Universidade do Sul de Santa Catarina Geometria I Disciplina na modalidade a distância Palhoça UnisulVirtual 2006 GI_MTM.indb 1 13/9/2007 10:18:31 GI_MTM.indb 2 13/9/2007 10:18:37 Apresentação Este livro didático corresponde à disciplina Geometria I. O material foi elaborado, visando a uma aprendizagem autônoma. Aborda conteúdos especialmente selecionados e adota linguagem que facilite seu estudo a distância. Por falar em distância, isso não significa que você estará sozinho/a. Não se esqueça de que sua caminhada nesta disciplina também será acompanhada constantemente pelo Sistema Tutorial da UnisulVirtual. Entre em contato, sempre que sentir necessidade, seja por correio postal, fax, telefone, e-mail ou Ambiente Virtual de Aprendizagem. Nossa equipe terá o maior prazer em atendê-lo/a, pois sua aprendizagem é nosso principal objetivo. Bom estudo e sucesso! Equipe UnisulVirtual. GI_MTM.indb 3 13/9/2007 10:18:37 GI_MTM.indb 4 13/9/2007 10:18:37 Christian Wagner Kelen R. S. Silva Geometria I Livro didático Design instrucional Karla Leonora Dahse Nunes Palhoça UnisulVirtual 2006 GI_MTM.indb 5 13/9/2007 10:18:38 Copyright © UnisulVirtual 2006 N enhum a parte desta publicação pode ser reproduzida por qualquer m eio sem a prévia autorização desta instituição. 515.15 W13 Wagner, Christian Geometria I : livro didático / Christian Wagner, Kelen R. S. Silva ; design instrucional Karla Leonora Dahse Nunes. – Palhoça : UnisulVirtual, 2006. 228 p. : il. ; 28 cm. Inclui bibliografia. ISBN 978-85-60694-45-7 1. Cálculo. 2. Geometria. I. Silva, Kelen R. S. II. Nunes, Karla Leonora Dahse. III. Título. Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Universitária da Unisul Créditos Unisul- Universidade do Sulde Santa Catarina UnisulVirtual- Educação Superiora Distância Cam pusUnisulVirtual Rua João Pereira dos Santos,303 Palhoça - SC- 88130-475 Fone/fax:(48)3279-1541 e 32791542 E-m ail: [email protected] Site:www.virtual.unisul.br ReitorUnisul Gerson LuizJoner da Silveira Vice-Reitore Pró-Reitor Acadêm ico Sebastião Salésio Heerdt Chefe de gabinete da Reitoria Fabian Martins de Castro Pró-Reitor Adm inistrativo Marcus Vinícius Anátoles da Silva Ferreira Cam pusTubarão e Araranguá Diretor:Valter Alves Schm itzNeto Diretora adjunta: Alexandra Orseni Cam pusGrande Florianópolise Norte da Ilha Diretor:Ailton Nazareno Soares Diretora adjunta:Cibele Schuelter Cam pusUnisulVirtual Diretor:João Vianney Diretora adjunta:Jucim ara Roesler Equipe UnisulVirtual Adm inistração Renato AndréLuz Valm ir Venício Inácio Bibliotecária Soraya Arruda W altrick Coordenação dosCursos Adriano Sérgio da Cunha Ana Luisa Mülbert Ana Paula Reusing Pacheco Cátia Melissa S.Rodrigues (Auxiliar) Charles Cesconetto Diva Marília Flem m ing Elisa Flem m ing Luz Itam ar Pedro Bevilaqua Janete Elza Felisbino Jucim ara Roesler Lilian Cristina Pettres (Auxiliar) Lauro JoséBallock LuizGuilherm e Buchm ann Figueiredo LuizOtávio Botelho Lento Marcelo Cavalcanti Mauri LuizHeerdt Mauro Faccioni Filho Nélio Herzm ann Onei Tadeu Dutra Patrícia Alberton Patrícia Pozza RafaelPete.da Silva Raulino Jacó Brüning Design Gráfico Cristiano Neri Gonçalves Ribeiro (coordenador) Adriana Ferreira dos Santos AlexSandro Xavier Evandro Guedes Machado Fernando Roberto Dias Zim m erm ann Higor Ghisi Luciano Pedro Paulo Alves Teixeira RafaelPessi Vilson Martins Filho Equipe DidáticoPedagógica Angelita MarçalFlores Carm en Maria Cipriani Pandini Carolina Hoeller da Silva Boeing Cristina Klipp de Oliveira Daniela Erani Monteiro W ill Dênia Falcão de Bittencourt Elisa Flem m ing Luz Enzo de Oliveira Moreira Flávia Lum i Matuzawa Karla Leonora Dahse Nunes Leandro Kingeski Pacheco Ligia Maria Soufen Tum olo Márcia Loch Patrícia Meneghel Silvana Denise Guim arães Tade-Ane de Am orim Vanessa de Andrade Manuel Vanessa Francine Corrêa Viviane Bastos Viviani Poyer Logística de Encontros Presenciais Caroline Batista (Coordenadora) Aracelli Araldi Graciele Marinês Lindenm ayr JoséCarlos Teixeira Letícia Cristina Pinheiro Kênia Alexandra Costa Herm ann Marcia Luzde Oliveira Priscila Santos Alves Logística de M ateriais Jeferson Cassiano Alm eida da Costa (coordenador) Eduardo Kraus M onitoria e Suporte Rafaelda Cunha Lara (coordenador) Adriana Silveira Caroline Mendonça Edison Rodrigo Valim Francielle Arruda Gabriela Malinverni Barbieri Gislane Frasson de Souza Josiane Conceição Leal Maria Eugênia Ferreira Celeghin Sim one Andréa de Castilho Vinícius MaycotSerafim Produção Industriale Suporte Arthur Em m anuelF. Silveira (coordenador) Francisco Asp ProjetosCorporativos Diane DalMago Vanderlei Brasil Secretaria de Ensino a Distância Karine Augusta Zanoni (secretária de ensino) Djeim e Sam m er Bortolotti Carla Cristina Sbardella Grasiela Martins Jam es MarcelSilva Ribeiro Lam uniêSouza Liana Pam plona Maira Marina Martins Godinho Marcelo Pereira Marcos Alcides Medeiros Junior Maria IsabelAragon Olavo Lajús Priscilla Geovana Pagani Silvana Henrique Silva Secretária Executiva Viviane Schalata Martins Tecnologia Osm ar de Oliveira Braz Júnior (coordenador) Ricardo Alexandre Bianchini Rodrigo de Barcelos Martins Edição – Livro Didático ProfessorConteudista Christian W agner Kelen R.S.Silva Design Instrucional Karla Leonora Dahse Nunes Projeto Gráfico e Capa Equipe UnisulVirtual Diagram ação Duarte MiguelMachado Neto Fernando Roberto Dias Zim m erm ann Ilustrações Edison Valim Revisão Ortográfica Am aline Issa Mussi Sumário Apresentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Palavras dos professores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 Plano de estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 UNIDADE UNIDADE UNIDADE UNIDADE 1 2 3 4 – – – – Representação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Triângulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Teorema de Tales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Áreas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Para concluir o estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Sobre os professores conteudistas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Respostas e comentários das atividades de auto-avaliação . . . . . . . . . . . . 201 Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 GI_MTM.indb 7 13/9/2007 10:18:38 GI_MTM.indb 8 13/9/2007 10:18:38 Palavras dos professores Neste texto, apresentamos o conteúdo da disciplina de Geometria I em conformidade com as definições do projeto pedagógico do curso. Pensamos que um livro de matemática deve ser acessível, coerente e informativo. Assim, escolhemos adotar diálogos informais introdutórios a cada unidade e seção, tendo como interlocutores as personagens George, um aluno igual a você, que deseja vencer no campo da matemática, e seus amigos, os matemáticos, Euclides, Pitágoras, Tales e Arquimedes. Através desses diálogos informais, você terá acesso a aspectos históricos da geometria, a pequenos lembretes, à formalização de alguns conceitos, ou, mesmo, a assuntos complexos. De outro lado, no desenvolvimento de cada unidade, você verá discorrer sobre a geometria com o rigor que a matemática exige, isto através de linguagem que colabore com o processo de ensino-aprendizagem. Em suma, o ensino, aqui, não resulta banalizado em nome da simplicidade. Tampouco foi sofisticado às expensas de uma linguagem hermética, não-assimilável. Motivamos o aluno, em muitas partes do livro, a buscar ferramentas computacionais para o estudo da geometria, entre eles o Cabri-Géomètre. Compareça! Outra recomendação: não deixe de fazer os exercícios que lhe são propostos. Nós, autores e tutores, nos colocamos à disposição para atendê-lo da melhor maneira possível, e, para isso, estaremos interagindo por meio das ferramentas disponíveis no ambiente virtual do seu curso. GI_MTM.indb 9 13/9/2007 10:18:38 Vamos nos socializar e construir o conhecimento juntos, esse é o caminho para o sucesso! Vamos à luta! E mãos à obra! Prof. Christian Wagner, Msc Profª. Kelen Regina Salles Silva, Msc GI_MTM.indb 10 13/9/2007 10:18:39 Plano de estudo O plano de estudos visa a orientá-lo/a no desenvolvimento da Disciplina. Nele, você encontrará elementos que esclarecerão o contexto da Disciplina e sugerirão formas de organizar o seu tempo de estudos. O processo de ensino e aprendizagem na UnisulVirtual leva em conta instrumentos que se articulam e se complementam. Assim, a construção de competências se dá sobre a articulação de metodologias e por meio das diversas formas de ação/mediação. São elementos desse processo: o livro didático; o Ambiente Virtual de Aprendizagem - AVA; as atividades de avaliação (complementares, à distância e presenciais). Ementa da disciplina: Representação axiomática da Geometria Plana. Elementos de Geometria plana aplicada em situações práticas. Construções geométricas. A geometria integrada aos diversos conteúdos específicos de Matemática. Análise de ferramentas computacionais aplicáveis à geometria. Carga horária: 60 horas – 4 créditos GI_MTM.indb 11 13/9/2007 10:18:39 Objetivo(s): Geral Propiciar ao futuro educador, condições para que o mesmo trabalhe na sala de aula o ensino de Geometria dentro de uma abordagem atual. Específicos Proporcionar ao aluno uma visão dos conteúdos da geometria plana, previstos nas Diretrizes Curriculares do Ensino fundamental e Médio. Aprofundar conceitos da geometria plana, estudados no ensino fundamental e médio. Adaptar estratégias e material didático para o ensino fundamental e médio. Explorar as relações entre a Geometria e a Álgebra. Criar hábitos de dedução matemática. Desenvolver conceitos de geometria plana dentro do ambiente Cabri-géomètre. Analisar conteúdos de geometria em livros-textos do ensino fundamental e médio. Mostrar através de materiais didáticos a aplicação da geometria no dia-a-dia. Conteúdo programático/objetivos Os objetivos de cada unidade definem o conjunto de conhecimentos que você deverá deter para o desenvolvimento de habilidades e competências necessárias à sua formação. Neste sentido, veja a seguir as unidades que compõem o Livro Didático desta Disciplina, bem como os seus respectivos objetivos. 12 GI_MTM.indb 12 13/9/2007 10:18:39 Unidades de estudo: 4 Unidade 1 - Representação Axiomática da Geometria Plana Conhecer alguns períodos da história da geometria. Identificar os principais axiomas da geometria. Resolver problemas envolvendo segmentos e ângulos. Unidade 2 - Triângulos Conhecer e classificar triângulos. Identificar triângulos retângulos e seus elementos. Compreender e Aplicar o Teorema de Pitágoras. Sintetizar relações trigonométricas num triangulo retângulo. Identificar triângulos congruentes, bem como o caso de congruência. Conhecer os pontos notáveis e algumas conclusões. Unidade 3 – Teorema de Tales Conhecer o axioma das paralelas. Sintetizar o Teorema de Tales, e conhecer algumas aplicações. Aplicar os casos de semelhança de triângulos, quando necessário. Compreender uma demonstração do Teorema de Pitágoras. Aplicar as relações métricas no triângulo retângulo. Compreender o cálculo da altura das pirâmides. 13 GI_MTM.indb 13 13/9/2007 10:18:39 Unidade 4 – Áreas de Figuras Planas Identificar um polígono. Calcular a área das principais figuras planas. Conhecer a diferença entre círculo e circunferência. 14 GI_MTM.indb 14 13/9/2007 10:18:39 Agenda de atividades/ Cronograma Verifique com atenção o AVA. Organize-se para acessar periodicamente o espaço da Disciplina. O sucesso nos seus estudos depende da priorização do tempo para a leitura; da realização de análises e sínteses do conteúdo; e da interação com os seus colegas e tutor. Não perca os prazos das atividades. Registre as datas no espaço a seguir, com base no cronograma da disciplina disponibilizado no AVA. Use o quadro para agendar e programar as atividades relativas ao desenvolvimento da Disciplina. Atividades Avaliação a Distância Avaliação Final (caso necessário) Demais atividades (registro pessoal) 15 GI_MTM.indb 15 13/9/2007 10:18:40 GI_MTM.indb 16 13/9/2007 10:18:40 UNIDADE 1 Representação Axiomática da Geometria Plana 1 Objetivos de aprendizagem Conhecer alguns períodos da história da geometria. Identificar os principais axiomas da geometria. Resolver problemas envolvendo segmentos e ângulos. Seções de estudo Seção 1 Aspectos históricos e noção intuitiva Seção 2 Axiomas de Incidência e Ordem Seção 3 Axiomas sobre medição de segmentos Seção 4 Axiomas sobre medição de ângulos GI_MTM.indb 17 13/9/2007 10:18:40 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de conversa Nesta unidade, você terá contato com um pouco da história da geometria, sua evolução no tempo e a contribuição de alguns povos na sua contextualização. Verá também que a geometria, para ser construída, requer uma base sólida que se fundamenta em algumas noções intuitivas e também numa série de propriedades tidas como válidas, sem demonstração, os chamados axiomas ou postulados. Ao final da unidade, pense e reflita como a geometria é importante no seu caminho e no seu dia-a-dia. Procure analisar e discutir bastante as atividades propostas nesta unidade, para que todas as suas dúvidas sejam esclarecidas. Lembre-se, o sucesso no campo da matemática requer esforço. Nesta imensa aventura, que é o estudo da geometria, você vai encontrar-se com vários personagens importantes da história da matemática. Neste primeiro capítulo, você conhecerá Euclides e um jovem que, como você, também está estudando geometria. Seu nome é George. Toda vez que um assunto importante requerer um pouco mais de cuidado, Euclides encontrará George em um sonho e o ajudará no aprendizado. George gosta de ler, estudar e, claro, de estar com a família. Ele não dispensa uma balada com os amigos. E então? Vamos conhecê-los e iniciar o estudo desta importante área da matemática? Acompanhe, a seguir, o diálogo entre Euclides e George. 18 GI_MTM.indb 18 13/9/2007 10:18:40 Geometria I George: Estou tão preocupado com geometria que já estou até sonhando com ela. Euclides: Calma, meu rapaz. George: Euclides? É você mesmo? Euclides: Claro, quem mais poderia ser? George: Devo estar sonhando. Euclides: E está, vim aqui para ajudá-lo. Que mal o aflige? George: A geometria. Estou preocupado, será que consigo entendê-la? Euclides: Com certeza. Veja bem, quando você contempla um prédio, o que o faz estar em pé? George: Ora, a sua base bem sólida. Euclides: Então, para você estar intimamente conectado com a geometria, você tem de construir uma base sólida para ela. George: E nisso você é craque, pois suas idéias de axiomas e postulados fizeram com que a geometria fosse toda construída a partir deles. Euclides: Então, meu jovem, parabéns, você já sabe por onde começar. Mãos a obra. George: Obrigado, Euclides! Vou começar agora mesmo, ou melhor, assim que eu acordar. Figura 1.1 - Teorema de Pitágoras na Babilônia? Unidade 1 GI_MTM.indb 19 19 13/9/2007 10:18:40 Universidade do Sul de Santa Catarina SEÇÃO 1 – Aspectos históricos e noção intuitiva Aspectos Históricos Não se sabe ao certo quando a geometria teve início, mas sabese que muitos povos da antiguidade já a utilizavam nas suas comunidades para muitos fins. Na Grécia antiga, por volta de 300 a.C., era afi xada a seguinte frase nas portas das principais escolas: Não entre nesta escola, se você não souber geometria. Mas foi nos idos de 600 a.C. que aconteceram alguns dos grandes momentos no desenvolvimento da geometria. Pitágoras e Tales de Mileto deram os primeiros passos na sistematização dos conhecimentos geométricos. Naquela época, a geometria era puramente experimental, sem demonstrações e conceitos dedutivos. Contudo é Euclides que, em 300 a.C., na Grécia, deu ordem lógica aos conhecimentos geométricos adquiridos por tantos povos ao longo de anos. Ele desenvolveu o raciocínio dedutivo, o qual diz que a geometria, por sua vez, pode ser desenvolvida a partir do conhecimento de apenas algumas idéias básicas - os chamados postulados ou axiomas. O seu grande trabalho foi a publicação de treze livros chamados de Elementos, nos quais apresenta todo o desenvolvimento da geometria até sua época. Sua contribuição foi tão espantosa, que a maioria das proposições existentes nos seus livros são adotadas até hoje, motivo pelo qual a geometria usada por nós é chamada de Geometria Euclidiana. Curiosidades: Existem algumas geometrias que são chamadas de Não-Euclidianas. São geometrias que não obedecem às regras ditadas por Euclides. Essas geometrias foram responsáveis pelo desenvolvimento, por exemplo, da teoria da relatividade de Einstein. O seu surgimento ocorreu a partir da tentativa de provar o Axioma das Paralelas, que aparecerá na unidade III. 20 GI_MTM.indb 20 13/9/2007 10:18:41 Geometria I Mas, afinal, o que significa a palavra Geometria? Os agrimensores egípcios já usavam a geometria para medir terrenos e suas terras, o mesmo faziam os gregos e outros povos. Esta atividade de medir terras, que com o tempo transformou-se em ciência, recebeu o nome de: A geometria, como se pode observar, é uma ciência de suma importância, inclusive para o desenvolvimento da humanidade. Deste modo, não é necessário buscar mais justificativas para estudá-la: basta enumerar suas bases e contemplar o que há de mais interessante na sua concepção. Noção Intuitiva Está lá, no diálogo entre Euclides e George, transcrito no início desta unidade: Quando contemplamos um edifício, sabemos que, para se sustentar, deve ter uma base sólida. Partindo desta idéia, pode-se imaginar a geometria como um imenso edifício e, portanto, exigindo uma base onde possa ser erguida. Diferente de muitas áreas da matemática, a geometria é construída através de conceitos primitivos ou intuitivos (ponto, reta e plano) e, também, através de postulados e axiomas. Axioma ou postulado é uma proposição admitida como verdadeira, sem demonstração. Unidade 1 GI_MTM.indb 21 21 13/9/2007 10:18:41 Universidade do Sul de Santa Catarina Como você viu anteriormente, foi o geômetra grego Euclides, em seu livro Elementos, o primeiro a desenvolver um sistema de idéias em geometria, no qual utiliza algumas afirmações simples, como verdadeiras (axiomas), para demonstrar outras mais complexas. Este sistema de idéias é chamado de dedutivo e inspirou muitas outras áreas, entre elas, a física, estudada por Newton. Observe a letra da música Aquarela, do cantor e compositor Toquinho: Numa folha qualquer eu desenho um sol amarelo E com cinco ou seis retas é fácil fazer um castelo Corro o lápis em torno da mão e me dou uma luva E se faço chover com dois riscos tenho um guarda-chuva Se um pinguinho de tinta cai num pedacinho azul do papel Num instante imagino uma linda gaivota a voar no céu Vai voando, contornando a imensa curva, Norte-Sul Vou com ela viajando Havaí, Pequim ou Istambul Pinto um barco à vela, branco navegando É tanto céu e mar num beijo azul Entre as nuvens vem surgindo um lindo avião, rosa e grená Tudo em volta colorindo com suas luzes a piscar Basta imaginar e ele está partindo, sereno indo E se a gente quiser, ele vai pousar. Esta letra de música expressa bem o que a geometria representa, ou seja, que ela está presente no nosso cotidiano. Note que apareceram muitas noções geométricas como retas, riscos e curva. E algumas palavras usadas na composição musical sugerem uma noção geométrica, por exemplo, um pingo de tinta nos dá a noção de um ponto. O mar, por exemplo, parece um imenso plano, até se perder na linha do horizonte. Com isso quer-se salientar que a geometria está presente a sua volta e que, principalmente, as três primeiras idéias intuitivas são: 22 GI_MTM.indb 22 13/9/2007 10:18:41 Geometria I Ponto: Não tem dimensão, não possui comprimento, largura ou espessura. Representa-se um ponto por letras latinas maiúsculas: Ponto A, Ponto B, Ponto P e etc. Por exemplo, as marcas que mostram as cidades em um mapa nos dão idéia de ponto: Figura 1.2 – Mapa de SC. Reta: A reta tem somente uma dimensão, isto é, comprimento infinito. Não possui largura nem espessura. No papel, representamos apenas “uma parte” da reta. Representa-se uma reta por letras latinas minúsculas: Reta a, Reta b, Reta r, e etc. Unidade 1 GI_MTM.indb 23 23 13/9/2007 10:18:42 Universidade do Sul de Santa Catarina Por exemplo, um barbante esticado nos dá a noção de reta: Plano: O plano tem duas dimensões: comprimento e largura. Não possui espessura. Assim como a reta, para representarmos o plano no papel, desenhamos apenas “uma parte” dele. Representa-se um plano por letras gregas minúsculas: Plano α, Plano β,... Por exemplo, uma quadra de tênis nos dá noção de plano: Figura 1.3 – Noção de plano. Você sabia que as letras gregas são muito utilizadas em Matemática? Veja, a seguir, as mais empregadas: • α (alfa), β (beta), δ (delta), ε (epsilon), φ (fi), γ (gama), η( ni), ϕ (psi), λ (lãmbida), µ (mi), π ( pi), θ (teta), ρ (rô), σ ( sigma), κ (capa). 24 GI_MTM.indb 24 13/9/2007 10:18:43 Geometria I SEÇÃO 2 – Axiomas de Incidência e Ordem E George adormece outra vez. George: Euclides, você está aí? Euclides: Oi meu jovem! E então, tudo entendido? George: Até aqui, tudo ótimo! É fascinante saber que idéias tão simples, ou seja, o ponto, a reta e o plano são tão fundamentais para o desenrolar dessa fascinante disciplina, a geometria. Euclides: E estas idéias são apenas o começo. George: Estou começando a entender. Estas idéias intuitivas devem estar todas relacionadas, não é? É aí que você entra? Euclides: Exatamente. George: São os axiomas, não são? Euclides: Correto, novamente. Apenas considerei algumas idéias verdadeiras e, a partir daí, foi possível provar outras mais complexas. George: A geometria começa a se organizar. Euclides: E o mais interessante, são idéias simples e de fácil entendimento. George: Euclides, não leve a mal, mas preciso acordar, este nosso papo me deixou empolgado para conhecer os tais axiomas. Um abraço, e qualquer coisa eu o chamo de novo. Euclides: Até breve, meu jovem. E sucesso! Você deve estar se perguntando qual a importância destes axiomas para a geometria? Unidade 1 GI_MTM.indb 25 25 13/9/2007 10:18:43 Universidade do Sul de Santa Catarina Pelo diálogo anterior, você percebeu que os mesmos são a base de toda a geometria. Idéias simples, tidas como verdadeiras, para provar outras mais complexas. Com os axiomas e algumas definições, vamos relacionar as noções de ponto, reta e plano, ordenar pontos, medir segmentos e ângulos, entender a idéia de ângulo para, mais adiante, estarmos aptos a entrar no estudo da geometria plana. Axiomas de Incidência Axioma I: Qualquer que seja a reta, existem pontos que pertencem à reta e pontos que não pertencem à reta. Figura 1.4 – Representação do axioma I. Assim, dizemos que A ∈ r e B ∈ r, ou seja, A e B estão em r, ou a reta r passa por A e B. Dizemos também que C ∉ r, ou seja, C não está em r, ou r não passa por C. O símbolo ∈ representa pertence. Já o símbolo ∉ representa não pertence. No caso A ∈ r, lê-se “A pertence a r”, e, no caso C ∉ r, lê-se “C não pertence a r”. As retas e os pontos se relacionam da seguinte maneira: Pontos colineares são pontos que pertencem a uma mesma reta. 26 GI_MTM.indb 26 13/9/2007 10:18:44 Geometria I Veja a figura a seguir: Dizemos que o ponto M, N e P são colineares. Já os pontos M, N, P, A e B não são colineares. Quantos pontos são necessários para obter uma única reta? Tente responder a esta pergunta! Você pode utilizar o software Cabri-géomètre nessa tentativa. O software Cabrigéomètre foi apresentado na disciplina Informática Aplicada à Educação Matemática A resposta é dois pontos. Na verdade, este é o axioma II. Axioma II: Por dois pontos distintos passa uma única reta. Figura 1.5 – Representação do Axioma II. Observe que, neste caso, tomamos os pontos A e B para mostrar que por eles passa uma única reta. Mas não se esqueça de que a reta é infinita. Para denotarmos essa reta, utilizamos . Você já ouviu falar de alguns termos relacionados a retas, como, por exemplo, semi-retas e segmento de reta? Você sabe a diferença entre eles? Unidade 1 GI_MTM.indb 27 27 13/9/2007 10:18:44 Universidade do Sul de Santa Catarina A seguir, mostraremos algumas definições muito importantes e que são peças chaves na geometria: Incidência: Dizemos que uma reta r, incide sobre o ponto A se A∩r=A O símbolo ∩ representa intersecção. No caso A ∩ r = A, lê-se: “A intersecção de A com r é igual a A ”. Interseção entre duas retas: Dizemos que duas retas se interceptam em um ponto, quando este ponto pertencer a cada uma delas. Semi-reta: Seja r uma reta e A e B pontos sobre r. A semi-reta com extremidade em A, contendo o ponto B é a parte da reta r, com extremidade em A, que contém o ponto B. Representamos a semi-reta de origem em A e que contém o ponto B por . Segmento de Reta: O conjunto constituído por dois pontos A e B e por todos os pontos que se encontram entre A e B é chamado de segmento de reta, neste caso segmento . Os pontos A e B são chamados de extremos ou extremidades do segmento. 