Upcoming SlideShare
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×
Saving this for later? Get the SlideShare app to save on your phone or tablet. Read anywhere, anytime – even offline.
Standard text messaging rates apply

# Curs masterat 2010

945
views

Published on

Published in: Education

1 Like
Statistics
Notes
• Full Name
Comment goes here.

Are you sure you want to Yes No
• Be the first to comment

Views
Total Views
945
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
24
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

### Transcript

• 1. Capitole speciale de geometrie pentru profesori Camelia Frigioiu Galati, 2010 ¸
• 2. 2
• 3. Cuprins1 Geometrie sintetic˘ plan˘ a a 1 1.1 Concurenta liniilor importante ˆntr-un triunghi . . . . . . . . . . . . ¸ ı 1 1.1.1 Concurenta medianelor, mediatoarelor, bisectoarelor si ˆn˘ ltimilor ¸ ¸ ı a¸ ˆntr-un triunghi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ı 1 1.1.2 Cercul ˆnscris ˆn triunghi, cercul circumscris si exˆ nscris unui ı ı ¸ a triunghi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Teoremele MENELAUS si CEVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 ¸ 1.2.1 Teorema lui Menelaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.2 Teorema lui Ceva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.3 Teorema lui VAN AUBEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3 Patrulatere inscriptibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3.1 Teorema lui Ptolemeu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4 Patrulatere circumscriptibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.1 Cercul lui Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.5 Probleme de coliniaritate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.5.1 Metode de demonstrare a coliniarit˘¸ii unor puncte . . . . . 23 at 1.5.2 Teorema lui Euler, dreapta lui Simpson . . . . . . . . . . . 23 1.5.3 Relatia lui Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 ¸ ¸˘ 1.6 Probleme de concurenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.6.1 Metode de demonstrare a concurentei unor drepte . . . . . . 27 ¸ 1.6.2 Teoremele lui Gergonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.6.3 Teorema lui Steiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.7 Relatii metrice ˆn triunghi si patrulater . . . . . . . . . . . . . . . . 30 ¸ ı ¸ 1.7.1 Teorema Pitagora generalizat˘ . . . . . . . . . . . . . . . . 30 a 1.7.2 Relatia lui Stewart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 ¸ 1.7.3 Teorema medianei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.7.4 Relatia lui Euler pentru patrulatere . . . . . . . . . . . . . . 33 ¸2 Transform˘ ri geometrice a 35 2.1 Simetrii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 i
• 4. ii CUPRINS 2.2 Translatia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¸ 44 2.3 Rotatia ˆn plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¸ ı 47 2.4 Propriet˘¸i generale ale izometriilor . . . . . . . . . . . . . . . . . at 51 2.5 Asem˘ narea ˆn plan. Propriet˘¸i generale . . . . . . . . . . . . . . . a ı at 53 2.6 Omotetia ˆn plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ı 55 2.6.1 Folosirea omotetiei la rezolvarea unor probleme de loc geo- metric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.7 Inversiunea ˆn plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ı 593 Geometrie ˆn spatiu ı ¸ 65 3.1 Introducere ˆn geometria tetraedrului ı . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2 Tetraedre Crelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3 Tetraedre echifaciale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.4 Tetraedre ortocentrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5 Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844 APLICATII ALE NUMERELOR COMPLEXE IN GEOMETRIE ¸ ˆ 85 4.1 Elemente de trigonometrie aplicate ˆn geometrie . . . . . . . . . . . ı 85 4.1.1 Aplicatii practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¸ 87 4.2 Numere complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.3 Aplicatii ale numerelor complexe ˆn geometrie . . . . . . . . . . . . ¸ ı 90 4.4 Teoreme clasice de geometrie demonstrate cu ajutorul numerelor complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.5 Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
• 5. Capitolul 1Geometrie sintetic˘ plan˘ a aReamintim deﬁnitiile unor elemente importante ˆn triunghi. ¸ ıDEFINITIA 1.1 Numim bisectoare interioar˘ a unui unghi al unui triunghi, dreapta ¸ acare ˆmparte unghiul ˆn dou˘ unghiuri egale. ı ı aDEFINITIA 1.2 Numim ˆn˘ ltime a unui triunghi, dreapta care coboar˘ perpendi- ¸ ı a¸ acular dintr-un vˆ rf al triunghiului pe latura opus˘ a triunghiului. a aDEFINITIA 1.3 Numim mediatoare a unui triunghi, perpendiculara construit˘ pe ¸ amijlocul unei laturi a triunghiului.DEFINITIA 1.4 Numim median˘ a unui triunghi, dreapta care uneste un vˆ rf al ¸ a ¸ atriunghiului cu mijlocul laturii opuse.1.1 Concurenta liniilor importante ˆntr-un triunghi ¸ ıLinii importante ale unui triunghi sunt: 1. medianele 2. bisectorele interioare ale unghiurilor triunghiului 3. mediatoarele laturilor triunghiului 4. ˆnaltimile. ı ¸1.1.1 Concurenta medianelor, mediatoarelor, bisectoarelor si ˆn˘ ltimilor ˆntr-un triunghi ¸ ¸ ı a¸ ıˆIntr-un triunghi se poate demonstra pentru ﬁecare categorie de linii importante c˘ asunt concurente si anume: ¸ 1. cele trei mediatoare ale laturilor unui triunghi sunt concurente ˆntr-un punct care ı este centrul cercului circumscris triunghiului; 1
• 6. 2 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA 2. cele trei bisectoare interioare ale unui triunghi sunt concurente ˆntr-un punct ı care este centrul cercului ˆnscris ˆn triunghi; ı ı 3. cele trei ˆn˘ ltimi ale unui triunghi sunt concurente ˆntr-un punct care se numeste ı a¸ ı ¸ ortocentrul triunghiului; 4. cele mediane ale unui triunghi sunt concurente ˆntr-un punct care se numeste ı ¸ centrul de greutate al triunghiului.ˆ continuare vom demonstra concurenta acestor linii importante ale triunghiului.In ¸ Vom demonstra concurenta mediatoarelor unui triunghi, folosind principala pro- ¸prietate a punctelor de pe mediatoarea unui segment: Toate punctele mediatoarei unui segment se aﬂ˘ la aceeasi distanta fata de ca- a ¸ ¸˘ ¸˘petele acestuia si reciproc toate punctele din plan care se aﬂ˘ la distante egale de ¸ a ¸capetele unui segment se aﬂ˘ pe mediatoarea acestuia. a ˆTEOREMA 1.1 Intr-un triunghi mediatoarele laturilor sunt concurente. A N O B C M Figura 1.1: Concurenta mediatoarelor ¸ Demonstratie. ¸ Not˘ m cu M si N mijloacele laturilor [BC] si [AB] ale triunghiului ABC. Punc- a ¸ ¸tul de intersectie al perpendicularelor ˆn M si N pe laturile respective(mediatoarele ¸ ı ¸acestor laturi) va ﬁ notat cu O. Cele dou˘ mediatoare sunt concurente, altfel punctele aA, B, C ar ﬁ coliniare, ceea ce este imposibil. ¸˘ ¸˘ Folosind proprietatea punctelor de pe mediatoare de a ﬁ la egal˘ distanta fata de acapetele segmentului, putem scrie OA = OB, ON ﬁind mediatoarea lui [AB] si ¸ OB = OC, OM ﬁind mediatoarea lui [BC]. Rezult˘ din tranzitivitatea relatiei de egalitate c˘ OA = OC, deci punctul O se a ¸ aaﬂ˘ si pe mediatoarea laturii [AC]. a¸ q.e.d.
• 7. ¸ ˆ1.1. CONCURENTA LINIILOR IMPORTANTE INTR-UN TRIUNGHI 3 Vom demonstra concurenta bisectoarelor interioare ale unui triunghi, folosind ¸proprietatea punctelor de pe bisectoare de a ﬁ la egal˘ distanta fata de laturile aces- a ¸˘ ¸˘tuia. ˆTEOREMA 1.2 Intr-un triunghi bisectoarele interioare sunt concurente. A P M B1 C1 I B N A C 1 Figura 1.2: Concurenta bisectoarelor ¸ Demonstratie. Not˘ m [AA1 si [BB1 bisectoarele unghiurilor BAC si ABC ale ¸ a ¸ ¸triunghilui ABC si I punctul lor de intersectie. Aceste bisectoare sunt concurente, ¸ ¸altfel ar ﬁ paralele ceea ce ar ˆnsemna c˘ unghiurile BAA1 si ABB1 ar ﬁ unghiuri ı a ¸interne si de aceeasi parte a secantei AB, iar suma m˘ surilor lor ar ﬁ de 180◦ , ceea ¸ ¸ ace este imposibil c˘ ci suma m˘ surilor unghiurilor triunghiului ABC este 180◦ . a a Folosind proprietatea c˘ numai punctele de pe bisectoare sunt egal dep˘ rtate de a alaturile triunghiului putem scrie: IM = IN si IM = IP, (M ∈ (AB), N ∈ (BC), P ∈ (AC), IM ⊥ ¸AB, IN ⊥ BC, IP ⊥ AC). Folosind proprietatea de tranzitivitatea a egalit˘¸ii numerelor reale, rezult˘ at a IN = IPdeci punctul I se aﬂ˘ si pe bisectoarea unghiului ACB. a¸ q.e.d. De asemenea se poate demonstra: ˆTEOREMA 1.3 Intr-un triunghi ˆn˘ ltimile sunt concurente. ı a¸ Demonstratie. Consider˘ m un triunghi ABC, cu ˆn˘ ltimile [AA , [BB , [CC ¸ a ı a¸(AA ⊥ BC, BB ⊥ AC, CC ⊥ AB). Paralelele prin vˆ rfurile triunghiului la laturile opuse se intersecteaz˘ ˆn punc- a aıtele A1 , B1 , C1 . Din congruenta laturilor opuse ale paralelogramelor obtinute rezult˘ ¸ ¸ a
• 8. 4 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA C1 A B1 B’ C’ B C A’ A 1 Figura 1.3: Concurenta ˆn˘ ltimilor ¸ ı a¸c˘ punctele A, B, C sunt mijloacele laturilor [B1 C1 ], [C1 A1 ], [A1 B1 ] ale triunghiului aA1 B1 C1 (AB1 = AC1 , BC1 = BA1 , CA1 = CB1 ). Din AA ⊥ BC si C1 B1 BC rezult˘ AA ⊥ C1 B1 . Analog pentru celelalte ¸ alaturi se g˘ seste c˘ BB ⊥ C1 A1 si CC ⊥ A1 B1 . a ¸ a ¸ Constat˘ m c˘ ˆn˘ ltimile triunghiului ABC sunt mediatoarele triunghiului A1 B1 C1 . a aı a ¸Dar, concurenta mediatoarelor a fost demonstrat˘ , asa c˘ si concurenta ˆn˘ ltimilor ¸ a ¸ a¸ ¸ ı a¸este demonstrat˘ .a q.e.d. Pentru a demonstra concurenta celor trei mediane ale unui triunghi vom reaminti ¸c˘ : a -linia mijlocie ˆntr-un triunghi este segmentul de dreapt˘ care uneste mijloacele a ı a ¸dou˘ laturi ale triunghiului, a -linia mijlocie este paralel˘ cu cea de-a treia latur˘ a triunghiului si este egal˘ cu a a ¸ ajum˘ tate din lungimea ei. a ˆTEOREMA 1.4 Intr-un triunghi medianele sunt concurente. Demonstratie. Not˘ m cu A , B , C mijloacele laturilor [BC], [AC], [AB] ale ¸ atriunghiului ABC. Punctul de intersectie al medianelor [AA ] si [CC ] este G. ¸ ¸Vom demonstra c˘ punctul G apartine si medianei [BB ]. Mijloacele segmentelor a ¸ ¸[AG], [CG] vor ﬁ notate cu A” respectiv C” AA” = A”G, CC” = C”G. [A”C”] este linie mijlocie ˆn triunghiul GAC, ceea ce implic˘ ı a 1 A”C” AC, A”C” = AC. (1.1) 2
• 9. ¸ ˆ1.1. CONCURENTA LINIILOR IMPORTANTE INTR-UN TRIUNGHI 5 A A" C’ B’ G C" B C A’ Figura 1.4: Concurenta medianelor ¸De asemenea, [A C ] este linie mijlocie ˆn triunghiul BAC si se obtine: ı ¸ ¸ 1 AC AC, A C = AC. (1.2) 2Din (1.1) si (1.2), folosind tranzitivitatea relatiei de paralelism si a celei de egalitate, ¸ ¸ ¸rezult˘ a A C A”C”, A C = A”C”.Deci patrulaterul A C A”C” este paralelogram, cu G punctul de intersectie al diago- ¸nalelor, ceea ce implic˘ a A G = GA”, C G = GC”.Cum AA” = A”G si CC” = C”G, rezult˘ : ¸ a 1 AA” = A”G = GA = AA 3si¸ 1 CC” = C”G = GC = CC . 3Am obtinut astfel: ¸ Punctul G de intersectie al medianelor [AA ] si [CC ] se aﬂ˘ pe ﬁecare dintre cele ¸ ¸ adou˘ mediane, la dou˘ treimi de vˆ rf si o treime de mijlocul laturii opuse. a a a ¸ Un rezultat asem˘ n˘ tor se poate demonstra si pentru medianele [AA ] si [BB ]. a a ¸ ¸ Cum pe [AA ] este un singur punct care se aﬂ˘ la dou˘ treimi de vˆ rf si o treime a a a ¸de mijlocul laturii opuse, rezult˘ c˘ acesta este G, deci mediana [BB ] trece si ea a a ¸prin punctul G. q.e.d.
• 10. 6 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA1.1.2 Cercul ˆnscris ˆn triunghi, cercul circumscris si exˆ nscris unui triunghi ı ı ¸ aCercul ˆnscris ˆn triunghi ı ı A P M r r I r B N C Figura 1.5: Cerc ˆnscris ˆn triunghi ı ıDEFINITIA 1.5 1. Triunghiul care are toate laturile tangente la un cerc se numeste ¸ ¸ triunghi circumscris acelui cerc. 2. Cercul care este tangent la toate laturile unui triunghi se numeste cerc ˆnscris ¸ ı ˆn triunghi. ı Centrul cercului ˆnscris ˆntr-un triunghi, notat cu I, este punctul de intersectie al ı ı ¸bisectoarelor unghiurilor triunghiului. Raza cercului ˆnscris ˆntr-un triunghi o vom ı ınota cu r.Observatia 1.1 1. Dac˘ C(I; r) este cercul ˆnscris ˆn triunghiul ABC, atunci tri- ¸ a ı ı unghiul ABC este triunghiul circumscris cercului C(I; r); 2. IM = IN = IP = r, unde M, N, P sunt punctele de tangenta ale laturile ¸˘ triunghiului la cercul ˆnscris. ıPROPOZITIA 1.1 ¸ 2A , r= Punde A este aria triunghiului ABC, iar P = AB + AC + BC. Demonstratie. ¸ ˆ Intr-adev˘ r, aria triunghiului ABC este suma ariilor triunghiurilor AIB, BIC, CIA. a AB · IM BC · IN AC · IP r·P A = AAIB + ABIC + ACIA = + + = . 2 2 2 2 q.e.d.
