apostila 3 (pic-2008) - teorema de pitágoras e áreas
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Teorema de Pitgoras e
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Eduardo Wagner
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Sobre o Autor
Eduardo Wagner formado em engenharia pela UFRJ e mestre em
matemtica pelo IMPA. Como professor de matemtica, atua tanto no
Ensino Mdio quanto no superior. Suas atividades com olimpadas de
Matemtica comearam em 1989, tendo sido coordenador da Olimpa-
da de Matemtica do Estado do Rio de Janeiro por trs anos e da
Olimpada Brasileira de Matemtica por cinco anos, participando
at hoje como membro da Comisso da OBM, da sua organizao
e desenvolvimento. Tambm tem desempenhando a funo de lder
da delegao brasileira em diversas olimpadas internacionais. Desde
1991 professor do Programa de Aperfeioamento de Professores pro-
movido pelo IMPA e tambm membro do Comit Editorial da Re-vista do Professor de Matemtica publicada pela SBM. autor de
diversos livros dentre os quais seis volumes da Coleo do professor
de Matemtica, publicada pela SBM e de uma extensa coleo de
artigos publicados na RPM e em outras revistas especializadas.
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Sumrio
1 O Teorema de Pitgoras 1
1.1 Leia um Pouco da Histria . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 O Enunciado do Teorema de Pitgoras . . . . . . . . . 4
1.3 A Recproca do Teorema de Pitgoras . . . . . . . . . 8
1.4 Ternos Pitagricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Generalizando o Teorema de Pitgoras . . . . . . . . . 12
1.6 Construes Geomtricas e o Tringulo Retngulo . . 13
1.7 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 reas 24
2.1 Propriedades Importantes . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2 Nmero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3 Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 Solues dos Problemas 55
3.1 Captulo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Captulo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
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ii SUMRIO
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Antes de comearEste pequeno livro dedicado a dois temas de geometria da maior
importncia: o Teorema de Pitgoras e as reas. Estes dois assuntos,
que possuem forte conexo, so abordados em geral na 9o ano do En-
sino Fundamental, de forma bastante breve e em nvel naturalmente
adequado aos alunos dessa faixa etria. Como estes temas no so
normalmente retomados no Ensino Mdio, grande parte dos alunos
no tem oportunidade de conhecer a enorme riqueza das aplicaes,
muitas por vezes, surpreendentes.
O Teorema de Pitgoras aparece com um pouco de seu contexto
histrico, algumas demonstraes e importantes generalizaes. Apre-
sentamos tambm algumas construes geomtricas associadas ao
tringulo retngulo com a finalidade principal de despertar a cu-
riosidade dos leitores para as construes com rgua e compasso que
fornecem situaes muito educativas, intrigantes e desafiadoras.
O captulo sobre reas, alm de conter todo o material necessrio
para a obteno das frmulas das figuras simples, inclui propriedades
que permitem realizar demonstraes de diversos teoremas usando o
conceito de rea como ferramenta. O captulo termina com a rea do
crculo e uma bastante precisa apresentao do nmero .
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Captulo 1
O Teorema de Pitgoras
1.1 Leia um Pouco da Histria
Pitgoras (c.569 c.480 a.C.) nasceu na ilha de Samos, perto de
Mileto onde 50 anos antes tinha nascido Tales. Foi a partir das ideias
desses dois grandes personagens que a Matemtica se inicia como
cincia e pode se desenvolver enormemente nos sculos seguintes.
Pitgoras viajou bastante. Esteve no Egito e na Babilnia (talvez
tenha ido at a ndia) onde absorveu os conhecimentos matemticos e
as ideias religiosas de cada regio. Voltando ao mundo grego, fundou
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2 CAP. 1: O TEOREMA DE PITGORAS
em Crotona (sudeste da Itlia de hoje) uma escola, na verdade umasociedade secreta, dedicada ao estudo da Matemtica e Filosofia, prin-
cipalmente. Como todos os documentos daquela poca se perderam,
tudo o que sabemos veio atravs de referncias de outros autores que
viveram sculos depois. Por isso, Pitgoras uma figura obscura na
histria da Matemtica e, para dificultar ainda mais as coisas, a sua
escola, alm de secreta, era comunitria, ou seja, todo o conhecimento
e todas as descobertas eram comuns, pertenciam a todos. Assim, no
sabemos sequer se foi o prprio Pitgoras que descobriu o teorema que
leva o seu nome, pois era comum naquela poca dar todo o crditode uma descoberta ao mestre. No conhecemos tambm qual foi a
demonstrao original, mas historiadores acreditam que deva ter sido
alguma usando reas.
O Teorema de Pitgoras um dos mais belos e importantes teo-
remas da Matemtica de todos os tempos e ocupa uma posio es-
pecial na histria do nosso conhecimento matemtico. Foi onde tudo
comeou. Desde o sculo 5 a.C. at o sculo 20 d.C. inmeras demons-
traes do Teorema de Pitgoras apareceram. Em 1940, o matemtico
americano E. S. Loomis publicou 370 demonstraes, mas ainda hmais.
Antes de Pitgoras (Na Babilnia)
Temos provas concretas que os babilnios antigos conheciam o
Teorema de Pitgoras. Muitos tabletes de barro datados do perodo
de 1800 a 1600 a.C. foram encontrados, decifrados e hoje se encontram
em diversos museus. Um deles, chamado Plimpton 322 est na Uni-
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SEC. 1.1: LEIA UM POUCO DA HISTRIA 3
versidade de Columbia e o fragmento que foi preservado mostra umatabela de 15 linhas e 3 colunas de nmeros. Os pesquisadores desco-
briram que esta tabela continha ternos pitagricos, ou seja, lados de
um tringulo retngulo. Como o que restou apenas um pedao de
um tablete, que deveria fazer parte de um conjunto de tabletes, no
se sabe como esses nmeros foram encontrados. Mas uma pista, que
os babilnios conheciam alguma forma de encontrar esses nmeros,
est em um tablete guardado hoje no Museu Britnico. Nesse tablete
est escrito o seguinte:
4 o comprimento
5 a diagonal
Qual a altura?
4 vezes 4 d 16
5 vezes 5 d 25
Tirando 16 de 25 o resto 9
Quanto vezes quanto devo tomar para ter 9?
3 vezes 3 d 9
3 a altura
Isto mostra, sem dvida, que os babilnios tinham conhecimento
da relao entre os lados de um tringulo retngulo. No h nenhuma
demonstrao, naturalmente, pois isto ainda estava longe de ser uma
preocupao dos matemticos da poca. Eles conheciam receitas que
davam certo e, com elas, resolviam inmeros problemas.
Um outro tablete que merece ateno est no museu da Univer-
sidade de Yale. o nico que contm figuras: um quadrado e suas
diagonais. Neste fragmento de tablete que se pode ver a seguir, o lado
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4 CAP. 1: O TEOREMA DE PITGORAS
do quadrado tomado como igual a 30 e o comprimento da diagonalaparece como 42, 25, 35.
Como os babilnios escreviam os nmeros na base 60, o compri-
mento da diagonal , na nossa notao decimal,
24 +25
60+
35
3600= 42,4263889.
Isto, dividido por 30, d 1, 414213..., uma aproximao excepcional
para 2 com seis casas decimais corretas.
1.2 O Enunciado do Teorema de Pitgoras
Em qualquer tringulo retngulo, a rea do quadrado
cujo lado a hipotenusa igual soma das reas dos quadra-
dos que tm como lados cada um dos catetos.
Se a a medida da hipotenusa e se b e c so as medidas dos catetos,
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SEC. 1.2: O ENUNCIADO DO TEOREMA DE PITGORAS 5
o enunciado do Teorema de Pitgoras equivale a afirmar que
a2 = b2 + c2
Observando a figura acima, o Teorema de Pitgoras afirma que a
rea sombreada em tom mais claro igual rea mais escura.
Este fato no evidente! Muito pelo contrrio, misterioso e intri-gante. Para que possamos nos convencer da verdade dessa afirmao,
precisamos de uma demonstrao. Vamos ver algumas.