28 GI_MTM.indb 28 13/9/2007 10:18:45 Geometria I O segmento acima pode ser denotado por ou . Só existe diferença entre as notações, quando estivermos falando de segmentos orientados. Observe que, ao representarmos uma semi-reta, utilizamos uma seta sobre as letras que representam os pontos dessa reta; já, na representação de segmento, utilizamos um traço. Agora que já conhecemos segmentos, vamos mostrar uma das figuras construída por três pontos não colineares e pelos segmentos de reta determinados por estes três pontos. A mais simples das figuras geométricas usando segmentos de reta é o triângulo. Você sabia que os triângulos são figuras geométricas muito utilizadas no nosso dia-a-dia? Olhe para os lados e tente identificar algum triângulo. Encontrou? Na unidade II, estaremos trabalhando com essa figura tão útil e vamos aprender que, desde os tempos mais antigos, ela foi fundamental para o desenvolvimento da geometria. Agora, vamos continuar falando de ponto e reta. Unidade 1 GI_MTM.indb 29 29 13/9/2007 10:18:46 Universidade do Sul de Santa Catarina Você já pensou quantas retas passam por um único ponto? Pegue uma folha, um lápis e uma régua e tente descobrir. O que você descobriu? Pois é! Infinitas retas - e este é mais um axioma da geometria. Axioma III: Por um ponto passam infinitas retas. Figura 1.6 – Representação do Axioma III. Com base nos três axiomas analisados, chamados axiomas de incidência, já podemos provar alguns resultados mais complexos. Teoremas são resultados mais complexos, que podem ser demonstrados a partir de outros resultados. Teorema 1.1: Duas retas distintas, ou não, se interceptam ou se interceptam em um único ponto. 30 GI_MTM.indb 30 13/9/2007 10:18:46 Geometria I E George cai em sono profundo: Euclides: Você por aqui, meu jovem? George: Problemas, Euclides, problemas. Preciso demonstrar um resultado, usando apenas os axiomas, você pode me ajudar? Euclides: Claro meu rapaz. Vamos mostrar isto por absurdo. George: Como fazemos isso? Euclides: Qual a hipótese do seu resultado? George: Hipótese? O que é isso? Euclides: É o que é dado no teorema como verdadeiro. George: Ah bom! O teorema dá como hipótese que as retas são distintas. Euclides: E a tese? George: Tese? Também não sei o que significa. Euclides: Tese é o que você quer demonstrar. George: Só isso? A tese do problema é que devemos mostrar que as retas não se interceptam, ou se interceptam em um ponto. Euclides: Este teorema pode ser demonstrado por absurdo. Nesse caso devemos negar a tese, ou seja, suponha que elas se interceptam em dois pontos e chega-se a uma contradição da hipótese. George: Humm... Boa idéia. Vamos ver. Euclides: Mas lembre-se de que nem todos os teoremas e proposições são demonstrados desta forma. George: Ok! Vou lembrar disso. Unidade 1 GI_MTM.indb 31 31 13/9/2007 10:18:46 Universidade do Sul de Santa Catarina Demonstração (por absurdo): Hipótese: Dadas duas retas distintas r e s. Tese: As retas r e s não se interceptam, ou se interceptam em um ponto. Dadas duas retas r e s, suponha que r e s se interceptam em dois pontos A e B nesse caso. Pelo axioma II r e s são coincidentes o que é absurdo já que por hipótese as retas são distintas. Logo, as retas se interceptam em no máximo um ponto. Axiomas de Ordem Para dar uma ordenação nos pontos que pertencem a uma reta, é necessário mais dois axiomas. Axioma IV: Dados três pontos colineares, um e apenas um deles localiza-se entre os outros dois. Figura 1.7 – Representação do axioma IV. Na figura 1.7: C está entre A e B. Quantos pontos existem entre dois pontos de uma reta? Se você observar bem, responderá: - Infinitos! Isto parece simples, não é mesmo? O axioma V nos garante esta certeza. 32 GI_MTM.indb 32 13/9/2007 10:18:46 Geometria I Axioma V: Dados dois pontos A e B, sempre existem um ponto C entre A e B e um ponto D tal que B está entre A e D. Figura 1.8 – Representação do axioma V. Observação: Como conseqüência do axioma V, tem-se que existem infinitos pontos entre dois pontos e que uma semi-reta contém infinitos pontos além daqueles entre A e B. Para finalizar o estudo desta seção, vamos definir as idéias de segmentos colineares, consecutivos e adjacentes. Segmentos consecutivos: Dois segmentos são consecutivos, se a extremidade de um deles é também extremidade do outro (uma extremidade de um coincide com uma extremidade do outro). Figura 1.9: Segmentos consecutivos Segmentos colineares: Dois segmentos de reta são colineares, se estão numa mesma reta. Figura 1.10: Segmentos Colineares Unidade 1 GI_MTM.indb 33 33 13/9/2007 10:18:46 Universidade do Sul de Santa Catarina Observe que na figura 1.10: e , apesar de serem colineares, não são consecutivos (pois a extremidade do segmento extremidade do segmento ). e não é são consecutivos e colineares. e são consecutivos e colineares (pois o ponto N é extremidade dos segmentos e ). Segmentos adjacentes: Dois segmentos consecutivos e colineares são adjacentes, se possuem em comum somente uma extremidade (não têm pontos internos comuns). Figura 1.11: Segmentos Adjacentes Dada a figura abaixo, determine o que se pede: a) Segmentos consecutivos. b) Segmentos colineares. c) Segmentos adjacentes. d) As semi-retas determinadas pelos pontos A, B e C. 34 GI_MTM.indb 34 13/9/2007 10:18:47 Geometria I Solução: a) Os segmentos e são consecutivos, assim como os segmentos e , pois ambos têm a extremidade do ponto B em comum. e b) Os segmentos , pertencem à mesma reta. são colineares, pois c) Os segmentos adjacentes são e . e As semi-retas com origem no ponto A são denotadas por . As Semi-retas com origem no ponto B são denotadas por e . E finalmente, as Semi-retas com origem no ponto C são e . Agora você já pode começar a fazer algumas das atividades de auto-avaliação que estão no final da unidade, tente do 1o ao 9o. SEÇÃO 3 – Axiomas sobre medição de segmentos Euclides: Olá George, como vão os estudos? George: Beleza, mas o que manda? Euclides: Tenho uma pergunta a lhe fazer. Você sabe “Como” e “Quando” foi criada a unidade metro? George: Não. Poxa, na verdade eu nunca pensei nisso. Unidade 1 GI_MTM.indb 35 35 13/9/2007 10:18:47 Universidade do Sul de Santa Catarina Euclides: Então vou lhe contar. Em 1790, alguns matemáticos importantes da época, entre eles Lagrange, Laplace e Monge, integraram uma comissão criada pela Assembléia Constituinte da França, com o objetivo de criar uma unidade de medida e comprimento. Depois disso, por volta de 1795, estabeleceu-se o metro como unidade de medida padrão de comprimento definido como “a décima milionésima parte do quadrante de um meridiano terrestre”. George: Nossa, que legal, mas como eles fizeram isso? Euclides: Agora é com você, tente descobrir. George: Euclides, não me deixe com essa curiosidade. Euclidessss. Tente você também desvendar o desafio proposto por Euclides. Agora que você já conhece a definição de segmento de reta, está apto a medir estes segmentos. Para isso, temos mais alguns axiomas que nos ajudam em uma etapa de construção. Você já deve ter usado ou usa o mais conhecido instrumento de medição: a régua graduada. Figura 1.12 – Régua Graduada. Dizemos que dois conjuntos A e B têm uma correspondência biunívoca, se todo elemento de A está relacionado com um elemento de B e vice – versa. Axioma VI: Cada ponto de uma reta tem correspondência com um número real e vice-versa, ou seja, existe uma correspondência biunívoca entre os pontos de uma reta e os números reais. Fazendo a diferença destes números, medimos a distância entre os pontos correspondentes. Como cada ponto corresponde a um número real e os números reais são infinitos, observa-se intuitivamente que a reta também é infinita. 36 GI_MTM.indb 36 13/9/2007 10:18:48 Geometria I O número correspondente a um ponto da reta é denominado coordenada daquele ponto. Assim, cada ponto da reta real é associado com um número real. Considere o segmento de reta . Pelo axioma VI, A está relacionado ao número real a, e B está é relacionado ao número real b, o comprimento do segmento dado por As barras | | indicam que o número AB é sempre positivo. Observe que, quando falamos de comprimento do segmento , a notação é AB. Ou seja, para representar a medida de qualquer segmento, não utilizamos nem barra, nem seta sobre a notação. Mas atenção, essa é uma convenção adotada nesse material, você pode encontrar outras notações em livros diferentes. Unidade 1 GI_MTM.indb 37 37 13/9/2007 10:18:48 Universidade do Sul de Santa Catarina 1) Suponha que um segmento da reta real, onde o ponto A tem coordenada -5 e o ponto B tem coordenada 3. Qual o comprimento deste segmento? Solução: 2) Dada a figura abaixo, determine MN, sabendo que AB = 27: Pela figura: Como Assim Note, pelo exemplo, que podemos ter outros segmentos com extremidades em outros pontos, mas com o mesmo comprimento. São segmentos diferentes, mas com a mesma medida, neste caso, estamos falando de segmentos congruentes. A seguir, explanaremos a idéia de segmentos congruentes que, de maneira geral, se confunde com a idéia de igualdade entre segmentos. Congruência entre Segmentos A palavra congruência é usada na geometria, quando dois objetos geométricos do mesmo tipo são idênticos. Por objetos, podemos entender segmentos, ângulos, triângulos, entre outros. O símbolo que representa congruência é . No caso , lê-se “o segmento congruente ao segmento ”. é 38 GI_MTM.indb 38 13/9/2007 10:18:48 Geometria I Podemos então pensar que congruência é um termo primitivo, utilizado em axiomas, para representar a relação entre dois elementos do mesmo tipo. Você sabe qual a diferença entre congruência e igualdade? Parecem ter o mesmo significado, não é mesmo? Observe que duas figuras são iguais, quando o conjunto de pontos que as formam são os mesmos. Duas figuras são congruentes, quando se “encaixam” exatamente umas sobre as outras, apesar de os pontos que as definem serem diferentes. Dois segmentos, são ditos congruentes se têm o mesmo comprimento. Figura 1.13: Segmentos Congruentes Os Sinais |, ||, ||| sobre os segmentos representam que aqueles que possuem o mesmo sinal tem comprimentos iguais. Na figura 1.13 os segmentos , denotamos por ≡ ≡ . e Unidade 1 GI_MTM.indb 39 são congruentes, 39 13/9/2007 10:18:49 Universidade do Sul de Santa Catarina Note que os segmentos são formados por pontos diferentes, mas, se transportados um sobre os outros, se “encaixam” perfeitamente, por isso dizemos que todos eles são congruentes. Os segmentos e não são congruentes a nenhum dos outros, pois o comprimento de cada um é diferente do comprimento dos outros. A seguir, você irá acompanhar as propriedades da congruência de segmentos. Propriedades são verdades provadas, que valem sempre. Propriedades: A congruência de segmentos satisfaz as seguintes propriedades: 1) Reflexiva: Todo segmento é congruente a si mesmo: 2) Simétrica: Se ≡ 3) Transitiva: se ≡ ≡ , então e ≡ ≡ . . , então ≡ . Axioma VII: Se um ponto C está entre A e B então, Figura 1.14 – Representação do axioma VII. O próximo resultado nos fala de um ponto muito importante, o ponto médio. Mas este requer demonstração um pouco mais extensa. 40 GI_MTM.indb 40 13/9/2007 10:18:49 Geometria I Num outro sono de George, Euclides aparece: George: Amigo, preciso de você. Euclides: Estou aqui para ajudar, o que houve? George: Vou começar a estudar um assunto da geometria que é o ponto médio, fiquei assustado. Euclides: Por que? George: Percebi que a demonstração é grande e deve ser confusa. Euclides: Caro George, percebo que você nem leu a demonstração e já acha que não conseguirá. George: Verdade, só porque é extensa, já entrei em pânico. Euclides: Extensa é, mas é apenas um conjunto de idéias que são deduzidas a partir de outras mais simples. George: Verdade, os axiomas mais uma vez. Euclides: Isso mesmo. Então fique mais tranqüilo, e não se desespere antes da hora. George: Obrigado! Dado um segmento de reta , se conseguirmos um ponto C deste segmento tal que, AC = CB, dizemos que C é o ponto médio do segmento . Figura 1.15 – Representação de C como Ponto Médio do segmento Unidade 1 GI_MTM.indb 41 . 41 13/9/2007 10:18:50 Universidade do Sul de Santa Catarina Observe que o ponto médio divide o segmento em dois e . segmentos congruentes Teorema 1.2: Um segmento tem exatamente um ponto médio. Demonstração: Vamos dividir essa demonstração em duas partes: a existência e a unicidade do ponto médio. (Existência: Um segmento tem um ponto médio) Considere um segmento de reta dos extremos dados por a e b. , com coordenadas Considere também um terceiro número c e denote-o por: O axioma IV nos garante que existe um ponto C da reta que tem exatamente esta coordenada. A idéia é mostrar que este ponto C está entre A e B, e, além disso, AC = CB. Calculando o comprimento do segmento Ou seja, AC = CB. Mas como o número segue que o ponto C está entre A e B, pois e . está entre a e b, é coordenada de C. Pela definição de ponto médio, segue que C é o ponto médio de . Com isto provamos a existência de ponto médio cuja coordenada é dada por: . 42 GI_MTM.indb 42 13/9/2007 10:18:50 Geometria I (Unicidade: Este ponto é único) Para isto, suponha a existência de um outro ponto médio D do segmento , então AD = DB Considere a, b e d coordenadas dos pontos A, B e D respectivamente. Portanto, para provar que C = D, basta provar que as coordenadas destes pontos são iguais, isto é, d = c = . Assim, se a < d < b, então a – d = d – b, pois d é coordenada do ponto médio D, e, resolvendo a igualdade, tem-se que d = . E, se b < d < a, então, b – d = d – a, ou seja, d = . Logo se conclui que d = c e, pelo axioma IV, segue que D = C, isto é, o ponto médio é único. 1) Sejam A, B e C pontos de uma reta. Faça um desenho representando-os, sabendo que AB = 3 cm, AC = 2 cm e BC = 5 cm. Solução: O maior segmento é o segmento está entre B e C. Então: , logo A 2) Se, num segmento , o ponto A tem coordenada 4 e o ponto B tem coordenada 8, qual a coordenada do ponto médio M ? Solução: Denotamos a coordenada do ponto M, por m, então: Propriedades da distância entre dois pontos: a) Para quaisquer dois pontos A e B, tem-se AB = 0, se, e somente se, A = B. Unidade 1 GI_MTM.indb 43 . Além disso, 43 13/9/2007 10:18:50 Universidade do Sul de Santa Catarina O axioma VI nos garante que a distância é sempre positiva, já que a medida do segmento é dada pelo módulo da diferença das coordenadas. b) Para quaisquer dois pontos A e B, tem-se: O axioma VI também nos garante isto, pois: SEÇÃO 4 – Axiomas sobre medição de ângulos George está no sono dos Deuses, depois de mais um dia de estudos, e encontra, mais uma vez, Euclides. George: Euclides, que prazer em vê-lo de novo! Euclides: O prazer é todo meu. Venho acompanhando o seu desempenho no estudo da geometria e confesso que estou gostando muito. George: Ah, obrigado! Mas realmente o assunto é bem empolgante. Euclides: E, então, qual o próximo passo? George: Já sei medir segmentos e encontrar a coordenada do ponto médio. Preciso de algo mais? Euclides: Com certeza. Você, que é bem moderno, já deve ter ouvido falar de GPS, de latitude, longitude. 44 GI_MTM.indb 44 13/9/2007 10:18:51 Geometria I George: Com certeza, e o que isso tem a ver com geometria? Euclides: Ora, quando você fala de longitude e latitude, como você mede isto? George: Usando Graus. Euclides: Exatamente, muitas coisas importantes da sua vida dependem deste tipo de medição, que é o grau. Supõe-se que o homem começou a medir ângulos por volta de 2800 a.C., com o objetivo de auxiliar na astronomia. Veja que interessante: quando um astrônomo queria saber a que distância a lua estava acima do horizonte, ele esticava o braço e calculava quantos dedos comportavam o espaço entre a lua e o horizonte, e assim utilizava essa medida para seus estudos. Pesquise mais sobre isso e veja suas inúmeras aplicações ao longo dos anos, para o desenvolvimento da humanidade. George: Ah, então o grau tem tudo a ver com geometria também? Euclides: E como! Quando falamos de segmentos de mesma origem, podemos falar de grau. George: Interessante, mais um conceito tão simples e tão importante. Já vi que tenho trabalho para amanhã. Um abraço! Euclides: Até breve. A região do plano, compreendida entre duas semiretas com origem comum, é chamada de ângulo. Figura 1.16 – Esboço do ângulo AÔB. Existem algumas maneiras de representar um ângulo. De acordo com a figura 1.16, podemos designá-lo como ângulo Ô, ou AÔB, ou BÔA, ou apenas ângulo α. A origem O é chamada de vértice e as semi-retas r e s são os lados do ângulo. Unidade 1 GI_MTM.indb 45 45 13/9/2007 10:18:51 Universidade do Sul de Santa Catarina Você acompanhará, a seguir, a definição de alguns conceitos fundamentais para a continuação do nosso estudo. Dois ângulos são consecutivos, se um lado de um deles é também lado do outro. Dois ângulos consecutivos são adjacentes, se não têm pontos internos comuns. Observe que, para que dois ângulos sejam adjacentes, eles devem ser consecutivos. Tente esboçar alguns exemplos de ângulos consecutivos e adjacentes. Um ângulo formado por duas semi-retas distintas, opostas, pertencentes à mesma reta, é chamado de ângulo raso. Figura 1.17 - Ângulo raso. Os ângulos são medidos em graus e usa-se um transferidor para medi-los. 46 GI_MTM.indb 46 13/9/2007 10:18:51 Geometria I Figura 1.18 - Transferidor. Observação: Tome uma circunferência de raio qualquer e a divida em 360 partes iguais, obtendo assim 360 arcos de circunferência. Agora tome duas semi-retas com origem no centro da circunferência, sendo que uma delas tem extremidade no início de um destes arcos e a outra tem extremidade no fim do mesmo arco. Esta região entre as semi-retas forma um ângulo cuja medida chamaremos de grau. Representa-se, usando-se o símbolo °. Existem muitos objetos no cotidiano que dão a noção de ângulo como, por exemplo, a região entre os ponteiros do relógio, os raios de uma roda de bicicleta, o braço e o antebraço, as hélices de um helicóptero. E, se você olhar à sua volta, atentamente, encontrará muitos outros. Axioma VIII: Todo ângulo tem uma medida em graus maior ou igual a zero. A medida de um ângulo é zero se ele é constituído por duas retas coincidentes. A medida de um ângulo é 180o (ângulo raso) se é formado entre duas semi-retas opostas. Figura 1.19 – Ângulos Zero e Raso. Unidade 1 GI_MTM.indb 47 47 13/9/2007 10:18:52 Universidade do Sul de Santa Catarina Axioma IX: É possível colocar, em correspondência biunívoca, os números entre 0o e 180o e as semi-retas de mesma origem que dividem um dado Semi-plano, de modo que a diferença entre estes números seja a medida do ângulo formado pelas semi-retas correspondentes. Figura 1.20 – Representação do axioma IX. Assim, a medida do ângulo AÔB, denotada por m(AÔB), pode ser calculada como: m(AÔB) =|bº - aº| Exemplo: Considere o diagrama abaixo: Note que m(AÔC) = 60º e m(BÔC) = 120º. Então, m(AÔB) = |120º - 60º| = 60º Dois ângulos são ditos suplementares, se a soma de suas medidas é 180°. 48 GI_MTM.indb 48 13/9/2007 10:18:53 Geometria I Figura 1.21 – Os ângulos AÔB e AÔC são suplementares. Exemplos: Os ângulos de medida 30° e 150° são suplementares, pois a soma de suas medidas é 180°. Já os ângulos de medidas 30° e 60° não são suplementares, pois a soma de suas medidas não é de 180°. Duas retas distintas que se interceptam em um único ponto são chamadas de concorrentes. Figura 1.22 – Retas concorrentes - r s = {A} Duas retas concorrentes, formam-se quatro ângulos. Dois destes ângulos são opostos pelo vértice, quando os lados de um dos ângulos são prolongamentos dos lados do outro. Figura 1.23 – Ângulos opostos pelo vértice. Unidade 1 GI_MTM.indb 49 49 13/9/2007 10:18:54 Universidade do Sul de Santa Catarina Assim, os ângulos AÔB e DÔC são opostos pelo vértice, da mesma forma como DÔA e CÔB também são opostos pelo vértice. Proposição: Ângulos opostos pelo vértice têm a mesma medida. De acordo com a figura 1.23, AÔB e DÔC são opostos pelo vértice e possuem o mesmo suplemento AÔD. Logo: m(AÔB)+m(AÔD) = 180º (1) m(DÔC)+m(AÔD) = 180º (2) Da equação (1) temos que m(AÔD) = 180º - m(AÔB). Agora substitua m(AÔD) encontrado na equação (2). Portanto: m(DÔC)+(180º - m(AÔB) = 180º, ou seja, m(AÔB) = m(DÔC). Um ângulo cuja medida é 90° é chamado de ângulo reto. Figura 1.24 – Ângulo reto. Vamos utilizar o símbolo ângulo reto. para representar um Exemplo: Mostre que o suplemento de um ângulo reto é um ângulo reto. 50 GI_MTM.indb 50 13/9/2007 10:18:54 Geometria I Solução: Denote por x o suplemento do ângulo reto. Como o ângulo reto mede 90°, então temos: Se x é um ângulo qualquer, então 180º - x é o seu suplemento. Dois ângulos cuja soma é 90° são chamados de complementares. Assim, se x é um ângulo qualquer, então 90º- x é o seu complemento. Exemplos: 1) Se x, é um ângulo qualquer, escreva o dobro do seu suplemento e, em seguida, a metade do seu suplemento. Solução: Se x é um ângulo qualquer, então 180º - x é o seu suplemento, logo o dobro do seu suplemento é dado por 2.