Vol. 3, No. 1, Janeiro-Março de 2013 ARTIGO ORIGINAL OS PONTOS DE BROCARD οͺPaulo Sérgio C. Lino1 e Kleber Kilhian2 1 Mestre em matemática pura pela UFSCar e professor contratado do Departamento de Matemática, UNEMAT.- Universidade do Estado de Mato Grosso, Campus Barra do Bugres - MT. 2 Técnico em eletrônica e licenciado em matemática pela UNIMESP. Resumo Neste trabalho apresentamos uma classe de pontos notáveis em um triângulo ABC, conhecidos por Pontos de Brocard. As provas dos teoremas foram feitas através da Trigonometria, sendo que estes resultados podem ser constatados através da Geometria Dinâmica. Palavras-chaves: pontos notáveis, construções geométricas, geometria dinâmica. 1. Introdução A geometria dinâmica é um termo utilizado para nomear (indicar) um método dinâmico e interativo para o ensino e aprendizagem de geometria e suas propriedades usando ambientes computacionais destinados a esse fim [1]. Atualmente, com desenvolvimento e popularização dos softwares, a geometria dinâmica proporciona uma forma diferenciada e é um recurso didático valioso no ensino da geometria plana. Tais softwares vêm ganhando destaque também como um forte aliado na investigação em Geometria [2]. Entende-se por softwares de Geometria Dinâmica aqueles capazes de construir e manipular objetos geométricos na tela do computador [3]. O estudo dos triângulos e de suas propriedades é importante para o desenvolvimento da geometria plana. As três cevianas básicas de um triângulo são: a altura, a mediana e a bissetriz. As três medianas de um triângulo interceptam em um único ponto chamado baricentro, o mesmo ocorre com a interseção das alturas e das bissetrizes. Existem muitos outros pontos notáveis em triângulo, tais como os pontos de Fermat [4], os pontos de Nagel, ponto de Lemoine, etc. Pierre René Jean Baptiste Henri Brocard nasceu a 12 de maio de 1845 em Vignot, França e morreu em 16 de janeiro de 1922 em Bar-le-Duc, França. Brocard passou a maior parte de sua vida estudando meteorologia como um oficial da marinha οͺ [email protected] Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 40 francesa, mas suas contribuições notáveis são na matemática. Suas descobertas mais conhecidas talvez tenham sido os pontos de Brocard, o triângulo de Brocard e o círculo de Brocard. Neste artigo, vamos nos limitar aos pontos de Brocard, sua construção através do software RÉGUA E COMPASSO e algumas propriedades obtidas usando trigonometria elementar. 