• 11. ¸ ˆ1.1. CONCURENTA LINIILOR IMPORTANTE INTR-UN TRIUNGHI 7 Cercul circumscris unui triunghi A N R P O R R B C M Figura 1.6: Cerc circumscris unui triunghiDEFINITIA 1.6 1. Triunghiul care are vˆ rfurile situate pe un cerc, iar laturile ¸ a sunt coarde ale cercului se numeste ˆnscris ˆn cerc. ¸ ı ı 2. Cercul ˆn care se ˆnscrie un triunghi se numeste cerc circumscris triunghiului. ı ı ¸Centrul cercului circumscris unui triunghi ABC este punctul de intersectie al medi- ¸atoarelor laturilor triunghiului, notat cu O. Raza cercului circumscris se noteaz˘ cu R. a Not˘ m cercul circumscris triunghiului ABC cu C(O; R). a 1. Triunghiul ABC este triunghiul inscris in cercul C(O; R); 2. OA = OB = OC = R.PROPOZITIA 1.2 Simetricele ortocentrului triunghiului fata de mijloacele laturi- ¸ ¸˘lor triunghiului apartin cercului circumscris triunghiului. ¸PROPOZITIA 1.3 Simetricele ortocentrului triunghiului fata de laturile triunghiu- ¸ ¸˘lui apartin cercului circumscris triunghiului. ¸ Demonstratie. Fie A2 punctul ˆn care ˆn˘ ltimea AA1 intersecteaz˘ cercul circum- ¸ ı ı a¸ ascris triunghiului. Deoarece m(BHA1 ) = m(BCA)) = m(AA2 B) rezult˘ triunghiul A2 BH isos- acel cu BA1 ˆn˘ ltime, mediana, mediatoare, adic˘ HA1 = A1 A2 . ı a¸ a q.e.d.
• 12. 8 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA A H O A1 C B A2 Figura 1.7:PROPOZITIA 1.4 ¸ abc R= , 4Aunde a, b, c sunt lungimile laturilor, iar A este aria triunghiului ABC. Demonstratie. ¸ Formula de calcul pentru raza cercului circumscris se obtine astfel: ¸ A h O B C D E Figura 1.8: Raza cercului circumscris Prin vˆ rful A al triunghiului se construieste diametrul cercului circumscris, notat a ¸cu AE. Se obtine astfel triunghiul dreptunghic ABE (triunghi ˆnscris ˆn semicerc). ¸ ı ıPrin construirea ˆn˘ ltimii din punctul A se obtine triunghiul dreptunghic ADC ase- ı a¸ ¸menea cu ABE conform cazului U U . Not˘ m lungimea acestei ˆnaltimi cu h. a ı ¸ Laturile celor dou˘ triunghiuri asemenea sunt proportionale: a ¸ AE AB AC · AB = ⇒ 2Rh = AC · AB ⇒ R = . AC AD 2h
• 13. ¸ ˆ1.1. CONCURENTA LINIILOR IMPORTANTE INTR-UN TRIUNGHI 9 h · BCDar, aria triunghiului ABC, notat˘ cu A, este A = a , de unde rezult˘ : a 2 2A h= . BCˆInlocuind h ˆn expresia lui R se obtine formula de calcul a razei cercului circumscris ı ¸triunghiului ABC, abc R= . 4A q.e.d. O legatur˘ ˆntre raza cercului ˆnscris si raza cercului circumscris unui triunghi este aı ı ¸dat˘ de relatia lui Euler. a ¸PROPOZITIA 1.5 Relatia lui Euler ¸ ¸ d2 = R(R − 2r)unde d este distanta dintre centrul cercului circumscris si centrul cercului ˆnscris ¸ ¸ ıˆntr-un triunghi, R raza cercului circumscris si r raza cercului ˆnscris ˆn triunghi.ı ¸ ı ı Demonstratie. Fie D punctul ˆn care bisectoarea [AI intersecteaz˘ cercul circum- ¸ ı a A I’ I E O F B C D Figura 1.9: Relatia lui Euler ¸scris triunghiului ABC si ﬁe punctele {E, F } = C(O, R) ∩ OI. Din triunghiul ¸ AABD rezult˘ BD = 2R sin , iar din triunghiul dreptunghic AI I a 2 r AI = . A sin 2Dar [AI si [BI sunt bisectoarele unghiurilor BAC si ABC, se obtine BD = ID. ¸ ¸ ¸
• 14. 10 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA ¸˘ Folosind puterea punctului I fata de cercul C(O, R), din ultimele relatii rezult˘ ¸ a 2Rr = ID · IA = IE · IF = (R − OI)(R + OI) = R2 − IO2 q.e.d. Se poate vedea c˘ si inegalitatea lui Euler a¸ R > 2reste veriﬁcat˘ . a Cercuri exˆ nscrise unui triunghi a A A1 B C A2 Figura 1.10: Cerc exˆ nscris unui triunghi aDEFINITIA 1.7 Un cerc tangent unei laturi a unui triunghi si prelungirilor celor- ¸ ¸lalte dou˘ laturi se numeste triunghi exˆ nscris triunghiului. a ¸ aCentrul unui cerc exˆ nscris unui triunghi se aﬂ˘ la intersectia bisectoarelor celor a a ¸dou˘ unghiuri exterioare si a bisectoarei unghiului interior neadiacent cu ele. a ¸ Exist˘ 3 cercuri exˆ nscrise unui triunghi. a a Proprietate Punctele de tangenta ale cercului exˆ nscris si cercului ˆnscris ˆntr-un triunghi sunt ¸˘ a ¸ ı ı ¸˘simetrice fata de mijlocul laturii la care sunt tangente amˆ ndou˘ . a aTEOREMA 1.5 Fie triunghiul ABC. Dac˘ M, N, P sunt punctele de tangenta ale a ¸˘cercurilor exˆ nscrise cu laturile triunghiului, atunci AM, BN, CP sunt concurente aˆn punctul care se numeste punctul lui Nagel.ı ¸
• 15. 1.2. TEOREMELE MENELAUS SI CEVA ¸ 111.2 Teoremele MENELAUS si CEVA ¸1.2.1 Teorema lui MenelausTeorema lui Menelaus este una dintre teoremele clasice ale geometriei. De-a lungul anilor ea a fost demonstrat˘ prin diverse metode folosind rezultatele adin geometria sintetic˘ , dar si cu metoda analitic˘ ¸ cu metoda vectorial˘ si cu ajutorul a ¸ a, a¸transform˘ rilor geometrice, al omotetiei. aTEOREMA 1.6 (TEOREMA LUI MENELAUS) Fie un triunghi ABC, M ∈ (BC, N ∈ (AC), P ∈ (AB).Dac˘ punctele M, N, P asunt coliniare, atunci: M B CN AP · · = 1. (1.3) MC NA PB Demonstratie. Se construieste prin C paralela cu dreapta d care contine punctele ¸ ¸ ¸M, N, P . Aceasta intersecteaz˘ AB ˆn punctul notat cu R. a ı A P R N d B C M Figura 1.11: Teorema lui Menelaus Se aplic˘ teorema lui Thales ˆn triunghiul BM P cu CR a ı MP : MB PB = , (1.4) MC PRiar ˆn triunghiul ARC cu P N ı RC rezult˘ : a CN PR = . (1.5) NA PADin relatiile (1.4) si (1.5) rezult˘ : ¸ ¸ a M B CN AP P B P R AP · · = · · = 1. MC NA PB PR PA PB q.e.d.
• 16. 12 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA A S P R N T d B C M Figura 1.12: Teorema lui Menelaus O alt˘ demonstratie a teoremei lui Menelaus, folosind geometria sintetic˘ : a ¸ a Demonstratie. Fie triunghiul ABC si transversala d care se intersecteaz˘ cu latu- ¸ ¸ arile triunghiului ˆn punctele M ∈ (BC, N ∈ (AC), P ∈ (AB). ı Construim CT ⊥ d, BS ⊥ d, AR ⊥ d, lungimile acestor segmente reprezentˆ nd adistantele de la vˆ rfurile triunghiului la transversala d, vor ﬁ notate cu CT = dC , ¸ aBS = dB , AR = dA . Se formeaz˘ astfel perechile de triunghiuri dreptunghice asemenea: a ∆ARP ∼ ∆BP S, ∆BSM ∼ ∆CT M, ∆N CT ∼ ∆ARNpentru care scriem proportionalitatea laturilor: ¸ dA AP dB MB dC NC = ; = ; = . dB BP dC MC dA NAˆInmultind aceste relatii membru cu membru se va obtine relatia lui Menelaus. ¸ ¸ ¸ ¸ q.e.d. Vom prezenta ˆn continuare reciproca teoremei lui Menelaus: ıTEOREMA 1.7 Fie un triunghi ABC, M ∈ (BC, N ∈ (AC), P ∈ (AB) astfelˆncˆ t are loc relatia:ı a ¸ M B CN AP · · = 1. (1.6) MC NA PBAtunci punctele M, N, P sunt coliniare. Demonstratie. Dreapta M N se intersecteaz˘ cu AB ˆn punctul pe care-l not˘ m ¸ a ı acu P1 . Punctele M, N, P1 ﬁind coliniare, aplic˘ m teorema lui Menelaus si obtinem: a ¸ ¸ M B CN AP1 · · = 1. (1.7) M C N A BP1
• 17. 1.2. TEOREMELE MENELAUS SI CEVA ¸ 13Din relatiile (1.6), (1.7) rezult˘ ¸ a AP1 AP = BP1 PBadic˘ P = P1 . Deci punctele M, N, P sunt coliniare. a q.e.d. Teorema lui Menelaus se poate demonstra si ˆn cazul M ∈ (BC, N ∈ (AC, P ∈ ¸ ı(AB.TEOREMA 1.8 Fie un triunghi ABC, M ∈ (BC, N ∈ (AC, P ∈ (AB. Dac˘ apunctele M, N, P sunt coliniare, atunci: M B CN AP · · = 1. (1.8) MC NA PB Demonstratie. Construim dreapta d care se intersecteaz˘ cu (BC ˆn punctul M , ¸ a ıcu (AC ˆn N si cu (AB ˆn P . Ducem prin C paralela la d care se intersecteaz˘ cu ı ¸ ı aAB ˆn R. ı A B C R P N d M Figura 1.13: Aplic˘ m teorema lui Thales a • ˆn triunghiul BM P cu CR ı MP : MB PB = , (1.9) MC PR • ˆn triunghiul AP N cu P N RC: ı CN PR = . (1.10) NA PADin relatiile (1.9) si (1.10) rezult˘ : ¸ ¸ a M B CN AP P B P R AP · · = · · = 1. MC NA PB PR PA PB q.e.d.
• 18. 14 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA ˆ continuare vom prezenta teorema lui Menelaus pentru un patrulater: InTEOREMA 1.9 Fie ABCD un patrulater si punctele M ∈ (CB, N ∈ (AB), P ∈ ¸(DC), Q ∈ (AD. Dac˘ punctele M, N, P, Q sunt coliniare, atunci a M C BN AQ P D · · · = 1. (1.11) M B N A QD P C Demonstratie. Not˘ m cu d dreapta care contine punctele M, N, P, Q. Se con- ¸ a ¸struiesc paralele la dreapta d prin punctele B si A care se intersecteaz˘ cu (CD ˆn ¸ a ıpunctele R si S. ¸ C D B R Q P N M d S A Figura 1.14: Teorema lui Menelaus ˆn patrulater ı Aplic˘ m teorema lui Thales a • ˆn triunghiul CM P cu BR ı MP : MC PC = , (1.12) MB PR • ˆn triunghiul ADS cu P Q ı AS: AQ PS = . (1.13) QD PDDreptele BR NP AS t˘ iate de secantele AB si CS determin˘ proportionalitatea a ¸ a ¸segmentelor: BN PR = . (1.14) NA PSDin relatiile (1.12), (1.13), (1.14) se obtine: ¸ ¸ M B BN AQ P D PC PR PS PD · · · = · · · = 1. M C N A QD P C PR PS PD PC q.e.d.
• 19. 1.2. TEOREMELE MENELAUS SI CEVA ¸ 15 ˆ acelasi mod se poate demonstra o relatie ca cea din teorema lui Menelaus pentru In ¸ ¸un poligon cu n > 4 laturi convex sau concav.1.2.2 Teorema lui CevaTeorema lui Ceva este un rezultat din geometria triunghiului, cu aplicatii ˆn geome- ¸ ıtria proiectiv˘ . A fost descoperit˘ de matematicianul italian Giovanni Ceva, care a a aformulat-o si a demonstrat-o ˆn 1678 ˆn lucrarea De lineis rectis se invicem secanti- ¸ ı ıbus statica constructio. Se pare c˘ aceast˘ teorem˘ era cunoscut˘ , cu multe secole ˆnainte (secolul al XI- a a a a ılea) de unii matematicieni arabi (Yusuf Al-Mu’taman ibn Hud).TEOREMA 1.10 (TEOREMA LUI CEVA) Fie triunghiul ABC si D, E, F trei puncte diferite de vˆ rfurile triunghiului, aﬂate ¸ arespectiv pe laturile acestuia [BC], [CA], [AB]. Dac˘ dreptele AD, BE si CF sunt a ¸concurente atunci: AF BD CE · · = 1. (1.15) F B DC EA A F M E B C D Figura 1.15: Teorema lui Ceva Demonstratie. Not˘ m cu M punctul de intersectie al dreptelor AD, BE si CF . ¸ a ¸ ¸ Aplic˘ m teorema lui Menelaus pentru: a -triunghiul ABD cu secanta CF CB M D F A · · = 1, (1.16) CD M A F Bde unde se obtine: ¸ MD F B CD = · ; (1.17) MA F A CB
• 20. 16 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA-ˆn triunghiul ADC cu secanta BE ı BC M D AE · · = 1. (1.18) BD M A ECDin relatiile (1.17) si (1.18) se obtine: ¸ ¸ ¸ BC F B CD AE · · · = 1, BD F A CB ECadic˘ relatia din teorem˘ . a ¸ a q.e.d. ˆ Intr-un triunghi dreapta care uneste un vˆ rf al acestuia cu un punct de pe latura ¸ aopus˘ se numeste cevian˘ . a ¸ aTEOREMA 1.11 (Reciproca teoremei lui Ceva) Dac˘ AD, BE, CF sunt trei ceviene ˆn triunghiul ABC si a ı ¸ AF BD CE · · = 1. (1.19) F B DC EAatunci cevienele sunt concurente. Demonstratie. Demonstratia se face prin reducere la absurd. ¸ ¸ Presupunem c˘ AD nu trece prin punctul M , {M } = CF ∩ BE. Fie N punctul ade intersectie dintre AM si BC, AM ∩ BC = {N }. Aplicˆ nd teorema lui Ceva ¸ ¸ apentru punctele E, F si N si comparˆ nd cu relatia din enunt obtinem c˘ M = N . ¸ ¸ a ¸ ¸ ¸ a q.e.d.1.2.3 Teorema lui VAN AUBELTEOREMA 1.12 (TEOREMA LUI VAN AUBEL) Fie un triunghi ABC, D ∈ (BC), E ∈ (AC), F ∈ (AB). Dac˘ AD, BE, CF asunt concurente ˆn M atunci ı EA F A MA + = . (1.20) EC F B MD Demonstratie. Se aplic˘ teorema lui Menelaus: ¸ a ˆn triunghiul ABD cu secanta F C ı F B AM DC · · = 1, (1.21) AF M D BCde unde rezult˘ a AM DC AF · = . (1.22) M D BC FB
• 21. 1.3. PATRULATERE INSCRIPTIBILE 17 A B D C F M E Figura 1.16: Teorema lui Van Aubel si ˆn triunghiul ADC cu secanta BE ¸ ı CE AM BD · · =1 (1.23) AE M D BCde unde rezult˘ : a AM BD AE · = . (1.24) M D BC CEAdun˘ m relatiile (1.22) si (1.24): a ¸ ¸ AM DC BD AF AE + == + ⇒ MD BC BC F B CE EA F A MA + = . EC F B MD q.e.d.1.3 Patrulatere inscriptibileDac˘ ˆn cazul triunghiului ˆntotdeauna exist˘ un cerc circumscris acestuia, ˆn cazul aı ı a ıpatrulaterelor nu se aplic˘ acest rezultat, adic˘ nu orice patrulater poate ﬁ ˆnscris a a ıˆntr-un cerc.ıDEFINITIA 1.8 1. Patru puncte (sau mai multe) se numesc puncte concilice dac˘ ¸ a exist˘ un cerc c˘ ruia s˘ -i apartin˘ toate cele patru puncte. a a a ¸ a 2. Un patrulater se numeste inscriptibil dac˘ cele patru vˆ rfuri ale sale sunt puncte ¸ a a conciclice.