(180º - x). Da mesma maneira a metade do seu suplemento é dado por 2) Qual o complemento do ângulo que mede 16° e o suplemento do ângulo que mede 55º? Solução: Se x =16º é o ângulo dado, então seu complemento é obtido por: Já o suplemento de y = 55° é dado por: 3) Encontre as medidas de dois ângulos que sejam complementares e em que a medida do menor seja 40° inferior à do maior. Solução: Sejam a e b as medidas dos ângulos procurados e suponha que a é a medida do ângulo maior. Como a e b são complementares, a + b = 90º Unidade 1 GI_MTM.indb 51 51 13/9/2007 10:18:54 Universidade do Sul de Santa Catarina Como o ângulo menor mede 40° a menos que o maior, então b = a - 40º Portanto temos: Substituindo a segunda equação na primeira, temos: Assim, o ângulo b mede b = a - 40o = 65o - 40o = 25o. Os ângulos procurados medem 65o e 25o. Veja na tabela a seguir, a medida dos ângulos e seus nomes. Considere x, um ângulo que mede entre 0° e 180°. Medida dos Ângulos Nomes x = 90º Ângulo reto x < 90º Ângulo agudo x > 90º Ângulo obtuso x = 180º Ângulo raso Suponha duas retas concorrentes. Se a medida de um dos quatro ângulos for de 90°, então todos os outros também medem 90o. Neste caso dizemos que as retas são perpendiculares. Teorema 1.13: Por um ponto dado de uma reta, num plano, passa uma única perpendicular a esta reta. Que tal você tentar demonstrar este teorema? Use simplesmente o axioma IX e a idéia de correspondência biunívoca.Veja a atividade de autoavaliação número 25. 52 GI_MTM.indb 52 13/9/2007 10:18:55 Geometria I Da mesma forma que falamos sobre congruência de segmentos, podemos falar, também, sobre congruência de ângulos. Congruência de Ângulos Dois ângulos são ditos congruentes, se eles têm a mesma medida. Figura 1.25: Ângulos Congruentes. Propriedades: A congruência entre ângulos satisfaz as seguintes propriedades: 4) Reflexiva: todo ângulo é congruente a si mesmo: AÔB ≡ AÔB 5) Simétrica: se AÔB ≡ CÔD, então CÔD ≡ AÔB. 6) Transitiva: se AÔB ≡ CÔD e CÔD ≡ EÔF, então AÔB ≡ EÔF Dado um ângulo AÔB, uma semi-reta é chamada de bissetriz do ângulo, se m(AÔC) ≡ m(CÔB). Figura 1.26: Ângulo AÔB e sua bissetriz . Ou seja, a bissetriz de um ângulo é uma semi-reta interna ao ângulo, com origem no vértice do ângulo e que o divide em dois ângulos congruentes. Unidade 1 GI_MTM.indb 53 53 13/9/2007 10:18:55 Universidade do Sul de Santa Catarina Exemplo: São dados dois ângulos agudos adjacentes, cujas bissetrizes formam um ângulo de 60o. Sabendo que a medida de um deles é 42o, determine a medida do outro. Solução: Sejam 2x e 2y as medidas dos dois ângulos assim pela figura: Como Logo, os ângulos medem 42o e 78o. George: Euclides, tudo bem com você? Euclides: Com certeza, meu rapaz. E então, o que achou de todo o estudo? George: Fascinante. Idéias simples, usadas para demonstrar resultados importantes e, o mais legal, demonstrações não tão difíceis de entender. Euclides: Que bom que você gostou, fico feliz em ter podido ajudá-lo nesse maravilhoso mundo da geometria. Mas lembre-se, isto é apenas o começo. Apenas o iniciei nos estudos. George: Eu sei, Euclides, tenho muito que aprender ainda, esta é apenas a ponta do iceberg. Euclides: Acredito que a partir de agora nos encontraremos com menos freqüência, pois você já consegue andar com suas próprias pernas. Mas, como dizem vocês jovens modernos, foi maneiro te ajudar. Um grande abraço! 54 GI_MTM.indb 54 13/9/2007 10:18:55 Geometria I George: Falou, Euclides, obrigado e até mais. E George se despede de seu mais ‘antigo professor’ e vai em busca de novos conceitos geométricos. Síntese Você estudou nesta unidade uma série de propriedades da geometria: algumas delas são aceitas sem demonstração, os axiomas; outras necessitam dos axiomas para serem verificadas. O mais interessante – você deve ter notado – é que as idéias são simples e a partir delas conseguimos a chegar a resultados importantes. O que fizemos neste capítulo I foi dar a base para a construção da geometria e fizemos isso com a ajuda da pessoa que conferiu ordem lógica à geometria: Euclides. Agora você está apto a estudar outros aspectos da geometria, como congruência e semelhança de triângulos, trigonometria e área de figuras planas conhecidas. E então, preparado? Mais assuntos interessantes o aguardam nos próximos capítulos. Mãos à obra. Antes de passar ao próximo capítulo, esclareça todas as suas dúvidas com o seu professor tutor e bom trabalho. Saiba mais Se você gosta de História da Matemática e ficou interessado nos axiomas de Euclides, sugiro a leitura de Teorema do Papagaio, um delicioso texto que mistura ficção com a realidade da história da matemática. GUEDJ, Denis. Teorema do papagaio. São Paulo: Companhia das Letras, 1999. Unidade 1 GI_MTM.indb 55 55 13/9/2007 10:18:56 Universidade do Sul de Santa Catarina Atividades de auto-avaliação 1) Responda às perguntas, usando a idéia de ponto, reta ou plano. a) Que idéia dá a marca de pênalti de um campo de futebol? b) Que idéia dá a página de um livro? c) Que idéia dá o barbante de sustentação de uma pipa? 2) Considere os seguintes elementos: O furo feito por uma agulha, a superfície de uma piscina, as linhas divisórias de uma quadra de futebol, uma corda esticada, a cabeça de um prego, uma folha de papel, quais nos dão a idéia de: a) Ponto? b) Reta? c) Plano? 56 GI_MTM.indb 56 13/9/2007 10:18:56 Geometria I 3) Imagine-se num estádio de futebol, contemplando o campo e suas linhas divisórias. Identifique, no campo, algo que dê a idéia de ponto, reta e plano. 4) Encontre a sua volta pelo menos três objetos nos que dão idéia de ponto, reta e plano. Unidade 1 GI_MTM.indb 57 57 13/9/2007 10:18:56 Universidade do Sul de Santa Catarina 5) Assinale V (verdadeiro) ou F (falso). A. ( ) Três pontos distintos são sempre colineares. B. ( ) Quatro pontos todos distintos determinam duas retas. C. ( ) Por quatro pontos todos distintos pode passar uma só reta. D. ( ) Quaisquer que sejam os pontos A e B, se A é distinto de B, então existe uma reta r tal que A ∈ r e B ∈ r. E. ( ) Quaisquer que sejam os pontos P e Q e as retas r e s, se P é distinto de Q, e P e Q pertencem às retas r e s, então r = s. F. ( ) Qualquer que seja uma reta r, existem dois pontos A e B tais que A é distinto de B, com A ∈ r e B ∈ r. G. ( ) Se A = B, existe uma reta r tal que A, B ∈ r. H. ( ) Duas retas distintas que têm um ponto em comum são concorrentes. I. ( ) Duas retas concorrentes têm um ponto em comum. J. ( ) Se duas retas distintas têm um ponto em comum, então elas possuem um único ponto comum. 6) Utilizando os axiomas de 1 a 5, discuta as seguintes questões: a) Existem retas que não se interceptam. b) Num segmento de reta existem infinitos pontos. 58 GI_MTM.indb 58 13/9/2007 10:18:56 Geometria I 7) Quantas retas passam por quatro pontos todos distintos, sendo três colineares? 8) Três pontos distintos de uma reta, quantos segmentos distintos podem determinar? 9) Quantos segmentos há que passam por A e B distintos? Quantos há com extremidades em A e B. 10) Sejam A, B e C pontos de uma reta. Faça um desenho representandoos, sabendo que C está ente A e B e que AB = 5 e AC = 2 Unidade 1 GI_MTM.indb 59 59 13/9/2007 10:18:56 Universidade do Sul de Santa Catarina 11) Sejam A1 e A2 pontos de coordenadas 1 e 2. Dê a coordenada do ponto médio A3 do segmento A1A2. Dê a coordenada do ponto médio A4 do segmento A2 A2. Dê a coordenada a3 do ponto médio do segmento A3 A4 . 12) Desenhe uma reta e sobre ela marque dois pontos A e B. Suponha que a coordenada do ponto A seja zero e a do ponto B seja um. Marque agora pontos cujas coordenadas são 1, , , mede x + 3 e o segmento 13) Se o segmento ponto médio do segmento , determine AB. , 2, 0,-1, -3, -5, , . mede 2x - 5 e M é o 60 GI_MTM.indb 60 13/9/2007 10:18:57 Geometria I 14) Usando uma folha de papel, lápis e régua, desenhe duas retas perpendiculares. 15) Dois ângulos são complementares e o suplemento de um deles mede tanto quanto o suplemento do segundo, mais 30°. Quanto medem estes dois ângulos? 16) Assinale V (verdadeiro) ou F (falso) nas alternativas abaixo. A. ( ) A região compreendida entre duas semi-retas de mesma origem recebe o nome de ângulo. B. ( ) Um ângulo raso mede 90°. C. ( ) Um ângulo formado por duas semi-retas distintas pertencentes a uma mesma reta é um ângulo raso. D. ( ) O aparelho usado para medir ângulos recebe o nome de régua. E. ( ) Duas retas concorrentes e perpendiculares formam um ângulo de 90°. F. ( ) O ângulo agudo é maior que 90° e o ângulo obtuso é menor que 90°. G. ( ) Dois ângulos cuja soma é de 180° recebem o nome de suplementares. H. ( ) 30° e 120° são ângulos suplementares. I. ( ) Se α é um ângulo qualquer, então o seu suplementar mede 180° - a. J. ( ) Dois ângulos opostos pelo vértice são iguais. Unidade 1 GI_MTM.indb 61 61 13/9/2007 10:18:57 Universidade do Sul de Santa Catarina 17) Demonstre que, se um ângulo e seu suplemento têm a mesma medida, então o ângulo é reto. 18) Demonstre que o suplemento de um ângulo agudo é sempre obtuso. Lembre-se de que você deve mostrar que o ângulo procurado é maior que 90° 19) Dado um ângulo de medida x, encontre: a) o triplo do seu suplemento; b) a sétima parte do complemento; c) o complemento de sua terça parte. 62 GI_MTM.indb 62 13/9/2007 10:18:57 Geometria I 20) Encontre dois ângulos que sejam complementares e em que a medida do maior seja quatro vezes a do menor. 21) Encontre dois ângulos que são suplementares e em que a medida do menor seja a metade da medida do maior. 22) Encontre dois ângulos suplementares cuja medida do maior é 20° inferior ao triplo do menor. Unidade 1 GI_MTM.indb 63 63 13/9/2007 10:18:57 Universidade do Sul de Santa Catarina 23) Suponha que dois ângulos α e β de duas retas que interceptam uma terceira são iguais e que α + β = 180º. Conclua que as retas são perpendiculares. Faça desenho para auxiliar nas suas conclusões. 24) Classifique as sentenças a seguir em V (verdadeiro) ou F (falso), e justifique: A. ( ) se dois segmentos são consecutivos, então eles são colineares; B. ( ) se dois segmentos são colineares, então eles são consecutivos; C. ( ) se dois segmentos são adjacentes, então eles são colineares; D. ( ) se dois segmentos são colineares, então eles são adjacentes; E. ( ) se dois segmentos são adjacentes, então eles são consecutivos; F. ( ) se dois segmentos são consecutivos, então eles são adjacentes; Utilize o espaço abaixo para as justificativas: 64 GI_MTM.indb 64 13/9/2007 10:18:57 Geometria I 25. Demonstre o teorema 1.3: Por qualquer ponto de uma reta passa uma única perpendicular a esta reta. Unidade 1 GI_MTM.indb 65 65 13/9/2007 10:18:58 GI_MTM.indb 66 13/9/2007 10:18:58 UNIDADE 2 Triângulos Objetivos de aprendizagem Conhecer e classificar triângulos. Identificar triângulos retângulos e seus elementos. Compreender e Aplicar o Teorema de Pitágoras. 2 Sintetizar relações trigonométricas num triangulo retângulo. Identificar triângulos congruentes, bem como o caso de congruência. Conhecer os pontos notáveis e algumas conclusões. Seções de estudo Seção 1 Definição e classificação de triângulos Seção 2 Teorema de Pitágoras Seção 3 Relações trigonométricas no triângulo retângulo Seção 4 Congruência de triângulos Seção 5 Pontos Notáveis de um triângulo GI_MTM.indb 67 13/9/2007 10:18:58 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de conversa Euclides: Olá, meu rapaz, estou orgulhoso de você. George: Que bom Euclides, fico feliz por você reconhecer o meu esforço. Euclides: Não é somente reconhecimento, é merecimento. George: É, acho que me saí bem na Unidade 1. Sabe que entendi muitas coisas sobre as quais tinha dúvidas? Que bom ter tido você me acompanhando. Euclides: Ótimo, como você se mostrou curioso e com vontade de aprender, vou apresentá-lo a um novo amigo. George: Um novo amigo? Mas quem? Euclides: Para falar de triângulos, só poderia ser Pitágoras. George: Arrasou, hein, cara! Euclides: É, realmente Pitágoras é um dos nomes mais conhecidos, não apenas na geometria, mas na matemática. Ele nasceu em Samos – Grécia, pelos anos 582 a.C., viajou bastante e, ao ir para a Itália, fundou a Escola de Crotona. Também conhecida como escola dos Pitagóricos, ensinava filosofia, matemática, música e astronomia. Veja o princípio que a regia: ‘A essência de todas as coisas é o número’. George: E o tão famoso Teorema de Pitágoras? 68 GI_MTM.indb 68 13/9/2007 10:18:58 Geometria I Euclides: Pois é, se observarmos bem, o Teorema de Pitágoras está associado a uma relação numérica de fundamental importância na Matemática moderna. Observe sua afirmação: “o quadrado da hipotenusa é igual à soma dos quadrados dos catetos”. Somente relações numéricas, percebeu? Alguns historiadores dizem que o Teorema de Pitágoras já era muito utilizado antes de Pitágoras, claro que nem tinha esse nome. E ele foi nomeado assim, pois foi Pitágoras quem fez a primeira demonstração desse teorema. George: E o que você quis dizer sobre o número ser a essência de todas as coisas? Euclides: Os Pitagóricos estudaram os sons e mostraram que a música e a matemática têm muito em comum. Descobriram que a altura de um som tem relação com o comprimento da corda que, ao vibrar, o produz. Ao longo de seus estudos, notaram que uma corda de determinado comprimento daria uma nota. Reduzida a ¾ do seu comprimento, daria uma nota uma quinta acima. Reduzida à metade de seu comprimento, daria uma nota uma oitava acima. Assim os números 12, 8 e 6, segundo Pitágoras, estariam em “progressão harmônica”, sendo 8 a média harmônica de 12 e 6. Com isso desenvolveu a idéia de que o próprio universo estivesse organizado sobre os números e as relações entre eles. George: Tudo isso é muito interessante, quando vou conhecê-lo? Euclides: Em breve, aguarde. Nesta unidade, você vai conhecer informações fundamentais da geometria dos triângulos. Ao longo das seções, poderá observar que muitos conceitos que utilizamos intuitivamente possuem uma base sólida dentro da geometria. Além de estudar triângulos retângulos e suas aplicações, você conhecerá o Teorema de Pitágoras e poderá observar que ele constitui uma ferramenta útil, tanto para a geometria dos triângulos como para o nosso dia-a-dia. Figura 2.1. O método da paralaxe aplicado à medida Terra-Lua. Por José Roberto V. Costa. Unidade 2 GI_MTM.indb 69 69 13/9/2007 10:18:58 Universidade do Sul de Santa Catarina SEÇÃO 1 - Definição e classificação de triângulos Na seção anterior, o triângulo foi apresentado como a mais simples das figuras geométricas, formado por três segmentos de reta. Talvez esse seja o motivo de ser a figura geométrica mais utilizada na geometria antiga. A História conta que muitos problemas foram solucionados utilizando-se triângulos: a extensão de terras, a altura de construções e cálculo de distâncias são exemplos da sua utilidade. Veja, a seguir, um exemplo de como os gregos faziam o cálculo para encontrar a distância de um barco até a costa. Observe a figura: Figura 2.2. Esboço da forma de medir distância entre um barco e a costa. (Fonte: Dicionário Enciclopédico Conhecer - Abril Cultural) 70 GI_MTM.indb 70 13/9/2007 10:18:59 Geometria I Eram necessários dois observadores: um se colocava na costa, de maneira que pudesse ver o barco sob um ângulo de 90o com relação à sua posição e o outro ficava na mesma linha do primeiro, mas observando o barco sob um ângulo de 45o. Em seguida, utilizavam o teorema de Pitágoras, ou seja, medindo a distância entre eles, os catetos eram iguais. Para começarmos nosso estudo sobre essa figura tão importante, vamos defini-la com muito cuidado. Chama-se triângulo ABC a figura geométrica formada pela reunião dos três segmentos , , onde os pontos A, B e C não são colineares. e Figura 2.3 - Triângulo ABC. Notação: Triângulo ou Para trabalharmos com triângulos, temos de conhecer alguns elementos fundamentais: Vértices: os pontos A, B e C são vértices do triângulo; Ângulos: os ângulos internos do triângulo são ou , ou , o lado ângulo . oposto ao ângulo Unidade 2 GI_MTM.indb 71 , ; Lados: os lados do triângulo são os segmentos ( de medida b) e (de medida a); o lado ângulo ou ( de medida c), é dito oposto ao e o lado oposto ao 71 13/9/2007 10:18:59 Universidade do Sul de Santa Catarina Perímetro: a soma dos lados de um triângulo é chamada de perímetro, então o perímetro do triângulo acima é: ; Lado Adjacente: um lado adjacente a dois ângulos é o lado que une os vértices desses dois ângulos. No triângulo ABC, o lado é adjacente aos ângulos ângulos e e o lado e , o lado é adjacente aos é adjacente aos ângulos e . Os triângulos podem ser classificados de acordo com os comprimentos de seus lados ou das medidas de seus ângulos. Veja como: Classificação de triângulos quanto aos lados: Eqüilátero: o triângulo eqüilátero tem os três lados congruentes. Assim, no triângulo ABC da figura 2.4, temos a = b = c. As letras minúsculas a, b e c representam, respectivamente, os comprimentos dos lados opostos aos vértices A,B e C, por isso utilizamos o sinal de = (igual) e não o de ≡ (congruência). Isósceles: o triângulo isósceles tem pelo menos dois lados congruentes. Assim, no triângulo ABC da figura 2.5, temos a = c. Neste caso o lado triângulo isósceles. é chamado do base do 72 GI_MTM.indb 72 13/9/2007 10:18:59 Geometria I Escaleno: o triângulo escaleno não tem lados congruentes. Assim, no triângulo ABC da figura 2.6, temos a ≠ b ≠ c. O símbolo ≠ significa “é diferente de”. No caso a ≠ b ≠ c, lê se “a é diferente de b e b é diferente de c”. Um triângulo eqüilátero é também um triângulo isósceles? Sim, pois, se um triângulo tem os três lados congruentes, dois dos seus lados são congruentes, o que basta para que ele seja classificado também como isósceles. Classificação de triângulos quanto aos ângulos: Retângulo: todo triângulo retângulo tem um ângulo reto. Assim, no triângulo ABC da figura 2.7, o ângulo A é o ângulo reto (m (  )= 90o). Acutângulo: o triângulo acutângulo tem os três ângulos agudos. Assim, no triângulo DEF da figura 2.8, as medidas dos ângulos , , são o menores que 90 . Unidade 2 GI_MTM.indb 73 73 13/9/2007 10:19:00 Universidade do Sul de Santa Catarina Obtusângulo: o triângulo obtusângulo tem um ângulo obtuso. Assim, no triângulo JKH da figura 2.9, a é maior que 90o. medida do ângulo Exemplo: Um triângulo isósceles pode ser classificado segundo seus ângulos, veja os exemplos a seguir. SEÇÃO 2 – Teorema de Pitágoras Pitágoras: Olá, George, tenho ouvido falar em você. George: Olá, você deve ser o grande Pitágoras. Pitágoras: Isso mesmo, meu caro, mas por que grande? 74 GI_MTM.indb 74 13/9/2007 10:19:00 Geometria I George: Você desenvolveu um dos teoremas mais famosos da matemática. Pitágoras: Desenvolvi não, eu apenas provei um resultado que já era conhecido pelos Babilônios 1000 anos antes do meu nascimento. Mas, sem dúvida, esse teorema é muito útil, além de famoso, e vem sendo aplicado por muitos séculos em diversas áreas. George: Eu acho interessante isto de o teorema de Pitágoras ser utilizado por pessoas que a gente nem imagina. Eu tenho um amigo que é artista naval, o Rodolpho; ele utiliza o Teorema de Pitágoras como referência para definir escalas nos seus projetos de maquetes de embarcações. Ele diz que aprendeu o teorema quando criança, e mesmo quando esquece seu enunciado, sabe utilizá-lo no seu trabalho. Pitágoras: Na verdade, a versatilidade desse teorema o torna inesquecível, e quando aprendemos um conteúdo de verdade, não esquecemos jamais. George: Eu fico surpreso ao ver crianças conseguindo utilizar o Teorema de Pitágoras. Pitágoras: Mostrar a importância de conceitos para nossos jovens é uma das tarefas fundamentais para o crescimento da humanidade. Sem falar que as crianças são nosso futuro, e, como eu sempre digo, eduque-as e não será preciso punir os homens. George: Estou vendo que você realmente é um sábio. Pitágoras: Na verdade, sempre procurei viver conforme alguns valores e, entre eles, este: “Pensem o que quiserem de ti, faze aquilo que te parece justo”. George: Isso é bom. Nesta seção, vamos apresentar os elementos dos triângulos retângulos e enunciar o Teorema de Pitágoras. Seja o Triângulo ABC da figura 2.10: Unidade 2 GI_MTM.indb 75 75 13/9/2007 10:19:00 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 2.10: Triângulo Retângulo reto em . Dado um triângulo ABC retângulo, definimos: Hipotenusa: é o lado oposto ao ângulo reto; Catetos: são os lados que formam o ângulo reto. No triângulo da figura 2.10: Hipotenusa e . , catetos Observe que a hipotenusa é sempre maior que qualquer um dos catetos. Classificação de Triângulos Retângulos Como qualquer triângulo, podemos classificar os triângulos retângulos em relação aos seus lados da seguinte forma: Triângulo Retângulo Isósceles O triângulo retângulo isósceles possui os dois catetos iguais , na figura 2.11: b = c e m( )= 90o . Triângulo Retângulo Escaleno O triângulo retângulo escaleno possui todos os lados com medidas diferentes, na figura 2.12: a ≠ b ≠ c. 76 GI_MTM.indb 76 13/9/2007 10:19:00 Geometria I Teorema 2.1 – (Teorema de Pitágoras): Se ABC é um triângulo retângulo, o quadrado da medida da hipotenusa é igual à soma dos quadrados das medidas dos catetos. Do triângulo ABC da figura 2.13, o Teorema garante que: Figura 2.13: Triângulo Retângulo ABC reto em A com hipotenusa a e catetos b e c. Pesquisas históricas mostram que esse teorema já era conhecido pelos Babilônios por volta de 1500 a.C., e que os chineses o conheciam talvez em torno de 1100 a.C. Pitágoras foi o primeiro matemático a demonstrálo Mas existem inúmeras outras demonstrações, vamos apresentar algumas no decorrer das seguintes unidades, quando já tivermos estudado outros conceitos necessários para cada demonstração Exemplos: 1) Utilize o Teorema de Pitágoras para verificar se os triângulos abaixo são retângulos: Solução: Se o triângulo for retângulo, ele deve satisfazer o teorema de Pitágoras. O maior lado deverá ser a hipotenusa e os demais os catetos. No triângulo I, tomemos a= 13, b = 7 e c = 6. Pelo teorema: 132 = 62 + 72, ou seja, 169 = 36 + 49. Unidade 2 GI_MTM.indb 77 77 13/9/2007 10:19:01 Universidade do Sul de Santa Catarina Como essa igualdade não é verdadeira, pois 36 + 49 = 85, podemos garantir que o triângulo I não é retângulo. Já no triângulo II, tomemos a = 10, b= 6 e c = 8. Assim, 102 = 62 + 82, logo 100 = 36 + 64. Como 36 + 64 = 100, concluímos que o triângulo II é retângulo. 