A demonstrao clssica
Dado um tringulo retngulo de hipotenusa a e catetos b e c,
considere o quadrado cujo lado b + c.
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6 CAP. 1: O TEOREMA DE PITGORAS
Na figura da esquerda, retiramos do quadrado de lado b + c quatrotringulos iguais ao tringulo retngulo dado, restando um quadrado
de lado a. Na figura da direita, retiramos tambm do quadrado de
lado b + c os quatro tringulos iguais ao tringulo retngulo dado,
restando um quadrado de lado b e um quadrado de lado c. Logo, a
rea do quadrado de lado a igual soma das reas dos quadrados
cujos lados medem b e c.
Esta simples e engenhosa demonstrao pode ter sido a que os
pitagricos imaginaram.
A demonstrao que usa semelhana
Esta talvez seja a demonstrao mais frequente. A partir de um
tringulo ABC, retngulo em A, traamos a altura AH e verificamos
que os tringulos AHB e AHC so semelhantes ao tringulo ABC.
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8 CAP. 1: O TEOREMA DE PITGORAS
hipotenusa.
Perigal corta o quadrado construdo sobre o maior cateto por duas
retas passando pelo seu centro, uma paralela hipotenusa do trin-
gulo e outra perpendicular, dividindo esse quadrado em quatro partes
congruentes. Essas quatro partes e mais o quadrado construdo so-
bre o menor cateto, preenchem completamente o quadrado construdo
sobre a hipotenusa.
1.3 A Recproca do Teorema de Pitgoras
A pergunta agora : se a, b e c so reais positivos com a2 = b2 + c2
ser o tringulo de lados a, b, e c retngulo? Intuitivamente, pensamos
que sim. Mas, devemos demonstrar isto. Consideremos ento um
tringulo ABC com AB = c, BC = a e CA = b.
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SEC. 1.3: A RECPROCA DO TEOREMA DE PITGORAS 9
1o caso: A < 90o
Imaginemos que b c. Assim, o ponto D, projeo de C sobre AB,cai no interior do lado AB. Sejam AD = x e CD = h.
Como o tringulo ADC retngulo, temos b2 = h2 + x2. Como o
tringulo BDC retngulo, temos:
a2 = h2 + (c x)2
a2 = b2 x2 + c2 2cx + x2
a2 = b2 + c2 2cx
ou seja, a2 < b2 + c2, que contradiz a condio inicial.
2o caso: A > 90o
Agora, o ponto D cai fora do lado AB.
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10 CAP. 1: O TEOREMA DE PITGORAS
Os mesmos clculos que fizemos no caso anterior nos levam a
a2 = b2 + c2 + 2cx,
ou seja, a2 > b2 + c2, novamente contradizendo a condio inicial.
Demonstramos ento que em um tringulo ABC, de lados a, b e c,
A < 90o a2 < b2 + c2
A > 90o
a2 > b2 + c2
Assim, a condio a2 = b2 + c2 implica necessariamente que A = 90o.
1.4 Ternos Pitagricos
O tringulo de lados 1, 3 e
10 retngulo? Sim, pois
(
10)2 = 12 + 32.
Durante toda a histria antiga e mesmo at hoje, temos curiosi-dade em encontrar tringulos retngulos cujos lados so medidos por
nmeros inteiros. Todos ns sabemos que o tringulo de lados 3, 4 e
5 retngulo, mas voc sabia que o tringulo de lados 372, 925 e 997
retngulo? Possivelmente no, e eu tambm no o conhecia antes
de redigir estas notas. Este inclusive o tringulo retngulo de maior
permetro que tem lados menores que 1000. Nossa curiosidade nos
leva a seguinte pergunta:
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SEC. 1.4: TERNOS PITAGRICOS 11
Como encontrar tringulos retngulos cujos lados tenham medi-das inteiras?
Definio. Sendo a, b e c inteiros positivos com b < c < a dizemos
que (b,c,a) um terno pitagrico se a2 = b2 + c2. Assim, (3, 4, 5) e
(5, 12, 13) so exemplos de ternos pitagricos.
Um terno pitagrico (b,c,a) chamado primitivo, quando b e c
so primos entre si, ou seja, quando mdc(b, c) = 1. Assim, (3, 4, 5)
um terno pitagrico primitivo. Naturalmente, qualquer terno da
forma (3k, 4k, 5k) com k inteiro e maior que 1 tambm pitagrico,mas no primitivo.
Uma frmula que gera ternos pitagricos
Sendo m e n inteiros positivos com m > n considere:
b = m2 n2, c = 2mn, a = m2 + n2.
Veja que (b,c,a) um terno pitagrico pois:
b2 + c2 = (m2n2)2 + (2mn)2 = m4 + n4+ 2m2n2 = (m2 + n2)2 = a2.
Assim, para qualquer escolha de nmeros inteiros m e n, o terno
(b,c,a) pitagrico. Por exemplo, para m = 7 e n = 4 encontramos
o terno pitagrico (33, 56, 65). Observe que, se nesta frmula voc
atribuir para m e n valores ambos pares ou ambos mpares, voc
encontrar um terno pitagrico no primitivo, pois todos os termos
do terno sero pares. Se a sua escolha de m e n conduzir a valores de
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12 CAP. 1: O TEOREMA DE PITGORAS
b e c que sejam primos entre si, voc encontrar um terno pitagricoprimitivo. Esta frmula atribuda a Plato (sc.4 a.C.), mas existem
outras que voc ver nos exerccios.
1.5 Generalizando o Teorema de Pitgoras
O Teorema de Pitgoras afirma que a rea do quadrado construdo
sobre a hipotenusa de um tringulo retngulo igual soma das reas
dos quadrados construdos sobre os catetos. Agora, imaginemos figu-ras semelhantes quaisquer, construdas sobre os lados de um tringulo
retngulo.
Sejam ento A, B e C as reas de figuras semelhantes, construdas
sobre a hipotenusa a e sobre os catetos b e c de um tringulo retngulo,
como mostra a figura acima. Sabemos que a razo entre as reas
de figuras semelhantes igual ao quadrado da razo de semelhana.
Ento,A
B=
a
b2
ouA
a2=
B
b2
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AC
=
ac
2ou A
a2= C
c2.
Portanto,A
a2=
B
b2=
C
c2.
Pela propriedade das propores, como a2 = b2 + c2, conclumos que
A = B+C. Isto quer dizer que, se figuras semelhantes so construdas
sobre os lados de um tringulo retngulo, a rea da figura construda
sobre a hipotenusa igual soma das reas das figuras construdas
sobre os catetos. Esta uma generalizao do teorema de Pitgoras.
1.6 Construes Geomtricas e o
Tringulo Retngulo
Construes iniciais
Construir um tringulo retngulo conhecendo dois de seus lados
no difcil.
a) Se os dois catetos so conhecidos, traamos duas semirretas per-
pendiculares e, com o compasso, transportamos sobre elas as
medidas dos catetos.
b) Se conhecemos a hipotenusa e um dos catetos, traamos no-
vamente as duas semirretas perpendiculares, assinalamos sobre
uma delas o cateto AC = b e, com centro em C, traamos uma
circunferncia de raio a, que determina na outra semirreta o
vrtice B.
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14 CAP. 1: O TEOREMA DE PITGORAS
c) Suponha agora que se conhea a hipotenusa (BC = a) e a al-
tura relativa a ela (AH = h). Como o tringulo retngulo
pode ser inscrito em uma semicircunferncia cujo dimetro
a hipotenusa, fazemos o seguinte. Traamos a circunferncia
de dimetro BC = a e, sobre uma perpendicular reta BC
traamos o segmento P Q = h. A paralela a BC traada por Q
determina o vrtice A sobre a semicircunferncia.
A mdia aritmtica e a mdia geomtrica
Dados dois nmeros positivos x e y definimos a mdia aritmtica
e a mdia geomtrica deles da seguinte forma:
mdia aritmtica: A =x + y
2;
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mdia geomtrica: G = xy.