• 22. 18 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA A B O D C Figura 1.17: Patrulater inscriptibilPROPOZITIA 1.6 Propriet˘ ¸i ale patrulaterului inscriptibil ¸ at ˆ 1. Intr-un patrulater inscriptibil, unghiurile opuse sunt suplementare. 2. Unghiurile formate de diagonale cu dou˘ laturi opuse sunt congruente. a Demonstratia acestor aﬁrmatii este imediat˘ folosind m˘ rimea arcelor subˆ ntinse ¸ ¸ a a ade aceste unghiuri. Reciprocele acestor aﬁrmatii, de asemenea, se pot demonstra usor. ¸ ¸PROPOZITIA 1.7 Un patrulater este inscriptibil dac˘ si numai dac˘ mediatoarele ¸ a¸ alaturilor sale sunt concurente. Demonstratie. “⇒” Se consider˘ un un patrulater ABCD, care este inscriptibil, ¸ a A B O D C Figura 1.18: Patrulater inscriptibiladic˘ exist˘ un cerc C(O, r) care contine punctele A, B, C, D. Atunci a a ¸ OA = OB = OC = OD = r,deci punctul O se aﬂ˘ pe mediatoarele segmentelor [AB], [BC], [AC], [AD]. a
• 23. 1.3. PATRULATERE INSCRIPTIBILE 19 “⇐” Se consider˘ patrulaterul ABCD, cu mediatoarele laturilor sale [AB], [BC], a[AC], [AD], concurente ˆn punctul O. ı Atunci folosind proprietatea punctelor de pe mediatoarea unui segment de a se ¸ ¸˘ ¸˘aﬂa la aceeasi distanta fata de capetele lui se obtine ¸ OA = OB = OC = OD = r,adic˘ vˆ rfurile lui se aﬂ˘ pe cercul cu centrul ˆn punctul O si raz˘ r. a a a ı ¸ a q.e.d. Cazuri particulare de patrulatere inscriptibile: 1. Dreptunghiul, p˘ tratul sunt patrulatere inscriptibile; a 2. Un trapez este inscriptibil dac˘ si numai dac˘ este isoscel. a¸ a1.3.1 Teorema lui PtolemeuInegalitatea lui Ptolemeu ˆ orice patrulater convex ABCD are loc relatia: In ¸ AC · BD ≤ AB · CD + BC · AD.TEOREMA 1.13 (TEOREMA LUI PTOLEMEU) Patrulaterul convex ABCD este inscriptibil dac˘ si numai dac˘ a¸ a AC · BD = AB · CD + BC · AD.(Relatia lui P tolemeu) ¸ (1.25) A B K D C Figura 1.19: Teorema lui Ptolemeu Demonstratie. Fie ABCD un patrulater inscriptibil. Pe diagonala AC se consi- ¸der˘ punctul K astfel ˆncˆ t ABK = CBD. a ı a ABK + CBK = ABC = CBD + ABD ⇒ CBK = ABD.
• 24. 20 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANASe observ˘ c˘ triunghiurile ABK ∼ DBC, de unde rezult˘ a a a AK AB = , (1.26) CD BDiar triunghiul ABD ∼ KBC, cu CK BC = . (1.27) DA BDPutem scrie: AK · BD = AB · CD CK · BD = AD · BCsi adunˆ nd aceste relatii obtinem relatia lui Ptolemeu.¸ a ¸ ¸ ¸ q.e.d.Observatia 1.2 Se pot deplasa punctele A, B, C, D pe cerc oricum, dar ca relatia ¸ ¸lui Ptolemeu s˘ se veriﬁce este necesar ca AC si BD s˘ r˘ mˆ n˘ diagonale. a ¸ a a a a ˆ In cazul ˆn care ABCD este dreptunghi, relatia lui Ptolemeu devine teorema lui ı ¸PITAGORA.1.4 Patrulatere circumscriptibileDEFINITIA 1.9 1. Un patrulater care are cele patru laturi tangente unui cerc se ¸ numeste patrulater circumscris cercului. ¸ 2. Un patrulater spunem c˘ este circumscriptibil dac˘ poate ﬁ circumscris unui a a cerc. Nu putem spune c˘ orice patrulater este circumscriptibil. aPROPOZITIA 1.8 Un patrulater poate ﬁ circumscris unui cerc dac˘ si numai dac˘ ¸ a¸ abisectoarele unghiurilor sale sunt concurente. Demonstratie. “⇒” Consider˘ m un patrulater ABCD circumscris unui cerc, ¸ aadic˘ laturile sale [AB], [BC], [AC], [AD] sunt tangente la un cerc C(O, r). Atunci a d(O, AB) = d(O, BC) = d(O, CD) = d(O, AD) = r,deci punctul O se aﬂ˘ pe bisectoarele unghiurilor A, B, C, D. a “⇐” Se consider˘ patrulaterul ABCD, cu bisectoarele unghiurilor sale concu- arente ˆn punctul O. ı
• 25. 1.4. PATRULATERE CIRCUMSCRIPTIBILE 21 A B O D C Figura 1.20: Patrulater circumscris Atunci folosind proprietatea punctelor de pe bisectoare de a se aﬂa la aceeasi ¸ ¸˘ ¸˘distanta fata de laturile unghiului se obtine ¸ d(O, AB) = d(O, BC) = d(O, CD) = d(O, AD) = r,adic˘ cercul cu centrul ˆn punctul O si raz˘ r este tangent ﬁec˘ rei laturi a patrulate- a ı ¸ a arului. q.e.d.PROPOZITIA 1.9 Un patrulater este circumscriptibil dac˘ si numai dac˘ suma ¸ a ¸ alungimilor laturilor opuse este aceeasi, ¸ AB + CD = AD + BC.Aceasta proprietate poate ﬁ usor demonstrat˘ , deoarece stim c˘ tangentele duse dintr- ¸ a ¸ aun punct la un cerc au aceeasi lungime. ¸PROPOZITIA 1.10 1. Dac˘ un patrulater circumscris unui cerc este trapez, atunci ¸ a punctele de contact cu cercul ale bazelor si centrul cercului sunt colineare. ¸ 2. Dac˘ trapezul este isoscel, atunci lungimea diametrului cercului ˆnscris ˆn tra- a ı ı pez este media geometric˘ a lungimii bazelor. a Demonstratie. ¸ 1.Triunghiurile ∆DEO ≡ ∆DIO sunt congruente, pentru c˘ sunt dreptunghice asi au laturile respectiv egale.¸
• 26. 22 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA A E D I O B F C Figura 1.21: Trapez circumscris Congruente sunt si triunghiurile ∆OIC ≡ ∆OF C (se poate demonstra tot folo- ¸ ¸˘sind cazul 3 de congruenta a triunghiurilor). Obtinem astfel congruenta unghiurilor ¸ ¸EOD ≡ DOI si IOC ≡ COF .Dar triunghiul DOC este dreptunghic cu unghiul ¸drept DOC. Atunci se observ˘ c˘ unghiul EOF este alungit, adic˘ m˘ sura lui este a a a a180◦ , ceea ce ne arat˘ coliniaritatea celor trei puncte. a 2.ˆ triunghiul dreptunghic DOC segmentul OI este ˆn˘ ltime pe ipotenuz˘ si cum In ı a¸ a¸DI = DE, CI = CF obtinem ¸ DE · CF = OI 2 = r2 ; AE · BF = r2 .Dac˘ trapezul este isoscel se obtine proprietatea anuntat˘ . a ¸ ¸ a q.e.d.1.4.1 Cercul lui EulerCercul lui Euler sau cercul celor 9 puncte este cercul ce trece prin mijloacele laturilorunui triunghi ; picioarele ˆnˆ ltimilor ; mijloacele segmentelor cuprinse ˆntre vˆ rfuri ı a¸ ı asi ortocentru.¸ Centrul lui se g˘ seste la mijlocul segmentului HO ( H este ortocentrul; O este- a ¸centrul cercului circumscris) si are raza egal˘ cu jum˘ tatea razei cercului circumscris. ¸ a a Vom demonstra conciclitatea celor 9 puncte ˆn capitolul urm˘ tor, folosind trans- ı aform˘ rile geometrice. a
• 27. 1.5. PROBLEME DE COLINIARITATE 231.5 Probleme de coliniaritate1.5.1 Metode de demonstrare a coliniarit˘ tii unor puncte a¸Coliniaritatea a trei puncte se poate demonstra prin mai multe metode: 1. folosind identitatea AB = AC + CB, unde AB, AC, BC sunt segmente de dreapt˘ ; a 2. utilizˆ nd reciproca teoremei unghiurilor opuse la vˆ rf; a a 3. cu ajutorul unghiului alungit; 4. identiﬁcarea apartenentei punctelor la o dreapt˘ remarcabil˘ (linie mijlocie, me- ¸ a a diatoare, bisectoare, etc.) ˆn conﬁguratia respectiv˘ . ı ¸ a 5. folosind postulatul lui Euclid: Printr-un punct exterior unei drepte se poate duce o paralel˘ si numai una la acea dreapt˘ . a¸ a 6. cu ajutorul propriet˘¸ilor paralelogramului; at 7. folosind unicitatea perpendicularei dintr-un punct pe o dreapt˘ ; a 8. utilizˆ nd reciproca teoremei lui Menelaus; a 9. prin utilizarea axiomei 6 de incidenta (sau de situare): Dac˘ dou˘ plane distincte a a au un punct comun atunci intersectia lor este o dreapt˘ ; ¸ a10. prin metoda analitic˘ ; a11. prin metoda vectorial˘ ; a12. folosind transform˘ ri geometrice; a13. folosind numerele complexe: punctele M1 (z1 ), M2 (z2 ), M3 (z3 ) sunt colineare z3 − z1 dac˘ si numai dac˘ a¸ a ∈ R. z2 − z11.5.2 Teorema lui Euler, dreapta lui SimpsonDreapta lui Euler ˆTEOREMA 1.14 In orice triunghi ortocentrul H, centrul de greutate G si centrul ¸cercului circumscris triunghiului sunt coliniare.
• 28. 24 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANADreapta determinat˘ de cele trei puncte se numeste dreapta lui Euler. a ¸ Demonstratie. a)Dac˘ triunghiul ABC este isoscel sau dreptunghic, atunci cele ¸ atrei puncte se aﬂ˘ pe o median˘ . a a b)ˆ cazul triunghiului oarecare ABC, not˘ m cu A1 , B1 picioarele ˆn˘ ltimilor din In a ı a¸vˆ rfurile A si B, iar picioarele medianelor din aceste vˆ rfuri sunt A si B . Triunghiu- a ¸ a ¸rile HAB si OA B sunt asemenea pentru c˘ au laturile paralele. Folosind teorema ¸ afundamental˘ a asem˘ n˘ rii se obtine: a a a ¸ HA HB AB HA = = =2⇒ = 2. OA OB AB OA AGDar punctul G ˆmparte mediana ˆn raportul GA = 2. Atunci triunghiurile OGA si ı ı ¸ A B1 B’ H O G B C A1 A’ Figura 1.22:HGA sunt asemenea conform cazului al doilea de asem˘ nare si rezult˘ a ¸ a OGA = AGH,ceea ce implic˘ coliniaritatea punctelor O, G, H. a q.e.d. Dreapta lui SimpsonTEOREMA 1.15 Proiectiile ortogonale ale unui punct de pe cercul circumscris tri- ¸unghiului ABC pe laturile acestuia sunt coliniare.Dreapta care contine punctele coliniare din teorema anterioar˘ se numeste dreapta ¸ a ¸lui Simpson. Demonstratie. Consider˘ m un punct M pe cercul circumscris triunghiului ABC ¸ asi not˘ m proiectiile ortogonale ale acestuia pe laturile BC, AC, AB cu D, E, respec-¸ a ¸tiv F .