2) Determine o valor de x, no triângulo retângulo abaixo. Solução: Pelo Teorema: x2 = 72 + 122 x2 = 49 + 144 x2 = 193 então 3) Suponha uma escada de 6 metros de comprimento encostada em um muro de 5 metros de altura. Se a extremidade da escada encosta na parte de cima do muro, determine a distância da escada ao muro, no chão. Solução: Podemos utilizar o Teorema de Pitágoras para resolver este problema, admitindo que o comprimento da escada é a 78 GI_MTM.indb 78 13/9/2007 10:19:01 Geometria I hipotenusa, um dos catetos é a altura do muro e o outro é a distância que estamos procurando, assim: 62 = 5 2 + d2 36 = 25 + d2 36 - 25 = d 2 d2 = 11 então Pense em algum problema do seu dia-a-dia que pode ser resolvido, utilizando o teorema de Pitágoras. SEÇÃO 3 - Relações trigonométricas do triângulo retângulo George: Pitágoras, me ajude, por favor. Pitágoras: Pois não rapaz, diga qual seu problema. George: Eu tenho uma dúvida: a gente no colégio estuda Trigonometria, e quase ninguém gosta. Minha curiosidade é saber o que afinal é Trigonometria e onde ela é utilizada. Pitágoras: Meu caro, acredito que algumas pessoas não gostem de Trigonometria, por não conhecer bem esse assunto. Vou falar um pouco sobre o desenvolvimento da Trigonometria. Unidade 2 GI_MTM.indb 79 79 13/9/2007 10:19:02 Universidade do Sul de Santa Catarina Bem, a palavra trigonometria vem do grego: tri - três, gono - ângulo, metrien - medida, ou seja, medida de triângulos. George: Mas o que é medida de triângulos? Pitágoras: É a relação entre os lados e ângulos de triângulos e serviu à navegação, à agrimensura e à astronomia. Por volta de 300 a.C., a Trigonometria estava diretamente relacionada à Astronomia. E somente Leonhard Euler, um famoso matemático do século XVIII, desvinculou a Trigonometria da Astronomia e a transformou em um ramo independente da matemática. Hoje, a Trigonometria é usada em várias áreas das ciências, como a Engenharia, a Física, a Astronomia, a Navegação, entre outras. George: Nossa, deu para conhecer um pouco da história, mas não entendi como a Trigonometria pode ser tão utilizada. Pitágoras: Bem, nesta seção você verá a Trigonometria em triângulos retângulos. Mas, desde o início, a Trigonometria era estudada também em triângulos esféricos, e essa Trigonometria muito utilizada nessas áreas. George: Triângulos esféricos? O que é isso? Pitágoras: São triângulos formados por uma secção da superfície de uma esfera. Mas depois você estuda isso. Agora vamos estudar a Trigonometria Plana, em triângulos retângulos, ok? George: Tô nessa! Os elementos fundamentais do triângulo são os seus lados e seus ângulos. Esses elementos podem ser utilizados para calcular outros elementos do triângulo. Vamos ver essas relações a seguir. Antes vamos re-nomear os catetos desse triângulo. Os catetos recebem nomes especiais de acordo com a sua posição em relação ao ângulo sob análise. Se estivermos operando com o ângulo B, então o lado oposto indicado por b é o cateto oposto ao ângulo B; e o lado adjacente ao ângulo B, indicado por c, é o cateto adjacente ao ângulo B. 80 GI_MTM.indb 80 13/9/2007 10:19:02 Geometria I Figura 2.14: Triângulo Retângulo ABC, reto em A, com ângulo interno igual a α. Num triângulo retângulo, podemos estabelecer razões entre as medidas dos seus lados: catetos e hipotenusa. Consideremos o triângulo retângulo ABC reto em  e um ângulo agudo B de medida α (Figura 2.14). As funções trigonométricas básicas são relações entre as medidas dos lados do triângulo retângulo e seus ângulos. As três funções básicas mais importantes da trigonometria são: seno, cosseno e tangente. O ângulo é indicado pela letra α. Razão 1: Seno de um ângulo agudo: Então, Num triângulo retângulo, o seno de um ângulo agudo é a razão entre as medidas do cateto oposto a esse ângulo e da hipotenusa. Razão 2: Cosseno de um ângulo agudo: Então, Num triângulo retângulo, o cosseno de um ângulo agudo é a razão entre as medidas do cateto adjacente a esse ângulo e da hipotenusa Unidade 2 GI_MTM.indb 81 81 13/9/2007 10:19:02 Universidade do Sul de Santa Catarina Razão 3: Tangente de um ângulo agudo: Num triângulo retângulo, a tangente de um ângulo agudo é a razão entre as medidas do cateto oposto a esse ângulo e o cateto adjacente a esse ângulo. Então, Exemplo: Dado o triângulo retângulo ABC, reto em A, conforme a figura abaixo. Determine: sen α, cos α, tg α, sen β, cos β e tg β Relação Fundamental Algumas relações importantes podem ser obtidas dos triângulos retângulos, para isso vamos tomar um triângulo retângulo ABC, com hipotenusa de comprimento igual a 1 unidade, como na figura abaixo: Observe que , 82 GI_MTM.indb 82 13/9/2007 10:19:03 Geometria I Pelo teorema de Pitágoras: Também conhecida como identidade trigonométrica. Exemplo: Determine o valor de x e y na figura abaixo, sabendo que sen 30o = ½. Ângulos Notáveis Através do triângulo retângulo podemos analisar os valores de seno, cosseno e tangente de alguns ângulos específicos, conforme você verá a seguir. 1) Ângulo de 45o Seja um quadrado de lado 1, como na figura abaixo. Pelo teorema de Pitágoras, encontramos a diagonal do quadrado, transformando-o em dois triângulos retângulos de catetos iguais a 1. Unidade 2 GI_MTM.indb 83 83 13/9/2007 10:19:03 Universidade do Sul de Santa Catarina 2) Ângulos de 60o e 30o Se o triângulo ABC é eqüilátero, como na figura 2.15, o segmento divide o lado ao meio, obtendo, assim, um triângulo retângulo com hipotenusa 1, e cateto ½. Logo, pelo teorema de Pitágoras, o outro cateto é . Utilizando o mesmo triângulo ABD, mostre que sen 60o = cos 30o , sen 30o = cos 60o . SEÇÃO 4 - Congruência de triângulos Pitágoras: Olá, George, você precisa de ajuda? George: Bem, na verdade estou meio curioso para entender essa história de congruência de triângulos. É muito complexo o assunto? 84 GI_MTM.indb 84 13/9/2007 10:19:03 Geometria I Pitágoras: Não, meu caro, é simples. Nós, matemáticos, já provamos tudo para vocês, basta que entendam o raciocínio. Na verdade, a congruência de triângulos segue uma ordem. George: Como? Não entendi. Pitágoras: O primeiro caso de congruência entre triângulos foi escrito como axioma, e os demais são decorrentes deste e das definições estabelecidas na seqüência. É uma construção muito bonita. George: Mas isso não é complicado? Pitágoras: De jeito algum, é só ter paciência e atenção. George: Falou! Vamos usar congruência para relacionar triângulos. Lembre-se de que elementos congruentes são elementos que têm a mesma forma e o mesmo tamanho e, apenas, não são iguais, pois os pontos que os formam não são os mesmos. Congruência de triângulos Dois triângulos são congruentes, se têm a mesma forma e o mesmo tamanho. Isso acontece, se os seus lados são ordenadamente congruentes aos lados do outro e se os seus ângulos são ordenadamente congruentes aos ângulos do outro. Figura 2.16: Triângulos ABC e DEF congruentes. Unidade 2 GI_MTM.indb 85 85 13/9/2007 10:19:04 Universidade do Sul de Santa Catarina Assim dados os triângulos da figura 2.16, dizemos que se , , , , e As condições de congruência anteriores (três congruências entre lados e três congruências entre ângulos) são totais. Podemos garantir a congruência entre triângulos, utilizando apenas condições mínimas. O axioma a seguir é considerado o primeiro caso de congruência, isso quer dizer que, se conhecemos alguns elementos de dois triângulos e se eles satisfazem alguns dos casos de congruencia, podemos garantir a congruência entre os triângulos. Axioma X: Dados dois triângulos ABC e DEF, se e , então o triângulo ABC é congruente ao triangulo DEF. A interpretação do axioma é: Dois triângulos que possuem dois lados e o ângulo compreendido entre esses lados respectivamente congruentes, são congruentes. Esta é a congruência lado, ângulo, lado (LAL). Assim, se garantir que , e ou seja (LAL), então podemos , e . Exemplos: Dados os triângulos I, II, e III, observe que: I e III são congruentes por LAL; o triângulo II não é congruente a qualquer um dos outros dois, pois o ângulo reto não está entre 5 e 4. 86 GI_MTM.indb 86 13/9/2007 10:19:04 Geometria I Existem quatro casos de congruência de triângulos. Considera-se o axioma anterior como caso 1, e dele derivam os demais casos, como apresentaremos a seguir. Desse primeiro caso de congruência, deriva um teorema importante para a geometria, o teorema do triângulo isósceles, que garante a congruência dos ângulos da base. Vamos demonstrar esse teorema a seguir. Teorema 2.2 (do Triângulo Isósceles): Se um triângulo é isósceles, então os ângulos da base são congruentes. Demonstração: A Hipótese desse teorema é: Se o triângulo ABC é isósceles, então os lados e são congruentes ( A Tese é: Então os ângulos da base Congruentes ( e ) são ) Para essa demonstração, vamos considerar os triângulos ABC e ACB, ou seja queremos associar os pontos A, B e C aos pontos A,C e B respectivamente. Como podemos utilizar um caso de congruência entre dois triângulos para provar que um triângulo é isósceles? Para isso, consideramos o triângulo ABC de base eo triângulo ACB de base . Lembre que os vértices A, B e C estarão associados aos vértices A,C e B respectivamente: . Além disso, (o Assim, por hipótese, ângulo é o mesmo para os dois triângulos ABC e ACB ). Então, pelo axioma acima (LAL), os triângulos ABC e ACB são congruentes, e, portanto, os ângulos e também são congruentes. Unidade 2 GI_MTM.indb 87 87 13/9/2007 10:19:04 Universidade do Sul de Santa Catarina Exemplo: Se o triângulo ao lado ABC é isósceles de base BC, determine x. Solução: Pelo teorema acima, num triângulo isósceles os ângulos internos da base são iguais. Então: 2x – 10o = 30o ⇒ 2x = 40o ⇒ x = 20o Vamos mostrar, agora, algumas relações entre os ângulos de um triângulo. Lembre-se de que já definimos ângulo e ângulo interno. Se é um triângulo, os seus ângulos , e são chamados ângulos internos ou simplesmente de ângulo de um triângulo. Os suplementos de cada um dos ângulos são chamados de ângulos externos do triângulo. Figura 2.17: Triângulo ABC e ângulo externo θ. Na figura 2.17, o suplemento θ do ângulo externos deste triângulo. Exemplo: Se o ângulo é um dos ângulos mede 60o, então m(θ ) = 120o. Teorema 2.3 (do ângulo externo): Todo ângulo externo de um triângulo é maior que qualquer ângulo interno não adjacente a ele. Por exemplo, na figura 2.17, podemos afirmar que o ângulo externo θ ao triângulo ABC, suplementar ao , é maior que os ângulos e (internos). 88 GI_MTM.indb 88 13/9/2007 10:19:04 Geometria I Teorema 2.4: A soma das medidas de quaisquer dois ângulos internos de um triângulo é menor do que 180°. Demonstração: Hipótese: Se ABC é um triangulo, cujos ângulos internos são e , Tese: , , e . Com base no triângulo da figura 2.17, devemos mostra que . Consideremos θ o ângulo externo ao vértice C, pelo teorema 2.3 θ> . Mas θ e são suplementares, logo m(θ ) + m( ) = 180o, ou seja, m(θ ) = 180o - m( ). Ora, como θ > e , segue que e, portanto, . Corolário é uma conseqüência imediata de algum teorema ou proposição. Corolário: Todo triângulo possui pelo menos dois ângulos internos agudos. Unidade 2 GI_MTM.indb 89 89 13/9/2007 10:19:05 Universidade do Sul de Santa Catarina Esta demonstração se faz por absurdo e usa-se imediatamente o teorema 2.4. Tente fazer. Para isso, suponha que o triângulo não possui dois ângulos internos agudos, e, então, mostre que isso é um absurdo. Ver atividade de auto-avaliação número 14. Caso 2: Dois triângulos que possuem dois ângulos e o lado entre esses ângulos, respectivamente congruentes, são congruentes. Esta é a congruência ângulo, lado, ângulo (ALA). Este caso diz que, se podemos garantir que , e , e (ALA), então e, conseqüentemente, . Demonstração: Dados os triângulos ABC e DEF da figura 2.18: A Hipótese desse teorema é: A Tese é: Então Seja P um ponto da reta , tal que , conforme a figura 2.19.Comparando os triângulos ABP ( da figura 2.19) e DEF ( da figura 2.18) temos: e (por hipótese) e (por construção). Assim, por caso1 LAL, concluímos que . Logo, , mas, por hipótese, concluímos que o ângulo .Com isso não existe, ou seja, sua medida 90 GI_MTM.indb 90 13/9/2007 10:19:05 Geometria I é zero. Portanto P e C são pontos coincidentes, o que nos leva a . concluir que Exemplos: Dados os triângulos I, II, e III: Observe que: os triângulos II e III são congruentes por ALA; o triângulo I não é congruentes a qualquer um dos outros dois, pois o lado 10 não está entre 70o e 30o . Utilize o caso 2 de congruência para mostrar que: “Se um triângulo possui dois ângulos congruentes, então, esse triângulo é isósceles”. Ver atividade de auto-avaliação número 15. Caso 3: Dois triângulos que possuem os três lados respectivamente congruentes são congruentes. Esta é a congruência lado, lado, lado ( LLL ). Este caso diz que, se então podemos garantir que , e , e e, conseqüentemente, . Unidade 2 GI_MTM.indb 91 (LLL), 91 13/9/2007 10:19:05 Universidade do Sul de Santa Catarina Demonstração: Dados os triângulos ABC e DEF da figura 2.20: A Hipótese desse teorema é: A Tese é: Então Do triângulo DEF, obtemos a partir de D um ponto G, ver figura 2.21, tal que Como também e . ( por hipótese), concluímos que . Conseqüentemente, o triângulo EDG é isósceles de base , logo . Por outro lado, como (*) e ( por hipótese), (por construção), então, por LAL, os triângulos . ABC e GEF são congruentes. Conseqüentemente, (por hipótese), então Ora, como também Concluímos que o triângulo FDG é isósceles de base . Somando os ângulos Somando, ainda, os ângulos . , assim (**) e , temos o ângulo e . , temos o ângulo o qual, pelas conclusões (*) e (**), é congruente ao ângulo . Portanto, como , e , por LAL o triângulo DEF é congruente ao triângulo GEF , que, por construção, mostramos ser congruente ao triângulo ABC, logo . 92 GI_MTM.indb 92 13/9/2007 10:19:06 Geometria I Exemplos: Dados os triângulos I, II, e III, Observe que: os três triângulos I, II e III são congruentes entre si por LLL. Caso 4: Dois triângulos que possuem um lado, um ângulo adjacente a esse lado e um ângulo oposto a esse mesmo lado, respectivamente, congruentes, são congruentes. Esta é a congruência lado, ângulo, ângulo oposto ( LAAo). Este caso diz que: Se podemos garantir que , e , e (LAAo), então e, conseqüentemente, . Demonstração: Dados os triângulos ABC e DEF da figura 2.22: A Hipótese desse teorema é: A Tese é: Então Unidade 2 GI_MTM.indb 93 93 13/9/2007 10:19:06 Universidade do Sul de Santa Catarina Existem três possibilidades sobre a medida dos lados e : a) , (por hipótese) e Assim, se por ALA, concluímos que (por hipótese), b) Seja P um ponto na semi-reta teríamos , ( ver figura (por hipótese), pelo caso LAL e 2.23), como , tal que , logo . Mas (por hipótese). Com isso, ,o que é absurdo, pois, no triângulo PAC, o ângulo é externo e pelo teorema do ângulo externo 2.3, este deve medir mais que qualquer um dos ângulos internos não adjacentes a ele. Concluí-se que não pode ser maior que . c) Utiliza-se o mesmo raciocínio para mostrar que esta hipótese é absurda, portanto, a única possibilidade é que ou seja . 94 GI_MTM.indb 94 13/9/2007 10:19:06 Geometria I Exemplo: Dados os triângulos I, II, III, e IV: Observe que: os triângulos I e III são congruentes por LAAo; o triângulo II não é congruente aos triângulos I e III, pois o lado 7 é oposto a 50o, em vez de a 45o; o triângulo IV não é congruente aos triângulos I e III, pois o lado 7 está entre 50o e 45o . Existe um caso especial de congruência de triângulos retângulos. Caso Especial: Se dois triângulos retângulos têm ordenadamente congruentes um cateto e a hipotenusa, então esses triângulos são congruentes (HC). Este caso diz que, se os triângulos ABC e DEF são retângulo e e , então podemos garantir que e, conseqüentemente, , e . Demonstração: Dados os triângulos ABC e DEF da figura 2.24: A Hipótese desse teorema é: (retos) Unidade 2 GI_MTM.indb 95 95 13/9/2007 10:19:07 Universidade do Sul de Santa Catarina A Tese é: Então No triângulo DEF, suponha um ponto P na semi-reta oposta a semi-reta e que ( ver figura 2.25), tal que . Como (por hipótese), pelo caso LAL concluímos , então podemos garantir que . Além disso, se (por hipótese) e , logo o triangulo EFP é isósceles de base isso garantimos que e , e como , então , então . Com . , Considerando agora os triângulos ABC e DEF, temos e , por LAAo concluímos que . Exemplo: Dados os triângulos I, II, e III: Observe que: os triângulos I e III são congruentes por HC; o triângulo II não é congruente a qualquer um dos outros, pois a sua hipotenusa não é 4, como nos outros. 96 GI_MTM.indb 96 13/9/2007 10:19:07 Geometria I Será que podemos garantir a congruência de triângulos nos casos ALL e AAA? Por quê? Ver atividade de auto-avaliação número 21. SEÇÃO 5 – Pontos notáveis de um triângulo Nesta seção, iremos apresentar algumas definições e conclusões sobre triângulos, úteis para resolver determinados problemas. Mediana de um Triângulo: Dado um triângulo ABC, chamamos de Mediana a um segmento com extremidade em um dos vértices e outra no ponto médio do lado oposto a ele. Na figura 2.26, M é o ponto médio do segmento , e o segmento é a Mediana relativa ao lado ou ao ângulo A. Observe que um triângulo possui três medianas, cada uma relativa a um dos seus lados ou ângulos: relativa ao lado relativa ao lado relativa ao lado ou ao ângulo ou ao ângulo ou ao ângulo Baricentro de um Triângulo (G): Dado um triângulo ABC, chamamos de Baricentro o ponto de interseção das três medianas. Teorema 2.5: Se G é baricentro de um triângulo, então ele divide cada uma das medianas em segmentos tais, que a parte que contém o vértice é o dobro da outra. Unidade 2 GI_MTM.indb 97 97 13/9/2007 10:19:07 Universidade do Sul de Santa Catarina Incentro de um Triângulo (P): Dado um triângulo ABC, chamamos de Incentro o ponto de intersecção das três bissetrizes internas do triângulo. Teorema 2.6: Se P é incentro de um triângulo, então P está a igual distância dos lados do triângulo. Mediatriz de lado de um Triângulo (m): Dado um triângulo ABC, chamamos de mediatriz de um dos lados, a reta perpendicular a esse lado que passa pelo seu ponto médio. Do triângulo ABC da figura 2.27, temos que m é a mediatriz relativa ao lado , e M é o ponto médio do segmento . Observe que um triângulo possui três mediatrizes, cada uma relativa a um dos seus lados, ou ângulos: m1 perpendicular a , e M1 divide m2 perpendicular a , e M2 divide m3 perpendicular a , e M3 divide ao meio. ao meio. ao meio. 98 GI_MTM.indb 98 13/9/2007 10:19:08 Geometria I Construa um triângulo e duas de suas mediatrizes. A seguir, construa um círculo com centro no ponto de encontro das duas mediatrizes e que passe por um dos vértices do triângulo. O que você observa? E depois de construir a terceira mediatriz, o que você conclui? Ver atividade de auto-avaliação 23. Circuncentro de um Triângulo (O): Dado um triângulo ABC, chamamos de Circuncentro o ponto de intersecção das três mediatrizes dos lados de triângulo. Teorema 2.7: Se O é circuncentro de um triângulo, então as distâncias de O aos lados do triângulo são iguais. Altura de um Triângulo (h): Dado um triângulo ABC, chamamos de altura de um triângulo, ao segmento de reta perpendicular a um dos lados do triângulo e extremidades neste lado e no vértice oposto a este lado. Do triângulo ABC da figura 2.28, temos que h é a altura relativa ao lado , e H é o ponto de intersecção do segmento com a altura que tem extremidade no vértice A. Observe que um triângulo possui três alturas, cada uma relativa a um dos seus lados, ou aos vértices: h1 perpendicular a , e H1 intercepta h2 perpendicular a , e H2 intercepta h3 perpendicular a , e H3 intercepta Unidade 2 GI_MTM.indb 99 99 13/9/2007 10:19:08 Universidade do Sul de Santa Catarina Ortocentro de um Triângulo (H): Dado um triângulo ABC, chamamos de ortocentro ao ponto de intersecção das três alturas do triângulo. Construa um triângulo. Trace as retas-suporte de suas três alturas. A seguir, construa um segundo triângulo de tal forma que seus lados sejam paralelos aos lados do primeiro e passem pelos três vértices. Movimente os vértices do primeiro triângulo e descubra qual a relação entre a reta-suporte das alturas com o triângulo maior? Se você descobriu a relação, o que você pode concluir sobre as alturas? Ver atividade de auto-avaliação 24. Pitágoras: E aí, George, gostou dessa seção? George: Muito, aprendi bastante sobre os triângulos, não imaginava a grande utilidade deles. Como vocês conseguiram provar tantas coisas? Pitágoras: Estudando, pensando e, claro, acreditando. George: Como acreditando? Pitágoras: Ora, meu caro, temos que acreditar em nós mesmos e naquilo que achamos importante para nossas vidas. George: Isso é verdade, acredito que você tem razão. Uma coisa, poderia então me ajudar nos exercícios? Pitágoras: Não, rapaz, preste atenção, vou te dizer mais um lema no qual acredito:” Ajuda teus semelhantes a levantar sua carga, mas não a carregues”, ou seja os exercícios são seus. George: Falou! 100 GI_MTM.indb 100 13/9/2007 10:19:09 Geometria I Síntese Nesta unidade, você estudou como conhecer e classificar triângulos segundo seus lados e ângulos. Também estudou sobre congruência de triângulos, a trigonometria plana, várias ferramentas especiais para resolver determinados tipos de problemas. Conheceu o Teorema de Pitágoras e pôde observar algumas aplicações. Observe, ao longo dos exercícios, como utilizar cada uma das ferramentas e conceitos estudados nesta unidade, e não se esqueça de tirar suas dúvidas com o seu professor tutor. Saiba mais A partir do século V a.C, os matemáticos gregos desenvolveram uma parte da Matemática, intimamente ligada à Geometria, conhecida como Construções Geométricas com Régua e Compasso. Os problemas de construções geométricas são muito interessantes e alguns deles devem ser enfrentados por quem está interessado em Geometria. É bom saber que os gregos antigos propuseram e resolveram muitos problemas difíceis de construção, mas não conseguiram resolver, ou melhor, não conseguiram provar que não tinham solução os três problemas conhecidos por: (1) a trisecção de um ângulo; (2) a duplicação de um cubo; (3) a quadratura de um círculo. Se você quiser saber mais sobre Pitágoras e seus estudos nas áreas de matemática, filosofia, geometria, música, ética, moral, educação e higiene, você deve ler: CONTE, Carlos B.; Pitágoras- Ciência e Magia na Antiga Grécia. Ed. Madras, 2006. Unidade 2 GI_MTM.indb 101 101 13/9/2007 10:19:09 Universidade do Sul de Santa Catarina Atividades de auto-avaliação 1) Assinale V (verdadeiro) ou F (falso). A. ( ) Todo triângulo eqüilátero é isósceles. B. ( ) Todo triângulo isósceles é eqüilátero. C. ( ) Um triângulo retângulo pode ser isósceles. D. ( ) Um triângulo isósceles pode ser obtusângulo. E. ( ) Todos os triângulos retângulos são congruentes. F. ( ) Todos os triângulos eqüiláteros são congruentes. 2) Dado o triângulo ABC isósceles, ao lado, determine o comprimento da base. 3) Determine o comprimento dos lados de um triângulo ABC eqüilátero cujos lados são AB = 15- 2y, BC = 3x-8 e CA = 7. 102 GI_MTM.indb 102 13/9/2007 10:19:09 Geometria I 4) Dados os triângulos abaixo, determine a e b, sabendo que os triângulos são eqüiláteros. 5) Determine x num triângulo EFG isósceles de base e . Unidade 2 GI_MTM.indb 103 , sabendo que 103 13/9/2007 10:19:10 Universidade do Sul de Santa Catarina 6) Se o perímetro de um triângulo eqüilátero é 45 cm, quanto mede cada lado? 7) Se o perímetro de um triângulo isósceles de base 30 cm é 100 cm, quanto mede cada lado? 8) Determine a medida da hipotenusa de um triângulo retângulo cujos catetos medem 4cm e 3cm. 104 GI_MTM.indb 104 13/9/2007 10:19:10 Geometria I 9)Calcule o seno, o cosseno e a tangente de cada um dos ângulos dos triângulos abaixo: 10)Um observador, colocado a 10 m da base de uma chaminé, vê seu ponto mais alto sob um ângulo de 60o. Calcule a altura da chaminé. 11)Calcule os ângulos de um triângulo retângulo cuja razão entre os catetos é . Unidade 2 GI_MTM.indb 105 105 13/9/2007 10:19:10 Universidade do Sul de Santa Catarina 12)Uma pessoa, cuja altura é 1,70m, vê o ponto mais alto de um edifício sob um ângulo de 60o. Quando recua 100m, vê o mesmo ponto sob um ângulo de 30o. Suponha que a pessoa e o edifício estejam no mesmo nível e determine a altura do edifício e a distância inicial da pessoal em relação ao edifício. 13)Demonstrar o corolário do teorema 2.4. Veja a sugestão dada. 14)Mostre que se um triângulo possui dois ângulos congruentes, então esse triangulo é isósceles. 