2. Definições Os Pontos de Brocard são pontos especiais dentro de um triângulo e podem ser definidos como: Definição 1: Em um triângulo de vértices π΄1 π΄2 π΄3 , (rotulados no sentido anti-horário) denotado por (π) = π΄1 π΄2 π΄3 , existe um ponto único Ξ© tal que os ângulos β Ξ©π΄1 π΄2 = β Ξ©A2 π΄3 = β Ξ©π΄3 π΄1 são iguais. O ponto Ξ© é chamado de 1º Ponto de Brocard. Definição 2: Num mesmo triângulo de vértices π΄1 π΄2 π΄3 , (rotulados no sentido antihorário) denotado por (π)β² = π΄1 π΄2 π΄3 , existe um ponto único Ξ©β² tal que os ângulos β Ξ©π΄1 π΄3 = β Ξ©A3 π΄2 = β Ξ©π΄3 π΄1 são iguais. O ponto Ξ©β² é chamado de 2º Ponto de Brocard. Figura 1. Triângulo com os pontos e os ângulos de Brocard. Note que π = β Ξ©π΄1 π΄2 = β Ξ©A2 π΄3 = β Ξ©π΄3 π΄1 e πβ² = β Ξ©β²π΄1 π΄3 = β Ξ©β²A3 π΄2 = β Ξ©β²π΄2 π΄1 são iguais. Este ângulo em comum é chamado de Ângulo de Brocard. Os dois Pontos de Brocard estão intimamente relacionados entre si. Na verdade, a única diferença entre Ξ© e Ξ©β² é que o segundo ponto de Brocard é obtido de (π) por uma mudança de orientação. Os Pontos de Brocard são conjugados isogonais um do outro. 3. Construção Geométrica Uma construção elegante do 1º Ponto de Brocard pode ser descrita como: Num triângulo (π) = π΄1 π΄2 π΄3 com lados opostos π1 , π2 e π3 descreva uma circunferência que passe pelos pontos π΄1 e π΄2 que seja tangente ao lado π1 . Da mesma forma, descreva uma circunferência que passe por π΄2 e π΄3 que seja tangente ao lado π2 . Descreva uma Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 41 terceira circunferência que passe por π΄3 e π΄1 que seja tangente ao lado π3 . A intersecção dessas três circunferências gera o 1º Ponto de Brocard denotado por Ξ©. Sua construção geométrica com régua e compasso por ser feita como se segue: 1) Construa um triângulo (π) = π΄1 π΄2 π΄3 qualquer. 2) Descreva uma circunferência πΆ1 de centro π1 que passe pelos pontos π΄1 e π΄2 e que seja tangente ao lado π1 em π΄2 . Para isso, trace um segmento ortogonal ao lado π1 por π΄2 . Em seguida, trace a mediatriz do lado π3 . A intersecção desses dois segmentos é o centro π1 da circunferência πΆ1 de raio π1 π΄1 = π1 π΄2 . Figura 2. Segundo passo da construção do primeiro ponto de Brocard. 3) Analogamente, construímos a circunferência πΆ2 de centro π2 que passa pelos pontos π΄2 e π΄3 , tangente ao lado π2 em π΄3 . Trace um segmento ortogonal ao lado π2 por π΄3 e trace a mediatriz do lado π1 , determinando o centro π2 da circunferência πΆ2 . Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 42 Figura 3.Terceiro passo da construção do primeiro ponto de Brocard. 4) Da mesma forma construímos a circunferência πΆ3 de centro π3 que passa pelos pontos π΄1 e π΄3 , tangente ao lado π3 por π΄1 . Trace um segmento ortogonal ao lado π3 por π΄1 e trace a mediatriz do lado π2 , determinando o centro π3 da circunferência πΆ3 . Figura 4. Etapa final da construção do primeiro ponto de Brocard. 5) O ponto triplo dado pela intersecção das três circunferências é o 1º Ponto de Brocard, designado por Ξ©. Unindo o ponto Ξ© a cada um dos vértices do triângulo, determinamos o ângulo π, tal que: π = β Ξ©π΄1 π΄2 = β Ξ©A2 π΄3 = β Ξ©π΄3 π΄1 Para a construção do 2º ponto de Brocard, basta seguir o mesmo procedimento descrito acima tomando a orientação inversa. Unindo o ponto Ξ©β² a cada vértice do triângulo, determinamos o ângulo πβ², tal que: Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 43 πβ² = β Ξ©β²π΄1 π΄3 = β Ξ©β²A3 π΄2 = β Ξ©β²π΄2 π΄1 Figura 5.Triângulo A1A2A3 com os ângulos e os pontos de Brocard. 4. Propriedades Importantes Nesta seção, veremos algumas propriedades interessantes sobre os pontos e os ângulos de Brocard. Outras propriedades e a relação com as matrizes circulantes e o fólium de Descartes podem ser vistas em [5]. Teorema 1: Em um triângulo (π) = π΄1 π΄2 π΄3 , existe um único ponto denotado por πΊ, tal que β πΊπ΄1 π΄2 = β πΊπ΄2 π΄3 = β πΊπ΄3 π΄1 . Demonstração: A existência deste ponto foi apresentada acima. Para a unicidade, suponha que exista um ponto Ξ© no triângulo (π) = π΄1 π΄2 π΄3 tal que: β Ξ©π΄1 π΄2 = β Ξ©A2 π΄3 = β Ξ©π΄3 π΄1 . Assim, o segmento π΄2 π΄3 é tangente em π΄2 ao círculo πΆ1 que passa pelos pontos π΄1 , Ξ© e π΄2 . Isto pode ser provado observando que o triângulo π1 Ξ©π΄2 é isósceles: Pelas propriedades existentes num triângulo isósceles, segue que: π= π (180° β 2π½) = = 90° β π½ βΉ 2 2 π½ + π = 90° Demonstrando assim que o segmento π΄2 π΄3 é tangente ao círculo πΆ1 em π΄2 . Isto significa que Ξ© é um ponto comum aos três círculos, sendo que os lados do triângulo (π) = π΄1 π΄2 π΄3 são tangentes a cada círculo conforme a figura 6 abaixo. Reciprocamente, é possível provar que os três círculos πΆ1 , πΆ2 e πΆ3 onde πΆ1 é tangente a π΄2 π΄3 e passa por π΄1 , πΆ2 é tangente a π΄1 π΄3 e passa por π΄2 e πΆ3 é tangente a π΄1 π΄2 e passa pelo ponto π΄3 são concorrentes em um ponto que está necessariamente no interior do triângulo (π) = π΄1 π΄2 π΄3 . Desta forma, Ξ© é único. Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 44 Figura 6. Construção auxiliar para provar a unicidade do ponto Ξ© de Brocard. Teorema 2: Em um triângulo (π) = π΄1 π΄2 π΄3 , de ângulos internos πΌ1 , πΌ2 π πΌ3 e lados opostos π1 , π2 π π3 , respectivamente, contendo o ponto πΊ, existe o ângulo π tal que π = β πΊπ΄1 π΄2 = β πΊπ΄2 π΄3 = β πΊπ΄3 π΄1 , de modo que vale a relação: πππ‘(π) = πππ‘(πΌ1 ) + πππ‘(πΌ2 ) + πππ‘(πΌ3 ) Demonstração: Considere o triângulo na Fig. 7 abaixo. Aplicando a lei dos senos no triângulo π΄1 π΄3 Ξ©, obtemos: π΄3 Ξ© π2 = sen(Ξ±1 β Ο) sen(180° β πΌ1 ) π΄3 Ξ© π2 = sen(Ξ±1 β Ο) sen(πΌ1 ) (1) Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 45 Figura 7. Figura auxiliar para o teorema 2. Note que pelo teorema do ângulo externo πΌ1 = π + (πΌ1 β π). Analogamente, aplicando a lei dos senos no triângulo π΄2 π΄3 Ξ©, obtemos: π΄3 Ξ© π1 π1 = = sen(Ο) sen(Ξ±1 + Ξ±2 ) sen(180° β πΌ1 β πΌ2 ) π΄3 Ξ© π1 = sen(Ο) sen(Ξ±3 ) (2) E aplicando a lei dos senos no triângulo π΄1 π΄2 π΄3 , obtemos: π1 π2 (3) = sen(Ξ±1 ) sen(Ξ±2 ) De (1) e (2) temos: π2 β sen(Ξ±1 β Ο) π1 β sen(Ο) = sen(Ξ±1 ) sen(Ξ±3 ) π2 sen(Ξ±1 ) β sen(Ο) = π1 sen(Ξ±1 β Ο) β sen(Ξ±3 ) (4) Mas de (3), temos que: π2 sen(Ξ±2 ) = π1 sen(Ξ±1 ) de modo que: sen(Ξ±2 ) sen(Ξ±1 ) β sen(Ο) = sen(Ξ±1 ) sen(Ξ±1 β Ο) β sen(Ξ±3 ) Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 46 sen(Ξ±1 β Ο) β sen(Ξ±2 ) β sen(Ξ±3 ) = sen(Ξ±1 ) (5) sen(Ξ±1 ) β sen(Ο) Mas, πΌ1 + πΌ2 + πΌ3 = 180°. Assim, sen(Ξ±1 ) = sen(180° β Ξ±2 β Ξ±3 ) βΉ sen(Ξ±1 ) = sen(Ξ±2 + Ξ±3 ) (6) Substituindo (6) em (5), obtemos: sen(Ξ±1 β Ο) β sen(Ξ±2 ) β sen(Ξ±3 ) = sen(Ξ±2 + Ξ±3 ) (7) sen(Ξ±1 ) β sen(Ο) Mas, sen(Ξ±1 β Ο) = sen(Ξ±1 ) β cos(π) β sen(Ο) β cos(πΌ1 ) consequentemente, sen(Ξ±1 β Ο) = cot(π) β cot(πΌ1 ) (8) sen(Ξ±1 ) β sen(Ο) Substituindo (8) em (7), segue que: (cot(π) β cot(πΌ1 )) β sen(Ξ±2 ) β sen(Ξ±3 ) = sen(Ξ±2 + Ξ±3 ) (cot(π) β cot(πΌ1 )) β sen(Ξ±2 ) β sen(Ξ±3 ) = sen(Ξ±2 ) β cos(πΌ3 ) + sen(Ξ±3 ) β cos(πΌ2 ) cot(π) β cot(πΌ1 ) = sen(Ξ±2 ) β cos(πΌ3 ) + sen(Ξ±3 ) β cos(πΌ2 ) βΉ sen(Ξ±2 ) β sen(Ξ±3 ) cot(π) β cot(πΌ1 ) = cot(πΌ3 ) + cot(πΌ2 ) cot(π) = cot(πΌ1 ) + cot(πΌ2 ) + cot(πΌ3 ) (9) Corolário 1: Se πΌ1 = πΌ2 = πΌ3 = 60°, então π = 30°. Demonstração: cot(π) = 3 cot(60°) cot(π) = 3 3 = tan(60°) β3 tan(π) = β3 3 π = 30° Corolário 2: Segue do teorema anterior que cot 2 (π) = cot 2 (πΌ1 ) + cot 2 (πΌ2 ) + cot 2 (πΌ3 ) + 2 Demonstração: Elevando ao quadrado ambos os lados da expressão (9), obtemos: cot 2 (π) = [cot(πΌ1 ) + cot(πΌ2 ) + cot(πΌ3 )]2 Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 