• 29. 1.5. PROBLEME DE COLINIARITATE 25 F A M E B C D Figura 1.23: Dreapta lui Simpson Patrulaterele AEM F, F BDM sunt inscriptibile pentru c˘ au unghiurile opuse asuplementare, dar si M EDC este inscriptibil. ¸ Atunci DEC = DM C = 90◦ − DCM = 90◦ − F AM = F M A = F EA.Obtinem DEC = F EA, care sunt unghiuri opuse la vˆ rf, ceea ce implic˘ coliniari- ¸ a atatea punctelor D, E, F . q.e.d.1.5.3 Relatia lui Carnot ¸TEOREMA 1.16 (TEOREMA LUI CARNOT) Fie un triunghi ABC, D ∈ (BC), E ∈ (AC), F ∈ (AB).Perpendicularele ˆn D ıpe (BC), ˆn E pe (AC) si ˆn F pe (AB) sunt concurente dac˘ si numai dac˘ ı ¸ ı a¸ a DB 2 − DC 2 + EC 2 − EA2 + F A2 − F B 2 = 0. (1.28)Relatia (1.28) se numeste relatia lui Carnot. ¸ ¸ ¸ Demonstratie. “⇒” Presupunem c˘ perpendicularele ˆn D pe (BC), ˆn E pe (AC) ¸ a ı ısi ˆn F pe (AB) sunt concurente. Se formeaz˘ triunghiurile dreptunghice DM B,¸ ı aDM C, EM C, EM A, AM F , F M B pentru care vom scrie teorema lui Pitagoraobtinˆ nd relatiile: ¸ a ¸ BM 2 = M D2 + DB 2 ; (1.29) CM 2 = M D2 + DC 2 ; (1.30)
• 30. 26 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA A F E M B D C Figura 1.24: Relatia lui Carnot ¸ CM 2 = M E 2 + EC 2 ; (1.31) AM 2 = M E 2 + EA2 ; (1.32) AM 2 = F A2 + F M 2 ; (1.33) BM 2 = F M 2 + F B 2 . (1.34) Scazˆ nd relatiile dou˘ cˆ te dou˘ obtinem: a ¸ a a a ¸ BM 2 − CM 2 = DB 2 − DC 2 ; CM 2 − AM 2 = EC 2 − EA2 ; AM 2 − BM 2 = F A2 − F B 2 .Vom aduna aceste trei relatii si se va obtine relatia lui Carnot. ¸ ¸ ¸ ¸ “ ⇐ Presupunem c˘ relatia lui Carnot este adev˘ rat˘ , dar perpendicularele pe a ¸ a alaturile triunghiului construite ˆn punctele D, E, F nu sunt concurente. ı Perpendicularele construite ˆn dou˘ dintre aceste puncte sunt concurente, de exem- ı aplu cea construit˘ ˆn punctul D si cea din E. Punctul lor de concurenta va ﬁ M . aı ¸ ¸˘ Not˘ m proiectia punctului M pe latura AB cu N . Conform implicatiei directe a ¸ ¸care a fost demonstrat˘ , putem scrie relatia lui Carnot pentru punctele N, E, D: a ¸ DB 2 − DC 2 + EC 2 − EA2 + N A2 − N B 2 = 0. (1.35)Conform ipotezei: DB 2 − DC 2 + EC 2 − EA2 + F A2 − F B 2 = 0. (1.36)
• 31. ¸˘1.6. PROBLEME DE CONCURENTA 27 A F N E M B D C Figura 1.25:Sc˘ zˆ nd (1.28) si (1.36), rezult˘ : a a ¸ a N A2 − N B 2 = F A 2 − F B 2 .Not˘ m BN = m, N F = x, AF = n si relatia anterioar˘ va ﬁ a ¸ ¸ a (n + x)2 − m2 = n2 − (m + x)2ceea ce implic˘ x = 0, adic˘ punctele N, F coincid. a a q.e.d.1.6 ¸˘ Probleme de concurenta1.6.1 Metode de demonstrare a concurentei unor drepte ¸Pentru a demonstra concurenta a dou˘ sau mai multe drepte putem folosi una dintre ¸ aurm˘ toarele metode: a 1. folosind deﬁnitia dreptelor concurente, adic˘ s˘ ar˘ tam c˘ exist˘ un punct co- ¸ a a a a a mun dreptelor; 2. concurenta a trei drepte const˘ ˆn a ar˘ ta c˘ punctul de intersectie a dou˘ drepte ¸ aı a a ¸ a apartine si celei de a treia drepte; ¸ ¸ 3. pentru a demonstra concurenta a trei drepte putem s˘ folosim teoremele referi- ¸ a toare la concurenta liniilor importante ˆn triunghi; ¸ ı 4. folosind reciproca teoremei lui Ceva; 5. prin metoda analitic˘ , folosind ecuatiile analitice ale dreptelor; a ¸ 6. pentru concurenta a trei drepte, demonstr˘ m c˘ se intersecteaz˘ dou˘ cˆ te dou˘ ¸ a a a a a a si aria poligonului obtinut este 0. ¸ ¸
• 32. 28 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA1.6.2 Teoremele lui GergonneTEOREMA 1.17 (TEOREMA LUI GERGONNE) Fie un triunghi ABC, D ∈ (BC), E ∈ (AC), F ∈ (AB). Dac˘ AD, BE si CF a ¸sunt concurente ˆn punctul M atunci: ı DM EM F M + + = 1. (1.37) AD BE CF Demonstratie. Not˘ m cu ha distanta de la punctul A la BC; cu da distanta de ¸ a ¸ ¸la punctul M la BC; ABM C aria triunghiului BM C si cu AABC aria triunghiului ¸ABC. A F E M B C G I D Figura 1.26: Teorema lui Gergonne ABM C da Se observ˘ c˘ a a = (au aceeasi baz˘ ). ¸ a AABC ha Se construiesc ˆn˘ ltimile AG pentru triunghiul ABC si M I pentru triunghiul ı a¸ ¸BM C. Se formeaz˘ astfel triunghiurile asemenea AGD si M ID, pentru care putem a ¸scrie: da MD = . (1.38) ha ADSe obtine: ¸ ABM C MD = (1.39) AABC ADPrin procedee analoage se pot obtine: ¸ AAM B MF = ; (1.40) AABC CF AAM C ME = (1.41) AABC BE
• 33. ¸˘1.6. PROBLEME DE CONCURENTA 29adunˆ nd relatiile (1.39), (1.40), (1.41) vom obtine: a ¸ ¸ ABM C AAM C AAM B DM EM F M 1= + + = + + . AABC AABC AABC AD BE CF q.e.d.TEOREMA 1.18 (PUNCTUL LUI GERGONNE) Fie cercul ˆnscris ˆn triunghiul ABC. Dac˘ M, N, P sunt punctele de tangenta ı ı a ¸˘ale cercului cu laturile triunghiului, atunci AM, BN, CP sunt concurente ˆn punctul ılui Gergonne.Pentru demonstratie se foloseste reciproca teoremei lui Ceva. ¸ ¸1.6.3 Teorema lui SteinerReamintim c˘ o cevian˘ ˆntr-un triunghi este dreapta determinat˘ de un vˆ rf al triun- a aı a aghiului si un punct de pe latura opus˘ . ¸ a Ceviene izogonale sunt cevienele egal ˆnclinate fata de laturile care pleac˘ din ı ¸˘ aacelasi vˆ rf cu ele. ¸ aTEOREMA 1.19 (TEOREMA LUI STEINER) Dac˘ AM, AN sunt ceviene izogo- anale ˆn triunghiul ABC atunci are loc relatia: ı ¸ AB 2 BM · BN = (1.42) AC 2 CM · CN B A M E N D F C Figura 1.27: Teorema lui Steiner Demonstratie. Prin vˆ rfurile B , respectiv C ale triunghiului ABC construim ¸ aparalele la laturile opuse. Se obtine astfel paralelogramul ABDC. ¸ Not˘ m {E} = AM ∩ BD si {F } = AN ∩ CD. a ¸ BE BM AB BN Cu teorema fundamental˘ a asem˘ n˘ rii se obtine c˘ a a a ¸ a = si ¸ = . AC CM CF CN
• 34. 30 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA BE AB Relatia de demonstrat devine ¸ = , adev˘ rat˘ din asem˘ narea triunghiuri- a a a CF AClor ABE si ACF . ¸ q.e.d. Un exemplu de ceviene izogonale sunt ˆnaltimea dintr-un vˆ rf si diametrul cercu- ı ¸ a ¸lui circumscris triunghiului, dus din vˆ rful respectiv. a A h O B C D E Figura 1.28: Ceviene izogonale1.7 Relatii metrice ˆn triunghi si patrulater ¸ ı ¸1.7.1 Teorema Pitagora generalizat˘ aEste bine cunoscut˘ teorema lui Pitagora, care se aplic˘ ˆn triunghiuri dreptunghice. a aıAcum prezent˘ m generalizarea ei, numit˘ si teorema cosinusului, care se poate aplica a a¸ˆn orice triunghi.ı aı ˆTEOREMA 1.20 Dac˘ ˆn triunghiul ABC, C este un unghi ascutit si D = prBC A, ¸ ¸atunci: AB 2 = AC 2 + BC 2 − 2BC · DC. Demonstratie. Vom discuta 3 cazuri: ¸ ˆ a) unghiul B este ascutit, not˘ m cu D = prBC A, atunci D ∈ (BC). ¸ a Triunghiurile ABD si ADC sunt dreptunghice si vom aplica teorema Pitagora: ¸ ¸ AB 2 = AD2 + BD2 (1.43) AD2 = AC 2 − DC 2 (1.44) BD = BC − DC. (1.45)
• 35. ¸ ˆ1.7. RELATII METRICE IN TRIUNGHI SI PATRULATER ¸ 31 A B C D Figura 1.29: teorema lui Pitagora generalizat˘ aSe ˆnlocuieste ˆn (1.43) AD si BD date de egalit˘¸ile (1.44) si (1.45) ı ¸ ı ¸ at ¸ AB 2 = AC 2 − DC 2 + (BC − DC)2 , AB 2 = AC 2 + BC 2 − 2BC · DC. ˆa) dac˘ unghiul B este obtuz, atunci B ∈ (DC). Egalit˘¸ile (1.43) si (1.44) r˘ mˆ n a at ¸ a a A C D B Figura 1.30: teorema lui Pitagora generalizat˘ aadev˘ rate si a ¸ BD = DC − BC. (1.46)ˆInlocuind ˆn (1.43) AD si BD date de (1.44) si (1.46) se obtine: ı ¸ ¸ ¸ AB 2 = AC 2 − DC 2 + (DC − BC)2 , AB 2 = AC 2 + BC 2 − 2BC · DC.c) pentru B unghi drept se aplic˘ Pitagora. a q.e.d.
• 36. 32 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA1.7.2 Relatia lui Stewart ¸Teorema lui Stewart furnizeaz˘ o relatie ˆntre lungimile laturilor unui triunghi si a ¸ ı ¸lungimea segmentului care coboar˘ dintr-un vˆ rf la un punct de pe latura opus˘ . a a aTEOREMA 1.21 (TEOREMA LUI STEWART) Fie un triunghi ABC cu lungimile A c p b x y B C P a Figura 1.31: teorema Stewartlaturilor BC = a, AC = b, AB = c. Fie P un punct pe latura [BC] care dividelatura ˆn dou˘ segmente cu lungimile BP = x, P C = y. Lungimea segmentului AP ı ao vom nota cu p. Atunci: a(p2 + xy) = b2 x + c2 y. (1.47) Demonstratie. Aplic˘ m teorema Pitagora generalizat˘ ˆn triunghiurile ABP si ¸ a aı ¸AP C corespunz˘ toare unghiurilor suplementare AP B, respectiv AP C si adun˘ m a ¸ arelatiile obtinute, dar nu ˆnainte de a le ˆnmulti cu y respectiv x. ¸ ¸ ı ı ¸ q.e.d.1.7.3 Teorema medianeiˆ geometria plan˘ , teorema medianei stabileste o relatie ˆntre lungimea unei me-In a ¸ ¸ ıdiane dintr-un triunghi si lungimile laturilor triunghiului. Teorema medianei este un ¸caz particular al teoremei lui Stewart.TEOREMA 1.22 Fie triunghiul ABC cu M mijlocul laturii (BC). Atunci: 2(b2 + c2 ) − a2 m2 = a (1.48) 4unde ma = AM, a = BC, b = AC, c = AB. ˆCOROLARUL 1.1 Intr-un triunghi dreptunghic lungimea medianei corespunz˘ toare aunghiului drept este egal˘ cu jum˘ tate din lungimea ipotenuzei. a a
• 37. ¸ ˆ1.7. RELATII METRICE IN TRIUNGHI SI PATRULATER ¸ 331.7.4 Relatia lui Euler pentru patrulatere ¸TEOREMA 1.23 Fie patrulaterul ABCD, E mijlocul diagonalei AC si F mijlocul ¸lui BD. Atunci: AB 2 + BC 2 + CD2 + AD2 = AC 2 + BD2 + 4EF 2 . (1.49) Relatia (1.49) se numeste relatia lui Euler pentru patrulatere. ¸ ¸ ¸ A B E F D C Figura 1.32: Relatia Euler pentru patrulatere ¸ Demonstratie. Se construiesc AF, F C, BE, DE. Vom folosi teorema medianei ¸ˆn:ı • triunghiul ABD: 4AF 2 = 2(AB 2 + AD2 ) − BD2 ; (1.50) • triunghiul BCD: 4CF 2 = 2(BC 2 + CD2 ) − BD2 ; (1.51) • triunghiul ABC: 4BE 2 = 2(AB 2 + BC 2 ) − AC 2 ; (1.52) • triunghiul ADC: 4DE 2 = 2(AD2 + CD2 ) − AC 2 ; (1.53) • triunghiul AF C: 4EF 2 = 2(AF 2 + F C 2 ) − AC 2 ; (1.54) • triunghiul BED: 4EF 2 = 2(BE 2 + ED2 ) − BD2 . (1.55)
• 38. 34 ˘ ˘ CAPITOLUL 1. GEOMETRIE SINTETICA PLANA Se adun˘ relatiile (1.50),(1.51), (1.52), (1.53) cu relatiile (1.54), (1.55) ˆnmultite a ¸ ¸ ı ¸cu 2 si se obtine (1.49). ¸ ¸ q.e.d.
• 39. Capitolul 2Transform˘ ri geometrice aIstoria matematicii consemneaz˘ c˘ transform˘ rile geometrice au fost folosite pentru a a aobtinerea primelor demonstratii ale unor teoreme de geometrie. ¸ ¸ Astfel se aﬁrm˘ c˘ Thales din Milet a demonstrat prin suprapunerea ﬁgurilor, a afolosind ideea de miscare, tradus˘ ast˘ zi ˆn aceea de transformare geometric˘ , teore- ¸ a a ı amele: unghiurile opuse la vˆ rf sunt congruente; unghiurile de la baza unui triunghi aisoscel sunt congruente; diametrul ˆmparte cercul ˆn dou˘ p˘¸i congruente s.a. ı ı a at ¸ Mai tˆ rziu, Aristotel a eliminat miscarea din geometrie si deci si transform˘ rile a ¸ ¸ ¸ ageometrice, considerˆ nd obiectele matematicii ca entit˘¸i abstracte. Aceast˘ conceptie a at a ¸a fost concretizat˘ de Euclid prin celebra sa carte ”Elementele”, ˆn care geometria a ıeste construit˘ f˘ r˘ utilizarea ideii de miscare pentru c˘ aceasta nu poate exista, con- a aa ¸ aform conceptiei lui Platon, Aristotel, Euclid, ˆn lumea formelor ideale. ¸ ı Pe aceeasi linie s-a situat D. Hilbert ˆn constructia sistemului cunoscut de axiome ¸ ı ¸ale geometriei. El a ˆnlocuit ideea de miscare cu ceea de ﬁguri congruente. ı ¸ Predarea geometriei ˆn spiritul axiomaticii lui Hilbert sau a lui Birkhoff este im- ıplicat˘ , indiscutabil, ˆn diminuarea ponderii transform˘ rilor geometrice ˆn unele pro- a ı a ıgrame analitice si manuale. ¸ Intuitia asigur˘ ˆntelegerea de c˘ tre elevi a notiunilor de miscare, suprapunere, ¸ aı ¸ a ¸ ¸transformare a ﬁgurilor, ceea ce favorizeaz˘ ˆntelegerea ulterioar˘ a unor concepte aı ¸ afundamentale din geometrie sau ofer˘ o cale de a p˘ trunde ˆn corpul teoremelor geo- a a ımetrice f˘ r˘ supozitii complicate, greu de explicitat si de motivat. Acest fapt indic˘ aa ¸ ¸ aposibilitatea de a introduce ˆn geometrie transform˘ rile geometrice. ı a Transform˘ rile geometrice sunt ˆn esenta functii. Studiul lor este calea principal˘ a ı ¸˘ ¸ ape care notiunea de functie p˘ trunde ˆn geometrie. ¸ ¸ a ı Desi transform˘ rile geometrice erau folosite de mult timp ˆn rezolvarea unor pro- ¸ a ıbleme de geometrie, ele nu au fost gˆ ndite ca functii decˆ t relativ recent, cˆ nd ﬁgurile a ¸ a ageometrice au fost concepute ca multimi de puncte. ¸ Ca orice alte functii, transform˘ rile geometrice se pot compune. Exist˘ multe ¸ a asituatii ˆn care multimea transform˘ rilor geometrice de un anumit tip este ˆnchis˘ ¸ ı ¸ a ı a 35
• 40. 36 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICEla compunere, formˆ nd un grup. Amintim grupul translatiilor, grupul rotatiilor de a ¸ ¸acelasi centru, grupul asem˘ n˘ rilor. Asadar transform˘ rile geometrice furnizeaz˘ ¸ a a ¸ a aexemple netriviale de grupuri, fapt ce faciliteaz˘ ˆntelegerea notiunii abstracte de aı ¸ ¸grup la algebr˘ si care indic˘ rolul integrator al transform˘ rilor geometrice cu algebra a¸ a aabstract˘ . a Primele obiective operationale care se urm˘ resc ˆn predarea temei respective sunt: ¸ a ı - construirea imaginii unui punct printr-o anume transformare geometric˘ ; a - determinarea punctelor ce corespund printr-o transformare care duce o ﬁgur˘ aˆntr-o alt˘ ﬁgur˘ ;ı a a - remarcarea elementelor care determin˘ o transformare geometric˘ : centrul si- a ametriei, centrul si unghiul rotatiei, etc.; ¸ ¸ - construirea imaginii unei ﬁguri printr-o transformare geometric˘ . a Prin atingerea acestor obiective elevii cap˘ t˘ deprinderea de a folosi transform˘ rile aa ageometrice ˆn rezolvarea problemelor. ı ˆ functie de timpul disponibil, se poate aborda structura grupal˘ a transform˘ rilor In ¸ a ageometrice si teoreme de exprimare a unor transform˘ ri geometrice ca o compunere ¸ ade transform˘ ri mai simple. De exemplu, orice izometrie este compunerea a cel mult atrei simetrii axiale. O structur˘ geometric˘ suﬁcient de simpl˘ si ˆn acelasi timp cu multe propriet˘¸i a a a¸ ı ¸ ateste structura metric˘ a planului (spatiului) dat˘ de distanta dintre dou˘ puncte. a ¸ a ¸ aAceast˘ structur˘ are si un accentuat caracter intuitiv, ceea ce permite utilizarea ei ˆn a a ¸ ıclasele a VI-a si a VII-a.Transform˘ rile geometrice compatibile cu structura metric˘ ¸ a asunt interesante si bogate ˆn propriet˘¸i. Dou˘ asemenea clase de transform˘ ri sunt ¸ ı at a astudiate cu prec˘ dere: izometriile si asem˘ n˘ rile. a ¸ a a Gˆ ndim spatiul ﬁzic obisnuit ca o multime de elemente numite puncte, notat cu a ¸ ¸ ¸S. Distanta este o aplicatie , cu urm˘ toarele propriet˘¸i: ¸ ¸ a at 1. d(A, B) ≥ 0 si d(A, B) = 0 dac˘ si numai dac˘ A ≡ B; ¸ a¸ a 2. d(A, B) = d(B, A) 3. d(A, B) ≤ d(A, C) + d(C, B), oricare ar ﬁ punctele A, B, C ∈ S. Aplicatia T : S → S se numeste izometrie dac˘ ¸ ¸ a d(T A, T B) = d(A, B),adic˘ p˘ streaz˘ distanta ˆntre puncte si a a a ¸ ı ¸ se numeste asem˘ nare dac˘ ¸ a a d(T A, T B) = k · d(A, B),adic˘ multiplic˘ distanta cu un factor real strict pozitiv k. a a ¸