106 GI_MTM.indb 106 13/9/2007 10:19:10 Geometria I 15)Dados os pares dos triângulos abaixo, indique quais são congruentes e qual caso de congruência. 16)Nos triângulos abaixo, indique os congruentes entre si e indique o caso de congruência: Unidade 2 GI_MTM.indb 107 107 13/9/2007 10:19:11 Universidade do Sul de Santa Catarina 17) Dadas as figuras abaixo, determine os valores de x e y para que os triângulos I e II sejam congruentes: 18) Dadas as figuras abaixo, onde os triângulos ABC e AED são congruentes, determine x, y e z. 108 GI_MTM.indb 108 13/9/2007 10:19:11 Geometria I 19) Assinale V (verdadeiro) ou F (falso). A. ( ) Se dois triângulos possuem três pares de lados congruentes e um par de ângulos congruentes, então os triângulos são congruentes. B. ( ) Se dois triângulos possuem dois pares de lados congruentes e dois pares de ângulos congruentes, então os triângulos são congruentes. C. ( ) Se dois triângulos possuem os três ângulos internos correspondentes congruentes, então os triângulos são congruentes. D. ( ) Se dois triângulos possuem 1 par de lados congruentes e três pares de ângulos congruentes, e se o par de lados congruentes é adjacente aos ângulos congruentes correspondentes, então os triângulos são congruentes. 20) Mostre que não podemos garantir a congruência de triângulos nos casos ALL e AAA. 21) Assinale V (verdadeiro) ou F (falso). A. ( ) O baricentro de um triângulo é interno a esse triângulo. B. ( ) O ortocentro e o baricentro de um triângulo eqüilátero são coincidentes. C. ( ) O ortocentro é externo ao triângulo retângulo. D. ( ) O ortocentro é externo ao triângulo obtusângulo. E. ( ) O circuncentro está em um dos lados do triângulo isósceles. Unidade 2 GI_MTM.indb 109 109 13/9/2007 10:19:11 Universidade do Sul de Santa Catarina 22) Mostre que todo triângulo retângulo possui dois ângulos externos obtusos. 23) Construa um triângulo e duas de suas mediatrizes. A seguir, construa um círculo com centro no ponto de encontro das duas mediatrizes e que passe por um dos vértices do triângulo. O que você observa? E depois de construir a terceira mediatriz, o que você conclui? 110 GI_MTM.indb 110 13/9/2007 10:19:11 Geometria I 24) Construa um triângulo. Trace as retas-suporte de suas três alturas. A seguir, construa um segundo triângulo de tal forma que seus lados sejam paralelos aos lados do primeiro e passem pelos três vértices. Movimente os vértices do primeiro triângulo e descubra qual a relação entre a reta-suporte das alturas com o triângulo maior? Se você descobriu a relação, o que você pode concluir sobre as alturas? Unidade 2 GI_MTM.indb 111 111 13/9/2007 10:19:12 GI_MTM.indb 112 13/9/2007 10:19:12 UNIDADE 3 Teorema de Tales Objetivos de aprendizagem 3 Conhecer o axioma das paralelas. Sintetizar o Teorema de Tales e conhecer algumas aplicações. Aplicar os casos de semelhança de triângulos, quando necessário. Compreender uma demonstração do Teorema de Pitágoras. Aplicar as relações métricas no triângulo retângulo. Compreender o cálculo da altura das pirâmides. Seções de estudo Seção 1 Axioma das Paralelas Seção 2 O Teorema de Tales Seção 3 Semelhança de triângulos GI_MTM.indb 113 13/9/2007 10:19:12 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de conversa Figura 3.1 – A semelhança de triângulos utilizada por Tales para calcular a altura das pirâmides. Euclides aparece em mais um sonho de George: Euclides: E aí, meu rapaz, como vão as coisas? George: Melhor do que eu imaginava. Confesso que estava com medo dessa disciplina e vejo que ela é muito rica e apaixonante. Mas o que traz você de volta, não me diga que é você quem vai me acompanhar nesta unidade? Euclides: Eu até poderia, mas acho mais conveniente apresentá-lo a um novo amigo. George: Já estou curioso, gostei muito do Pitágoras, quem virá agora? Euclides: Tales, acho que você já ouviu falar dele, não? George: Tales de Mileto? Do teorema de Tales? Euclides: Esse mesmo, e vou até lhe contar um segredo: quando eu era jovem como você, eu também me perguntava sobre a geometria, e o Tales vinha conversar comigo. 114 GI_MTM.indb 114 13/9/2007 10:19:12 Geometria I George: É mesmo? Mas ele é mais velho que você? Euclides: Sim, ele nasceu por volta de 624 a.C., deve ter vivido até 547 a.C., e eu sou bem mais jovem, nasci em 325 a.C. Vou contar um pouco a respeito dele. Tales foi um comerciante considerado meio homem meio lenda, já que era filósofo e matemático também. Na verdade, foi o primeiro e mais famoso dos sábios da Grécia. Na geometria, ele teve papel fundamental, pois transformou um aglomerado de noções esparsas em um sistema lógico e coerente. Tales morou no Egito por muitos anos, e se atribui a ele o fato de ter realizado a medição da altura das pirâmides, mediante as sombras que projetam. George: Nossa, eu só tinha ouvido falar no Teorema das Paralelas, não sabia que ele era tudo isso. Euclides: É, e tem mais, os antigos egípcios também atribuíram a ele o fato de ter predito o eclipse do Sol ocorrido no ano de 585 a.C. Foi o primeiro a dar uma explicação dos eclipses. George: Então vamos logo, Euclides, estou curioso para conhecê-lo. Euclides: Não seja ansioso, meu jovem, a pressa muitas vezes atrapalha. Aguarde até o próximo sonho. George: Mas Euclides, Euclides... Você não vai me abandonar, vai? Já foi. Nesta seção, vamos conhecer um dos axiomas mais importantes da geometria plana, o Axioma das Paralelas. Veremos, também, que a partir dele surgiram algumas conclusões fundamentais, como o Teorema de Tales e o conceito de semelhança de triângulos. Mas observe a última frase de Euclides no diálogo acima. Ele diz: “a pressa muitas vezes atrapalha”. Então, dediquese com tranqüilidade aos estudos e procure esclarecer suas dúvidas, sempre que aparecerem. Unidade 3 GI_MTM.indb 115 115 13/9/2007 10:19:13 Universidade do Sul de Santa Catarina SEÇÃO 1 – Axioma das Paralelas Tales: Olá, George, você precisa de ajuda? George: Tales? Que bom conhecê-lo! Quanto à ajuda, é sempre bemvinda. Tales: Bem, vou mostrar-lhe um axioma muito importante, que gerou muita discussão na época de sua apresentação. George: Já sei do que se trata. Tales: Já? George: Deve ser o tal Axioma das Paralelas. Tales: Exato. Mas como você sabe? George: Eu já tinha me adiantado um pouco, só não me aprofundei. Tales: Então chegou a hora. George: Pelo jeito é bem importante, mesmo. Tales: Historicamente, sim. Ele foi visualizado pelo nosso amigo Euclides e, muitos depois dele, acharam que podiam demonstrá-lo. Não conseguiram, e, a partir daí, surgiram outras geometrias. George: Outras Geometrias, que estória é essa? Tales: Vou contar um pouco de história. Como você já deve saber, Euclides foi o primeiro matemático que apresentou a geometria de forma sistemática, ao escrever a obra “Os Elementos”. Euclides escolheu 5 postulados (afirmações) que, por sua simplicidade, seriam aceitos. Porém o quinto postulado, que dá origem ao axioma das paralelas, não foi tão bem aceito por outros estudiosos. Ao longo de séculos, muitos matemáticos tentaram demonstrar o axioma das paralelas, o que o transformaria em um teorema. Proclus Diadochus, matemático crítico, que nasceu em 411, não aceitava o tal postulado e tentou prová-lo de diversas formas, porém, 116 GI_MTM.indb 116 13/9/2007 10:19:13 Geometria I sem êxito. A criação de outras geometrias surgiu a partir da negação desse postulado. Dois matemáticos, Lobachewsky e Bolyai, publicaram, de maneira independente, e quase simultaneamente, por volta de 1830, uma nova geometria, não euclidiana, que hoje é chamada de geometria hiperbólica. George: Nossa, que loucura. E do que trata essa geometria hiperbólica? Tales: Isso você estuda depois. Que tal primeiro ficar craque na euclidiana plana? George: Acho melhor, mesmo. Bom, então preciso ir à luta e estudar as tais paralelas. Tales: Sim, pense que as paralelas são iguais às gangorras em que você e seus amigos já se divertiram. Se estendê-las ao infinito, as duas jamais se encontrarão em algum ponto. George: Idéia simples que gerou confusão. Vou nessa, então. Tchau, Tales! Tales: Até breve, George! Retas Paralelas Duas retas são paralelas se, e somente se, são coincidentes (iguais), ou são coplanares (estão no mesmo plano) e não têm nenhum ponto comum. O símbolo // representa paralelas. E, assim, a expressão . paralela à Unidade 3 GI_MTM.indb 117 será lida é 117 13/9/2007 10:19:13 Universidade do Sul de Santa Catarina Reta transversal a duas retas dadas Se a e b são duas retas distintas, paralelas ou não, e t uma reta concorrente com a e b, então t é dita transversal a a e b. Observe que uma reta transversal a outras duas determina com elas oito ângulos. A seguir, vamos enumerar e descrever cada um deles. Os ângulos anteriores podem ser classificados como: Alternos Internos: e , e Alternos Externos: e e , Colaterais Internos: e , e Colaterais Externos: e , e 118 GI_MTM.indb 118 13/9/2007 10:19:13 Geometria I Observe: Se dois ângulos alternos são congruentes (como por exemplo ), podemos concluir que existe a congruência dos ângulos de todos os pares de ângulos alternos ( ) bem como a congruência dos ângulos de todos os pares de ângulos correspondentes ( ); Axioma XI (Teorema das Paralelas): Por um ponto fora de uma reta r, pode-se traçar uma única reta paralela a r. Se duas retas r e s são infinitas em comprimento, como podemos provar que elas não se interceptam? O teorema a seguir mostra que, para responder a essa questão, utilizamos uma transversal e os ângulos formados entre essa transversal e as retas r e s. Teorema 3.1: Se duas retas coplanares distintas e uma transversal determinam ângulos alternos (ou correspondentes) congruentes, então essas duas retas são paralelas. Unidade 3 GI_MTM.indb 119 119 13/9/2007 10:19:14 Universidade do Sul de Santa Catarina Hipótese: Se α ≡ β Tese: r // s Demonstração: Se r e s não fossem paralelas, teriam um ponto em comum, por exemplo, o ponto P, da figura 3.3. Se A é o ponto de intersecção entre as retas s e t, e B o ponto de intersecção entre as retas r e t, construímos o triângulo ABP. Neste caso, pelo teorema do ângulo externo 2.3, teríamos α < β, o que é um absurdo, de acordo com a hipótese. Assim, as retas r e s são paralelas. Exemplo: Dadas as retas r e s paralelas, conforme a figura abaixo, determine os valores de x e y. Vamos mostrar, agora, uma utilidade do teorema das paralelas. Você já deve ter ouvido falar que a soma dos ângulos internos de um triângulo é 180°. Mas será que podemos provar isto? 120 GI_MTM.indb 120 13/9/2007 10:19:14 Geometria I Teorema 3.2: A soma dos ângulos internos de um triângulo é 180°. Demonstração: Seja um triângulo. Pelo vértice C, trace uma paralela ao lado . Podemos fazer isto pelo axioma X. Pela figura 3.4 observamos que e são ângulos externos do Triângulo ABC ; e 2̂ , ângulo interno oposto pelo vértice C. Note que é transversal às duas paralelas, logo . é transversal às duas paralelas, logo . Portanto, Observe que, quando comparamos ângulos pelos nomes, utilizamos o sinal de congruência. Quando comparamos as medidas dos ângulos, por serem números, utilizamos o sinal de igual. Unidade 3 GI_MTM.indb 121 121 13/9/2007 10:19:14 Universidade do Sul de Santa Catarina Exemplo: Determine o valor de x no triângulo abaixo: Solução: Como a soma dos ângulos internos do triângulo é 180o , então: x + 60o + 70o = 180o x + 130o = 180o x = 180o – 130o x = 50o Mostre que, num triângulo eqüilátero, cada ângulo interno mede 60o. Ver atividade de auto avaliação 5. SEÇÃO 2: Teorema de Tales George: Tales, você está aí? Ando curioso. Tales: Isso é bom, a curiosidade é fundamental para o aprendizado. George: Então me fale um pouco sobre esse teorema tão importante, o Teorema de Tales. Tales: Ah, essa conclusão é super simples. Como já dito antes, a beleza da geometria está em sua construção. Por isso, a grande importância desse teorema é que, a partir dele, foi possível deduzir outros teoremas. George: Estou ansioso. Tales: Então, vamos lá! 122 GI_MTM.indb 122 13/9/2007 10:19:15 Geometria I Antes de mostrarmos o teorema, vamos apresentar três conceitos fundamentais. 1) Chama-se feixe de retas paralelas a um conjunto de retas coplanares paralelas entre si. 2) Chama-se transversal do feixe de retas paralelas, uma reta que é concorrente a todas as retas do feixe. 3) Dois segmentos são ditos proporcionais, quando existe uma razão entre seus comprimentos. Dados dois números reais, a e b, a razão entre eles é o quociente a/b. Dadas duas razões a/b e c/d, se ocorrer a igualdade , então ela é denominada proporção. Da figura 3.5, dizemos que os segmentos e são proporcionais aos segmentos e , respectivamente, se: Vamos, a seguir, apresentar dois teoremas úteis para a demonstração do Teorema de Tales. Teorema 3.3: Se uma reta paralela a um lado de um triângulo intercepta os outros dois lados em pontos distintos, então ela determina segmentos que são proporcionais a esses lados. Unidade 3 GI_MTM.indb 123 123 13/9/2007 10:19:15 Universidade do Sul de Santa Catarina No triângulo ABC da figura 3.6, sejam D e E pontos de e respectivamente, tais que é paralelo . Então: Teorema 3.4: Se uma reta intercepta dois lados de um triângulo e determina segmentos proporcionais a estes dois lados, então ela é paralela ao terceiro lado. No triângulo ABC da figura 3.7, seja D um ponto entre A e B, e E um pontos entre A e C. Se , então: é paralelo a . Teorema 3.5: (de Tales): Um feixe de retas paralelas, interceptado por duas retas transversais quaisquer, gera segmentos determinados nas duas transversais proporcionais. 124 GI_MTM.indb 124 13/9/2007 10:19:16 Geometria I Demonstração: Na figura 3.8, considere o triângulo AEF, que intercepta o segmento no ponto N. Como teorema 3.3 podemos garantir: , pelo , conclusão (1). Considere agora o triângulo ABF. Como , pelo teorema 3.3 concluímos: conclusão (2). Portanto, das conclusões (1) e (2) temos , . Exemplo: Dada a figura abaixo, onde AB // CD // EF, determine os valores de x e y, sabendo que a soma x + y =30 . Solução: Pelo teorema de Tales: Portanto: e Unidade 3 GI_MTM.indb 125 125 13/9/2007 10:19:16 Universidade do Sul de Santa Catarina SEÇÃO 3 – Semelhança de triângulos Nesta seção, você verá como a semelhança de triângulos foi utilizada por Tales para calcular a altura das pirâmides. Mas, primeiro, vamos introduzir alguns conceitos necessários para essa demonstração. Figuras semelhantes são figuras parecidas, de mesma forma, mas tamanhos diferentes. Assim, duas figuras são semelhantes, quando existe entre elas uma proporção (chamada razão de semelhança). Figura 3.9: Figuras semelhantes Podemos afirmar que A e B são semelhantes, para os dois casos. Se você observar, verá que, no seu cotidiano, aparecem muitos casos de semelhança, como: a planta da sua casa é a representação reduzida da casa em tamanho real; uma fotografia é a ampliação do negativo e a imagem reduzida de um determinado momento. Você observa outro caso de semelhança no seu dia a dia? No estudo da geometria, a semelhança é um conceito muito utilizado, principalmente quando falamos de triângulos. 126 GI_MTM.indb 126 13/9/2007 10:19:16 Geometria I Outro conceito importante apresentado foi o conceito de congruência. Mas qual a diferença entre congruência e semelhança? Dois triângulos são semelhantes, se os três ângulos internos são ordenadamente congruentes e os lados correspondentes proporcionais. Ou seja, triângulos semelhantes têm a mesma forma, embora, não necessariamente, o mesmo tamanho. Figura 3.10: Semelhança entre os triângulos ABC e DEF ( ). O símbolo ~ representa semelhança. No caso lê-se “o triângulo ABC é semelhante ao triângulo DEF”. Assim, se , , então podemos garantir que , e Você pode estar se perguntando: O que são lados correspondentes proporcionais? Lados correspondentes são tais, que cada um deles está em um dos triângulos e ambos são opostos a ângulos congruentes. Dois lados são proporcionais, se existe uma razão entre o comprimento deles, ou ainda, se existe um número real tal, que a divisão de um comprimento pelo outro correspondente for igual a esse número. Unidade 3 GI_MTM.indb 127 127 13/9/2007 10:19:17 Universidade do Sul de Santa Catarina Em triângulos semelhantes, essa razão deve ser a mesma para os três lados correspondentes desse triângulo. Exemplo: Os triângulos ABC e DEF são semelhantes. Observe que seus ângulos são congruentes, e os lados do triângulo DEF são exatamente a metade dos lados respectivos do triângulo ABC. Observe que, se dividirmos os lados correspondentes, AC por DF, AB por DE e BC por EF, temos a mesma razão (r = 2). Veja: , e Como nos casos de congruência, existem condições mínimas as quais garantem a semelhança entre dois triângulos: Caso 1: “Se dois ângulos de um triângulo são congruentes, respectivamente, a dois ângulos de outro triângulo, então esses triângulos são semelhantes”. Assim, se ou seja, e , podemos garantir que , e 128 GI_MTM.indb 128 13/9/2007 10:19:17 Geometria I Exemplos: Nos triângulos I, II, e , determine a e b. Pelo caso 1 de semelhança, podemos garantir que os triângulos dados semelhantes, então podemos determinar a razão de semelhança r por meio dos lados BC e EF, ou seja, e , logo . Caso 2: “Se entre dois triângulos, um ângulo de um triângulo for congruente a um ângulo do outro e os lados, incluindo esses ângulos forem proporcionais, então esses triângulos são semelhantes”. Assim, se , , ou seja, e podemos garantir que e Unidade 3 GI_MTM.indb 129 129 13/9/2007 10:19:17 Universidade do Sul de Santa Catarina Exemplos: Dada a figura abaixo, determine a relação entre x e y. Os ângulos e são opostos pelo vértice, então . Pelo caso 2 de semelhança, se a razão entre os lados AC e DC de semelhança é r, então a razão entre os lados CB e CE também é r, assim como a razão entre os lados AB e DE. Logo, e e Caso 3: “Se entre dois triângulos, os três lados correspondentes forem respectivamente proporcionais, então esses triângulos são semelhantes”. Assim, se ou seja, , podemos garantir que , e , . 130 GI_MTM.indb 130 13/9/2007 10:19:18 Geometria I Exemplos: Dados os triângulos abaixo, determine quais são semelhantes entre si. Pelo caso 3 de semelhança, podemos garantir que os triângulos ABD e CBE são semelhantes, já que AB é congruente a CB, AD é congruente a CE e BD é congruente BE. O próximo teorema é conhecido como teorema fundamental da semelhança de triângulos. Teorema 3.6: Se uma reta é paralela a um dos lados de um triângulo e intercepta os outros dois em pontos distintos, então o triângulo que ela determina é semelhante ao primeiro. Neste caso Exemplo: Se um triângulo ABC tem os lados AB = 12 cm, AC = 13 cm e BC = 15 cm. A reta paralela ao lado do triângulo ADE, em que DE = 5 cm. Vamos calcular AD = x e AE = y. Unidade 3 GI_MTM.indb 131 131 13/9/2007 10:19:18 Universidade do Sul de Santa Catarina Basta aplicar o teorema fundamental: Logo, AD = 4 cm e cm Note que, se dois triângulos são congruentes, então são semelhantes com r = 1. Porém o inverso não é verdadeiro. Relações métricas no Triângulo Retângulo Os Triângulos Retângulos possuem outros elementos, além da hipotenusa e dos catetos, que iremos apresentar a seguir. Dado o triângulo retângulo ABC, da figura 3.15: 1) h é a medida da altura relativa à hipotenusa; 2) a é a medida da hipotenusa; 1) b e c são as medidas dos catetos; 2) n é a medida da projeção do cateto AC sobre a hipotenusa; 3) m é a medida da projeção do cateto AB sobre a hipotenusa. 132 GI_MTM.indb 132 13/9/2007 10:19:18 Geometria I A altura h relativa à hipotenusa do um triângulo retângulo ABC divide esse triângulo em dois outros triângulos retângulos ACD e ABD: Pela semelhança de triângulos, como os ângulos internos são congruentes, então garantimos as seguintes semelhanças: E, a partir dessas semelhanças, apresentamos as seguintes relações métricas no triângulo retângulo: Da semelhança , e O quadrado de cada cateto é o produto da hipotenusa pela projeção desse mesmo cateto sobre a hipotenusa. Da semelhança , e O produto da hipotenusa pela altura relativa à hipotenusa é igual ao produto dos catetos. Da semelhança , e O quadrado da altura relativa à hipotenusa é igual ao produto das projeções dos catetos. Unidade 3 GI_MTM.indb 133 133 13/9/2007 10:19:18 Universidade do Sul de Santa Catarina Exemplo: Dado o triângulo abaixo, determine o valor de x, y, z e w. Como o triângulo ABC é retângulo, podemos aplicar o teorema de Pitágoras para determinar o valor de x: Para determinar os valores de y, z e w, utilizamos as relações métricas no triângulo retângulo. Observe que: z é a projeção do cateto AB = 5 sobre a hipotenusa BC = x= 13, assim: w é a projeção do cateto AC = 12 sobre a hipotenusa x = 13: y é a altura do triângulo ABC, então: 134 GI_MTM.indb 134 13/9/2007 10:19:19 Geometria I Demonstração do Teorema de Pitágoras utilizando semelhança de triângulos Na unidade 2, falamos que demonstraríamos o teorema de Pitágoras, quando tivéssemos apresentado conceitos suficientes para tal. A primeira demonstração que faremos, utiliza o conceito de semelhança de triângulos. Veja a seguir. Lembre-se de que o Teorema de Pitágoras diz: Se ABC é um triângulo retângulo, o quadrado da medida da hipotenusa é igual à soma dos quadrados das medidas dos catetos. Demonstração: Hipótese: Se no triângulo ABC, Tese: De fato: , e , se o Dado o triângulo ABC com ângulo reto é , então a altura relativa a esse ângulo divide a hipotenusa a em dois segmentos m e n, tal que a = m + n. Unidade 3 GI_MTM.indb 135 135 13/9/2007 10:19:19 Universidade do Sul de Santa Catarina Das relações métricas no triângulo retângulo tiramos: e . Somando essas duas relações, temos: . Como a = m+ n, temos , logo , ou seja, Cálculo da altura de pirâmides George: Tales, estou curioso, você já pode mostrar como calculou a altura de pirâmides? Tales: Claro, George: para fazer essa demonstração, eu só precisava que você entendesse a idéia de semelhança de triângulos. Vou lhe contar, passo a passo, o meu raciocínio: Primeiro, eu enterrei uma estaca de altura conhecida m ao lado de uma pirâmide, com o objetivo de observar a projeção e suas sombras. Assim, consegui observar dois triângulos retângulos: O primeiro ∆ABC, formado pelo topo da Pirâmide A, a extremidade da sombra C e o centro da base B. A altura da pirâmide x é um dos catetos desse triângulo. O outro cateto pôde ser obtido pela soma do comprimento da sombra com a metade do lado . da base da pirâmide (b + c). 