Dados dois segmentos quaisquer, sejam x e y suas medidas. Pode-
mos visualizar estas duas mdias no desenho abaixo. O dimetro da
semicircunferncia x + y, o segmento que representa a mdia arit-
mtica o raio, e o segmento que representa a mdia geomtrica a
altura do tringulo retngulo que possui x e y como as projees dos
catetos sobre a hipotenusa. Ento G A e G = A equivale a x = y.
Vamos mostrar agora a soluo grfica de uma equao do tipo
x2 2ax + b2 = 0.
Inicialmente, explicaremos por que a equao est escrita desta forma.
Nas construes geomtricas, cada letra representa um segmento. Por
sua vez, cada segmento representa um nmero real positivo que a
sua medida em uma certa unidade. Antigamente, h dois mil anos,
no existia o conceito de nmero real. A palavra nmero signifi-
cava, na Grcia antiga, nmero natural. As fraes existiam, mas no
eram consideradas nmeros, eram apenas razes entre nmeros. De
qualquer forma, o que chamamos hoje de nmeros racionais, j exis-
tiam, mas os nmeros irracionais ainda estavam muito longe de serem
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16 CAP. 1: O TEOREMA DE PITGORAS
descobertos. Para contornar esta dificuldade, os gregos imaginaramuma soluo genial: representar todas as grandezas por segmentos
de reta. Eles, naturalmente, no conseguiam medir todos os segmen-
tos, porque no tinham nmeros suficientes, mas isto no importava.
Toda grandeza podia ser representada por um segmento de algum
tamanho. As operaes de adio e subtrao podem ser feitas com
segmentos. Um segmento pode ser multiplicado por um nmero na-
tural ou dividido em qualquer nmero de partes iguais.
As construes geomtricas nada mais so que operaes com seg-
mentos. Alm de somar, subtrair, multiplicar ou dividir por nmeronatural, o que mais se pode fazer com recursos exclusivamente grfi-
cos, usando basicamente a rgua e o compasso? Muita coisa, desde
que se perceba que regras so naturalmente impostas.
Em primeiro lugar, se a e b so segmentos, no existe nada, por
exemplo, que se represente por a2 + b. Isto porque a2 a rea de
um quadrado de lado a que, naturalmente, no pode ser somado com
um segmento. Portanto, contas que hoje fazemos sem preocupao
com nmeros naturais, no tinham significado no passado. Assim, a
equao x2 2ax + b2 = 0, que vamos resolver, tinha antigamente oseguinte significado.
Os segmentos a e b so dados. A soluo da equao o segmento x,
tal que a rea do quadrado de lado x somada com a rea do quadrado
de lado b igual rea do retngulo, cuja base o dobro de a e
cuja altura x. Para encontrar este segmento x vamos, inicialmente,
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18 CAP. 1: O TEOREMA DE PITGORAS
pendiculares hipotenusa de cada tringulo anterior, obtemos a se-quncia de segmentos a
n, com n natural.
Construes com a unidade de medida
Dados os segmentos a e b, voc j sabe como construir, por exem-
plo, os segmentos 2a, b
3 e a
n. Perguntamos agora se, dado um
segmento a, possvel construir segmentos tipo
a ou a2. A res-
posta ao mesmo tempo no e sim. Observe que, nas construes
anteriores, os segmentos construdos eram independentes da unidade
de medida. Por exemplo, dados dois segmentos a e b, no h sequer
necessidade de estabelecer uma unidade de medida de comprimento
para conhecer
a2 + b2. Neste sentido, no se pode representar a por
um segmento. Se estabelecermos que a unidade de medida igual a
a, ento a2 = a, mas se estabelecermos que a unidade de medida
a metade de a, ento a2 o dobro de a. Fica claro ento que, para
representar
a ou a2 por segmentos, devemos estabelecer antes uma
unidade de medida, e saber que os resultados sero diferentes para
cada unidade escolhida.
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SEC. 1.6: CONSTRUES GEOMTRICAS E O TRINGULO RETNGULO 19
a) Dado o segmento a, para construir a fazemos o seguinte. De-senhamos na mesma reta os segmentos AB = 1 e BC = a.
Em seguida, desenhamos a semicircunferncia de dimetro AC
e o segmento BD = x, perpendicular a AC. fcil ver que
x =
1 a = a.
b) Dado o segmento a, para construir a2 fazemos o seguinte. Sobre
uma reta r, desenhamos o segmento AB = 1 e na perpendicular
a r passando por B desenhamos BD = a. A perpendicular a
AD passando por D encontra a reta r em C, e fcil ver que
BC = x = a2.
Observao. No possvel construir um segmento do tipo
a 3
2 nem com a unidade. Na verdade, s podemos construir
quando o ndice da raiz for potncia de 2.
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20 CAP. 1: O TEOREMA DE PITGORAS
1.7 Problemas
1) Determine todos os tringulos retngulos cujos lados so inteiros
e esto em progresso aritmtica.
2) dado um quadrado ABCD de lado a. Determine o raio da
circunferncia que contm os vrtices A e B e tangente ao lado
CD .
3) O tringulo ABC tem lados AB =
12, BC = 4 e CA =
20.
Calcule a rea de ABC.4) Os lados de um tringulo medem 3, 4 e x. Determine para que
valores de x esse tringulo obtusngulo.
5) Se b = 2k + 1, c = 2k2 + 2k, a = 2k2 + 2k + 1, onde k um inteiro
positivo, mostre que (b,c,a) um terno pitagrico.
6) Os trs lados de um tringulo retngulo so nmeros inteiros. Um
dos catetos mede 17. Qual o permetro desse tringulo?
7) Em um tringulo retngulo de permetro p, a altura relativa
hipotenusa h. Calcule o comprimento da hipotenusa em funo
dos elementos dados.
8) Sendo b, c e h os catetos e a altura de um tringulo retngulo,
mostre que1
h2=
1
b2+
1
c2.
9) O antigo livro chins Jiuzhang suanshu contm 246 problemas.
Para a soluo de alguns, necessrio o uso do gou gu, ou seja,
do Teorema de Pitgoras. Veja um desses problemas traduzido
do Captulo 9 do Jiuzhang. No alto de um bambu vertical est
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presa uma corda. A parte da corda em contato com o solo mede3 chih. Quando a corda esticada, sua extremidade toca no solo a
uma distncia de 8 chih do p do bambu. Que comprimento tem
o bambu?
10) Em um tringulo ABC, retngulo em A, trace a altura AH.
Mostre que a soma das reas dos crculos inscritos nos tringu-
los AHB e AHC igual a rea do crculo inscrito em ABC.
11) O problema de Hipcrates.
A figura a seguir mostra um tringulo retngulo e trs semicircun-
ferncias tendo os lados como dimetros. Mostre que a soma das
reas das duas lnulas sombreadas igual rea do tringulo.
12) Em um tringulo ABC, as medianas que partem de A e B so
perpendiculares. Se BC = 8 e AC = 6, calcule AB.
13) Se b e c so os catetos de um tringulo retngulo de hipotenusa a
e altura h, mostre que b + c < a + h.
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22 CAP. 1: O TEOREMA DE PITGORAS
14) O ponto P interior ao retngulo ABCD e tal que P A = 3,P B = 4 e P C = 5. Calcule P D.
15) Determine o raio da circunferncia circunscrita ao tringulo cujos
lados medem 6 cm, 6 cm e 4 cm.
16) Duas cordas perpendiculares AB e CD de uma circunferncia
cortam-se em P. Se P A = a, P B = b, e P C = c, calcule o
raio da circunferncia.
Construes Geomtricas
17) Dados os segmentos a, b e c, construa o segmento
x =
a2 + b2 c2.
18) Resolva graficamente: um retngulo tem 24 cm de permetro e
25 cm2 de rea. Construa este retngulo.
19) Dado um segmento de comprimento a, construa um segmento cujo
comprimento a
14.