• 41. 2.1. SIMETRII 37 Orice izometrie este o asem˘ nare particular˘ (k = 1). a a Totusi ˆn mod obisnuit, se face ˆntˆ i studiul detaliat al izometriilor apoi cel al ¸ ı ¸ ı aasem˘ n˘ rilor. Aceast˘ ordonare pe lˆ ng˘ avantajul didactic evident de a se trece de a a a a ala simplu la mai complicat este dictat˘ si de faptul c˘ orice asem˘ nare este compu- a¸ a anerea unei izometrii cu o omotetie (o asem˘ nare particular˘ ). Teoreme asem˘ n˘ toare a a a apentru izometrii, de exemplu, orice izometrie a planului care p˘ streaz˘ orientarea a aeste sau o translatie, sau rotatie, sau simetrie central˘ , respectiv, orice izometrie este ¸ ¸ acompunerea a cel mult trei simetrii axiale ne arat˘ c˘ e recomandabil˘ mai ˆntˆ i stu- a a a ı adierea izometriei particulare (simetria, translatia, rotatia), apoi trecerea la stabilirea ¸ ¸propriet˘¸ilor generale ale izometriilor. at ˆ urma analizei modalit˘¸ilor de a concepe predarea transform˘ rilor geometrice In at aˆn diferite programe si manuale se pot distinge dou˘ puncte de vedere: sintetic siı ¸ a ¸vectorial- analitic. Conform primului, transform˘ rile geometrice se deﬁnesc ˆn mod direct, cu ele- a ımente geometrice simple: puncte, drepte, plane, unghiuri si propriet˘¸ile lor se de- ¸ atmonstreaz˘ geometric pe baza axiomelor si teoremelor simple de geometrie. a ¸ Al doilea punct de vedere se refer˘ la introducerea transform˘ rilor geometrice pe a abaza notiunii de vector sau prin expresiile lor analitice, propriet˘¸ile obtinˆ ndu-se ¸ at ¸ aprin combinarea elementelor de algebr˘ vectorial˘ cu elemente de geometrie anali- a atic˘ . a ˆ cele ce urmeaz˘ vom explora succesiv ambele puncte de vedere pentru ﬁecare In adin izometriile remarcabile si apoi pentru asem˘ n˘ ri. ¸ a a2.1 Simetriiˆ mod natural trebuie s˘ ˆncepem cu studiul simetriilor ˆn plan, apoi s˘ trecem laIn aı ı aspatiu. ¸ ¸˘ Simetria fata de un punct ˆn plan ı • Putem ˆncepe prin a cere elevilor (clasa a VI-a) s˘ deseneze mai multe seg- ı a mente care au acelasi mijloc O. Ei deseneaz˘ m˘ surˆ nd cu rigla sau eventual cu ¸ a a a compasul (dac˘ sunt familiarizati cu acest instrument) o ﬁgur˘ asem˘ n˘ toare cu a ¸ a a a a¸ ¸˘ ﬁgura 2.1, care poate ﬁ apoi prezentat˘ si pe o plansa preg˘ tit˘ anterior. a a • Cu notatiile introduse ˆn ﬁgura 2.1, vom spune c˘ A este simetricul punctului A ¸ ı a ¸˘ ¸˘ fata de O, c˘ B este simetricul punctului B fata de O, la fel C este simetricul a ¸˘ lui C fata de O s.a.m.d. ¸ • Subliniem c˘ O este mijlocul pentru segmentele AA , BB , CC etc, si repet˘ m a ¸ a modul de constructie al punctelor A , B , etc. ¸
• 42. 38 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICE C’ D A’ B O B’ A C D’ ¸˘ Figura 2.1: Simetria fata de un punct Fix˘ m apoi deﬁnitia formal˘ : a ¸ a ¸˘ simetricul unui punct M fata de un punct O este un punct M , astfel c˘ O este amijlocul segmentului M M ; simetricul lui O este O. • Alternativ, pentru a preg˘ ti ideea de functie putem spune c˘ oric˘ rui punct M a ¸ a a a a ¸˘ din plan putem s˘ -i asociem un punct M , simetricul s˘ u fata de O; lui O i se asociaz˘ O ˆnsusi. a ı ¸ Aici sau la o reluare ˆntr-o clas˘ superioar˘ aceast˘ asociere o vom numi simetrie ı a a a de centru O si o vom nota prin SO , pentru a indica centrul de simetrie, scriind ¸ A = SO (A), B = SO (B), etc. • Revenind la ﬁgura 2.1, din paralelogramul ABA B (diagonalele se ˆnjum˘ t˘¸esc) ı a at constat˘ m c˘ segmentul A B este congruent cu segmentul AB, adic˘ simetria a a a ¸˘ fata de O (numit˘ si simetrie de centru O, sau simetrie central˘ ) este o izometrie. a¸ a a ¸˘ • Spunem apoi c˘ dreapta A B este simetrica dreptei AB fata de punctul O si ¸ subliniem c˘ ea este paralel˘ cu dreapta AB. La fel dreapta A C este simetrica a a ¸˘ ¸˘ dreptei AC fata de O. Deci simetrica unei drepte fata de un punct O se obtine ¸ construind simetricele a dou˘ puncte distincte ale ei si apoi unindu-le. a ¸ a a a ¸˘ • Observ˘ m c˘ dac˘ M este simetricul fata de O al punctului M , atunci simetricul ¸˘ fata de O al punctului M este chiar M . 2 Mai tˆ rziu vom scrie SO = I, unde I este transformarea identic˘ a planului si a a ¸ vom spune c˘ SO este transformare involutiv˘ . a a a a ¸˘ • Fie acum d o dreapt˘ oarecare din plan. Dac˘ ea trece prin O, simetrica ei fata de punctul O coincide cu ea ca multime (nu punct cu punct). Cu alte cuvinte, ¸ simetricul oric˘ rui punct de pe d se aﬂ˘ pe d. Vom spune c˘ O situat pe d este a a a centru de simetrie pentru ﬁgura format˘ din dreapta d. a
• 43. 2.1. SIMETRII 39 d d’ O ¸˘ Figura 2.2: Simetrica unei drepte fata de un punct a ¸˘Presupunem c˘ O nu este situat pe d. Simetrica dreptei d fata de O este o dreapt˘ d aparalel˘ cu d. Figura F = d ∪ d are proprietatea c˘ simetricul oric˘ rui punct al ei a a a ¸˘fata de O este tot pe ea, ﬁgura 2.2. Vom spune c˘ O este centru de simetrie al ﬁgurii aF. Cele observate pot ﬁ formulate astfel:DEFINITIA 2.1 Spunem c˘ o ﬁgur˘ F admite ca centru de simetrie un punct O, ¸ a adac˘ simetricul fata de O al oric˘ rui punct al ﬁgurii F se aﬂ˘ ˆn F . a ¸˘ a aıDup˘ cum am v˘ zut mai sus: a a -oricare punct al unei drepte este centru de simetrie pentru ea, adic˘ dreapta are o ainﬁnitate de centre de simetrie. Figura format˘ din dou˘ drepte care se intersecteaz˘ ˆn O are ca centru de simetrie a a aıpe O si numai pe el. ¸ d d’ δ D C O δ A B Figura 2.3: Centru de simetrie Din ﬁgura 2.2 rezult˘ c˘ ﬁgura format˘ din reunirea a dou˘ drepte paralele are a a a ao inﬁnitate de centre de simetrie, situate pe o dreapt˘ . Reunind aceste dou˘ drepte a a
• 44. 40 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICEcu alte dou˘ drepte paralele ˆntre ele, dar formˆ nd un anumit unghi cu primele dou˘ a ı a aobtinem o ﬁgur˘ cu un singur centru de simetrie (ﬁgura 2.3). ¸ a Rezult˘ c˘ ˆn particular, paralelogramul are un singur centru de simetrie. a aı Unghiul, ˆnteles ca reuniunea a dou˘ semidrepte cu originea comun˘ , nu are centru ı ¸ a ade simetrie. Centrele de simetrie sunt importante ˆn aplicatiile geometriei ˆn practic˘ . ı ¸ ı a ˆ ¸˘ Intr-o abordare vectorial-analitic˘ a geometriei, simetria fata de un punct O se apoate deﬁni astfel: −→ − −→ simetricul lui A fata de O este un punct A , astfel ca OA = −OA. ¸˘ ¸˘ Gˆ ndim simetria fata de O direct ca aplicatie: A → A , deﬁnit˘ de relatia vecto- a ¸ a ¸ ¸˘rial˘ de mai sus. Fie B simetricul fata de O al unui punct B diferit de A. a Egalit˘¸ile vectoriale at − → −→ −→ − − − − → − −→ −→ A B = OB − OA = OA − OB = −ABne arat˘ c˘ simetria fata de O p˘ streaz˘ coliniaritatea punctelor, duce o dreapt˘ ˆntr-o a a ¸˘ a a aıdreapt˘ paralel˘ cu ea si c˘ este izometrie. a a ¸ a Remarc˘ m c˘ relatiile vectoriale au avantajul de a da informatii mai multe ˆntr-o a a ¸ ¸ ıform˘ condensat˘ . a a Pentru a deduce ecuatiile simetriei vom introduce un reper cartezian ˆn plan. Cel ¸ ımai simplu este s˘ lu˘ m originea sa ˆn O. a a ı ¸ ¸ a ¸˘ Fie A(x, y) si A (x , y ) . Relatia vectorial˘ de deﬁnire a simetriei fata de O con-duce la: x = −x, y = −y (2.1) ¸˘ Aceste formule se numesc ecuatiile simetriei fata de origine. ¸ Rezult˘ c˘ o ﬁgur˘ din plan descris˘ de o expresie algebric˘ E(x, y) are originea a a a a aca centru de simetrie dac˘ si numai dac˘ E(−x, −y) = E(x, y). a¸ a Dac˘ O are coordonate oarecare (x0 , y0 ), aceeasi relatie de deﬁnire a simetriei a ¸ ¸ ¸˘fata de O conduce a formulele x = 2x0 − x, y = 2y0 − y. (2.2) Aceste formule pot ﬁ luate ca deﬁnitie a simetriei centrale. ¸ ¸˘ Simetria fata de o dreapt˘ ˆn plan aı Pentru a introduce deﬁnitia acestei transform˘ ri geometrice la clasa a VI-a putem ¸ aˆncepe cu urm˘ toarea semiexperienta:ı a ¸˘
• 45. 2.1. SIMETRII 41 • ˆn partea superioar˘ a unei coli albe de hˆ rtie se fac trei - patru pete mici de ı a a cerneal˘ , apoi coala se ˆndoaie. Petele de cerneal˘ vor l˘ sa urme pe partea infe- a ı a a rioar˘ a colii. a • Dezdoim coala si unim cu o linie colorat˘ ﬁecare pat˘ cu urma l˘ sat˘ de ea la ¸ a a a a ˆndoirea colii. ı • Tras˘ m cu o alt˘ culoare linia de ˆndoire a colii. Dreptele duse anterior vor a a ı intersecta linia de ˆndoire dup˘ niste puncte. ı a ¸ • Cerem elevilor s˘ m˘ soare, pentru ﬁecare pat˘ ˆn parte, distanta de la ea si de la a a aı ¸ ¸ urma ei la dreapta de ˆndoire. Vor constata c˘ aceste distante sunt aproximativ ı a ¸ egale si c˘ dreapta ce uneste o pat˘ cu imaginea ei (cu urma ei) este perpendi- ¸ a ¸ a cular˘ pe linia de ˆndoire a colii. a ı • Reprezent˘ m coala cu care am lucrat ca ˆn ﬁgura 2.4, inroducem notatii si a ı ¸ ¸ aﬁrm˘ m c˘ dreptele AA , BB , CC si DD sunt perpendiculare pe d si c˘ a a ¸ ¸ a (AP ) ≡ (P A ), (BQ) ≡ (QB ), (CR) ≡ (RC ), (DS) ≡ (SD ). B D C A M Q R S d P M’ C’ A’ D’ B’ ¸˘ Figura 2.4: Simetria fata de o dreapt˘ a a ¸˘ Vom spune c˘ A este simetricul lui A fata de dreapta d si c˘ B este simetricul ¸ a ¸˘ lui B fata de dreapta d, s.a.m.d. ¸ • Punctul A se mai poate construi astfel: Ducem din A perpendiculara pe d si prelungim segmentul (AP ) cu un segment ¸ (P A ) ≡ (AP ). Preciz˘ m apoi, dac˘ e cazul, cum se efectueaz˘ aceast˘ constructie cu rigla si a a a a ¸ ¸ compasul. a a a ¸˘ • Se constat˘ c˘ simetricul oric˘ rui punct fata de dreapta d este unic determinat; simetricul unui punct de pe d fata de d este el ˆnsusi. ¸˘ ı ¸
• 46. 42 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICE a ¸˘ Asociind unui punct din plan simetricul s˘ u fata de dreapta d, obtinem o functie ¸ ¸ a ¸˘ care va ﬁ numit˘ simetria fata de dreapta d, notat˘ cu Sd . a a ¸˘ Dac˘ A este simetricul lui A fata de d, vom spune c˘ si punctele A si A sunt a¸ ¸ ¸˘ simetrice fata de dreapta d, A = Sd (A). a a a ¸˘ • Din ﬁgura 2.4 rezult˘ c˘ dou˘ puncte sunt simetrice fata de dreapta d, dac˘ d a este mediatoarea segmentului ce le uneste. Aceast˘ observatie poate ﬁ luat˘ ca ¸ a ¸ a deﬁnitie. ¸ • Completˆ nd ﬁgura 2.4 cu linii punctate, din dou˘ triunghiuri dreptunghice con- a a gruente constat˘ m c˘ AB = A B . a a ˆ a ¸ a ¸˘ Intrucˆ t punctele A si B sunt arbitrare deducem c˘ simetria fata de o dreapt˘a este o izometrie. ¸˘ • Studiem apoi imaginile printr-o simetrie fata de o dreapt˘ dat˘ (numit˘ si si- a a a¸ metrie axial˘ ) a diferitelor ﬁguri geometrice, ˆn functie de cunostintele elevilor a ı ¸ ¸ ¸ la momentul respectiv. Remarc˘ m, unde este cazul, congrueta elementelor ce a ¸ corespund prin simetrie axial˘ . a Revenind la ﬁgura 2.4, ﬁx˘ m atentia asupra trapezului isoscel B B AA. Punctele a ¸de pe segmentul (AB) sunt duse prin Sd ˆn puncte de pe A B , iar punctele de pe ısegmentul AA sunt duse prin Sd ˆn puncte de pe acelasi segment. Similar pentru ı(BB ). Asadar, oricare punct de pe trapez are imaginea prin Sd tot pe trapez. ¸ • Vom spune ca trapezul ˆn discutie are o ax˘ de simetrie: dreapta d. ı ¸ a Fie un cerc de centru O si M N un diametru al s˘ u. Simetricul oric˘ rui punct ¸ a a ¸˘de pe cerc fata de M N este pe cerc (diametrul este mediatoarea oric˘ rei coarde aperpendicular˘ pe el). Vom spune c˘ diametrul M N este ax˘ de simetrie a cercului a a adat. • Orice diametru al cercului este ax˘ de simetrie pentru cerc, deci cercul admite o a inﬁnitate de axe de simetrie. Situatiile prezentate impun urm˘ toarea deﬁnitie. a ¸DEFINITIA 2.2 O ﬁgur˘ plan˘ F admite o ax˘ de simetrie d, dac˘ simetricul ¸ a a a aoric˘ rui punct din F fata de d este ˆn F . a ¸˘ ı • C˘ ut˘ m apoi alte ﬁguri plane care admit axe de simetrie. ˆ aceast˘ c˘ utare ne a a In a a poate ajuta urm˘ toarea observatie. a ¸Observatia 2.1 Dac˘ F este simetrica unei ﬁguri F fata de o dreapt˘ d, atunci ¸ a ¸˘ aﬁgura F ∪ F are ca ax˘ de simetrie pe d. a
• 47. 2.1. SIMETRII 43De exemplu, ﬁe o dreapt˘ a care face un anumit unghi α (diferit de unghiul nul) cu ad si o intersecteaza ˆn O. Not˘ m cu a simetrica ei fata de d. ¸ ı a ¸˘ Dac˘ α = 90◦ , atunci a coincide cu a si putem spune ca d este ax˘ de simetrie a ¸ apentru a. Rezult˘ c˘ dreapta a are o inﬁnitate de axe de simetrie: dreptele perpendi- a aculare pe ea. Un segment nenul are o singura ax˘ de simetrie - mediatoarea sa; a axa de simetrie a unei semidrepte este perpendiculara pe ea ˆn originea ei (ˆn baza ı ıobservatiei de mai sus). ¸ Dac˘ m˘ sura lui α este diferit˘ de 90◦ , atunci a ∪ a este ﬁgura format˘ din patru a a a aunghiuri opuse, dou˘ cˆ te dou˘ , la vˆ rf. Dreapta d apare ca ax˘ de simetrie pentru a a a a adou˘ dintre ele, pentru care este si bisectoare. Rezult˘ c˘ orice unghi are o ax˘ de a ¸ a a asimetrie: bisectoarea sa. Dac˘ presupunem acum c˘ dreapta a este paralela cu d, atunci a este si ea paralela a a ¸cu d. Rezult˘ c˘ ﬁgura format˘ din dou˘ drepte paralele admite o ax˘ de simetrie. a a a a a Fie b si b dou˘ drepte paralele si perpendiculare pe d. Axa lor de simetrie d va ﬁ ¸ a ¸perpendiculara pe d. Prin reunirea celor patru drepte a, a , b, b obtinem un dreptunghi ¸completat cu niste semidrepte. Rezult˘ c˘ ﬁgura are dou˘ axe de simetrie d si d . ¸ a a a ¸ Orice dreptunghi are dou˘ axe de simetrie perpendiculare ˆntre ele. a ı • Prezentarea unor planse cu ﬁguri plane care admit axe de simetrie poate ﬁ util˘ . ¸ a ¸˘ • Rezolvarea unor probleme de geometrie prin folosirea simetriei fata de o ax˘ a este pasul urm˘ tor. a ¸˘ Simetria fata de o dreapt˘ se preteaz˘ , ca si simetria central˘ , la o tratare vectorial˘ a a ¸ a asi analitic˘ . Deﬁnitia ei vectorial˘ se poate da folosind vectorul de directie al dreptei¸ a ¸ a ¸(axei de simetrie). Propriet˘¸ile ei se demonstreaz˘ ˆn mod speciﬁc. at aı Tratarea vectorial˘ a simetriei axiale nu aduce simpliﬁc˘ ri. Dimpotriv˘ , ˆn multe a a a ılocuri apare complicat˘ si artiﬁcial˘ . Ea este recomandabil˘ numai dac˘ insist˘ m s˘ a¸ a a a a atrat˘ m unitar (vectorial ˆn acest caz) toate transform˘ rile geometrice. a ı a Analitic, prin introducerea unui reper ˆn plan, putem exprima coordonatele sime- ıtricului unui punct dat fata de o dreapta d, ˆn functie de coordonatele punctului dat ¸˘ ı ¸si de elementele care determin˘ dreapta d. Formulele care se obtin sunt ˆn general¸ a ¸ ıcomplicate si nu pot ﬁ retinute. Exceptie, face situatia ˆn care reperul se alege astfel ¸ ¸ ¸ ¸ ıˆncˆ t dreapta d s˘ ﬁe una din axele de coordonate.ı a a Dac˘ d coincide cu axa absciselor, ecuatiile simetriei Sd sunt: a ¸ x = x, y = −y, aiar dac˘ d coincide cu axa ordonatelor obtinem ¸ x = −x, y = y.