136 GI_MTM.indb 136 13/9/2007 10:19:19 Geometria I O segundo triângulo MPN é formado pelo topo da estaca M, o ponto de contato dela com o sol P e a extremidade da sombra N. Um dos catetos é o comprimento da estaca m e o outro, o comprimento da sombra n. Então, pelo caso 2 de semelhança de triângulos, pude garantir que os triângulos ABC e MPN são semelhantes. E, assim, ficou fácil encontrar a razão entre os catetos (b + c) e, conseqüentemente, determinar o comprimento da pirâmide x por meios da seguinte regra de três: . George: Puxa, Tales, foi muito bom. E, vendo agora, parece super simples. Como você conseguiu? Tales: Pensando, meu caro, pensando. Síntese Nesta unidade você pôde conhecer um pouco sobre Tales de Mileto e suas descobertas. Pôde entender o conceito de retas paralelas e suas aplicações, bem como visualizar que a idéia de semelhança de triângulos é uma ferramenta especial para resolver determinados tipos de problemas. Observe, ao longo dos exercícios, como utilizar cada um dos conceitos estudados nesta unidade, e não se esqueça de tirar suas dúvidas com o seu professor tutor. Saiba mais Para saber ainda mais sobre História da Matemática, dê uma olhada no livro História da Matemática, um livro que conta o desenvolvimento da matemática através dos grandes matemáticos. BOYER, Caul B. História da Matemática. São Paulo: Editora Edgard Blucher Ltda., 1996. Unidade 3 GI_MTM.indb 137 137 13/9/2007 10:19:19 Universidade do Sul de Santa Catarina Atividades de auto-avaliação 1) Em cada uma das figuras abaixo, determine o valor de x, sabendo que as retas r e s são paralelas: 2) Nas figuras abaixo, determine os valores de x e y, sabendo que as retas r, s e t são paralelas: 3) Determine o valor de x nos seguintes triângulos: 138 GI_MTM.indb 138 13/9/2007 10:19:20 Geometria I 4) Nos triângulos abaixo, determine os valores de x e y: 5) Seja ABC um triângulo isósceles. Se um ângulo externo da base é o dobro do ângulo do vértice, calcule os ângulos internos desse triângulo. 6) Mostre que, num triângulo eqüilátero, cada ângulo interno mede 60o . Unidade 3 GI_MTM.indb 139 139 13/9/2007 10:19:20 Universidade do Sul de Santa Catarina 7) Determine a medida dos ângulos internos de um triângulo, se estas medidas estiverem na razão 3:4:5. 8) Determine as medidas dos ângulos internos agudos de um triângulo retângulo, se estas estiverem na razão 4:5. 9) Mostre que um triângulo é eqüilátero, se os seus ângulos forem representados pelas medidas x + 15, 3x – 75 e 2x – 30. 140 GI_MTM.indb 140 13/9/2007 10:19:20 Geometria I 10) Se a, b e c são números positivos e , então b é chamado a média geométrica entre a e c. Calcule a média geométrica entre os números 12 e 3. 11)Dados os números abaixo, represente as razões do maior para o menor: a) 20 para 30; b) 5,2 para 0,6; c) 4 para ½; 12)Aplique o Teorema de Tales para encontrar o valor da variável x nos seguintes casos, onde as retas r, s e t são paralelas: Unidade 3 GI_MTM.indb 141 141 13/9/2007 10:19:21 Universidade do Sul de Santa Catarina 13)Dado o triângulo ABC da figura abaixo, calcule AB sabendo que . 14) Um feixe de quatro paralelas determina sobre uma transversal três segmentos que medem 8 cm, 11 cm e 16 cm respectivamente. Determine os comprimentos dos segmentos que esse mesmo feixe determina sobre uma outra transversal, sabendo que o segmento compreendido entre a primeira e a quarta paralela mede 70 cm. 15) Dados os triângulos semelhantes ABC e DEF abaixo, determine os valores de x e y em cada caso, se e . 142 GI_MTM.indb 142 13/9/2007 10:19:21 Geometria I 16) Dado um triângulo ABC, se M é o ponto médio do segmento e se , mostre que o triângulo ANM é semelhante ao N é ponto médio de triângulo ABC. 17) Dados dois triângulos semelhantes, se a razão de semelhança entre eles é x, mostre que existe também uma razão de semelhança entre seus perímetros e essa razão também é igual a x. 18) Se um triângulo ABC, de perímetro 30 cm, é semelhante a outro triângulo DEF, de lados 4 cm, 5 cm e 6 cm, determine o menor lado do triângulo ABC. Unidade 3 GI_MTM.indb 143 143 13/9/2007 10:19:21 Universidade do Sul de Santa Catarina 19) Determine o valor de x nos triângulos abaixo: 20) Determine a menor altura de um triângulo retângulo cuja hipotenusa mede 5 cm e os catetos 3 cm e 4 cm. 144 GI_MTM.indb 144 13/9/2007 10:19:21 UNIDADE 4 Áreas de Figuras Planas 4 Objetivos de aprendizagem Identificar um polígono. Calcular a área das principais figuras planas. Conhecer a diferença entre círculo e circunferência. Seções de estudo Seção 1 Polígonos Seção 2 Área das figuras planas Seção 3 Círculo e Circunferência GI_MTM.indb 145 13/9/2007 10:19:21 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de conversa Euclides apresenta um novo amigo a George. Arquimedes Euclides: George, que saudades, meu rapaz. George: Nossa, que surpresa vê-lo aqui nos meus sonhos novamente. Euclides: Pois é, quero lhe apresentar um novo amigo. George: Mais um para me ajudar? Euclides: Com certeza. Você vai estudar área, não vai? George: Isso mesmo, e quero começar entendendo tudo. Euclides: Então você conhecerá Arquimedes. George: Arquimedes? Mas por que ele? Euclides: Por que ele foi um dos primeiros estudiosos a calcular a área do círculo e uma aproximação do número pi. Na verdade, Arquimedes de Siracusa nasceu por volta de 287 a.C. e morreu em 212 a.C., assassinado por um soldado romano. Ele também ficou famoso por ter aperfeiçoado métodos de integração que permitem calcular áreas, volumes e áreas de superfícies de muitos corpos. 146 GI_MTM.indb 146 13/9/2007 10:19:22 Geometria I George: Métodos de integração? Naquela época? Euclides: Sim, ele foi um grande estudioso, e seu mais famoso teorema é conhecido por Princípio de Arquimedes, fornece o peso de um corpo imerso num líquido. George: Poxa, o cara era fera mesmo! Mas, já sei: tenho de aprender primeiro geometria plana e depois me aprofundar em outros estudos. Euclides: Por isso que gosto de você, cara esperto! George: Abraços e até a próxima! No antigo Egito, os agrimensores já calculavam a área de terrenos depois das cheias do rio Nilo, portanto trata-se de um assunto muito antigo. Nesta unidade, vamos nos dedicar à geometria plana, seus conceitos fundamentais e, principalmente, o cálculo de figuras planas. Figura 4.1 – Área que ocupa o estado de Santa Catarina. Unidade 4 GI_MTM.indb 147 147 13/9/2007 10:19:22 Universidade do Sul de Santa Catarina Procure analisar e discutir bem as atividades propostas nesta unidade, para que todas as suas dúvidas sejam esclarecidas. O sucesso no campo da Matemática requer trabalho, então vamos adiante e bons estudos! SEÇÃO 1 – Polígonos Observe as curvas representadas a seguir: Figura 4.2 – Exemplos de curvas. Curvas que saem e voltam ao mesmo ponto, são linhas ditas fechadas, como a figura 4.2(c) e figura 4.2(d). As curvas fechadas são polígonos, quando formadas por segmentos de reta e não passam duas vezes pelo mesmo ponto, como na figura 4.2(c). Os polígonos recebem nomes de acordo com seus lados: Três lados: triângulo; Quatro lados: quadrilátero; Cinco lados: pentágono; Seis lados: hexágono; 148 GI_MTM.indb 148 13/9/2007 10:19:23 Geometria I Sete lados: heptágono; Oito lados: octógono; Nove lados: eneágono; Dez lados: decágono; Assim por diante. Veja, a seguir, alguns exemplos: Triângulos Figura 4.3 – Polígonos de três lados, os triângulos. Quadriláteros Figura 4.4 – Polígonos de quatro lados, os quadriláteros. Trapézio: Um par de lados paralelos com medidas diferentes. Figura 4.5 – Trapézio. Unidade 4 GI_MTM.indb 149 149 13/9/2007 10:19:23 Universidade do Sul de Santa Catarina Paralelogramo: Tem dois pares de lados paralelos e congruentes. Figura 4.6 – Paralelogramo. Losango: Possui dois pares de lados paralelos e todos são congruentes. Figura 4.7 – Losango. Retângulo: Tem dois pares de lados paralelos e congruentes e todos os ângulos são retos. Figura 4.8 – Retângulo. Quadrado: Todos os lados são congruentes e os quatro ângulos são retos. Figura 4.9 – Quadrado. Observe, na seqüência, mais algumas figuras com outros números de lados: 150 GI_MTM.indb 150 13/9/2007 10:19:24 Geometria I Pentágonos Figura 4.10 – Pentágonos. Hexágonos Figura 4.11 – Hexágonos. Perceba que todo retângulo é um paralelogramo, mas nem todo paralelogramo é um retângulo. Isso acontece, pois um retângulo, necessariamente, tem ângulos retos. Já um paralelogramo pode, ou não, ter ângulos retos. O mesmo vale para losangos e quadrados. Existe um tipo especial de polígonos, que são os polígonos regulares. Polígonos Regulares Polígono regular é todo polígono que tem os lados congruentes e os ângulos internos também congruentes. Unidade 4 GI_MTM.indb 151 151 13/9/2007 10:19:24 Universidade do Sul de Santa Catarina Exemplos: Figura 4.12 – Polígonos regulares Na próxima seção, vamos estudar como calcular a área das figuras descritas acima. Nosso amigo Arquimedes já nos deu uma dica, mas George percebeu que ela não é tão simples assim. Necessitamos de algo mais prático para o cálculo de área. SEÇÃO 2 – Áreas de Figuras Planas Em sono profundo, George encontra-se com Arquimedes: Arquimedes: Olá, George, tudo bem? George: Arquimedes, já ouvi falar de você, prazer em conhecê-lo. Arquimedes: Igualmente, e mais prazeroso ainda será ajudá-lo. George: Você é craque em áreas, é? Eu queria entender direitinho o que significa área. Arquimedes: Posso lhe dar uma explicação bem informal no momento, que o ajudará bastante. 152 GI_MTM.indb 152 13/9/2007 10:19:24 Geometria I George: Mesmo? Estou ansioso. Arquimedes: Imagine um quadradinho de lado 1 cm. Imaginou? George: Sim, com certeza. Arquimedes: Agora, imagine um retângulo de lados 2 cm e 3 cm. E lhe pergunto: Quantos quadradinhos de lado um cabem nesse retângulo. George: Ora, 6 quadradinhos. Arquimedes: Perfeito, então a área deste retângulo é 6 cm2. George: Só isso. Acho que entendi sua explicação. Arquimedes: Pode falar para mim, então. George: Calcular a área de uma figura é o mesmo que dizer quantos quadradinhos de lado 1 cabem nesta figura. Arquimedes: Exatamente. O problema é que não conseguimos fazer isto tão facilmente em todas as figuras, como, por exemplo, em trapézio, losango e círculo. George: Verdade, vai sobrar uns pedacinhos que teríamos que preencher com pedacinhos deste quadrado. Arquimedes: Isso mesmo, por isso temos algumas fórmulas que nos ajudam a fazer estas contas. George: Estou ansioso para começar. Arquimedes: Você verá a seguir que estaremos em contato com nosso outro axioma. George: Oba, mais um resultado importante, então. Arquimedes: Com certeza. Vamos axiomatizar a área do retângulo e, com ela, podemos expor a área das outras figuras. Você estudará algumas, apenas. George: Que legal. Minha ansiedade aumentou. Vou descansar, para estar pronto para os estudos. Um forte abraço! Arquimedes: Para você também, meu jovem. Área é um número real, maior ou igual a zero, que representa a medida de uma superfície. Por meio do último diálogo e com esta definição, temos uma idéia de área informal e de área formal. Podemos usar ambas para encaminhar nosso conhecimento. Unidade 4 GI_MTM.indb 153 153 13/9/2007 10:19:25 Universidade do Sul de Santa Catarina Vejamos o exemplo: Suponha que você tenha um terreno com o seguinte formato: Figura 4.13 – Terreno para construção de uma casa. Agora, você quer saber quanto de área você tem para construir uma casa. Vemos que a idéia informal apresentada por nosso amigo Arquimedes não é possível, pois os quadradinhos de área 1 não são suficientes para preencher toda a área dada, principalmente pelo fato de um dos ângulos entre dois lados desta figura não ser reto, ou seja, a idéia dos quadradinhos é muito interessante para figuras onde todos os lados formam ângulos retos: quadrados e retângulos. Neste momento, esta idéia poderia nos dar apenas uma aproximação da área. Necessitamos, então, de outros métodos para o cálculo da área deste terreno. Uma maneira de determinar esta área é decompor a figura em outras figuras geométricas planas simples e em seguida somar as diversas partes, por exemplo, uma decomposição pode ser dada pela figura abaixo: Figura 4.14 – Figura plana decomposta Assim, decompomos o terreno em um retângulo e um triângulo. Deste modo, a área do terreno é a área do retângulo, mais a área do triângulo. Veja a seguir, o estudo de áreas de algumas figuras planas conhecidas. 154 GI_MTM.indb 154 13/9/2007 10:19:25 Geometria I Axioma do Retângulo: Se ABCD é um retângulo, então a sua área é dada pelo produto . Chamando o segmento de altura, podemos dizer que a área do de base e o segmento retângulo é o produto da base pela altura. Assim, Como conseqüência direta do axioma do retângulo, temos que a área de um quadrado ABCD é dada por: Ou seja, como um quadrado tem todos os lados iguais, digamos l, segue que sua área é dada pelo quadrado do seu lado. Portanto temos que: Unidade 4 GI_MTM.indb 155 155 13/9/2007 10:19:25 Universidade do Sul de Santa Catarina Exemplo: 1) Necessito forrar uma chapa retangular de lados 5 m e 3 m, com camurça. Quantos m² de camurça vou usar? Solução: Como a chapa é um retângulo, segue que sua área total é dada por: Logo, utilizarei 15 m² de camurça para forrar a chapa. 2) Uma piscina em forma de um quadrado tem lado 5 m. O fundo da piscina será coberto com azulejos azuis de lado 0,1 m. Quantos azulejos são necessários? Solução: O fundo da piscina é um quadrado de lado 5 m, logo a sua área é: Cada azulejo de lado 0,1 m, em área: Portanto, o número de azulejos necessários para cobrir o fundo da piscina é dado pela razão 2500 azulejos. , ou seja, são necessários As áreas do paralelogramo, triângulo e trapézio podem ser obtidas a partir do axioma do retângulo. Veremos como isso se faz para a área do paralelogramo. Proposição 1: A área de um paralelogramo é o produto do comprimento de um de seus lados pelo comprimento da altura relativa a este lado. Demonstração: Devemos mostrar que Onde b é a base e h é altura. 156 GI_MTM.indb 156 13/9/2007 10:19:26 Geometria I No paralelogramo ABCD, trace dois segmentos perpendiculares ao segmento . e ,o O quadrilátero ABFE é um retângulo cuja área é qual, em termos de notação, é exatamente o produto da base pela altura, isto é, b · h. Observe que os triângulos ADE e BCF são congruentes pelo caso especial de triângulos retângulos e, portanto, compreendem a mesma área, logo: Área (ABCD) = Área (ABCE) + Área(ADE) = Área(ABCE) + Área(BCF) Mas note que a soma das áreas em questão é a área do retângulo ABFE. Logo: Área (ABCD) = Área (ABFE) = b · h Portanto, a área do paralelogramo é dada pelo produto da base pela altura. Proposição 2: A área de um triângulo é a metade do produto do comprimento de qualquer dos seus lados pela altura relativa a este lado. Figura 4.15 – Triângulos Esta demonstração deixaremos para você tentar fazer. A idéia básica é desenhar um triângulo e, a partir dele, construir um paralelogramo.Então notamos que a área do triângulo é a metade Unidade 4 GI_MTM.indb 157 157 13/9/2007 10:19:26 Universidade do Sul de Santa Catarina da área do paralelogramo. Portanto, para um triângulo qualquer como na figura 4.15, temos: Exemplo: 1) Agora já podemos resolver o problema de área do início da seção. Tínhamos o desenho do seguinte terreno: Vamos denotar a área do retângulo por Denotando a área do triângulo por , logo , temos Logo, a área do terreno é dada por: 2) Qual a área de um triângulo eqüilátero de lado l? Veja a figura a seguir: 158 GI_MTM.indb 158 13/9/2007 10:19:26 Geometria I Sabemos que, no triângulo eqüilátero, todos os lados são iguais. Agora tome o triângulo retângulo formado pela altura, por um dos lados e pela metade da base. Aplicando o teorema de Pitágoras neste triângulo, temos: Ou seja, Logo, a área do triângulo eqüilátero é: Proposição 3: A área de um trapézio é a metade do produto do comprimento da sua altura pela soma dos comprimentos de suas bases. Portanto, Unidade 4 GI_MTM.indb 159 159 13/9/2007 10:19:27 Universidade do Sul de Santa Catarina Se um dos lados não paralelos do trapézio formar ângulo reto com as bases, este trapézio é chamado de trapézio retângulo. Para ilustrar a observação acima, tomemos nosso exemplo inicial de área, do cálculo do terreno da figura 4.13. Perceba que se trata de um trapézio retângulo. Portanto a área do terreno pode ser calculada também usando a área do trapézio: Notamos, portanto, que, em muitos casos, podemos tratar a área de uma figura de várias formas, ou com uma decomposição, ou mesmo diretamente, se a figura tem a forma conhecida. Exemplo: 1) Suponha que um rico excêntrico tem uma piscina, cuja vista plana das bordas tem a forma de um trapézio, com base menor 8 m, base maior 15 m. Para nadar de uma base à outra perpendicularmente, nadam-se 4 m. O proprietário quer recobrir a piscina com uma chapa de acrílico ao final do dia. O metro quadrado do acrílico é de R$ 105,00. Quanto ele gastará para construir esta chapa? Solução: Vamos, primeiramente, calcular a área do trapézio, tendo: b=8 B=15 h=4 Logo, . Portanto, o total a ser gasto com a chapa é 46x105 = 4.830 reais. Realmente um tanto excêntrico! 160 GI_MTM.indb 160 13/9/2007 10:19:27 Geometria I 2) O canteiro de uma praça tem o formato de um trapézio retângulo, como mostra a figura abaixo: A base menor mede 5 m, a base maior mede 8 m e o lado não perpendicular mede 5m também. Qual a área do canteiro? Solução: Note que precisamos encontrar a altura e, para isso, basta usar o triângulo retângulo da figura do trapézio. A hipotenusa mede 5 m, e a base do triângulo mede (8-5) m, ou seja, 3 m. Logo: Assim, 3) Mostre que a área de um losango é dada pela metade do produto de suas diagonais. Solução: Denotemos por D a diagonal maior e por d a diagonal menor. Perceba que a figura é formada por quatro triângulos eqüiláteros todos congruentes. Cada triângulo tem altura dada por e base . Unidade 4 GI_MTM.indb 161 161 13/9/2007 10:19:27 Universidade do Sul de Santa Catarina Portanto, a área do losango é quatro vezes a área do triângulo: 4) A base de um retângulo é o triplo de sua altura. Determine as dimensões do retângulo, sabendo que a sua área é de 96 cm². Solução: Temos que b=3h, logo Como A = 96, tem-se: E, portanto, 5) Determine o lado de um quadrado, sabendo que, se aumentarmos seu lado em 2 cm, sua área aumenta em 36 cm². Solução: Seja l o lado do quadrado e A a sua área. Então A = l². Aumentando l em dois centímetros, temos l + 2 e, portanto, a nova área é A + 36, ou seja, A + 36 = (l + 2)2. Da ultima equação temos: Substituindo na fórmula da área tem-se: 162 GI_MTM.indb 162 13/9/2007 10:19:28 Geometria I 6) Determine á área de um triângulo eqüilátero cuja altura mede 4 m. Solução: Num triângulo eqüilátero, a altura é dada por Como h = 4, temos: . Racionalizando: Portanto a área do triângulo é dada por: 7) O perímetro de um losango é 16 cm. Calcule sua área, sabendo que a diagonal maior vale o dobro da menor. Solução: Num losango, todos os lados são iguais. Perímetro é a soma dos lados, logo 4 = 16 e, portanto, = 4. Temos também que D = 2d. Lembre-se de que um losango é formado por 4 triângulos retângulos e que, assim, pelo teorema de Pitágoras: Unidade 4 GI_MTM.indb 163 163 13/9/2007 10:19:28 Universidade do Sul de Santa Catarina Agora e então Depois de um dia longo de trabalho, nosso amigo George descansa. Arquimedes: George, meu caro, tudo bem com você? George: Arquimedes, já estava com saudades. Arquimedes: Pois é, nosso encontro demorou, não? George: Bom, eu estava muito empolgado com o assunto, e nem pensei em descansar. Arquimedes: Que bom, fico feliz em ouvir isso. Preparado para um próximo passo? George: Com certeza. O que temos pela frente? Arquimedes: Polígonos regulares. George: Regulares ??? Arquimedes: Isso mesmo, alguma idéia? George: Regular, sei que são polígonos com lados iguais? 164 GI_MTM.indb 164 13/9/2007 10:19:28 Geometria I Arquimedes: Exatamente. E o melhor, todos podem ser decompostos em vários triângulos isósceles. George: Hummm, interessante. Triângulo fica mais fácil. Arquimedes: E tem um mais fácil ainda que o hexágono regular. George: Por que? Arquimedes: O mesmo é a reunião de seis triângulos eqüiláteros. George: Ah, então para calcular sua área é fácil, pois, anteriormente, já tinha demonstrado a área do triângulo eqüilátero. Então basta pegar aquela fórmula e multiplicar por seis. Arquimedes: Perfeito, George, você a cada dia me surpreende mais. George: Obrigado, meu mestre. Arquimedes: Vou deixar você descansar, pois é necessário que sua mente esteja bem preparada para a continuidade do estudo da geometria. Um forte abraço. George: Abraços e até a próxima. Unidade 4 GI_MTM.indb 165 165 13/9/2007 10:19:28 Universidade do Sul de Santa Catarina Área de polígonos regulares Observe os polígonos regulares a seguir: Figura 4.16 – Polígonos regulares. Pela observação, pode-se visualizar que todo polígono regular de n lados pode ser decomposto em n triângulos isósceles congruentes. a é chamado de apótema do polígono, que nada mais é que a altura do triângulo isósceles. A fórmula da área de um polígono regular de n lados, calculado em função do lado e apótema a é: Considerando que o perímetro do polígono é dado por (n . ) e representado por p, pode-se escrever: Exemplos: 1) Deduza a área de um hexágono regular. Solução: O hexágono regular é um polígono especial, pois é formado por seis triângulos eqüiláteros. Observe: 166 GI_MTM.indb 166 13/9/2007 10:19:29 Geometria I onde é a área do triângulo eqüilátero. 