47 cot 2 (π) = cot 2 (πΌ1 ) + cot 2 (πΌ2 ) + cot 2 (πΌ3 ) + +2 cot(πΌ1 ) cot(πΌ2 ) + 2 cot(πΌ1 ) cot(πΌ3 ) + +2 cot(πΌ2 ) cot(πΌ3 ) (10) Mas, cot(πΌ1 ) cot(πΌ2 ) + cot(πΌ1 ) cot(πΌ3 ) + cot(πΌ2 ) cot(πΌ3 ) = = cot(πΌ1 ) cot(πΌ2 ) + cot(πΌ3 ) [cot(πΌ1 ) + cot(πΌ2 )] = = = cos(πΌ1 ) cos(πΌ2 ) cos(180° β πΌ1 β πΌ2 ) + β [cot(πΌ1 ) + cot(πΌ2 )] = sen(Ξ±1 )sen(Ξ±2 ) sen(180° β Ξ±1 β Ξ±2 ) cos(πΌ1 ) cos(πΌ2 ) cos(πΌ1 + πΌ2 ) cos(πΌ1 ) sen(Ξ±1 ) + cos(πΌ2 ) sen(Ξ±2 ) β β [ ]= sen(Ξ±1 )sen(Ξ±2 ) sen(Ξ±1 + Ξ±2 ) sen(Ξ±1 )sen(Ξ±2 ) = = cos(πΌ1 ) cos(πΌ2 ) cos(πΌ1 + πΌ2 ) β = sen(Ξ±1 )sen(Ξ±2 ) sen(Ξ±1 )sen(Ξ±2 ) cos(πΌ1 ) cos(πΌ2 ) β [cos(πΌ1 ) cos(πΌ2 ) β sen(Ξ±1 )sen(Ξ±2 )] sen(Ξ±1 )sen(Ξ±2 ) == =1 sen(Ξ±1 )sen(Ξ±2 ) sen(Ξ±1 )sen(Ξ±2 ) Assim, da expressão (10) segue que: cot 2 (π) = cot 2 (πΌ1 ) + cot 2 (πΌ2 ) + cot 2 (πΌ3 ) + 2 (11) Corolário 3: Do teorema anterior, segue que 1 1 1 1 (12) = + + sen2 (Ο) sen2 (Ξ±1 ) sen2 (Ξ±2 ) sen2 (Ξ±3 ) Demonstração: Da expressão (11) de outro modo, usando a relação trigonométrica fundamental: cos2 (π) + sen2 (ΞΈ) = 1 De fato, cos 2 (π) cos2 (πΌ1 ) cos 2 (πΌ2 ) cos 2 (πΌ3 ) = + + +2βΉ sen2 (Ο) sen2 (Ξ±1 ) sen2 (Ξ±2 ) sen2 (Ξ±3 ) 1 β sen2 (Ο) 1 β sen2 (Ξ±1 ) 1 β sen2 (Ξ±2 ) 1 β sen2 (Ξ±3 ) = + + +2βΉ sen2 (Ο) sen2 (Ξ±1 ) sen2 (Ξ±2 ) sen2 (Ξ±3 ) 1 1 1 1 β 1 = β 1 + β 1 + β1+2βΉ sen2 (Ο) sen2 (Ξ±1 ) sen2 (Ξ±2 ) sen2 (Ξ±3 ) 1 1 1 1 = + + sen2 (Ο) sen2 (Ξ±1 ) sen2 (Ξ±2 ) sen2 (Ξ±3 ) Teorema 3: Em um triângulo (π) = π΄1 π΄2 π΄3 , de ângulos internos πΌ1 , πΌ2 π πΌ3 e lados opostos π1 , π2 π π3 , respectivamente, contendo o ponto πΊ, existe o ângulo π tal que π = β πΊπ΄1 π΄2 = β πΊπ΄2 π΄3 = β πΊπ΄3 π΄1 , de modo que vale a relação: Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 48 πππ‘(π) = πΌ12 + πΌ22 + πΌ32 4β onde Ξ é a área do triângulo (π) = π΄1 π΄2 π΄3 . Demonstração: Note que: 1 β= π2 π3 sen(πΌ1 ) (13) 2 Figura 8. Figura auxiliar para o teorema 3. Pela lei dos cossenos, temos que: π12 = π22 + π32 β 2π2 π3 cos(πΌ1 ) βΉ π2 π3 cos(πΌ1 ) = π22 + π32 β π12 (14) De (13) e (14), segue que: 4 cot(πΌ1 ) = 2π2 π3 cos(πΌ1 ) π22 + π32 β π12 = 1 Ξ ) 2 π2 π3 sen(πΌ1 βπ12 + π22 + π32 (15) cot(πΌ1 ) = 4Ξ Por simetria temos: cot(πΌ2 ) = π12 β π22 + π32 (16) 4Ξ e cot(πΌ3 ) = π12 + π22 β π32 4Ξ (17) Substituindo (15), (16) e (17) em (9), segue que: (βπ12 + π22 + π32 ) + (π12 β π22 + π32 ) + (π12 + π22 β π32 ) cot(π) = 4Ξ Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 49 cot(π) = π12 + π22 + π32 4Ξ (18) Teorema 4: Em