• 48. 44 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICEAceste ecuatii vor folosi la reprezentarea graﬁc˘ a functiilor ˆn studiul simetriilor ¸ a ¸ ıgraﬁcului.2.2 Translatia ¸Aceast˘ transformare geometric˘ este cu mult mai important˘ decˆ t simetriile, pentru a a a ac˘ deﬁnirea si studiul ei impun conceptul de vector ˆn forma sa riguroas˘ : clas˘ de a ¸ ı a asegmente orientate echipolente (de aceeasi lungime, aceeasi directie si acelasi sens). ¸ ¸ ¸ ¸ ¸ ˆ general, ˆn c˘ rtile ˆn care acest subiect se abordeaz˘ , se introduce izomorﬁsmul In ı a¸ ı aˆntre grupul translatiilor (cu operatia de compunere) si grupul aditiv al vectorilor.ı ¸ ¸ ¸ Cˆ teva observatii se impun de la ˆnceput. a ¸ ı Pentru notiunea de vector cadrul cel mai convenabil este spatiul si nu planul. ˆ ¸ ¸ ¸ In ¸˘consecinta apare mai natural studiul translatiei ca transformare a spatiului. Vectorii ¸ ¸dintr-un plan se vor identiﬁca cu translatiile care duc planul ˆn sine. Evident c˘ ¸ ı aaceast˘ abordare este posibil˘ dup˘ ce elevii au anumite cunostinte de geometria a a a ¸ ¸spatiului. ¸ Intuitiv translatia ˆn spatiu se deﬁneste ca o transformare prin care toate punctele ¸ ı ¸ ¸se deplaseaz˘ ˆn una si aceeasi directie, ˆntr-un sens dat, la aceeasi distanta. Evident aı ¸ ¸ ¸ ı ¸ ¸˘c˘ este mai greu de sesizat deplasarea simultan˘ a tuturor punctelor spatiului decˆ t a a a ¸ aunei submultimi (ﬁguri) a lui. ¸ ˆ consecinta este mai bine s˘ ˆncepem prin a spune c˘ o ﬁgur˘ F s-a obtinut In ¸˘ aı a a ¸dintr-o ﬁgur˘ F printr-o translatie dac˘ punctele ei s-au obtinut din cele ale lui F a ¸ a ¸prin deplasare ˆn una si aceeasi directie, ˆntr-un sens dat, la aceeasi distanta. Aceste ı ¸ ¸ ¸ ı ¸ ¸˘aspecte intuitive se cer sprijinite de ﬁguri variate. Credem c˘ un scurt ﬁlm de desene aanimate, bine realizat, ar putea ﬁ util ˆn sprijinirea intuitiei elevilor. ı ¸ O prim˘ formalizare a consideratiilor intuitive se poate da astfel: a ¸ ﬁgurile F si F corespund printr-o translatie dac˘ oricare ar ﬁ punctele P si Q ¸ ¸ a ¸distincte din F lor le corespund ˆn mod unic punctele P si Q din F , astfel ˆncˆ t ı ¸ ı asegmentele (P P ) si (QQ ) s˘ ﬁe congruente, paralele si de acelasi sens. ¸ a ¸ ¸ Ca aplicatie a spatiului S pe el ˆnsusi, translatia poate ﬁ deﬁnit˘ prin: ¸ ¸ ı ¸ ¸ aDEFINITIA 2.3 O aplicatie ¸ ¸ τ :S→Sse numeste translatie, dac˘ oricare ar ﬁ punctele distincte ¸ ¸ a P, Q ∈ S, P = τ (P ), Q = τ (Q),segmentele (P P ) si (QQ ) sunt congruente, paralele si de acelasi sens. ¸ ¸ ¸
• 49. 2.2. TRANSLATIA ¸ 45 Dac˘ R este un al treilea punct din S, diferit de P, Q si R = τ (R), rezult˘ c˘ a ¸ a asegmentele (RR ), (P P ) si (QQ ), sunt congruente ˆntre ele, paralele ˆntre ele si de ¸ ı ı ¸acelasi sens. Din deﬁnitia de mai sus rezult˘ c˘ si ﬁgura P P Q Q este un parale- ¸ ¸ a a¸logram, deci segmentele (P Q ) si (P Q) sunt de asemenea paralele si congruente. ¸ ¸ P’ Q’ R’ P Q R Figura 2.5: Translatia ¸ ˆ concluzie, translatia este o izometrie. Din propriet˘¸ile generale ale izometriilor In ¸ atrezult˘ c˘ a a • imaginea unei drepte d este o dreapt˘ d , τ (d) = d , paralel˘ cu d; a a • imaginea unui segment printr-o translatie este un segment; ¸ • imaginea unui unghi printr-o translatie este un unghi congruent cu el; ¸ • imaginea unui triunghi printr-o translatie este un triunghi congruent cu el; ¸ • imaginea unui cerc cu centrul O si raz˘ r printr-o translatie este un cerc cu raza ¸ a ¸ r si centrul ˆn O , translatatul lui O prin translatia considerat˘ ; ¸ ı ¸ a • imaginea unui plan printr-o translatie este un plan paralel cu el sau chiar el. ¸ Compunerea a dou˘ translatii τ si σ. a ¸ ¸ Pentru dou˘ puncte distincte P si Q din spatiu, not˘ m a ¸ ¸ a P = τ (P ), Q = τ (Q), P ” = σ(P ), Q” = σ(Q ). Corespondenta P → P ”, Q → Q” se bucur˘ de proprietatea c˘ segmentele (P P ”) ¸ a asi (QQ”) sunt congruente, paralele si de acelasi sens. Acest fapt rezult˘ usor ˆn urma¸ ¸ ¸ a ¸ ıanalizei mai multor cazuri, de exemplu ﬁg. 2.6, ˆn care ∆P P P ” ≡ ∆QQ Q” sunt ıcongruente si au laturile respectiv paralele. Cum punctele P si Q erau arbitrare, ¸ ¸consideratiile de mai sus pot ﬁ aplicate la oricare alte perechi de puncte. ¸
• 50. 46 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICE P’ P P’ P" P P" P’ P P" Q’ Q Q’ Q" Q Q" Q Q" Q’ Figura 2.6: Asadar, corespondenta P → P ”, Q → Q” etc. deﬁneste o translatie pe care o ¸ ¸ ¸ ¸vom nota prin σ ◦ τ si o vom numi compunerea translatiilor τ si σ. ¸ ¸ ¸ Cu notatiile precedente avem σ◦τ (P ) = σ(τ (P )) pentru orice punct P din spatiu. ¸ ¸ Fiind dat˘ translatia τ , deﬁnit˘ de corespondenta P → P , Q → Q etc., se con- a ¸ a ¸stat˘ usor c˘ asocierea P → P, Q → Q, e.t.c. deﬁneste o translatie pe care o vom a ¸ a ¸ ¸ −1nota cu τ si o vom numi inversa translatiei τ . ¸ ¸ Considerˆ nd aplicatia identic˘ drept translatie particular˘ suntem ˆn pozitia de a a ¸ a ¸ a ı ¸pune ˆn evidenta grupul translatiilor spatiului. ı ¸˘ ¸ ¸ Studiul translatiilor este incomplet f˘ r˘ a stabili leg˘ tura lor cu notiunea de vec- ¸ aa a ¸tor. ˆ consideratiile de mai sus avem suﬁciente motive pentru introducerea notiunii In ¸ ¸de vector. ˆ deﬁnirea unei translatii prin corespondenta P → P , Q → Q etc. In ¸ ¸subˆntelegem c˘ segmentele (P P ), (QQ ), (RR ) etc. sunt perechi ordonate de puncte. ı ¸ aVom spune c˘ segmentele ˆn discutie sunt orientate, primul punct va ﬁ numit origine a ı ¸si al doilea extremitate a segmentului orientat.¸ Recitind deﬁnitia translatiei constat˘ m c˘ o translatie este caracterizat˘ de ceea ce ¸ ¸ a a ¸ aau ˆn comun segmentele orientate (P P ), (QQ ) etc., adic˘ lungime, directie si sens. ı a ¸ ¸DEFINITIA 2.4 Se numeste vector o multime de segmente orientate care au aceeasi ¸ ¸ ¸ ¸lungime, aceeasi directie si acelasi sens. ¸ ¸ ¸ ¸ Vom nota vectorul prin P P si vom spune c˘ segmentul orientat (P P ) este un ¸ areprezentant al vectorului P P . Oricare alt segment orientat din multimea respectiv˘ ¸ areprezint˘ vectorul P P . Asadar o translatie este caracterizat˘ de un vector u = P P a ¸ ¸ a ¯si ˆn continuare vom indica translatia prin vectorul ce o caracterizeaz˘ , spunˆ nd:¸ ı ¸ a atranslatia de vector P P . ¸ Este cu totul natural s˘ spunem c˘ doi vectori sunt egali dac˘ multimile de seg- a a a ¸mente orientate care ˆi deﬁnesc sunt egale. ı Consider˘ m translatiile τ si σ deﬁnite respectiv de vectorii P P si P P “ . Com- a ¸ ¸ ¸
• 51. ¸ ˆ2.3. ROTATIA IN PLAN 47pusa lor σ ◦ τ este deﬁnit˘ (caracterizat˘ ) de vectorul P P . Avem astfel posibilitatea a aunei perechi de vectori P P si P P “ s˘ asociem un al treilea vector P P , numit ¸ asuma vectorilor P P si P P “. ¸ Este posibil s˘ folosim o alt˘ cale pentru introducerea notiunii de vector, situatia a a ¸ ¸ˆn care translatia se deﬁneste astfel:ı ¸ ¸DEFINITIA 2.5 Se numeste translatie de vector u o aplicatie ¸ ¸ ¸ ¯ ¸ Tu : S → S, ¯Tu (P ) = P astfel ca P P = u ¯ ¯Se stabilesc apoi propriet˘¸ile translatiei folosind propriet˘¸i ale vectorilor. Caracte- at ¸ atrizarea translatiei printr-un vector conduce imediat la teorema: ¸TEOREMA 2.1 Date ﬁind dou˘ puncte distincte A si A exist˘ o translatie unic˘ ce a ¸ a ¸ aduce A ˆn A . ıAceasta este evident translatia de vector AA . ¸ Consideratiile de mai sus pot ﬁ repetate identic pentru un plan ﬁxat. Obtinem ¸ ¸astfel notiunea de translatie ˆn plan, cea de vector ˆn plan. Alternativ, avˆ nd notiunile ¸ ¸ ı ı a ¸precedente ˆn spatiu putem s˘ ne punem problema restrictiei lor la un plan sau o ı ¸ a ¸dreapt˘ . Astfel translatiile care duc un plan π ˆn sine se vor numi translatii ale a ¸ ı ¸planului π. Corespunz˘ tor, doi sau mai multi vectori sunt coplanari dac˘ exist˘ a ¸ a areprezentanti ai lor ˆn acelasi plan. ¸ ı ¸ Pentru reprezentarea translatiei ˆn coordonate consider˘ m un plan ﬁxat ˆn care am ¸ ı a ıintrodus un sistem cartezian de coordonate. Orice vector din plan este caracterizatde o pereche de numere reale. Fie translatia de vector u = (a, b) care aplic˘ P (x, y) ˆn P (x , y ) . Asadar, avem ¸ ¯ a ı ¸ P P = u sau OP − OP = u, ¯ ¯ unde O este originea sistemului de coordonate. Ultima relatie vectorial˘ este echivalent˘ cu relatiile: ¸ a a ¸ x =x+a (2.3) y = y + b.Ecuatiile (2.3) se numesc ecuatiile translatiei de vector u. Ele pot ﬁ luate si ca ¸ ¸ ¸ ¯ ¸deﬁnitie a translatiei ˆn plan. ¸ ¸ ı2.3 Rotatia ˆn plan ¸ ıAceast˘ transformare geometric˘ , relativ usor de deﬁnit formal, are la baz˘ un fond a a ¸ ade reprezent˘ ri intuitive extrem de complex: cele care duc la ideea de cerc, cele areferitoare la unghiuri si m˘ sura unghiurilor, miscarea de rotatie tratat˘ la ﬁzic˘ s.a. ¸ a ¸ ¸ a a¸
• 52. 48 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICE •ˆ Inainte de a introduce aceast˘ tem˘ trebuie s˘ ne asigur˘ m c˘ elevii posed˘ fon- a a a a a a dul necesar de reprezent˘ ri intuitive, ˆnt˘ rindu-l si orientˆ ndu-l spre abordarea a ı a ¸ a temei ˆn discutie. ˆ acest caz sunt utile ﬁguri convenabile si exemple simple de ı ¸ In ¸ misc˘ ri de rotatie ˆn jurul unui punct ˆntˆ lnite curent de elevi (acele de ceasor- ¸ a ¸ ı ı a nic, rotile de transmisie, ...). Se pot de asemenea construi modele speciﬁce care ¸ s˘ reprezinte imaginile prin rotatie ale unor ﬁguri simple. a ¸ • Vom ˆncepe prin a considera rotatia de un unghi dat ˆn jurul unui punct dat a unei ı ¸ ı ﬁguri geometrice simple. Cel mai simplu pare a ﬁ s˘ consider˘ m o semidreapt˘ a a a de origine O si s˘ discut˘ m despre rotatiile ei ˆn jurul punctului O. ¸ a a ¸ ı Fie deci semidreapta (OA pe care o rotim ˆn pozitia (OA . ˆ ¸elegem pentru ı ¸ Int moment cuvˆ ntul ”rotim“ ˆn sens cinematic pe baza unor reprezent˘ ri intuitive. a ı a La rotirea semidreptei (OA punctul A descrie un arc de cerc AA , ﬁgura 8. Un alt punct M , de pe semidreapta (OA, ˆn urma aceleiasi rotatii va ajunge ˆn M ı ¸ ¸ ı dup˘ ce descrie un arc de cerc M M . a • Observ˘ m c˘ unghiurile AOA ≡ M OM si congruente cu unghiul format de a a ¸ semidreptele (OA si (OA . ˆ plus, segmentele (OA) si (OA ) sunt congruente. ¸ In ¸ La fel sunt si segmentele (OM ) ≡ (OM ). ¸ Dac˘ unghiul AOA are m˘ sura α (grade) vom spune c˘ A a fost obtinut din A a a a ¸ printr-o rotatie de unghi α ˆn jurul punctului O. Similar s-a obtinut M din M . ¸ ı ¸ Semidreapta (OA este obtinut˘ la fel. Vom nota aceast˘ transformare prin Rα ¸ a a O y M’ A’ O α A M α θ x B A" B’ Figura 2.7: Rotatia ¸ si vom scrie Rα (A) = A , Rα (M ) = M etc. ¸ O OAm obtinut astfel o deﬁnitie a rotatiei ˆn jurul unui punct, dar pe o ﬁgur˘ care are mai ¸ ¸ ¸ ı amulte particularit˘¸i. Astfel pentru a obtine semidreapta (OA am rotit semidreapta at ¸