2) Determine a área do hexágono regular nos seguintes casos: (a) Seu lado mede 6 m Solução: (b) Seu apótema tem Solução: Lembrando que . temos: Precisamos de uma relação entre o apótema a e o lado l. Chamamos o triângulo eqüilátero que forma o hexágono regular: Como o apótema é a altura do triângulo eqüilátero, temos já calculado anteriormente que: Unidade 4 GI_MTM.indb 167 167 13/9/2007 10:19:29 Universidade do Sul de Santa Catarina Portanto, Demonstração do teorema de Pitágoras, utilizando áreas: Na unidade anterior, apresentamos uma demonstração do teorema de Pitágoras, utilizando semelhança de triângulos. Agora que já definimos área, podemos efetuar outras duas demonstrações que envolvem esse conceito. Observe-as. Lembre-se, novamente, que o Teorema de Pitágoras diz: Se ABC é um triângulo retângulo, o quadrado da medida da hipotenusa é igual a soma dos quadrados das medidas dos catetos. Demonstração 1: Considerando a hipotenusa de um triângulo retângulo a, e os catetos b e c, podemos interpretar o teorema de Pitágoras assim: A área do quadrado construído sobre a hipotenusa (a2) é igual à soma das áreas dos quadrados construídos sobre os dois catetos (b2 + c2) . Figura 4.17: Interpretação geométrica do Teorema de Pitágoras, utilizando áreas. Observe a figura 4.17. Suponha que: o lado a mede 5 unidades, então a área do quadrado de lado a é 25 unidades de área; 168 GI_MTM.indb 168 13/9/2007 10:19:29 Geometria I o lado b mede 3 unidades, assim a área do quadrado de lado b é 9 unidades de área; o lado c mede 4 unidades e a área do quadrado de lado c é 16 unidades de área. Neste caso, a área do quadrado de lado a é 25 e é igual à soma das áreas dos quadrados de lados b e c, ou seja: 16 + 9 = 25. Claro que essa demonstração pode ser feita para outros valores, não obrigatoriamente 5, 4 e 3. Demonstração 2: Conhecida como demonstração do quadrado chinês. Dado um triângulo retângulo de catetos b e c e hipotenusa a: Construímos um quadrado de lado c + b. E, neste quadrado, dispomos quatro cópias do triângulo retângulo com catetos b e c sobre os lados do quadrado. Pelo caso 1 (LAL) de congruência de triângulos (apresentado na unidade 2), cada um destes quatro triângulos é congruente ao triângulo dado, ou seja, todos têm hipotenusa com medida igual a a. O quadrilátero formado pelas quatro hipotenusas é um quadrado. Pelo axioma de área, a área do quadrado maior é igual à área do quadrado menor mais a soma das áreas dos quatro triângulos congruentes. Assim: Unidade 4 GI_MTM.indb 169 169 13/9/2007 10:19:30 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 4.18: Demonstração do teorema de Pitágoras utilizando o quadrado chinês. Tente encontrar outra demonstração para o Teorema de Pitágoras. Você verá que existem várias, interessantes. SEÇÃO 3 – Círculo e Circunferência Nosso colega George dorme profundamente, depois de um dia cheio de novos conhecimentos, e vai atrás de Arquimedes novamente. George: Arquimedes? Você está aí? 170 GI_MTM.indb 170 13/9/2007 10:19:30 Geometria I Arquimedes: Claro, meu jovem, o que é essa aflição na sua voz? George: Ah, meu amigo, vou começar a estudar circunferência e círculo. Sempre achei que as duas palavras significavam a mesma coisa, mas, pelo que tenho lido, não é assim, e acabei ficando confuso. Arquimedes: De círculo eu entendo, fui um dos primeiros a calcular sua área. George: Mesmo? Arquimedes: Na minha época, era mais difícil, pois não tínhamos as ferramentas que vocês têm agora. Calculávamos, inscrevendo polígonos regulares na circunferência, cada vez com um número maior de lados, o chamado método da exaustão. George: Interessante, mas trabalhoso. Arquimedes: E como! George: E, então, qual a diferença entre o círculo e a circunferência? Arquimedes: Circunferência é um conjunto de pontos que tem a mesma distância de um ponto dado. George: Este ponto é o centro; e a distância é o raio. Arquimedes: Absolutamente correto. Então circunferência é a linha que delimita uma área; e círculo é a região limitada pela circunferência. George: Acho que entendi. Então nunca calculamos a área da circunferência e sim do círculo. Arquimedes: Isso, o que calculamos na circunferência é o seu comprimento. A circunferência delimita um círculo. George: Show, demais! E muito fácil de entender. Vou já descansar mais um pouco para acordar pronto para mais este desafio. Arquimedes: Certo, George, bons estudos. George: Obrigado! Unidade 4 GI_MTM.indb 171 171 13/9/2007 10:19:30 Universidade do Sul de Santa Catarina Círculo e circunferência No diálogo acima, percebemos, então, que as palavras circunferência e círculo têm sentidos diferentes, apesar de muitos livros tratarem o círculo ora como uma curva, ora como a região por ela limitada, ou seja, o círculo, às vezes, tem sentido ambíguo. Em alguns casos, para evitar confusão, usam-se os termos circunferência e disco, isto é, disco é a região do plano limitada por uma circunferência. No nosso caso, usaremos os termos círculo e circunferência com sentidos bem distintos, como nos ensinou Arquimedes. Veja as definições de Circunferência e Círculo: Chamamos de Circunferência o conjunto dos pontos de um plano cuja distância a um outro ponto dado (centro – O) desse plano é igual a uma distância nãonula (raio – r) dada. Figura 4. 19: Circunferência de Centro O e raio r Chamamos de Círculo o conjunto dos pontos de um plano cuja distância a um ponto dado (centro – O) desse plano é menor ou igual a uma distância nãonula (raio – r) dada. 172 GI_MTM.indb 172 13/9/2007 10:19:30 Geometria I Figura 4. 20: Círculo de Centro O e raio r Elementos da circunferência Vamos definir alguns elementos da circunferência: 1) Chama-se Corda de uma circunferência, um segmento cujas extremidades pertencem à circunferência. 2) Diâmetro de uma circunferência, uma corda que passa pelo centro; 3) Raio de uma circunferência, um segmento com uma extremidade no centro e a outra num ponto da circunferência. Figura 4. 21: Corda, Diâmetro e Raio Unidade 4 GI_MTM.indb 173 173 13/9/2007 10:19:30 Universidade do Sul de Santa Catarina Na 4.19, é uma corda, é o diâmetro e é o raio. Dada uma circunferência de centro O e raio r, e dois pontos A e B, dessa circunferência, que não sejam extremidades de um diâmetro, chama-se: 1) Arco menor de uma circunferência, a reunião dos conjuntos dos pontos A e B e de todos os pontos da circunferência que estão no interior do ângulo ; 2) Arco maior de uma circunferência, a reunião dos conjuntos dos pontos A e B e de todos os pontos da . circunferência que estão no exterior do ângulo Figura 4. 22: Arco menor e arco maior Na figura 4.22, você pode observar a diferença entre arco menor e arco maior. Como fazemos para calcular o comprimento de uma circunferência? Vejamos um processo experimental e interessante. Veja a seguinte circunferência: Figura 4.23 – Circunferência e seu comprimento. 174 GI_MTM.indb 174 13/9/2007 10:19:31 Geometria I Primeiramente, suponha que você tome um barbante e coloque em volta da circunferência. Em seguida você pega este barbante e estica, obtendo um segmento, como na figura 4.23. A medida deste segmento é o que chamamos de comprimento ou perímetro da circunferência. Agora, divida o comprimento C da circunferência pelo seu diâmetro ( o dobro do raio) 2r. Obtém-se, deste modo, uma constante, algo em torno de 3,141592654, que indicamos pela letra grega (pi). O interessante deste processo é que vale para qualquer tamanho de circunferência, ou seja, toda vez que fizermos a divisão indicada, obteremos o mesmo número que estamos chamando de (pi). Assim, temos: Exemplos: 1) Qual é a medida do comprimento de uma circunferência de raio r = 3 cm? Solução:Temos r = 3 cm e = 3,14, portanto: Assim, a medida da circunferência é 18,84 cm. 2) O diâmetro de uma circunferência mede 10 cm. Qual o seu comprimento? Solução: Temos d = 10 cm e = 3,14. Agora: . Assim Portanto, o comprimento da circunferência é 31,4 cm. Unidade 4 GI_MTM.indb 175 175 13/9/2007 10:19:31 Universidade do Sul de Santa Catarina 3) A medida de uma circunferência é 25,12 cm. Calcule o seu raio. Solução: Temos que C = 25,12 cm. Então: . Logo o raio da circunferência é 4 cm. Relações entre retas e circunferências Algumas posições, entre uma reta e uma circunferência, têm nomes especiais, observe as principais: Chama-se reta tangente a uma circunferência, uma reta que intercepta a circunferência em um único ponto. Figura 4. 24: Reta tangente à circunferência Na figura 4.24, t é tangente á circunferência de centro O, e intercepta essa circunferência no ponto P, chamado de ponto de tangência. 176 GI_MTM.indb 176 13/9/2007 10:19:32 Geometria I Chama-se reta secante a uma circunferência, uma reta que intercepta a circunferência em dois pontos distintos. Figura 4. 25: Reta secante à circunferência Observe na figura 4.25 que a reta s, intercepta a circunferência de centro O em dois pontos P e Q. Propriedades das relações entre retas e circunferências: 1) Dada uma circunferência, um raio é perpendicular a uma corda, que não passa pelo centro da circunferência, se e somente se a divide em dois segmentos congruentes. Figura 4. 26: Reta perpendicular ao raio 2) Se uma reta é tangente a uma circunferência, então ela é perpendicular ao raio que liga o centro ao ponto de tangência. Unidade 4 GI_MTM.indb 177 177 13/9/2007 10:19:32 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 4. 27: Reta é perpendicular à reta t 3) Se uma reta t é perpendicular a um raio em sua extremidade, então a reta é tangente à circunferência. Figura 4. 28: Reta t perpendicular ao raio Posição relativa entre duas circunferências Dadas duas circunferências de raios de comprimentos diferentes r1 e r2. Se d é a distância entre r1 e r2, pode ocorrer um dos seguintes casos: 1) Se todos os pontos de uma circunferência são pontos da outra circunferência, então ela é dita circunferência interna a outra. Neste caso, d < r1 – r2. Figura 4.29: Circunferência interna a outra circunferência. 178 GI_MTM.indb 178 13/9/2007 10:19:32 Geometria I 2) Se duas circunferências possuem um único ponto comum e os demais pontos da primeira são pontos internos da segunda, então essa primeira circunferência é dita tangente interna da outra. Neste caso, d = r1 – r2. Figura 4.30: Circunferência tangente interna a outra circunferência. 3) Duas circunferências são secantes se têm em comum somente dois pontos distintos. Neste caso, r1 – r2 < d < r1 + r2. Figura 4.31: Circunferências secantes 4) Duas circunferências são ditas tangentes externas se têm um único ponto comum e os demais pontos de uma são externos à outra. Neste caso, d = r1 + r2. Figura 4.32: Circunferências tangentes externas 5) Duas circunferências são externas se os pontos de uma delas são externos à outra. Neste caso, d > r1 + r2. Figura 4.33: Circunferências externas Unidade 4 GI_MTM.indb 179 179 13/9/2007 10:19:33 Universidade do Sul de Santa Catarina Exemplos: 1) Dadas duas circunferências tangentes externamente. Se a distância entre os seus centros é 25 cm e a diferença entre os raios é 5 cm. Calcule os raios. Figura 4.34: Circunferências tangentes externamente. Solução: Temos duas informações sobre a relação entre as circunferências, para satisfazê-las calculamos o seguinte sistema: Assim os raios das circunferências são r1 =15 cm e r2 = 10 cm. 2) Dadas duas circunferências tangentes internamente. Se a distância entre os seus centros é 20 cm e a distância entre os centros é 4 cm, conforme figura 4.31. Calcule os raios. Figura 4.35: Circunferências tangentes internamente. Solução: Da relação entre as circunferências, temos o seguinte sistema: Assim, os raios das circunferências são r1 =12 cm e r2 = 8 cm. 180 GI_MTM.indb 180 13/9/2007 10:19:33 Geometria I Área do Círculo Da mesma forma que utilizamos um processo experimental para o cálculo do comprimento da circunferência, mostraremos um método análogo para obter a área do círculo. O primeiro a trabalhar com essas idéias que serão apresentadas a seguir foi nosso amigo Arquimedes. O processo é chamado de método da exaustão. Para isso vamos relacionar circunferência e polígonos. Dada uma circunferência e um polígono qualquer, dizemos que o polígono é inscrito na circunferência se os vértices desse polígono estão na circunferência. Se os lados do polígono são tangentes à circunferência, então o polígono é circunscrito à circunferência. Figura 4.36 a): Hexágono circunscrito na circunferência. Figura 4.36 b): Hexágono inscrito na circunferência. Propriedade: O perímetro de um polígono inscrito numa circunferência qualquer é menor que o perímetro do polígono circunscrito nessa circunferência. Veja figura 4.37. Figura 4.37: Hexágono circunscrito e inscrito numa circunferência. Unidade 4 GI_MTM.indb 181 181 13/9/2007 10:19:34 Universidade do Sul de Santa Catarina Observe na figura 4.38, circunferências de raio r e polígonos regulares (triângulo eqüilátero, quadrado, pentágono e hexágono) inscritos: Figura 4.38 – Polígonos regulares inscritos.. Note o seguinte: à medida que aumentamos o número de lados, o polígono inscrito tende a se aproximar da circunferência. Observe ainda que unindo o centro da circunferência aos vértices do polígono, construímos triângulos isósceles congruentes inscritos na circunferência, veja figura 4.39. Figura 4.39 – Polígonos regulares inscritos divididos em triângulos congruentes. Observe que o centro O da circunferência também está no centro do polígono inscrito. E como todos os triângulos isósceles são congruentes, eles têm a mesma base b e a mesma altura a. Figura 4.40 – Polígonos regulares inscritos divididos em triângulos congruentes. Chama-se apótema de um polígono à altura dos triângulos isósceles congruentes inscritos na circunferência dada. 182 GI_MTM.indb 182 13/9/2007 10:19:34 Geometria I Quanto maior o número de lados do polígono inscrito, o raio se aproxima do apótema. Figura 4.41 – Aproximação do raio e do apótema. Assim, o perímetro dos polígonos inscritos tende a se aproximar cada vez mais do comprimento da circunferência ( ). Você viu que a área de um polígono regular é dada por . Note pela figura 4.38 que o perímetro aproxima-se de eo apótema aproxima-se do raio r. Assim, a área do círculo de raio r é dado por: Ou seja, Existem inúmeras maneiras de chegar-se à fórmula da área do círculo, esta é uma das mais primitivas. Outras, mais elegantes, serão mostradas em uma outra ocasião, na disciplina (cálculo I). Exemplos: 1) Qual a área de um círculo cujo raio mede 2 cm? Solução: Como , então: 2) O comprimento de uma circunferência mede 31,4 cm. Qual a área da região por ela limitada? Solução: Necessitamos, primeiramente, encontrar o raio da circunferência. Como C = 31,4, temos: Unidade 4 GI_MTM.indb 183 183 13/9/2007 10:19:35 Universidade do Sul de Santa Catarina . Logo Assim, a área da região limitada pela circunferência é 78,5 cm. 3) Uma tampa circular de uma mesa tem 25 cm de raio, será revestida com uma lâmina de fórmica que custa R$2,00 o cm². Qual o gasto para recobrir a mesa? Solução: Primeiramente, calculamos a área da mesa: . Agora, multiplicando a área por dois, temos o gasto G para recobrir a mesa: . Ou seja, gastará R$3.925,00. Observação: Suponha que você divida a circunferência em n arcos iguais. Se unirmos as cordas destes arcos, obteremos um polígono regular de n lados, inscrito na circunferência. A figura 4.41 mostra isso. 4) Suponha, na figura 4.40, o quadrado inscrito na circunferência. Denotemos o seu lado por . Escreva o lado em função do raio. Solução: Note que podemos, a partir do centro, dividir o quadrado em 4 triângulos retângulos. Faça um desenho para melhor visualizar. e Assim, cada triângulo retângulo tem a hipotenusa como sendo os dois catetos como sendo o raio r da circunferência. Logo: Ou seja, De maneira análoga ao exercício 4, verifique que num triângulo eqüilátero inscrito: , e num hexágono regular inscrito: . 184 GI_MTM.indb 184 13/9/2007 10:19:35 Geometria I E George tem uma última conversa: Euclides, Tales, Pitágoras e Arquimedes: Olá, grande jovem! George: Euclides? Tales? Pitágoras? Arquimedes? Eu não acredito, todos os meus mestres juntos? Euclides: Isto mesmo. Viemos nos despedir. Tales: Afinal, você merece todo o nosso apoio. George: Mesmo, é? Pitágoras: Você se mostrou um excelente aluno, mostrou muita garra e por isso chegou até aqui. George: Confesso que, com a ajuda de vocês, a geometria ficou muito mais fácil. Afinal, estava com os especialistas de cada área, foi muito gostoso aprender com vocês. Arquimedes: Não apenas conosco, não esqueça dos seus mestres verdadeiros, que o levaram a começar a gostar da geometria. George: Destes não esquecerei, pois foram os primeiros a me incentivarem a chegar aqui. Euclides: Nós apenas demos um empurrãozinho a mais. Tales: Todos nós esperamos que, a partir de agora, você busque novos conhecimentos em geometria. George: Com certeza, eu sei que posso aprender muito mais, com a base que eu tenho agora. Pitágoras: A geometria é muito vasta e, daqui para frente, as coisas se tornarão mais fáceis. Arquimedes: Todos nós estaremos olhando e torcendo por você. Unidade 4 GI_MTM.indb 185 185 13/9/2007 10:19:35 Universidade do Sul de Santa Catarina George: Isto quer dizer que não os verei mais. Euclides: Não se sabe. Apenas queremos que você cresça por si só, sabemos do seu potencial. George: Obrigado por tudo e por confiarem na minha capacidade. Tales: Você é capaz de muito mais. Esta é apenas a ponta do Iceberg. Pitágoras: A matemática é muito prazerosa em todas as suas áreas. Dificuldades aparecerão, com certeza! Arquimedes: Seja sábio e faça as coisas com calma e com métodos, e, lembre-se: “não deixe as coisas para a última hora”. Euclides: Estes são os conselhos dos seus, agora, amigos. Tenha força. Tales: Perseverança. Euclides: Garra. Arquimedes: E amor pelo que você faz. George: Não quero dar um adeus, mas, quem sabe, um até logo. Tchau amigos. Ainda tenho trabalho a fazer. Euclides, Tales, Pitágoras e Arquimedes: Adeus, grande amigo! Síntese Nesta unidade, você estudou a resolução de área de figuras planas. Percebeu que as figuras planas são formadas por lados (segmentos de retas) e por vértices (pontos) e pertencem a um plano. Portanto note que todos os conceitos desenvolvidos na unidade 1 estão presentes para a formação das figuras planas aqui estudadas, ou seja, o estudo da geometria é uma construção sistemática que deve ser estudada passo a passo, sem avanços precipitados. Chegamos ao topo de nossa construção a partir de uma base sólida que foram os axiomas e as idéias de ponto, reta e plano. Você, aluno, verá que nosso edifício (geometria) comporta mais alguns andares ainda, pois você terá pela frente, numa próxima disciplina, toda a construção da geometria espacial. 186 GI_MTM.indb 186 13/9/2007 10:19:36 Geometria I Saiba mais Você, aluno investigativo, pode aprofundar um pouco mais o estudo sobre áreas e ver algumas demonstrações extras no livro Geometria Euclidiana Plana. Para ser mais exato, o capítulo 10. Lá, você encontrará as outras demonstrações das áreas de figuras planas. BARBOSA, João L. M. Geometria Euclidiana Plana. Rio de Janeiro: Sociedade Brasileira de Matemática, 1985. Atividades de auto-avaliação 1) As medidas de um retângulo são 8 cm e 5 cm. Calcule a área do retângulo. 2) Um terreno retangular tem 18 m de frente por 25 de lateral. Qual é a área deste terreno? Unidade 4 GI_MTM.indb 187 187 13/9/2007 10:19:36 Universidade do Sul de Santa Catarina 3) O quadro-negro da sala de aula tem 5 m de comprimento por 1,50 m de altura. Qual a área deste quadro-negro? 4) Calcule a área de um quadrado de 11 cm de lado. 5) Um terreno quadrado tem 22 de lateral. Qual é a área deste terreno? 188 GI_MTM.indb 188 13/9/2007 10:19:36 Geometria I 6) Um anúncio de forma quadrada, com 7 cm de lado, é colocado em um jornal. Se o cm2 de anúncio, neste jornal, custa $ 0,80, quanto custou este anúncio? 7) Qual a área de um triângulo que tem 8 cm de altura e 4 cm de base? 8) Num triângulo, a base mede 12 cm e a medida da altura é igual à metade da medida da base. Calcule a área do triângulo. Unidade 4 GI_MTM.indb 189 189 13/9/2007 10:19:36 Universidade do Sul de Santa Catarina 9) Um piso de cerâmica é triangular. Sua base mede 30 cm e sua altura mede 15 cm. Qual a área deste piso? 10) Um hexágono regular tem lado igual a 6 cm. Qual a área deste hexágono? 11) Se uma pessoa der 4 voltas em uma pista de cooper circular, de 100 m de raio, quanto terá percorrido essa pessoa? 190 GI_MTM.indb 190 13/9/2007 10:19:36 Geometria I 12) Um arquiteto fez um projeto de uma casa. O dono pediu que a principal sala da casa tivesse o formato de um hexágono regular, onde cada lado do hexágono medisse 1 metro. Pergunta-se: sabendo que o metro quadrado de piso porcelanato custa 50 reais, quanto se gastará para cobrir o chão desta sala? Quantos metros de rodapé serão gastos? Lembre-se: Um hexágono regular é formado de 6 triângulos eqüiláteros. 13) Um jardineiro dispõe de 60 metros de arame para fazer o jardim de uma casa. O dono pediu que o formato do jardim seja um triângulo eqüilátero ou um quadrado, desde que ocupe a maior área possível. E então: Qual a escolha do jardineiro? Mostre suas contas. Unidade 4 GI_MTM.indb 191 191 13/9/2007 10:19:36 Universidade do Sul de Santa Catarina 14) O vento quebra uma árvore durante uma tempestade. A copa dessa árvore encosta-se no solo a 10m da base. Sabendo que o ângulo formado entre a copa da árvore e o solo é de 30°, a altura da árvore em metros é: Dados: 15) Considere um círculo de raio 3 e um quadrado circunscrevendo o círculo, como mostra a figura abaixo. Encontre a área em negrito na figura. Lembre-se: a área do círculo é dada por A = π ⋅ r 2 . 192 GI_MTM.indb 192 13/9/2007 10:19:36 Geometria I 16) Na construção de um trapézio, um matemático distraído esqueceu-se de colocar as medidas dos lados, dando apenas a informação de que uma das base excede a outra em 4cm , que a área é de 40 cm2 e altura tem 5 cm. Quais as dimensões deste trapézio? Unidade 4 GI_MTM.indb 193 193 13/9/2007 10:19:37 Universidade do Sul de Santa Catarina 17) Um grande empresário comprou um terreno. Numa parte deste terreno, o mesmo pretende construir uma piscina que tenha 90m de perímetro. O empresário pediu ao engenheiro que a piscina tivesse a forma de um triângulo eqüilátero ou de um trapézio isósceles de base maior 30 e base menor 10, já que adora figuras geométricas. A única condição que o empresário impôs ao engenheiro é que a escolha seja aquela figura que tenha maior área possível, para que seus convidados possam desfrutar de uma grande piscina. Qual a escolha do engenheiro? Mostre todas suas contas e coloque a resposta completa. 194 GI_MTM.indb 194 13/9/2007 10:19:37 Geometria I 18) Qual a área do quadrado da figura abaixo, sabendo que o raio da circunferência é 20 cm. Unidade 4 GI_MTM.indb 195 195 13/9/2007 10:19:37 Universidade do Sul de Santa Catarina 20) Numa praça central de um pequeno país chamado Brasilis, o presidente local resolveu fazer uma bandeira do País como decoração central desta praça. Veja um esboço do desenho: As dimensões desta bandeira são: o retângulo mede 8m por 6m; os vértices do losango tocam os pontos médios dos lados do retângulo. Quantos metros quadrados de ladrilhos foram gastos para compor a parte do losango, sabendo-se que a circunferência central tem 2 m de raio? Os lados deste losango serão feitos de mármore. Quantos metros de mármore serão gastos? 196 GI_MTM.indb 196 13/9/2007 10:19:37 Para concluir o estudo Parabéns pela sua dedicação no estudo da geometria. Você ‘ouviu’ histórias, conheceu teoremas, aprendeu conceitos novos e teve que resolver vários exercícios. A partir daqui, acreditamos, você terá uma nova visão sobre a geometria, tanto no que se refere aos conceitos, quanto a sua utilização. Agora, o momento é de pensar em todo esse processo para que você perceba como foi seu crescimento ao longo desse período. Como você se dedicou com afinco verá que seu conhecimento, em relação à geometria e a própria matemática, mudou. A idéia de utilizar conceitos “verdadeiros” para demonstrar novas conclusões é fundamental para o estudo da Matemática. Entender a construção da geometria ao longo de séculos dá uma idéia de como a matemática é bela e rica. Continue assim estudioso. Abraços dos autores: Kelen e Christian GI_MTM.indb 197 13/9/2007 10:19:38 GI_MTM.indb 198 13/9/2007 10:19:38 Sobre os professores conteudistas Christian Wagner - Bacharel em Matemática e Computação Científica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), em 1998. Mestre em FísicaMatemática pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), em 2001. Professor substituto na Universidade Federal de Santa Catarina, no período de 2001 a 2003. Professor horista na Universidade do Sul de Santa Catarina (UNISUL), com início em 2001. Teve participações no VII e VIII seminários de iniciação científica, realizados na Universidade Federal de Santa Catarina, na área de equações diferenciais, com apresentação e publicação em anais. É autor do livro Geometria e Tópicos Especiais de Matemática, ambos utilizados pela UNISUL no curso de Especialização em Educação Matemática. Co-autor nos livros de Matemática Básica, Matemática Elementar e Cálculo I, todos utilizados em disciplinas a distância na UNISUL. Leciona no curso de pós-graduação em Educação Matemática na UNISUL. Também atua no Núcleo de Estudos em Educação Matemática (NEEM), especificamente nas atividades de ensino e extensão voltadas para as dificuldades de aprendizagem da matemática. Kelen Regina Salles Silva - Graduada em Licenciatura em Matemática, pela Universidade Estadual de Maringá / UEM – PR (1986). Mestre em Engenharia de Produção, na área de Pesquisa Operacional, pela Universidade Federal de Santa Catarina / UFSC (1994). GI_MTM.indb 199 13/9/2007 10:19:38 Professora na Universidade do Sul de Santa Catarina / UNISUL, desde 2004, ministrando disciplinas para os cursos de Matemática, Engenharias. Ainda, como professora, trabalhou na Universidade Estadual de Maringá / UEM - PR (de 1988 a 1990 e de 1993 a 1995); na Fundação Universidade Federal de Rio Grande / FURG (1992 e 1993); e na Universidade do Vale do Itajaí / UNIVALI (de 1998 a 2005). Também atua no Núcleo de Estudos em Educação Matemática (NEEM), em atividades de ensino e extensão voltadas às dificuldades de aprendizagem da matemática, bem como em atividades da UNISUL virtual, como professora conteudista e tutora. 