20) Dados os segmentos a e b, construa x = 2a2 + 3b2.
21) Dados os segmentos a e b, construa o segmento x = 4
a4 + b4.
Mais difceis
22) Duas circunferncias de raios R e r so tangentes exteriormente e
so tangentes a uma reta t nos pontos A e B.
(a) Determine AB em funo dos dois raios.
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(b) Determine a seguir o raio de uma circunferncia que tan-gente reta t e s duas circunferncias dadas
23) No tringulo ABC, retngulo em A, traam-se a altura AH e os
segmentos HE e HF, perpendiculares a AB e AC, respectiva-
mente. Se BE = p e CF = q, mostre que 3
p2 + 3
q2 =3
a2,
onde a a hipotenusa do tringulo ABC.
24) Um ponto P interior a um quadrado ABCD tal que P A = a,
P B = b e P C = b + c, onde os nmeros a, b e c satisfazem a
relao a2
= b2
+ c2
. Mostre que o ngulo BP C reto.
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Captulo 2
reasOs alunos, em geral, trabalham com reas desde muito cedo. Va-
mos ento, neste captulo, imaginar que as frmulas que calculamreas das figuras simples como o quadrado, retngulo, paralelogramo,
tringulo e trapzio sejam conhecidas.
Inicialmente, daremos toda ateno ao tringulo. Conhecendo
bem o tringulo, no teremos dificuldade nos polgonos pois, afinal,
eles podem ser decompostos em tringulos. Com certeza, voc j sabe
calcular a rea de um tringulo, fazendo a metade do produto da base
pela altura.
1. A frmula tradicional.
S =ah
2
2. Se voc j conhece um pouco de trigonometria, a frmula seguinte
muito boa.
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S =1
2ab sen
3. Quando os trs lados so conhecidos, calcular a altura ou um
dos ngulos d algum trabalho. Nesse momento, a frmula de
Heron tima (no daremos aqui a demonstrao dela).
S =
p(p a)(p b)(p c)
onde p =a + b + c
2
Vamos tratar agora do mais importante: as propriedades.
2.1 Propriedades Importantes
Propriedade 1
A rea de um tringulo no se altera quando sua base permanece
fixa e o terceiro vrtice percorre uma reta paralela base.
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26 CAP. 2: REAS
Na figura acima, a reta r paralela a BC. Os tringulos ABC e
ABC tm mesma rea, pois possuem mesma base e mesma altura.
Propriedade 2
Em um tringulo, uma mediana divide sua rea em partes iguais.
S1 = S2
De fato, os dois tringulos interiores possuem mesma base e mesma
altura. Logo, possuem mesma rea.
Quando duas figuras possuem mesma rea, dizemos que elas so
equivalentes. Portanto, o enunciado desta propriedade pode ser: Uma
mediana divide o tringulo em dois outros equivalentes.
Antes de prosseguir com as propriedades, vamos resolver dois exer-
ccios cujos enunciados no so comuns nos livros didticos atuais.
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Exerccio 1
O tringulo ABC da figura abaixo tem rea igual a 30. O lado
BC est dividido em quatro partes iguais, pelos pontos D, E e F, e
o lado AC est dividido em trs partes iguais pelos pontos G e H.
Qual a rea do tringulo GDE?
Soluo: Observe o tringulo ABC com as cevianas BG e BH.
Pela propriedade 2 os tringulos BAG, BGH e BH C tm mesma
rea. Cada um tem, portanto, rea igual a 10 e o tringulo BGC tem
rea igual a 20.
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Observe agora o tringulo BGC com as cevianas GD, GE e GF.
Pela mesma propriedade, os tringulos GBD, GDE, GEF e GF C
tm mesma rea. Logo, cada um deles tem rea 5. A rea do tringulo
GDE igual a 5.
Repare que a soluo do problema no necessitou de frmulas.
Uma propriedade simples e convenientemente aplicada resolveu a ques-
to. Vamos ver outro problema.
Exerccio 2
dado um tringulo ABC e um ponto P do lado ACmais prximo
de A que de C. Traar uma reta por P que divida o tringulo ABC
em duas partes de mesma rea.
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Soluo: Faamos o seguinte. Trace BP e uma paralela a BP por A
que encontra a reta BC em D.
Os tringulos ABP e DBP tm reas iguais pela propriedade 1.
Assim, o tringulo P DC tem mesma rea que o tringulo ABC. Mas,
tomando o ponto mdio M de DC, a reta P M divide P DC em duas
partes de mesma rea (propriedade 2). Logo, P M divide tambm
ABC em duas partes de mesma rea.
Vamos continuar com mais duas propriedades importantes.
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Propriedade 3
Se dois tringulos tm mesma altura, ento a razo entre suas
reas igual razo entre suas bases. A afirmao acima tem com-
provao imediata a partir da frmula que calcula a rea do tringulo.
S
S
=
a
a
Propriedade 4
A razo entre as reas de tringulos semelhantes igual ao quadrado
da razo de semelhana.
Observe, na figura a seguir, dois tringulos semelhantes com bases
a e a
e alturas h e h
.
Como so semelhantes, a razo entre as bases a mesma razo entre
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as alturas. Esse nmero a razo de semelhana das duas figuras:
k =a
a=
h
h.
Porm, se S e S so as reas dos dois tringulos temos:
S
S=
ah/2
ah/2=
a
a h
h= k k = k2.
Vejamos um exemplo simples.
Os dois tringulos da figura abaixo so semelhantes. Se a rea domenor igual a 8, qual a rea do maior?
Para esta pergunta, alunos tm uma tendncia irresistvel de respon-
der rapidamente que a rea do tringulo maior 24. Porm, isto no
verdade. A razo de semelhana dos dois tringulos k = 1/3 e,
portanto, a razo entre suas reas 1/9. Da, se a rea do menor
igual a 8, a rea do maior 72.
Voc pode ver esta relao na figura a seguir. Realmente, o trin-
gulo pequeno cabe 9 vezes dentro do grande.
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A propriedade 4, que mostramos para tringulos, vale natural-
mente para polgonos, pois estes podem ser divididos em tringulos.
Mas, importante saber que esta propriedade vale para quaisquerfiguras semelhantes.
A razo entre as reas de figuras semelhantes quaisquer igual ao
quadrado da razo de semelhana.
O exerccio a seguir, caiu em um vestibular da FGV-RJ.
Exerccio 3
Em algum momento, na primeira metade do sculo passado, uma
pessoa chamada Afrnio tinha um valioso terreno desocupado, perto
do centro da cidade do Rio de Janeiro. Com a urbanizao da cidade,
ruas novas foram abertas e o terreno de Afrnio ficou reduzido a
um tringulo ABC, retngulo em B, ainda de grande valor, pois o
lado AB media 156 metros. Pois bem, Afrnio morreu e em seu
testamento os advogados encontraram as instrues para dividir o
terreno igualmente entre seus dois filhos. Era assim: um muro
deve ser construdo perpendicularmente ao lado AB, de forma que
os dois terrenos resultantes da diviso tenham mesmo valor; o que
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tem a forma de um trapzio ser do meu filho mais velho e o outroser do mais novo.
Os advogados concluram que os terrenos deviam ter mesma rea,
pois o testamento dizia que deveriam ter mesmo valor. Mas no foram
capazes de decidir em que posio deveria ficar o muro. Conta meu
av que o episdio ganhou as pginas dos jornais por vrios dias, com
leitores opinando de diversas maneiras sobre a posio correta do
muro. Ele falava e se divertia muito com as opinies absurdas mas,
ao mesmo tempo, me instigava a resolver o problema. E o problema
retorna para vocs.
Em que posio, relativamente ao lado AB do terreno, o muro
deve ser construdo?
Soluo:
Na figura acima, M N o muro que deve ser construdo perpendicu-
larmente ao lado AB. Seja AM = x, de forma que o tringulo AMN
e o trapzio MBCN tenham mesma rea S. Os tringulos AMN
e ABC so semelhantes e a razo de semelhana entre eles x/156.