• 53. ¸ ˆ2.3. ROTATIA IN PLAN 49(OA ˆn sens invers acelor de ceasornic. Acest sens este cel uzual numit si sens di- ı ¸rect trigonometric. Puteam s˘ ﬁ rotit (OA si ˆn sensul acelor de ceasornic ˆn pozitia a ¸ ı ı ¸(OA”. Complet˘ m ﬁg. 8 cu linii punctate. Alegem noua pozitie ˆncˆ t unghiurile a ¸ ı aAOA ≡ AOA”. Ele au aceeasi m˘ sur˘ α, fapt care genereaz˘ confuzie dac˘ lu˘ m ¸ a a a a aca deﬁnitie a rotatiei pe cea dat˘ mai sus. Trebuie ca ˆn acea deﬁnitie s˘ introdu- ¸ ¸ a ı ¸ acem elemente care s˘ ne permit˘ distingerea celor dou˘ sensuri de rotatie. Se poate a a a ¸proceda astfel:DEFINITIA 2.6 Spunem c˘ unghiul AOA este orientat dac˘ perechea de semi- ¸ a adrepte (OA si (OA este ordonat˘ . ¸ aDeci unghiul orientat AOA este diferit de unghiul orientat A OA. Vom spune c˘ unghiul orientat AOA este orientat pozitiv dac˘ sensul de rotatie a a ¸de la semidreapta (OA spre semidreapta (OA este opus misc˘ rii acelor de ceasornic. ¸ a Dac˘ m˘ sura unghiului neorientat AOA este α vom spune c˘ m˘ sura unghiului a a a aorientat AOA este α sau −α, dup˘ cum el este orientat pozitiv sau negativ. a Amintim c˘ multimea de valori a functiei m˘ sur˘ a unghiurilor este intervalul a ¸ ¸ a a[0◦ , 180◦ ]. Prin procedeul de mai sus am extins acest interval la [−180◦ , 180◦ ]. Rotatiile ˆn acelasi sens cu acele de ceasornic vor ﬁ descrise de unghiuri negativ ¸ ı ¸orientate, deci de m˘ suri ˆn intervalul [−180◦ , 0◦ ]. a ı Continuˆ nd rotatia semidreptei (OA dup˘ pozitia (OA ˆn sens pozitiv ajungem a ¸ a ¸ ıˆn pozitia (OB ˆncˆ t unghiul AOB este alungit (are m˘ sura 180◦ )(ﬁgura 2.7). Putemı ¸ ı a acontinua rotatia ˆn acelasi sens si ajungem, de exemplu, ˆn pozitia (OB . Unghiul ¸ ı ¸ ¸ ı ¸ ◦neorientat dintre (OA si (OB este 180 − α. Dar pentru a descrie rotatia efectuat˘ ¸ ¸ asuntem obligati s˘ folosim unghiul orientat AOB c˘ ruia este normal s˘ -i asociem ¸ a a a ◦m˘ rimea 180 + α. Deci putem considera ca multime a valorilor pentru functia- a ¸ ¸ ◦ ◦m˘ sur˘ a unghiurilor orientate intervalul [−360 , 360 ]. Intuitia ne spune c˘ obtinem a a ¸ a ¸ ◦ ◦(OA din (OA printr-o rotatie de unghi α ∈ [0 , 180 ] ca ˆn ﬁgura 8, dar si c˘ aceeasi ¸ ı ¸ a ¸semidreapt˘ poate ﬁ obtinut˘ dup˘ ce (OA efectueaz˘ n rotatii complete ˆn jurul lui a ¸ a a a ¸ ıO si apoi o rotatie de unghi α . ¸ ¸ ˆ al doilea caz vom spune c˘ unghiul orientat AOA are m˘ sur˘ α + n · 360◦ , In a a adac˘ rotatiile sunt pozitive si are m˘ sura α − n · 360◦ , dac˘ rotatiile sunt negative. a ¸ ¸ a a ¸Putem asadar spune c˘ m˘ sura unui unghi orientat este α + k · 360◦ sau α + 2k · π ˆn ¸ a a ıradiani, unde k este un num˘ r ˆntreg. a ıDEFINITIA 2.7 Rotatia de centru O si unghi orientat α a planului este o trans- ¸ ¸ ¸formare a planului prin care O se transform˘ ˆn el ˆnsusi si orice alt punct A se aı ı ¸ ¸transform˘ ˆntr-un punct A , astfel ˆncˆ t (OA) ≡ (OA ) si unghiurile α si AOA aı ı a ¸ ¸sunt congruente si au aceeasi orientare. ¸ ¸
• 54. 50 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICEDin punct de vedere cinematic este preferabil s˘ indic˘ m rotatia printr-un unghi de a a ¸ ◦ ◦ ◦forma α + k · 360 cu α ∈ [−360 , 360 ] pentru a citi cˆ te rotatii s-au efectuat si a ¸ ¸ˆn ce sens, informatii date de valoarea absolut˘ si de semnul lui k ∈ Z. Geometric,ı ¸ a¸ ◦rotatiile de unghi α + k · 360 cu k ∈ Z coincid si ˆn continuare ele vor ﬁ identiﬁcate ¸ ¸ ıcu rotatia de unghi α. ¸ Este acum usor s˘ dovedim, folosind triunghiuri congruente, c˘ : ¸ a aPROPOZITIA 2.1 Orice rotatie ˆn plan este o izometrie. ¸ ¸ ı Rezult˘ c˘ o rotatie: a a ¸ • duce o dreapt˘ ˆntr-o dreapt˘ ; aı a • duce o semidreapt˘ ˆntr-o semidreapt˘ ; aı a • duce un unghi ˆntr-unul congruent cu el; ı • duce un cerc cu centrul O si raz˘ r ˆntr-un cerc cu aceeasi raz˘ si centrul ˆn O ¸ a ı ¸ a¸ ı transformatul prin rotatie al lui O. ¸Se pot demonstra urm˘ toarele aﬁrmatii: a ¸ • Compusa a dou˘ rotatii de acelasi centru Rα si RO este rotatia Rα+β . a ¸ ¸ O ¸ β ¸ O • Inversa rotatiei Rα este rotatia R−α . ¸ O ¸ O • Multimea rotatiilor cu acelasi centru ˆmpreuna cu compunerea formeaz˘ un ¸ ¸ ¸ ı a grup. Introducem ˆn ﬁgura 2.7 un sistem cartezian de coordonate, ˆncˆ t unghiul ˆntre ı ı a ıOx si (OA s˘ ﬁe θ . Dac˘ A(x, y) si A (x , y ) , notˆ nd OA = OA = r, obtinem ¸ a a ¸ a ¸ x = r cos θ, y = r sin θsi¸ x = r cos(θ + α), y = r sin(θ + α). Folosind formule uzuale de trigonometrice, obtinem ¸ x = x cos α − y sin α (2.4) y = x sin α + y cos α.Aceste formule, numite si reprezentarea analitic˘ a rotatiei Rα , ele pot ﬁ luate ca ¸ a ¸ O αdeﬁnitie a rotatiei RO . ¸ ¸
• 55. ˘¸2.4. PROPRIETATI GENERALE ALE IZOMETRIILOR 512.4 Propriet˘ ti generale ale izometriilor a¸ˆIn majoritatea programelor analitice de geometrie din ˆnvˆ¸amˆ ntul preuniversitar, ı at ˘ adup˘ parcurgerea izometriilor particulare mentionate mai sus, nu se mai g˘ seste timp a ¸ a ¸pentru notiunea general˘ de izometrie si pentru cˆ teva din propriet˘¸ile ei. Consi- ¸ a ¸ a atder˘ m c˘ aceast˘ situatie lipseste pe elevi de posibilitatea de a relua si aprofunda a a a ¸ ¸ ¸unele cunostinte de baz˘ din geometrie, de sinteza util˘ ˆn procesul de integrare a ¸ ¸ a aıcunostintelor la nivelul geometriei si cu alte discipline matematice studiate ˆn scoal˘ . ¸ ¸ ¸ ı ¸ a Este necesar ca ˆn clasele terminale de liceu, cˆ nd notiunea de functie este pe ı a ¸ ¸deplin consolidat˘ , s˘ se rezerve un num˘ r de 4-6 ore pentru tratarea propriet˘¸ilor a a a atgenerale ale izometriilor, ocazie cu care s˘ se reaminteasc˘ izometriile particulare a aˆntˆ lnite ˆn clasele anterioare. Schitam mai jos o posibilitate de abordare a acestuiı a ı ¸˘subiect. ¸ ¸˘ Dup˘ actualizarea functiei distanta, deﬁnim notiunea de izometrie. Propriet˘¸ile a ¸ atgenerale pe care le avem ˆn vedere pot ﬁ tratate direct ˆn spatiu. Am deﬁnit anterior ı ı ¸izometria ca aplicatie care p˘ streaz˘ distanta. Din deﬁnitie rezult˘ c˘ orice izometrie ¸ a a ¸ ¸ a aeste bijectiv˘ , dar surjectivitatea se demonstreaz˘ greoi, ˆncˆ t este de preferat s˘ o a a ı a aintroducem ˆn deﬁnitie. ı ¸DEFINITIA 2.8 O aplicatie f : S → S a spatiului ˆn el ˆnsusi se numeste izome- ¸ ¸ ¸ ı ı ¸ ¸trie, dac˘ este surjectiv˘ si p˘ streaz˘ distanta, adic˘ a a¸ a a ¸ a d(f (A), f (B)) = d(A, B), ∀A, B ∈ S. (2.5)TEOREMA 2.2 Orice izometrie a spatiului este bijectiv˘ si inversa ei este de ase- ¸ a¸menea izometrie. Demonstratie. ˆ ¸ Intr-adev˘ r, f (A) = f (B) implic˘ d(A, B) = 0, de unde A = B, a aadic˘ f este injectiv˘ . a a Dac˘ f (A) = A si f (B) = B atunci f −1 (A ) = A, f −1 (B ) = B si (2.5) se a ¸ ¸rescrie d(f −1 (A ), f −1 (B )) = d(A , B ),deci f −1 este izometrie. q.e.d. Deﬁnitia precedent˘ se poate formula pentru un plan si orice izometrie a planului ¸ a ¸este bijectiv˘ , inversa ei ﬁind izometrie. a Amintim acum c˘ ﬁind date trei puncte distincte A, B, C ˆn spatiu se spune c˘ a ı ¸ apunctul B este ˆntre A si C dac˘ si numai dac˘ ı ¸ a¸ a d(A, B) + d(B, C) = d(A, C).Se mai spune c˘ B este interior segmentului (AC). a
• 56. 52 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICETEOREMA 2.3 Fie f : S → S o izometrie a spatiului. Dac˘ punctul B este ˆntre ¸ a ıA si C, atunci f (B) este ˆntre punctele f (A) si f (C) si reciproc. ¸ ı ¸ ¸ Ipotezele conduc imediat la relatia ¸ d(f (A), f (B)) + d(f (B), f (C)) = d(f (A), f (C)).Folosind aceast˘ teorem˘ , se demonstreaz˘ c˘ orice izometrie a spatiului transform˘ : a a a a ¸ a • orice segment (AB) ˆn segmentul (f (A)f (B)), astfel ˆncˆ t se p˘ streaz˘ ordinea ı ı a a a punctelor; • orice semidreapt˘ (AB ˆn semidreapta (f (A)f (B)) astfel ˆncˆ t se p˘ streaz˘ or- a ı ı a a a dinea punctelor; • orice dreapt˘ AB ˆn dreapta f (A)f (B) astfel ˆncˆ se p˘ streaz˘ ordinea puncte- a ı ı t a a lor; • orice plan π ˆn planul f (π) ; ı • orice semiplan ˆnchis (deschis) de frontier˘ AB ˆntr-un semiplan ˆnchis (des- ı a ı ı chis) de frontier˘ f (A)f (B); a • orice unghi AOB ˆn unghiul f (A)f (O)f (B) congruent cu AOB; ı • orice semispatiu ˆnchis (deschis) de frontier˘ π ˆn semispatiul ˆnchis (deschis) ¸ ı a ı ¸ ı de frontier˘ f (π) ; a • orice unghi diedru αdβ ˆn unghiul diedru f (α)f (d)f (β) congruent cu αdβ, ı unde α, β sunt plane si α ∪ β; ¸ • orice cerc C(O, r) (orice disc D(O, r)) ˆn cercul C(f (O), r) (ˆn discul D(f (O), r)); ı ı • orice sfer˘ S(O, r) ˆn sfera S(f (O), r). a ı Demonstrarea acestor rezultate este o ocazie excelent˘ de a reactualiza si apro- a ¸funda notiuni geometrice mai rar utilizate la nivel logic (semidreapt˘ , semiplan, ¸ asemispatiu etc.). ¸ Din propriet˘¸ile de mai sus rezult˘ c˘ orice izometrie a spatiului p˘ streaz˘ (inva- at a a ¸ a ariaz˘ ): a • paralelismul si perpendicularitatea planelor si dreptelor; ¸ ¸ • paralelismul si perpendicularitatea dintre drepte si plane. ¸ ¸