200 GI_MTM.indb 200 13/9/2007 10:19:38 Respostas e comentários das atividades de auto-avaliação Unidade 1 1) a) Ponto b) Plano c) Reta 2) a) Nos dão noção de ponto, o furo feito por uma agulha e a cabeça de um prego. b) Nos dão noção de reta, as linhas divisórias de uma quadra de futebol e uma corda esticada. c) Nos dão noção de plano, a superfície de uma piscina e uma folha de papel. 3) Resposta individual do aluno. 4) Resposta individual do aluno. 5) a) Falso, podem ser não colineares. b) Falso, podem determinar uma reta se forem colineares, ou mais de duas retas se não forem colineares. c) Verdadeiro se forem colineares. d) Verdadeiro, pelo axioma II. e) Verdadeiro, pelo axioma II. f) Verdadeiro, pelo axioma I e II. g) Verdadeiro pelo axioma III. h) Verdadeiro. Pelo Teorema 1.1. GI_MTM.indb 201 13/9/2007 10:19:38 i) Verdadeiro, pela definição de retas concorrentes. j) Verdadeiro. Pelo Teorema 1.1. 6) a) Pelo axioma II, por dois pontos passa uma única reta, e por um desses pontos passam infinitas retas pelo axioma III, logo essas retas se interceptam. b) Pelo axioma V, dado dois pontos e digamos C, e entre e assim sucessivamente. e existe um ponto entre eles, , pelo mesmo axioma V, existe um ponto 7) Quatro retas, ou uma reta se todos os pontos forem colineares. 8) Três segmentos. 9) Que passam por A e B distintos existem infinitos. Mas que tem extremidades neste ponto, um único segmento. 10) 11) Chamamos de a coordenada do ponto médio do segmento , então: Agora seja então: a coordenada do ponto médio do segmento , 202 GI_MTM.indb 202 13/9/2007 10:19:39 Da mesma forma seja a coordenada do ponto médio , então: segmento do . 12) Resposta do aluno. 13) Como M é o ponto médio de , então 14) Basta desenhar uma reta em uma folha de papel, em seguida dobre a folha de papel de tal maneira que uma extremidade do segmento coincida com o outro. Agora basta desenhar uma reta na dobra de papel. 15) Sejam a e b os ângulos procurados. Temos que a + b = 90, já que são complementares. Seja 180 - b o suplemento de b e 180 - a o suplemento de a. Agora digamos que o suplemento de a mede tanto quanto o suplemento de b mais 30, logo, 180 – a = 180 –b + 30 a = b - 30 (1) Como a + b = 90, então substituindo (1) nesta equação temos: b – 30 + b 2b = 120 b = 60 Mas como a + b = 90, então a + 60 = 90 e então a = 30 16) a) Verdadeiro, pela própria definição de ângulo. b) Falso mede 180° c) Verdadeiro pela definição. d) Falso, transferidor. e) Verdadeiro pela definição. f) Falso, é o contrário. 203 GI_MTM.indb 203 13/9/2007 10:19:39 g) Verdadeiro pela definição. h) Falso pois sua soma é de 150° e não de 180°. i) Verdadeiro. j) Verdadeiro pela definição. 17) Seja a um ângulo e 180 – a o seu suplemento. Por hipótese ambos tem a mesma medida, então: a = 180 - a Resolvendo esta equação obtemos: 2a = 180 a = 90 Ou seja, se um ângulo e seu suplemento tem a mesma medida, então este ângulo é de 90°, isto é, é um ângulo reto. 18) Seja a, um ângulo agudo, ou seja a < 90 e seja b = 180, o seu suplemento. Vejamos: Se a< 90, então - a > - 90, agora vamos somar 180 em ambos os lados da desigualdade: 180 – a > 180 – 90 180 –a > 90 Mas 180 – a = b é o suplemento de a, e como é maior que 90°, segue que o suplemento é um ângulo obtuso, como queríamos demonstrar. 19) Seja x um ângulo qualquer. (a) Assim o seu suplemento é 180 - x, portanto o seu triplo é dado por (b) O complemento de x é dado por 90 - x e portanto sua sétima parte é dada por . (c) A terça parte do ângulo x é parte é e portanto o complemento da terça . 204 GI_MTM.indb 204 13/9/2007 10:19:39 20) Sejam a e b dois ângulos, como a e b são complementares então a + b = 90. Suponha que a é o maior ângulo, assim a = 4b. Portanto temos o seguinte sistema: Substitua a segunda equação na primeira. Então: 4b + b = 90, ou seja, 5b = 90 e portanto b = 18. Como a = 4b, segue que . Então os ângulos procurados são a = 72 e b = 18. 21) Sejam dois ângulos a e b, tal que a + b = 180. Suponha a como o ângulo menor. Como a medida do menor é metade do maior, então . Portanto temos: Substituindo a segunda equação na primeira, obtemos: . Como , então . Logo os ângulos procurados são a = 60 e b = 120. 22) Sejam dois ângulos a e b, tal que a + b = 180. Suponha que a seja o ângulo maior. Portanto de acordo com o enunciado a = 3b - 20. Assim temos o seguinte sistema: Substituindo a segunda equação na primeira, temos: . Logo: . 205 GI_MTM.indb 205 13/9/2007 10:19:39 23) Pelas hipóteses do problema temos Portanto: e que . E assim temos também que , ou seja, ambas as retas interceptam a terceira reta em um ângulo de 90°, isto é, as retas são perpendiculares. 24) (a) Falso. (b) Falso. Pode ter um terceiro segmentos entre eles. (c) Verdadeiro pela própria definição. (d) Falso, pois seria necessário que fossem consecutivos. (e) Verdadeiro pela própria definição. (f) Falso, pois para ser adjacente é necessário que seja colinear também. 25) A demonstração desse teorema se divide em duas partes: 1a. (Existência da Perpendicular) Dadas duas retas r e t distintas, que se interceptam em um ponto P. Sejam A um ponto de r e B um ponto de t. Tomando r1 uma semi-reta de r com origem em P e que passa por A e t1 uma semi-reta de t que passa por B. Pelo axioma IX “existe uma correspondência biunívoca entre 0o e 180o e as semi-retas de mesma origem”. Assim, o ângulo pode ser um ângulo congruente ao ângulo de 90o , ou seja m( )= 90o e com isso as retas r e t são perpendiculares. 2a. (Unicidade da Perpendicular) Suponha que além de t, perpendicular a r, exista uma outra reta s, distinta de r e t passando por P e também perpendicular a r. Seja C um ponto de s, assim: Se: • t é perpendicular a r então m( ) = 90o • s é perpendicular a r então m( )= 90o Ora, se as retas r, s e t são distintas a conclusão acima é um absurdo. Logo só existe uma reta perpendicular a r passando por P. 206 GI_MTM.indb 206 13/9/2007 10:19:39 Unidade 2 1) A. Verdadeiro, pois como um triângulo eqüilátero tem os três lados congruentes ele satisfaz a condição de triângulo isósceles, ter dois lados congruentes; B. Falso, pois um triângulo isósceles só tem dois lados congruentes e para ser eqüilátero precisa ter três lados congruentes; C. Verdadeiro, pois existem duas classificações, uma em relação ao tamanho dos lados e outra em relação aos ângulos. Um triângulo pode ter dois lados congruentes e um ângulo reto; D. Verdadeiro, pois um triângulo pode ter dois lados congruentes e um ângulo menor que 90o. E. Falso, pois para que dois triângulos sejam congruentes não basta que tenham um dos ângulos congruentes; F. Falso, pois um triângulo eqüilátero tem os três lados congruentes entre si, isso não garante que outro triângulo eqüilátero tenha os lados congruentes aos lados desse primeiro triângulo; 2) Como o triângulo é isósceles, os lados adjacentes á base são congruentes, ou seja: x + 2 = 8 ⇒ x = 8-2 ⇒ x = 6 3) Como o triângulo dado é eqüilátero, então os três lados são congruentes, ou seja: 15-2y= 3x-8=7 ⇒ 15 – 2y=7 ⇒ -2y=7 – 15 ⇒ -2y=-8 (-1) ⇒ 2y=8⇒ y=4 e 3x – 8 = 7 ⇒ 3x = 7 + 8 ⇒ 3x = 15 ⇒ x =15/3 ⇒ x = 5 4) Como os triângulos são eqüiláteros, então os três lados são congruentes, ou seja: Triângulo I: 2a + 1=4a – 3=b ⇒ 2a+1=4a - 3⇒ 2a – 4a=-3 – 1⇒ -2a=- 4 (-1) ⇒ 2a = 4 ⇒ a = 4/2 ⇒ a = 2 e 2.2 + 1 = b ⇒ b = 4 + 1 ⇒ b = 5 Triângulo II: a + b = a + 4 = b + 3 ⇒ ⇒a+b–a=4⇒b=4 a = b + 3 - 4⇒ a= 4 + 3 – 4⇒ a = 3 207 GI_MTM.indb 207 13/9/2007 10:19:40 5) Observe a figura: Como num triângulo isósceles os ângulos da base são congruentes: 2x – 40o = x + 20o ⇒ 2x – x = 20o + 40o ⇒ x = 60o 6) Perímetro é a soma dos lados, então se o triângulo é eqüilátero vamos chamar o comprimento do lado de x, logo 3x = 45 ⇒ x = 45/ 3 ⇒ x = 15 cm. 7) Pelo enunciado do problema podemos esboçar o seguinte triângulo: Se o perímetro é igual a 100 cm, podemos escrever: 2x + 30 = 100⇒ 2 x =100 - 30 ⇒ 2x = 70 ⇒ x =35 cm 8) Pelo teorema de Pitágoras, num triângulo retângulo, se a é a medida da hipotenusa e c e b são as medidas dos catetos, temos: 9) Das relações trigonométricas no triângulo retângulo, se θ é um ângulo não reto de um triângulo retângulo, temos: ; ; Assim: Triângulo I: 208 GI_MTM.indb 208 13/9/2007 10:19:40 Triângulo II: Triângulo III: 10) Esboçando o problema: Então a altura da chaminé é 11) Dado um ABC com catetos x e y , se pelas medidas dos ângulos notáveis: e metros , como , então Por outro lado, se Como , então e pela medida dos ângulos notáveis Concluímos que 209 GI_MTM.indb 209 13/9/2007 10:19:40 12) Esboçando o problema, podemos ver dois triângulos I e II: Sejam x a distância entre a pessoa e o edifício e y a altura do edifício em relação aos olhos da pessoa. Do triângulo I: Do triângulo II: Igualando as duas conclusões temos: Então a distância inicial entre a pessoa e o edifício é de 50 metros e a ) metros. altura do edifício é de ( 13) Dado um triângulo ABC, suponha que os ângulos e desse e . Se triângulo não sejam agudos, ou seja somarmos as medidas desses ângulos teremos o que é absurdo, pois pelo teorema 2.4, a medida de quaisquer dois ângulos internos de um triângulo é menor que 180o. Logo, um triângulo não pode ter dois ângulos internos obtusos. 14) Dada um triângulo ABC, com . Considere um triângulo ACB cujos pontos A, B e C estão associados aos pontos A, C e B respectivamente. Comparando esses triângulos observamos que: , e , pelo caso 2 de congruência de triângulos, ALA concluímos que congruentes. e assim os lados e são Portanto o triângulo ABC é isósceles. 210 GI_MTM.indb 210 13/9/2007 10:19:41 15) a) São congruentes, caso LLL; b) Não são congruentes, pois o cateto de um triângulo é congruente à hipotenusa do outro; c) São congruentes por dois casos ALA e LAL; d) São congruentes, caso LAAo. 16) São congruentes os triângulos: I e IV caso LAL, II e VII caso LAL, III e VIII caso LAAo, V e VI caso especial triângulo retângulo. 17) a) Como a diagonal do retângulo é a hipotenusa dos dois triângulos, eles serão congruentes se os ângulos adjacentes á hipotenusa forem congruentes. Assim: 3y = 66o ⇒ y = 66o / 3 ⇒ y = 22o 2x = 24º ⇒ x = 12o b) Os dois triângulos I e II têm um dos lados comum, para que eles sejam congruentes, os demais lados devem ser congruentes também, assim: Substituindo na primeira equação 3 ( 3y – 3) = 2y + 5 ⇒ 9y – 9 = 2y + 5 ⇒ 9y – 2y = 5 + 9 ⇒ 7y = 14 ⇒ y = 2 ex = 3. 2 – 3 = 6 – 3 ⇒ x = 3 18) Como os triângulos ABC e ADE são congruentes, concluímos que: a) y + 2 = 3y – 12 ⇒ y – 3y= -12 -2 ⇒ 2y = 14 ⇒ y = 7 e x + 5 = 10⇒ x = 10 –5 ⇒ x = 5 ⇒ 4x – 6 = 3x + 6 ⇒ 4x – 3x= 6 + 6 ⇒ x = 12 b) y = 4x ⇒ y = 4.12 ⇒ y = 48 19) A.(V) caso LLL ou caso LAL ou caso ALA; B.(V) caso LAL ou caso LAAo ou ALA; C.(F) não existe o caso de congruência AAA; D.(V) caso ALA ou caso LAAo; 211 GI_MTM.indb 211 13/9/2007 10:19:41 20) Para mostrar que uma afirmação não é verdadeira, podemos mostrar que ele falha para algum exemplo, ou seja, se não vale para um caso não podemos garantir que vale para todos. Por isso vamos apresentar um contra exemplo para cada um dos casos ALL e AAA: Caso ALL: Observe que os triângulos ABC e DEF possuem congruência ALL, mas não são congruentes. Caso AAA: Observe que os triângulos MNO e PQR possuem congruência AAA, mas não são congruentes. 21) A. Verdadeiro, pois baricentro é o ponto de interseção das três medianas do triângulo. B. Verdadeiro, pois num triângulo eqüilátero os lados são congruentes e as medianas coincidem com as retas suportes das alturas do triângulo. C. Falso, pois um triângulo retângulo possui um ângulo reto e dois ângulos agudos, e as retas suportes relativas às alturas se encontram no interior do triângulo. D. Verdadeiro, pois num triângulo obtusângulo o ortocentro se obtém prolongando as alturas, fora desse triângulo. 212 GI_MTM.indb 212 13/9/2007 10:19:41 E. Falso, pois o circuncentro é o ponto de intersecção das três mediatrizes dos lados de triângulo, e como o triângulo é isósceles essas mediatrizes se interceptam no interior do triângulo. 22) Dado um triângulo retângulo ABC reto em A. Pelo corolário do teorema 2.4, todo triângulo possui pelo menos 2 ângulos internos agudos, neste caso se agudos são e , ou seja então os ângulos e Seja α o ângulo externo adjacente a e β o ângulo externo adjacente a . Como, um ângulo externo e o interno adjacente a ele são suplementares, temos: analogamente: Portanto α e β são obtusos. 23) Observe a figura: Você mesmo pode construir a figura utilizando o software CabriGeomètré 213 GI_MTM.indb 213 13/9/2007 10:19:42 24) Observe na figura os triângulos ABC e DEF: Você mesmo pode construir a figura utilizando o software CabriGeomètré Unidade 3 1) a) Como as retas r e s são paralelas, pelo teorema 3.1: x = 40o b) Pelo teorema 3.1: Assim x – 30o + 2x = 180o · 3x = 180o + 30o ⇒ 3x = 210o ⇒ x = 210o / 3 ⇒ x = 70o 2) a) Pela figura: x = 75 o e x + y = 180o ⇒ 75o + y = 180o ⇒ y = 180o – 75o ⇒ y = 105 o b) 3) a) Como a soma das medidas dos ângulos internos de um triângulo é igual a 180o, então: 90o + x + 60o = 180o b) O ângulo interno oposto ao ângulo que mede 60o, também mede 60o, assim: x + 60o + 55o = 180o ⇒ x = 180o – 115o ⇒ x = 65o 214 GI_MTM.indb 214 13/9/2007 10:19:42 c) Somando as medidas dos ângulos internos do triângulo, temos: 2x + x + x - 20o = 180o⇒ 4x = 180o + 20o ⇒ 4x = 200o ⇒ x = 200o / 4 ⇒ x = 50o 4) a) Como o triângulo é isósceles, os ângulos da base são congruentes, assim: x + 10o = 30o ⇒ x = 30o – 10o ⇒ x = 20 o Somando as medidas dos ângulos internos do triângulo: y + 30o + 30o = 180o ⇒ y = 180o – 60o ⇒ y = 120o b) Observe a figura, como os triângulos são isósceles, os ângulos das bases são congruentes, assim: x = y - 20º ⇒ 2 ( y - 20º ) + 4y = 200º ⇒ 2y – 40º + 4y = 200º ⇒ 6y = 200º + 40º ⇒ 6y = 240º ⇒ y = 240º / 6 ⇒ y = 40º x = 40º - 20º ⇒ x = 20º 5) Esboçando o triângulo x + ( 180o – 2x ) + ( 180o – 2x) = 180o ⇒ x – 2x – 2x = 180o – 180o – 180o ⇒ -3x = - 180o ⇒ x = 60 o 215 GI_MTM.indb 215 13/9/2007 10:19:42 6) Dado um triângulo eqüilátero ABC, então os lados são congruentes e conseqüentemente os ângulos internos também são congruentes. Seja x a medida de cada um dos ângulos. Então 3x = 180o ⇒ x = 180o / 3⇒ x = 60o. 7) Sejam as medidas dos ângulos x, y e z, então: 8) Esboçando a figura: E 9) Se um triângulo é eqüilátero então os ângulos internos são congruentes, ou seja: x+ 15 o = 3x – 75o = 2x – 30o, assim Como os dois valores coincidem, concluímos que para que a medida dos ângulos internos é 60o 216 GI_MTM.indb 216 13/9/2007 10:19:43 10) Se a = 12 e c = 3 então: 11) a) b) c) 12) Pelo Teorema de Tales: a) b) 13) Pelo Teorema 3.3 14) Esboçando a figura: Utilizando a somas das medidas dos segmentos, e aplicando o teorema de Tales: 15) a) Para que os triângulos sejam semelhantes, a razão entre os comprimentos dos lados correspondentes deve ser a mesma, assim: A razão de semelhança pode ser obtida em função dos comprimentos dos lados e dos lados e , logo a razão entre os comprimentos deve ser 217 GI_MTM.indb 217 13/9/2007 10:19:43 , analogamente entre os comprimentos dos lados e também 16) Pela figura: Se M é ponto médio de ponto médio de , AN= NC. Fazendo: AM =MB = x Então: então AM = MB , analogamente, se N é AB = 2x e AN =NC = y AC = 2y Pelo caso 2, de semelhança como o ângulo é comum e são proporcionais aos triângulos ABC e AMN, e os lados e , então temos que os triângulos ABC e assim como os lados AMN são semelhantes 17) Sejam os triângulos da figura: Como, por hipótese os triângulos ABC e DEF são semelhantes, e se k é a razão de semelhança. Por outro lado: O perímetro do triângulo ABC é (a + b + c) e o perímetro do triângulo DEF é (d +e+ f) Assim a razão entre os perímetros é: 218 GI_MTM.indb 218 13/9/2007 10:19:43 , o seja a razão entre os perímetros também é igual a k. 18) Sejam os triângulos da figura: Sabemos que x + y + z = 30 e 4 + 5 + 6 = 15 . Por outro lado a razão entre os lados é Então a razão entre os perímetros dos triângulos ABC e DEF é Como o menor lado é x , temos que x = 4.2 = 8 cm. 19) Utilizando as relações métricas no triângulo retângulo: Se h é a altura do triângulo retângulo relativa a hipotenusa a, m é a projeção do cateto c sobre a hipotenusa e n a projeção do cateto b sobre a hipotenusa, temos No caso a): h = 6, m = x e n = 9, como h2 = m.n ⇒ 62 = x.9⇒ x = 36/9 ⇒ x =4 No caso b): h = x, m = 3 e n =12, h2 = m.n⇒ x2 = 12.3⇒ x2 = 36 ⇒ x =6 No caso c): c = x, m = 3 e n =9, como a = m+ n ⇒ a = 12 e c2 = a.m⇒ x2 = 12.3⇒ x2 = 36 ⇒ x =6 No caso d): c = 8, m = 4 e n = x ⇒ a = m+n ⇒ a = 4 + x ⇒ 82 = (4+x)4⇒ 64 =16 + 4x ⇒ 4x = 64 - 16 ⇒ 4x = 48 ⇒ x = 12 219 GI_MTM.indb 219 13/9/2007 10:19:44 20) Esboçando o triângulo: Como a = 6, c = 5 e b = 4, pela conclusão bc = ah: 6h = 5.4⇒ 6h= 20 ⇒ h = 20/6 = 10/3 cm Unidade 4 1) . 2) . 3) . 4) Primeiramente calculamos a área ocupada pelo anúncio que é um quadrado: . Então o valor do anúncio é dado por: Valor = 0,80 . 49 = $ 39,20 Assim gasta-se R$ 39,20 para a publicação do anúncio. 7) 8) Como a altura é metade da medida da base temos: Então 9) 10) . . . 220 GI_MTM.indb 220 13/9/2007 10:19:44 11) O comprimento da pista é o comprimento de uma circunferência, portanto: Assim para cada volta a pessoa anda cerca de: Para quatro voltas temos: 2,51 km. , ou ainda 12) Primeiramente necessitamos calcular a área de um hexágono de lado 1 m. Portanto como o custo do metro quadrado é R$ 50,00, o valor gasto para cobrir o chão desta sala é: Valor = 2,59 x 50 = 129,5 reais Gastou-se para cobrir o chão o valor de R$ 129,5. 13) Se o jardim for em formato de um triângulo eqüilátero os 60 metros de arame formarão um triângulo de lado de 20 metros. Assim calculando sua área temos que primeiramente calcular a altura deste triângulo: Portanto a área do triângulo é dada por: Já se o jardim tiver o formato de um quadrado, os 60 metros de arame formarão um quadrado com lado de 15 metros. Então a área deste quadrado será: Assim o jardineiro escolherá o jardim em forma de quadrado. 221 GI_MTM.indb 221 13/9/2007 10:19:44 14) Chame de a o pedaço da árvore entre o ponto de quebra e o pé da arvore e b o pedaço de árvore entre o ponto de quebra e a copa da árvore. Temos então Assim acabamos de encontrar o pedaço da árvore que se encontra entre o ponto de quebra e a copa da árvore. Para calcular o pedaço da arvore que sobrou em pé, usamos o teorema de Pitágoras: Então a altura da árvore é soma de a e h. Portanto 15) Neste caso basta fazer a área do quadrado menos a área do círculo. Como o circulo esta inscrito no quadrado, então o lado do quadrado é o diâmetro do círculo, assim . Área do Quadrado: Área do círculo: Então a área em negrito é: 222 GI_MTM.indb 222 13/9/2007 10:19:44 16) Chame de b a base menor e B a base maior, como uma das bases excede a outra em 4 cm, temos: B = b + 4. A altura h = 5 cm e a área A = 40 cm2. A área do trapézio é dada por: Assim se a base menor mede 6 cm, então a base maior mede: cm. Portanto as dimensões do trapézio são b = 6 e B = 10. 17) Se a piscina for em forma de um triângulo eqüilátero, cada lado deste triângulo terá 30 m, já que o perímetro é 90 m. então necessitamos primeiramente calcular a altura deste triângulo: Logo a área deste triângulo é dada por: Um trapézio isósceles é aquele cujos lados tirando a base maior e menor, são iguais: 223 GI_MTM.indb 223 13/9/2007 10:19:44 Logo cada um dos lados mede 25 m, já que o total do perímetro é 90 m. Necessitamos calcular a altura deste trapézio e, portanto utilizamos o teorema de Pitágoras: Logo a área do trapézio é dado por: . Neste caso a maior área é a do triângulo, assim a piscina terá um forma triangular. 18) Se o raio deste circulo é 20 cm, a diagonal do quadrado que passa pelo centro da circunferência é o próprio diâmetro desta circunferência e, portanto a diagonal do quadrado mede 40 cm. Note que a diagonal do quadrado juntamente com dois de seus lados forma um triângulo retângulo, então chamando de l o lado deste quadrado e de d a diagonal do quadrado temos: Mas l2 é a própria área do quadrado, o objetivo do exercício. Assim a área do quadrado é de 800 cm2. 19) O que devemos fazer é calcular a área deste losango e diminuir da área do círculo. Note que a diagonal maior deste losango mede exatamente o lado maior do retângulo, 8m. Já a diagonal menor do losango mede exatamente o menor lado do retângulo, 6m. Assim temos que a área do losango é: 224 GI_MTM.indb 224 13/9/2007 10:19:45 Já a área do círculo é dada por: Assim a área coberta de ladrilhos Agora necessitamos saber quanto de mármore será gasto para cobrir o lado deste losango. Note pela figura os lados dos losangos formam com os lados do retângulo 4 triângulos retângulos, onde os catetos destes triângulos medem 4m e 3m, pois o lado do losango toca o retângulo exatamente no ponto médio, portanto cada lado destes triângulo é metade do lado do retângulo. Assim, usando o teorema de Pitágoras e chamando de l o lado deste losango temos: , então l = 5. Como o losango tem todos os lados iguais, então o perímetro deste losango é: . Logo serão gastos 20 m de mármore para cercar este losango. 225 GI_MTM.indb 225 13/9/2007 10:19:45 GI_MTM.indb 226 13/9/2007 10:19:45 Referências BARBOSA, J. L. M.; Geometria Euclidiana Plana – Rio de Janeiro – Sociedade Brasileira de Matemática, 1985. 190p. BOYER, Caul B. História da Matemática. São Paulo: Editora Edgard Blucher Ltda., 1996. CASTRUCCI, B., Fundamentos da Geometria - Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos, 1993. C. WAGNER; C. COELHO. Geometria. Palhoça: Unisul, 2004 D. GUEDJ. O Teorema do Papagaio. São Paulo: Companhia das Letras, 1999. DOLCE, O.;Pompeo, J. N. Fundamentos da Matemática Elementar, 9: geometria plana – 7 ed. São Paulo: Atual, 1993. GERONIMO, J. R.; Franco, V. S.; Geometria Plana e Espacial, Um Estudo Axiomático – Maringá, PR: Massoni, 2005. 305p. : il. J. R. GIOVANNI; J.R. BONJORNO; J.R.G. JUNIOR. Matemática Fundamental – 2º grau: volume único. São Paulo: FTD, 1994. J. R. GIOVANNI; J.R. BONJORNO. Matemática – Uma nova abordagem – vol 2. São Paulo: FTD, 2000. M.C. F. R. FONSECA. O Ensino de Geometria na Escola Fundamental. Belo Horizonte: Autêntica Editora, 2001. RICH, Barnett; Teoria e problemas de Geometria – 3 ed. Porto Alegre: Bookman, 2003 9 Coleção Schaum). GI_MTM.indb 227 13/9/2007 10:19:45 GI_MTM.indb 228 13/9/2007 10:19:45
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