um triângulo (π) = π΄1 π΄2 π΄3 , de ângulos internos πΌ1 , πΌ2 π πΌ3 e lados opostos π1 , π2 π π3 , respectivamente, contendo o ponto πΊ, existe o ângulo π tal que: 0β€πβ€ π 6 Demonstração: Da expressão (8), sabemos que: sen(Ξ±1 β Ο) = cot(π) β cot(πΌ1 ) sen(Ξ±1 ) β sen(Ο) Trocando π por β π, obtemos: sen(Ξ±1 + Ο) cos(βπ) = β cot(πΌ1 ) sen(Ξ±1 ) β sen(βΟ) sen(βπ) β sen(Ξ±1 + Ο) cos(π) =β β cot(πΌ1 ) sen(Ξ±1 ) β sen(Ο) sen(π) sen(Ξ±1 + Ο) = sen(πΌ1 ) cot(π) + cos(πΌ1 ) sen(Ο) sen(Ξ±1 + Ο) = sen(πΌ1 )[cot(πΌ1 ) + cot(πΌ2 ) + cot(πΌ3 )] + cos(πΌ1 ) sen(Ο) sen(Ξ±1 + Ο) cos(πΌ2 ) cos(πΌ3 ) = cos(πΌ1 ) + sen(πΌ1 ) + sen(πΌ1 ) + cos(πΌ1 ) sen(Ο) sen(πΌ2 ) sen(πΌ3 ) sen(Ξ±1 + Ο) sen(Ξ±2 ) cos(πΌ1 ) + sen(πΌ1 ) cos(πΌ2 ) = + sen(Ο) sen(Ξ±2 ) + sen(πΌ1 ) cos(πΌ3 ) + sen(πΌ3 ) cos(πΌ1 ) sen(πΌ3 ) sen(Ξ±1 + Ο) sen(πΌ1 + πΌ2 ) sen(πΌ1 + πΌ3 ) = + sen(Ο) sen(πΌ2 ) sen(πΌ3 ) Mas, πΌ1 + πΌ2 + πΌ3 = π, de modo que: (19) sen(πΌ1 + πΌ2 ) = sen(π β πΌ2 ) = sen(πΌ3 ) e sen(πΌ1 + πΌ3 ) = sen(π β πΌ2 ) = sen(πΌ2 ) Assim: sen(Ξ±1 + Ο) sen(πΌ3 ) sen(πΌ2 ) = + sen(Ο) sen(πΌ2 ) sen(πΌ3 ) Pela lei dos senos no triângulo (π) = π΄1 π΄2 π΄3 , sabemos que: sen(πΌ2 ) sen(πΌ3 ) sen(πΌ2 ) π2 = βΉ = a2 π3 sen(πΌ3 ) π3 donde segue que Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 50 π3 π 2 sen(πΌ1 + π) π3 π2 π + π3 = + =2β 2 sen(π) π2 π3 2 βΉ sen(πΌ1 + π) π3 π2 β₯β β =2 sen(π) π2 π3 pela desigualdade aritmética-geométrica. Isto mostra que: sen(πΌ1 + π) β₯2 sen(π) e a igualdade é válida se e somente se π2 = π3. Consequentemente: 1 π 2sen(π) β€ sen(πΌ1 + π) β€ 1 βΉ 0 < sen(π) β€ βΉ 0 < π β€ 2 6 e π = π/6 se e somente se (π) for um triângulo equilátero. 5. Referências Bibliográficas: [1] Geometria Dinâmica. Disponível em: http://www.geometriadinamica.com.br/. Acessado em 20/02/2013. [2] ZULATTO, R. B. A. (2002). Professores de Matemática que Utilizam Softwares de Geometria Dinâmica: suas características e perspectivas. Dissertação. Universidade Estadual Paulista β UNESP. [3] GOMES DA SILVA, G.H & GODOI PENTEADO, MIRIAM. (2009). O trabalho com geometria dinâmica em uma perspectiva investigativa. Programa de Pós Graduação em Ensino de Ciência e Tecnologia β PPGECT, Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR. [4] Wolfram Mathworld. Disponível em: http://mathworld.wolfram.com/FermatPoints Acessado em 20/02/2013. [5] Stroeker, R. J. Brocard Points, Circulants Matrices, and Descarteβs Folium. Mathematics Magazine, Vol. 61, No 3, 172-178. Vol. 3, No. 1, Janeiro β Março 2013, Página 51