultado se mantém o mesmo.
O resultado pode ser demonstrado por indução finita, usando o resultado da entrada anterior. Para um triângulo, o inraio varia conforme tenha um ângulo obtuso, reto ou todos agudos. Para um quadrilátero convexo inscrito mantém-se invariante a soma dos inraios para cada uma das triângulações. Bastará provar que, para qualquer $\;p\geq 4\;$,
se a soma dos inraios de um polígono convexo inscrito de $\;p\;$ lados é invariante para todas as suas triangulações então também tal se verifica para todos os polígonos convexos inscritos de $\;p+1\;$ lados
Um polígono convexo inscrito de $\;p+1\;$ lados, $\;\left\{A_k\right\}_{k=1, ...,p+1}\;$, pode decompor-se sempre em dois polígonos inscritos na mesma circunferência, a saber: um polígono de $\;p\;$ lados — $\;\left\{A_k\right\}_{k=1, ...,p}\;$ —, e um triângulo $\;A_1A_pA_{p+1}\;$. Pela hipótese de indução, para $\;p\geq 4\;$. $$i_1 + i_2+ i_3 + \dots + i_{p_3}+ i_{p-2} =m_1+ m_2+ m_3 + \dots +m_{p-2} + n_{(p+1)/2} -(p-3)R$$ $\;O\;$ pode ser interior de $\;\left\{A_k\right\}_{k=1, ...,p}\;$ (e exterior de $\;A_1A_pA_{p+1}\;$) ou .... ou exterior a ambos....
Consideremos $\;O\;$ exterior a $\;A_1A_pA_{p+1}\;$ e $\angle A_1\hat{A_p}A_{p+1}$ obtuso. A distância de $\;O\;$ ao lado $\;A_1A_p\;$, oposto ao obtuso neste triângulo, é $\;n_{(p+1)/2} \;$, sendo $\;m_p\;$ a distância de $\;O\;$ a $A_pA_{p+1}$ e $\;m_{p+1}\;$ a $A_{p+1}A_1$.
Para este último triângulo $\;A_1A_pA_{p+1}\;$ inscrito em $\;(O, \;R)\;$ de que $\;O\;$ está no exterior ($\angle A_1\hat{A_p}A_{p+1}$ é obtuso), o seu inraio $\;i_{p-1}\;$ é igual a $\;m_p + m_{p+1} - n_{(p+1)/2} -R \;$
Podemos então escrever para $\;p\geq 4, $ $$i_1 + i_2+ i_3 + \dots + i_{p-3}+ i_{p-2} + \underbrace{i_{p-1}}=\\\ =m_1+ m_2+ m_3 + \dots +m_{p-2} + n_{(p+1)/2} -(p-2)R + \underbrace{m_p + m_{p+1} - n_{(p+1)/2} -R}$$ ou $$i_1 + i_2+ i_3 + \dots + i_{p-3}+ i_{p-2} + i_{p-1}=m_1+ m_2+ m_3 + \dots +m_{p+1-2} + m_{p+1-1} + m_{p+1} -(p+1-2)R $$ como queríamos provar.