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Como a razo entre suas reas o quadrado da razo de semelhanadevemos ter:
S
2S= x
156
2.
Extraindo a raiz quadrada de ambos os lados ficamos com
12
=x
156
o que d x = 78
2 = 110. Temos a soluo. O muro deve serconstrudo a 110 metros de A. As reas dos dois terrenos sero iguais
e Afrnio ficar feliz em ver sua vontade atendida.
A construo geomtrica do exerccio 3
Acabamos de resolver o problema da diviso do terreno em duas
partes de mesma rea. Mas como poderemos fazer isto utilizando
apenas a rgua e o compasso? Imagine que o engenheiro tem a planta
do terreno e deseja desenhar o muro na posio exata, sem contas,
sem aproximaes. Vamos ver como se faz isto.
Resolva o problema novamente considerando AB= 2a. Voc vai
encontrar AM = a
2. Faa ento o seguinte. Pelo ponto P, mdio
de AB trace uma perpendicular P Q a AB de comprimento a como
na figura seguinte:
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Como AQ = a
2, transfira com o compasso essa medida para a reta
AB, encontrando a posio exata de M.
Exerccio 4
As medianas de um tringulo dividem esse tringulo em 6 outros
tringulos. Mostre que todos tm mesma rea.
Soluo: Representemos por (ABC) a rea de um tringulo ABC.
Seja (ABC) = S. O ponto de interseo das medianas G, o
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Soluo: Vamos inicialmente calcular a altura do trapzio, que odimetro de cada circunferncia. Dividindo o trapzio em um retn-
gulo e dois tringulos retngulos iguais, temos a evidente situao
seguinte:
A altura do trapzio mede 4 cm e o raio de cada circunferncia
mede 2 cm. Vamos agora ligar os dois vrtices da esquerda ao ponto
A e os dois vrtices da direita ao ponto B. Vemos agora o trapzio
original dividido em dois outros trapzios e dois tringulos iguais.
Lembrando que a rea do trapzio o produto da base mdia
pela altura e observando que os dois tringulos de vrtices A e B tm
base igual a 5 e altura igual a 2, vamos escrever a equao que diz
que a soma das reas dessas quatro figuras igual rea do trapzio
original. Fazendo AB = x, temos:
(20 + x) 22
+(14 + x) 2
2+ 2 5 2
2=
(20 + 14) 42
.
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38 CAP. 2: REAS
Isto d x = 12, resolvendo nosso problema.
claro que outra forma de resolver pode ser conseguida com ou-
tros meios. O que desejamos enfatizar que a ferramenta rea
muitas vezes til para resolver problemas diversos. Nesse caso, ela
propiciou uma soluo limpa e elegante.
2.2 Nmero
O nmero a razo entre o comprimento de uma circunferncia
e seu dimetro. Esta razo d sempre o mesmo valor, ou seja, in-
depende da circunferncia, porque duas circunferncias quaisquer so
semelhantes. Todas as circunferncias so semelhantes entre si. Se C
o comprimento da circunferncia de raio R, ento por definio:
C
2R= .
Mas, o que o comprimento de uma circunferncia? Ns sabemos
o que o comprimento de um segmento, mas temos apenas uma ideiaintuitiva do que seja o comprimento de uma circunferncia. Podemos
pensar em passar um barbante bem fino em volta da circunferncia,
estic-lo e medir seu comprimento com uma rgua. Isto d uma boa
ideia do que seja o comprimento da circunferncia, mas este mtodo
experimental permite apenas avaliar (com pouca preciso) essa me-
dida. Vamos tornar mais preciso este conceito.
O comprimento da circunferncia , por definio, o nmero real
cujas aproximaes por falta so os permetros dos polgonos regu-
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lares inscritos e cujas aproximaes por excesso so os permetros dospolgonos regulares circunscritos.
Observe a figura anterior. Voc v uma circunferncia com um
dodecgono regular inscrito e outro circunscrito. Pense agora nesta
situao com polgonos regulares de n lados. Se C o comprimento da
circunferncia, pn o permetro do polgono inscrito e Pn o permetro
do circunscrito temos, por definio,
pn < C < Pn.
Quando n cresce, os valores de pn aumentam, os de Pn diminuem e
ambos se aproximam cada vez mais de C.
Sendo R o raio da circunferncia, as razespn2R
ePn2R
, quando n
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cresce, vo se aproximando, uma por um lado e outra pelo outro, deC
2R, ou seja, de .
Veja, a seguir, estas aproximaes para alguns valores de n.
npn2R
Pn2R
6 3,00000 3,46411
12 3,10582 3,2154024 3,13262 3,15967
48 3,13935 3,14609
96 3,14103 3,14272
192 3,14145 3,14188
384 3,14156 3,14167
Repare no quadro acima, que os valores das duas colunas vo
se aproximando, mas para polgonos de 384 lados s conseguimoscorretas as trs primeiras decimais.
O nmero um nmero irracional, aproximadamente igual a
3,1416. O uso da letra grega para representar a razo entre o
comprimento da circunferncia e seu dimetro deve-se a Euler, que
a adotou em 1737. Mas esta razo sempre fascinou matemticos e
curiosos em toda a histria. Hoje conhecemos mais de cinco bilhes
de casas decimais de e os fanticos em computao vo em breve
aumentar em muito esse nmero.
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A rea do crculo
Continuando com a ideia dos polgonos, a rea do crculo o
nmero real cujas aproximaes por falta so as reas dos polgonos
regulares inscritos.
Imaginemos um polgono regular com n lados (n bem grande)
inscrito na circunferncia de raio R. Dividamos o polgono em trin-
gulos issceles iguais, todos com vrtice no centro da circunferncia.
Cada tringulo tem dois lados iguais a R, um lado igual a a, lado dopolgono, e altura h relativa a essa base.
A rea do polgono An = nah
2=
(na)h
2=
pnh
2, onde pn o
permetro do polgono. Quando n cresce indefinidamente, pn tende
ao comprimento da circunferncia e h tende ao raio. A rea do crculo
ento:
S =2RR
2= R2.
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42 CAP. 2: REAS
reas de setores circulares
Frequentemente precisaremos calcular reas de setores circulares.
Repare que a rea de um setor de um crculo proporcional ao ngulo
central, ou ainda, proporcional ao comprimento de seu arco. Para
justificar isto, basta observar que dobrando o ngulo central a rea
do setor dobra, triplicando o ngulo central a rea do setor triplica,
e assim por diante.
Assim, se o ngulo central tem medida em graus, a rea do
setor S =
360R2.
Por outro lado, como a rea do setor tambm proporcional ao
comprimento L do seu arco, podemos exprimir essa rea assim:
S =L
2RR2 =
LR
2
uma frmula bastante interessante, pois d a idia de um tringulo
de base de comprimento L e altura R.
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SEC. 2.2: NMERO 43
ApndiceO Clculo de pelo Mtodo dos Polgonos
Os matemticos antigos, at o sculo 16 (e, portanto, antes da
inveno do Clculo), tentaram obter valores de usando polgonos
regulares inscritos na circunferncia com nmero de lados cada vez
maior. Vamos mostrar como faziam isto. A ideia era tomar um
polgono pequeno e ir dobrando o nmero de lados.
Na figura a seguir, ln = AB o lado do polgono regular de n
lados inscrito em uma circunferncia de raio 1. Se C o ponto mdio
do arco AB, ento AC = l2n o lado do polgono regular de 2n lados
inscrito na mesma circunferncia.
Sendo CD o dimetro, O o centro da circunferncia e P o ponto
de interseo de AB com CD temos, no tringulo retngulo ACD, a
relao AC2 = CD CP. Observe que AC = l2n e
OP =
1 (ln)
2
4=
1
24 (ln)2.
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44 CAP. 2: REAS
Da,
(l2n)2 = 2
1 1
2
4 (ln)2
= 2
4 (ln)2.
Assim,
l2n =
2
4 (ln)2.
Esta bela frmula permite calcular o lado de um polgono regular
de 2n lados inscrito em uma circunferncia de raio 1 em funo dolado do polgono regular de n lados inscrito na mesma circunfern-
cia. Como o lado do quadrado inscrito na circunferncia de raio 1
l4 =
2, podemos facilmente prosseguir e encontrar:
l8 =
2
2
l16 =
2
2 +
2
l32 =
22 +2 +2
l64 =
2
2 +
2 +
2 +
2
e assim por diante. Repare que 64 = 26 e a expresso que calcula o
lado do polgono de 64 lados possui 5 radicais. L dentro o primeiro
sinal negativo e todos os outros so positivos. Como cada vez que
dobramos o nmero de lados acrescentamos mais um radical, o lado
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SEC. 2.2: NMERO 45
de um polgono regular de 2n+1 lados :
l2n+1 =
2
2 +
2 +
2 + com n radicais.
O permetro do polgono 2n+1 lados igual a 2n+1 l2n+1, que tendea 2 quando n cresce. Assim, aproximaes de podem ser obtidas
por:
= 2n
22 +2 +2 +
2
com n radicais na expresso acima.
O leitor que chegou at aqui deve estar pensando que pode calcu-
lar por este mtodo qualquer nmero de casas decimais de . Infeliz-
mente, isto no verdade. Seria, se o leitor tivesse uma calculadora
que trabalhasse com infinitas casas decimais. Mas esta calculadora
ainda no foi inventada. Observe que, na expresso acima, temos um
produto, onde o primeiro fator muito grande e o segundo muito
pequeno. Se a sua calculadora trabalha com, por exemplo, 12 dgi-
tos, no possvel aumentar muito o valor de n. O segundo fatorvai perdendo preciso e o resultado idem. Os matemticos antigos
calculavam essas razes manualmente, com um nmero absurdo de
casas decimais, para conseguirem obter umas poucas casas decimais
precisas de .
O recorde ainda est com L. van Ceulen que conseguiu 35 casas
decimais exatas. Como morreu logo em seguida, a viva mandou
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46 CAP. 2: REAS
gravar esse valor de em sua lpide:
3,14159265358979323846264338327950288
2.3 Problemas
1) Na figura a seguir, cada quadrcula representa uma unidade de
rea. Qual a rea do polgono que aparece no interior do qua-
driculado?
2) Observe a figura a seguir. Por um ponto da diagonal do retngulo
foram traadas paralelas a seus lados. Mostre que as reas dos
retngulos sombreados so iguais.
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SEC. 2.3: PROBLEMAS 47
3) Do pentgono ABCDE sabe-se o seguinte: A = E = 90o,
B = C = 120o, AB = CD = 4 e BC = 8. Calcule a rea
desse pentgono.
4) O tringulo ABC tem lados medindo 5 cm, 7 cm e 8 cm. Calculesua rea e o raio da circunferncia inscrita.
5) No paralelogramo ABCD de rea 1, os pontos P, Q e R, nesta
ordem, dividem a diagonal AC em quatro partes iguais. Qual a
rea do tringulo DP Q?
6) No tringulo ABC de rea 1, as medianas BM e CN cortam-se
em G. Qual a rea do tringulo GMN?
7) Na figura a seguir, AD = 23
AB e AE = 23
AC. O segmento DE
divide o tringulo em duas partes: um tringulo de rea S1 e umtrapzio de rea S2. Qual destas duas reas maior?
8) Na figura a seguir, as retas r e s so paralelas e o segmento AB
perpendicular a ambas. Os segmentos AD e BC cortam-se em P.
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(a) Mostre que as reas dos tringulos P AB e P CD so iguais.
(b) Dados AB = 10, BD = 7 e AC = 18, calcule a rea do
tringulo P DC.
9) No mximo, quantos tringulos equilteros de lado 1 cabem (sem
superposio) dentro de um hexgono regular de lado 12?
10) No interior do quadrado ABCD de lado 1 da figura abaixo foram
traadas as semicircunferncias de dimetros AB e BC. Qual o
valor da rea sombreada?
11) Abaixo voc v dois retngulos iguais. Colocando um sobre o
outro, como mostra a figura, determine se o retngulo de cima co-
briu mais da metade do retngulo de baixo, exatamente a metade
ou menos da metade.
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12) Usando apenas seus instrumentos de desenho, trace por P uma
reta que divida o quadriltero da figura abaixo em duas partes de
mesma rea.
13) ABCDEF um hexgono regular. Os pontos M, N e P so
mdios dos lados AB, CD e EF. Qual a razo entre a rea do
tringulo M NP e a rea do hexgono?
14) Um hexgono regular e um tringulo equiltero esto inscritos na
mesma circunferncia. Qual a razo entre as reas dessas duas
figuras?
15) A figura abaixo mostra um tringulo de altura 1 dividido por duas
retas paralelas sua base em trs partes de mesma rea. Qual a
altura do trapzio central?
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16) Em qualquer tringulo ABC, mostre que sua rea
S =1
2AB AC senA.
17) Com os dados da figura abaixo, calcule a razo entre as reas A e
B.
18) A letra N da figura abaixo foi construda a partir de um retngulo
de base 10 e altura 12. Calcule sua rea.
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SEC. 2.3: PROBLEMAS 51
19) Seja ABCD um quadrado de lado 1 e sejam M e N os pontos
mdios dos lados BC e CD , respectivamente. Traando os seg-
mentos AM, AN e NB, calcule as reas das cinco partes em que
o quadrado ficou dividido.
20) O tringulo ABC da figura a seguir tem rea igual a 1. Cada um
de seus lados foi dividido em trs partes iguais. Calcule a rea do
tringulo sombreado.
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21) No manuscrito de Aryabhatiya do sculo VI encontrou-se a seguinteafirmao: Some 4 a 100, multiplique por 8 e some 62 000. O re-
sultado aproximadamente a circunferncia do crculo de dimetro
20000. Qual o valor de que est implcito nesta afirmao?
22) Na figura a seguir, os ngulos BAD e DAC so iguais a 60o,
AB = 6 e AC = 4. Quanto mede AD?
23) Em um crculo de raio 1 um arco tem comprimento x
(0 < x ). Determine a rea do segmento circular correspon-dente a esse arco.
24) Os pontos A, B e C, nesta ordem, sobre uma circunferncia de
raio 1 so tais que o arco AB mede 80o e o arco BC mede 50o.
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SEC. 2.3: PROBLEMAS 53
Calcule a rea da regio do crculo limitada pelas cordas AC e BCe pelo arco AB.
25) Em uma circunferncia de raio 1, as cordas AB e CD so paralelas
e o centro da circunferncia no est entre elas. A corda AB igual
ao lado do hexgono regular inscrito na circunferncia e CD igual
ao lado do tringulo equiltero inscrito na mesma circunferncia.
Calcule a rea da regio do crculo compreendida entre as duas
cordas.
26) A figura a seguir mostra trs circunferncias de raios iguais a 1,tangentes entre si duas a duas, e uma circunferncia maior tangente
s trs primeiras. Calcule a rea da regio A.
27) A figura abaixo mostra duas semicircunferncias de dimetros
AB = 4 e AC = 6. Calcule o raio da circunferncia que
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tangente s duas semicircunferncias e ao segmento BC.
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Captulo 3
Solues dos Problemas
3.1 Captulo 1
1) Sejam: x r, x e x + r os lados de um tringulo retn-gulo. Considerando r > 0, x + r a hipotenusa e, portanto,
(x + r)2 = x2 + (xr)2. Desenvolvendo e simplificando, obtemosx = 4r. Portanto, os lados medem 3r, 4r e 5r.
2)
Trace pelo centro O da circunferncia o segmento M N perpen-
dicular a AB, como na figura acima. Como M mdio de AB
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temos, no tringulo retngulo OM B, OB = R, M B = a/2 eOM = a R. Aplicando o teorema de Pitgoras no tringuloOM B, encontramos R =
5a
8.
3) Considere a figura:
O Teorema de Pitgoras em cada um dos tringulos retngulos
fornece:
x2 + h2 = 12 e (4 x)2 + h2 = 20.
Logo 16 8x + x2 + 12 x2 = 20 , o que d x = 1. Portanto,altura do tringulo igual a
11 e a rea S =
4
11
2= 2
11.
4) Para a existncia do tringulo devemos ter 1 < x < 7. Se o trin-
gulo obtusngulo e x o maior lado, devemos ter
x2 > 32 + 42, ou seja, x > 5. Se o lado que mede 4 o maior, de-
vemos ter 42 > x2 + 32, ou seja, x < 7. Portanto, esse tringulo obtusngulo para 1 < x b2 + c2, ou seja, x > a.
Observando-se os tringulos QCB e P BA, que tm dois lados em
comum, conclui-se que > . No tringulo BP C, como > 90o,
conclui-se que + < 90o. Mas como + = 90o, pois ABCD
um quadrado, ento < , uma contradio. Da mesma forma,
supor > 90o conduz a uma outra contradio equivalente. Logo,
< 90o.
3.2 Captulo 2
1) A figura permite a diviso por segmentos horizontais em partes
fceis de calcular.
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66 CAP. 3: SOLUES DOS PROBLEMAS
As partes 1, 3 e 4 so trapzios e a parte 2 um paralelogramo.Temos ento:
A1 =5 + 2
2 2 = 7 A2 = 5 2 = 10
A3 =6 + 5
2 4 = 22 A4 =
6 + 5
2 3 = 16,5
A rea da figura 55,5.
2) A diagonal de um retngulo divide esse retngulo em dois trin-
gulos congruentes, portanto de mesma rea.
Observando a figura acima e sendo S1 e S2 as reas dos dois retn-
gulos sombreados, devemos ter S1+A+B = S2+A+B e, portanto,
S1 = S2.
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3) A figura assim:
Se AB = CD e se os ngulos B e C so iguais, ento AD
paralela a BC. Portanto, ABCD um trapzio e ADE um
tringulo retngulo com ngulos de 30o e 60o. As medidas so
fceis de calcular e a rea do pentgono :
S =
12 + 8
2 2
3 +
6
6
3
2 = 20
3 + 18
3 = 38
3 = 65,74.
4) O semipermetro p =5 + 7 + 8
2= 10. A frmula de Heron
fornece:
S =
10(10 5)(10 7)(10 8) =
10 5 3 2 = 10
3 cm2.
Observe agora a figura abaixo, onde I o centro da circunferncia
inscrita e r o seu raio.
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68 CAP. 3: SOLUES DOS PROBLEMAS
A rea do tringulo ABC a soma das reas dos tringulos BI C,CI A e AIB . Logo,
10
3 =ar
2+
br
2+
cr
2=
a + b + c
2r = 10r
e ento, r =
3cm.
5) Os tringulos ABC e ADCso congruentes. Logo, ambos possuem
rea igual a 1/2. Os segmentos DP, DQ e DR dividem o tringulo
ADC em quatro tringulos de mesma rea. O tringulo DP Q tem
rea 1/8.
6) O ponto G, interseo das medianas, o baricentro e, como se sabe,
GM/BM = 1/3. Como M B mediana no tringulo ABC, ento
a rea do tringulo ABC (ABM) = 1/2. Como M N mediana
no tringulo ABM, ento (BM N) = 1/4. Como GM/BM = 1/3,
ento (GMN)/(BM N) = 1/3. Assim,
(GMN) = (1/3)(1/4) = 1/12.
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SEC. 3.2: CAPTULO 2 69
7)
A razo de semelhana entre os tringulos ADE e ABC
AD/AB = 2/3. Ento, a razo entre suas reas (2/3)2. Se
S a rea do tringulo ABC, ento S1/S = 4/9. Logo, S1
menor que a metade de S e, portanto, S2 maior que a metadede S. Da, S2 > S1.
8)
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70 CAP. 3: SOLUES DOS PROBLEMAS
(a) Os tringulos BAC e DAC tm mesma rea, pois possuemmesma base e mesma altura. Como ambos tm em comum
a parte P AB, ento os tringulos P AB e P CD tm mesma
rea.
(b) A rea do tringulo ABD igual a10 7
2= 35. Obser-
vando a semelhana dos tringulos P BD e P AC, temos que
PD/AP = 7/18. Logo,
AD = AP + P D = AP + (7/18)AP = (25/18)AP e
PD/AD = 7/25. Ento,
(P BD)
(ABD)=
P D
AD=
7
25e (P DB) =
49
5= 9,8.
9)
O hexgono regular pode ser dividido em 6 tringulos equilteros,
como mostra a figura acima. A razo de semelhana entre um
desses tringulos e o tringulo equiltero de lado unitrio 12.
Logo, a razo entre suas reas 122 = 144. Cabem, portanto, 144
tringulos de lado unitrio dentro de cada tringulo de lado 12.
Assim, dentro do hexgono, cabero 144 6 = 864 tringulos delado unitrio.
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10) As circunferncias de dimetros AB e BC cortam-se no centro doquadrado, ponto de interseo das diagonais. Observe a figura a
seguir e conclua que a rea sombreada igual rea do tringulo
OBC, ou seja, 1/4 da rea do quadrado.
11)
A parte coberta o quadriltero DPQC. Mas o tringulo DP C
tem rea igual metade da rea do retngulo. Logo, a parte
coberta tem rea maior que metade da rea do retngulo.
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SEC. 3.2: CAPTULO 2 73
13) Observe a figura a seguir.
O hexgono est dividido em 24 tringulos equilteros iguais e o
tringulo MNP contm 9 deles. A razo entre a rea do tringulo
e do hexgono 9/24, ou seja, 3/8.
14) Observe a figura a seguir. O tringulo ABC tem rea igual
metade da rea do hexgono.
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74 CAP. 3: SOLUES DOS PROBLEMAS
15)
Seja h a altura do tringulo menor. A figura mostra trs tringulos
semelhantes: um de rea A e altura h, outro de rea 2A e alturah+x e o terceiro de rea 3A e altura 1. Como a razo entre as reas
de tringulos semelhantes o quadrado da razo de semelhana
temos, entre o primeiro e o terceiro,
A
3A=
h
1
2ou seja h =
1
3.
Agora, entre o segundo e o terceiro, temos:
A
3A =h + x
12
ou seja h + x =1
3 .
Portanto, x =
2
3
1
3.
16) Se A agudo (1a figura) ento a altura relativa a AB
h = AC senA. Ento, a rea do tringulo ABC S =
1
2AB h = 1
2AB AC senA. Se A obtuso (2a figura),
ento a altura relativa a AB h = AC sen( A) = AC senAe a frmula verdadeira. Se A reto, senA = 1 e a frmula vale.
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SEC. 3.2: CAPTULO 2 75
17) Na figura dada nesse exerccio, seja o ngulo do vrtice superior
do tringulo. Sendo T = A + B a rea do tringulo maior temos:
A
T=
1
2 10 9 sen
1
2 12
15
sen=
1
2.
Se a rea A a metade da rea do tringulo, ento a rea B
tambm . Logo, a razo entre as reas A e B igual a 1.
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76 CAP. 3: SOLUES DOS PROBLEMAS
18)
A ideia mais simples parece que calcular a rea do retngulo e
subtrair a rea dos dois tringulos retngulos vazios. O retngulo
tem rea 10 12 = 120 e cada tringulo retngulo tem um catetoigual a 6 e outro igual a x. Uma simples semelhana nos d
x
12=
6
8
ou seja, x = 9. Ento, a rea dos dois tringulos juntos
6 9 = 54 e a rea sombreada igual a 120 54 = 66.
19)
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SEC. 3.2: CAPTULO 2 77
Veja a figura anterior. O ponto Q a interseo de AM com BNe traamos por N a perpendicular NE a AB, que cortou AM em
P. Fazendo BM = M C = 2a temos P E = a e NP = 3a. Como
os tringulos QPN e QMB so semelhantes, se fizermos QM = 2b,
teremos P Q = 3b e AP = 5b. Vamos representar por (XY Z...) a
rea do polgono XY Z... Como o quadrado ABCD tem lado 1,
a rea do tringulo ABM igual a 1/4. Vamos agora calcular a
razo entre as reas dos tringulos ABQ e ABM.
(ABQ)
(ABM)=
8b
10b=
4
5.
Logo, (ABQ) =4
5 1
4=
1
5e assim calculamos a rea de uma das
partes. A rea de BQM a diferena: (BQM) =1
4 1
5=
1
20. Os
tringulos ABM e BC N so congruentes e, portanto, tm mesma
rea. Logo a rea do quadriltero MCNQ a mesma rea do
tringulo ABQ. Logo, (MCNQ) =1
5.
Como a rea do tringulo ADN 1
4, ento a rea do tringulo
AQN (AQN) = 1
1
5+
1
5+
1
20+
1
4
=
3
10.
O problema est resolvido. Considerando a rea do quadrado igual
a 100, as reas das partes podem ser vistas na figura a seguir.
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78 CAP. 3: SOLUES DOS PROBLEMAS
20) Observe a figura do problema
Como a rea do tringulo ABC igual a 1, a rea de ABD
1/3. Vamos, inicialmente, calcular a razo AM/AD, o que vai nos
permitir encontrar a rea do tringulo ABM.
Traamos GE, paralela a BC, que corta AD em H. Fazendo
BD = 3a, como AG/AB = 2/3, temos GH = 2a. Como DC
o dobro de BD, ento HE o dobro de GH, ou seja, HE = 4a.
Mas, os tringulos M HE e MDB so semelhantes e, portanto,
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SEC. 3.2: CAPTULO 2 79
a razo HE/BD igual a razo HM/MD. Faamos entoHM = 4b e MD = 3b. Ainda, como AG o dobro de GB,
ento AH o dobro de HD e, consequentemente, AH = 14b.
Temos ento a razo que procurvamos:
AM
AD=
18b
21b=
6
7.
A razo entre as reas dos tringulos ABM e ABD igual a razo
entre AM e AD. Logo,
(ABM)ABD
= AMAD
= 67
e como (ABD) =1
3, temos (ABM) =
6
7 1
3=
2
7.
Este foi o passo importante do problema e, de forma inteiramente
anloga, conclumos que os tringulos BC N e CP A tm tambm
rea igual a2
7. A rea do tringulo central igual rea de ABC
subtrada das reas dos tringulos ABM, BC N e CAP. Portanto,
(MN P) = 1 3 2
7 =
1
7 .
Um belo e inesperado resultado.
21) 104 8 + 62 000 = 62 832 = 210000. Isto d = 3,1416.
22) A rea de ABC a soma das reas de ABD e ADC. Seja x = AD.
Assim:
1
2 6 4 sen(120o) = 1
2 x sen(60o) + 1
2 4 x sen(60o).
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Como sen(120o) = sen(60o) ficamos com 2 4 = 1 0x, ou seja,x = 2,4.
23) A rea do segmento circular correspondente ao arco de compri-
mento x igual rea do setor circular, cujo ngulo central x
(em radianos) menos a rea do tringulo que tem dois lados iguais
ao raio com ngulo x entre eles. Ento, a rea do segmento circular
:
S =x 1
2 1
2 1 1 senx = x senx
2.
24) Observe a figura a seguir, onde traamos o dimetro CD.
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Como o arco AB mede 80o e o arco BC mede 50o, conclumosque o arco DA mede 50o. Os arcos BC e DA so iguais e esta
feliz coincidncia nos permite concluir que a reta AB paralela
ao dimetro CD. Assim, podemos mover C at O, centro da
circunferncia, e a rea da regio que devemos calcular no se
altera. A rea que procuramos ento igual rea de um setor
cujo ngulo central mede 80o. Isto fcil,
s =80
36012 =
2
9.
25) A rea que devemos calcular est na figura a seguir.
A rea do crculo . Sejam H a rea do hexgono regular
e T a rea do tringulo equiltero inscritos nessa circunfern-
cia. Vamos utilizar aqui o resultado do Problema 14: a rea
do hexgono regular o dobro da rea do tringulo equiltero,
ambos inscritos na mesma circunferncia. Isto quer dizer que
H = 2T.
A rea que vamos calcular a diferena entre as reas dos segmen-
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tos circulares cujas cordas so CD e AB. Temos ento:
S = T
3 H
6=
2 2T + H6
=
6.
26) Sejam A, B e C os centros das trs circunferncias pequenas e seja
O, o centro da circunferncia grande. O ponto O o centro do
tringulo equiltero ABC (de lado igual a 2) e, como sabemos,
sua distncia a cada um dos vrtices igual a 2/3 de sua altura.
Temos ento:
OA =2
3 2
3
2 =2
3
3 .
Assim, o raio da circunferncia grande
R =2
3
3+ 1 =
2
3 + 3
3.
A rea S da regio central igual rea do tringulo ABC sub-
trada de trs setores de 60o. Mas, esses trs setores formam um
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semicrculo. Ento,
S =22
3
4 1
2
2=
3 2
.
O triplo da rea A assinalada na figura igual rea do crculo
grande subtrada dos trs crculos pequenos e da regio central.
Portanto,
A =
R2 3
3
2
3
.
Substituindo o valor de R, isto d, aps alguns clculos,
A =1
18
8
3 1
6
3
.
27)
Sejam M e N os centros das semicircunferncias, seja P o centro
da circunferncia e seja P R = P S = P T = x o seu raio. fcil
ver que M A = M R = 2, M N = 1 e NT = 3x. O semipermetrodo tringulo M NP
p =2 + x + 3 x + 1
2= 3.
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Podemos ento calcular a rea do tringulo MN P de duas formas:pela frmula de Heron e pela metade do produto da base M N pela
altura P S. Assim,
3(3 2 x)(3 3 + x)(3 1) = 1 x
2.
Da, 3(1 x)x 2 = x2
4e, consequentemente, x =
24
25= 0,96.
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Para saber maisWAGNER, E. Construes Geomtricas SBM.
Aborda as construes elementares, mtodo dos lugares geomtricos,
mtodo algbrico, reas, construes aproximadas, transformaes
geomtricas e traz um apndice onde se mostra quais so as cons-
trues possveis com rgua e compasso.
LIMA, Elon Meu professor de Matemtica SBM.
Coleo de artigos interessantssimos sobre assuntos diversos da mate-
mtica elementar incluindo o Teorema de Pitgoras e aplicaes.
WAGNER, E. Usando reas RPM 21.
Mostra diversas demonstraes de propriedades geomtricas usando
reas, incluindo o teorema da bissetriz e frmulas trigonomtricas.
Na internet
http://en.wikipedia.org/wiki/Pythagorean_theorem
Contm diversas demonstraes do Teorema de Pitgoras incluindo
a mais antiga, que aparece no livro de Euclides (Os Elementos, sc 3
a.C.)
http://www.frontiernet.net/ imaging/pythagorean.html
Contm a demonstrao de Perigal (1873) que a forma mais econmi-
ca de dividir o quadrado construdo sobre a hipotenusa em partes que
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preenchem os dois quadrados menores. Pode ser manipulado.
http://www.ies.co.jp/math/java/geo/pythathr/pythathr.html
Possui diversas aplicaes interessantes e interativas, permitindo a
manipulao do usurio em problemas como: a menor distncia entre
pontos da superfcie de um paraleleppedo, o problema de Hipcrates,
o teorema da mediana de um tringulo qualquer, fractais com Pit-
goras e muito mais.
http://www.jimloy.com/geometry/construc.htm
Mostra as construes elementares com rgua e compasso. timo pa-
ra o iniciante.
http://www.nvcc.edu/home/tstreilein/constructions/Circle/circle4.htm
Mostra diversas construes elementares (e outras nem tanto) com a
possibilidade de usar um programa de geometria dinmica. Muito
educativo e interessante.