• 57. ˘ ˆ ˘¸2.5. ASEMANAREA IN PLAN. PROPRIETATI GENERALE 53TEOREMA 2.4 Multimea izometriilor spatiului S formeaz˘ un grup ˆn raport cu ¸ ¸ a ıoperatia de compunere. ¸ Apare aici ocazia de a repeta notiunea de grup, de compunere a aplicatiilor cu ¸ ¸proprietatea ei de asociativitate. Ne limit˘ m acum la izometrii plane. aTEOREMA 2.5 Fie dou˘ triunghiuri ABC si A B C ˆn planul π, astfel c˘ a ¸ ı a (AB) ≡ (A B ), (BC) ≡ (B C ), (CA) ≡ (C A ).Atunci exist˘ o unic˘ izometrie f : π → π astfel ca f (A) = A , f (B) = B , f (C) = a aC.Ideea de demonstratie este de a deﬁni f pentru A, B si C ca mai sus, de a o extinde ¸ ¸mai ˆntˆ i la dreptele AB si AC, apoi la ˆntreg planul. Unicitatea se demonstreaz˘ ı a ¸ ı aprin reducere la absurd. Aceast˘ teorem˘ combinat˘ cu observatia c˘ orice izometrie transform˘ un tri- a a a ¸ a aunghi ˆntr-un triunghi congruent cu el ne conduce la concluzia: dou˘ triunghiuri ı adintr-un plan dat sunt congruente dac˘ si numai dac˘ exist˘ o izometrie a planului a¸ a acare transform˘ un triunghi ˆn cel˘ lalt. a ı a Din consideratiile de mai sus rezult˘ c˘ , interpretat˘ ca o aplicatie ˆntre vˆ rfurile a ¸ a a a ¸ ı adou˘ triunghiuri indicat˘ prin ( ), congruenta este restrictia unei izometrii a planului. a a ¸ ¸ ¸˘Avem aici o motivare a termenului de congruenta folosit uneori pentru izometrie. a ¸˘Este acum natural s˘ extindem termenul de congruenta la ﬁguri oarecare spunˆ nd ac˘ ﬁgura F este congruent˘ cu ﬁgura F dac˘ exist˘ o izometrie f (a planului dac˘ a a a a aﬁgurile sunt plane), astfel c˘ f (F ) = F . a Aceast˘ deﬁnitie poate ﬁ util˘ ˆn considerarea functiei arie pentru ﬁguri plane mai a ¸ aı ¸complicate decˆ t suprafetele poligonale. a ¸2.5 Asem˘ narea ˆn plan. Propriet˘ ti generale a ı a¸Elevii obtin o idee despre ﬁgurile asemenea cu ocazia studiului temei Asem˘ narea ¸ atriunghiurilor. Dintre multele variante de tratare a ei este de preferat una carepreg˘ teste terenul pentru predarea asem˘ n˘ rii ca transformare geometric˘ a planu- a ¸ a a alui (spatiului). Consider˘ m c˘ aceast˘ tem˘ se poate studia imediat dup˘ studiul ¸ a a a a apropriet˘¸ilor generale ale izometriilor ˆn maniera descris˘ de noi mai sus. at ı a Transformarea de asem˘ nare poate ﬁ introdus˘ prin generalizarea izometriei. Izo- a ametria este transformarea geometric˘ ce p˘ streaz˘ distanta. a a a ¸
• 58. 54 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICE Putem considera, teoretic vorbind, transform˘ ri geometrice care multiplic˘ distanta a a ¸cu un factor.Cum distantele se exprim˘ prin numere reale pozitive, factorul de mul- ¸ atiplicare trebuie s˘ ﬁe ˆn mod necesar un numˆ r real strict pozitiv. a ı aDEFINITIA 2.9 O aplicatie ak : π → π a planului se numeste asem˘ nare de ¸ ¸ ¸ araport k, unde k este un num˘ r real strict pozitiv dac˘ este surjectiv˘ si pentru a a a ¸oricare dou˘ puncte A si B din π avem a ¸ d(ak (A), ak (B)) = k · d(A, B). (2.6) Num˘ rul k trebuie luat strict pozitiv pentru c˘ dac˘ ar ﬁ zero, din (2.6) ar rezulta a a aa0 (A) = a0 (B) pentru oricare dou˘ puncte A, B. a Deci aplicatia a0 este o aplicatie constant˘ , care nu este surjectiv˘ . ¸ ¸ a a Multimea asem˘ n˘ rilor planului nu este vid˘ , deoarece contine izometriile planu- ¸ a a a ¸lui, obtinute pentru k = 1. ¸ Din relatia (2.6) rezult˘ c˘ orice asem˘ nare a planului este injectiv˘ , iar ﬁind prin ¸ a a a adeﬁnitie surjectiv˘ , este bijectiv˘ . Se demonstreaz˘ usor c˘ inversa unei asem˘ n˘ ri ¸ a a a ¸ a a a 1de raport k este o asem˘ nare de raport k . a Mention˘ m c˘ (2.6) asigur˘ si surjectivitatea aplicatiei ak . Considerˆ nd aplicatia ¸ a a a¸ ¸ a ¸identic˘ asem˘ nare particular˘ , se constat˘ c˘ multimea asem˘ n˘ rilor planului for- a a a a a ¸ a ameaz˘ un grup ˆn raport cu compunerea aplicatiilor. a ı ¸ Asocierea ak → k este un izomorﬁsm al acestui grup cu grupul multiplicativ alnumerelor reale strict pozitive. Asem˘ n˘ rile au multe propriet˘¸i similare cu cele ale izometriilor. a a atTEOREMA 2.6 Fie ak o asem˘ nare de raport k, atunci punctul B se aﬂ˘ ˆntre A si a aı ¸C, dac˘ si numai dac˘ punctul ak (B) se aﬂ˘ ˆntre ak (A) si ak (C). a¸ a aı ¸ Modul de transformare a ﬁgurilor din plan prin asem˘ nare este identic cu cel adescris la izometrii, cu modiﬁcarea evident˘ c˘ un cerc C(O, r), respectiv un disc a aD(O, r) este transformat prin ak ˆntr-un cerc C(O, kr), respectiv un disc D(O, kr), ıadic˘ raza se multiplic˘ cu factorul k. a a Orice asem˘ nare transform˘ drepte paralele ˆn drepte paralele si c˘ asem˘ n˘ rile a a ı ¸ a a ap˘ streaz˘ raportul lungimilor segmentelor. a a Leg˘ tura cu asem˘ narea triunghiurilor se stabileste prin a a ¸TEOREMA 2.7 Dac˘ ∆ABC si ∆A B C sunt dou˘ triunghiuri oarecare ˆn planul a ¸ a ıπ astfel ˆncˆ t ı a d(A , B ) = k · d(A, B), d(B , C ) = k · d(B, C), d(C , A ) = k · d(C, A)
• 59. ˆ2.6. OMOTETIA IN PLAN 55unde k este un num˘ r real strict pozitiv, atunci exist˘ o asem˘ nare de raport k a a a aplanului π unic˘ ak ˆncˆ t a ı a ak (A) = A , ak (B) = B , ak (C) = C .Din observatia c˘ orice triunghi este transformat printr-o asem˘ nare ˆntr-un triunghi ¸ a a ıasemenea cu el si teorema precedent˘ rezult˘ : ¸ a a dou˘ triunghiuri sunt asemenea dac˘ si numai dac˘ exist˘ o asem˘ nare care s˘ a a¸ a a a atransforme unul ˆn cel˘ lalt. ı a O prim˘ consecinta a acestui fapt este aceea c˘ , ˆntrucˆ t ˆn planul euclidian exist˘ a ¸˘ a ı a ı atriunghiuri asemenea necongruente, exist˘ asem˘ n˘ ri ale planului care nu sunt izo- a a ametrii. O alt˘ consecinta rezid˘ ˆn motivatia urm˘ toarei deﬁnitii: a ¸˘ aı ¸ a ¸DEFINITIA 2.10 Dou˘ ﬁguri F si F ale planului π se numesc asemenea cu coeﬁ- ¸ a ¸cientul de asem˘ nare k dac˘ exist˘ o asem˘ nare ak a planului π , ˆncˆ t ak (F ) = F a a a a ı a.2.6 Omotetia ˆn plan ıAsem˘ narea particular˘ cea mai important˘ , l˘ sˆ nd la o parte izometria, este omote- a a a aatia de centru dat si raport dat. ¸ Deﬁnitia sintetic˘ a omotetiei poate ﬁ introdus˘ foarte devreme ˆn forma: ¸ a a ıDEFINITIA 2.11 Fie O un punct ˆntr-un plan π si k un num˘ r real strict pozitiv. ¸ ı ¸ aOmotetia de centru O si raport k este o transformare a planului π care asociaz˘ ¸ aﬁec˘ rui punct M un punct M , astfel c˘ O, M si M sunt coliniare ˆn ordinile O − a a ¸ ıM − M sau O − M − M si OM = k · OM . ¸Evident c˘ ordinea O − M − M atrage k > 1, iar ordinea O − M − M atrage k < 1. aPe de alt˘ parte, exist˘ si posibilitatea de a lua ordinele M −O−M sau M −O−M . a a¸Acest fapt ne determin˘ s˘ numim transformarea deﬁnit˘ mai sus omotetie de gen 1, a a aiar transformarea ˆn care apar ordinile M − O − M , sau M − O − M , s˘ o numim ı aomotetie de gen 2. Cu aceast˘ deﬁnitie, considerˆ nd pe rˆ nd ordinile posibile, se pot demonstra prin- a ¸ a acipalele propriet˘¸i ale omotetiei. at Ordinea de abordare a lor ar putea ﬁ urm˘ toarea: a 1 • asocierea M → M este omotetie de centru O si raport . Ea este inversa ¸ k omotetiei de centru O si raport k; ¸
• 60. 56 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICE • omotetia de raport k si centru O multiplic˘ distanta ˆntre puncte prin factorul k; ¸ a ¸ ı • omotetia transform˘ o dreapt˘ ce trece prin O ˆn ea ˆns˘ si, cu alte cuvinte, omo- a a ı ı a¸ tetiile de centru O invariaz˘ dreptele prin O; a • omotetia de centru O transform˘ o dreapt˘ d ce nu trece prin O ˆntr-o dreapt˘ d a a ı a paralel˘ cu d; a 1 • omotetia de centru O si raport k transform˘ un cerc C(P0 , r) ˆntr-un cerc C(P0 , kr) ¸ a ı 1 unde P0 este omoteticul lui P0 .TEOREMA 2.8 Orice asem˘ nare este produsul dintre o omotetie si o izometrie. a ¸ 1 Demonstratie. Dac˘ ak este o asem˘ nare de raport k si hO este o omotetie de ¸ a a ¸ k 1 1raport si centrul O un punct oarecare, atunci f = ak ◦ hO este o asem˘ nare de ¸ k a k 1raport k · = 1, deci este o izometrie. Relatia de mai sus conduce la ak = f ◦ hk . ¸ O k q.e.d. Pe de alt˘ parte, omotetia este foarte util˘ ˆn rezolvarea problemelor de geometrie, a aıfapt bine cunoscut si care se poate constata din numeroase culegeri de probleme ¸de geometrie. Din acest motiv, consider˘ m c˘ omotetia trebuie studiat˘ ˆnaintea a a aıasem˘ n˘ rii si chiar ˆnaintea trat˘ rii izometriei ˆn general. a a ¸ ı a ı Cu aceste putine cunostinte privind omotetia putem s˘ rezolv˘ m multe probleme ¸ ¸ ¸ a ainteresante de geometrie. De exemplu, putem obtine majoritatea rezultatelor privind ¸conﬁguratia Cercul lui Euler prin considerarea omotetiei inverse de centru G (centrul ¸ 1de greutate al triunghiului) si raport . ¸ 2 Ultimele dou˘ propriet˘¸i ale omotetiei, mentionate mai sus, permit abordarea a at ¸unei clase mari de probleme de loc geometric, dac˘ sunt reformulate dup˘ cum ur- a ameaz˘ : a • Locul geometric al punctului M , omoteticul punctului ˆntr-o omotetie de centru ı O si raport k, este o dreapt˘ d , cˆ nd M descrie o dreapt˘ d. Dac˘ d trece prin ¸ a a a a O, avem d = d, iar ˆn caz contrar avem d d. ı • Locul geometric al punctului M , omoteticul punctului M ˆntr-o omotetie de ı 1 centru O si raport k, este un cerc C(P0 , kr), cˆ nd M descrie cercul C(P0 , r), ¸ a 1 unde P0 este omoteticul lui P0 .ˆ momentul ˆn care elevii dispun de notiunea de vector se poate trata omotetia cuIn ı ¸metode vectoriale. ˆ asi deﬁnitia ei devine mai usoar˘ pentru c˘ notiunea de vector Ins˘ ¸ ¸ ¸ a a ¸ne permite s˘ surprindem simultan situatiile de ordonare a punctelor ˆntˆ lnite ante- a ¸ ı arior.
• 61. ˆ2.6. OMOTETIA IN PLAN 57DEFINITIA 2.12 Fie O un punct ˆn planul π si k un num˘ r real nenul. Omotetia de ¸ ı ¸ acentru O si raport k este o transformare a planului care aplic˘ un punct M ˆntr-un ¸ a ıpunct M dat de formula OM = k · OM . ˆ aceast˘ deﬁnitie cuprindem omotetiile de ambele genuri (cele de gen 1 co- In a ¸respund la k pozitiv, iar cele de gen 2 la k negativ). Demonstratiile propriet˘¸ilor ¸ atmentionate mai sus se simpliﬁc˘ pentru c˘ nu trebuie s˘ mai distingem cele dou˘ ¸ a a a agenuri de omotetie, dar ideile sunt ˆn esenta aceleasi. ı ¸˘ ¸ ˆ acest context vectorial putem s˘ ne ocup˘ m de urm˘ toarele dou˘ propriet˘¸i ale In a a a a atomotetiilor: • Multimea omotetiilor de acelasi centru formeaz˘ un grup comutativ izomorf cu ¸ ¸ a grupul multiplicativ al numerelor reale nenule. • Produsul a dou˘ omotetii hk si hk este o omotetie avˆ nd centrul coliniar cu O a O ¸ O a si O , dac˘ k · k =1 si este o translatie de vector OO dac˘ k · k = 1. Ca aplicatie ¸ a ¸ ¸ a ¸ se poate demonstra teorema lui Menelaus. Omotetia ˆn spatiu se poate prezenta similar. Deﬁnitia vectorial˘ r˘ mˆ ne practic ı ¸ ¸ a a aaceeasi. Propriet˘¸ile anterioare r˘ mˆ n valabile. La ele se pot ad˘ uga urm˘ toarele: ¸ at a a a a • omotetia spatiului invariaz˘ dreptele si planele care trec prin centrul omotetiei; ¸ a ¸ • omotetia spatiului transform˘ un plan care nu trece prin centru de omotetie ˆntr- ¸ a ı un plan paralel cu el; • omotetia spatiului de centru O si raport k transform˘ o sfer˘ S(P0 , r) ˆntr-o sfer˘ ¸ ¸ a a ı a 1 1 S(P0 , kr) unde P0 este omoteticul lui P0 . Aplicatiile omotetiei ˆn spatiu sunt analoage cu cele ale omotetiei plane. ¸ ı ¸ Revenim la plan. Fie un punct ﬁx O si o omotetie hk . Introducem ˆn plan un reper cartezian oa- ¸ O ı ¸˘recare fata de care avem O(x0 , y0 ), M (x, y) si omoteticul s˘ u M (x , y ). Conditia ¸ a ¸OM = k · OM este echivalent˘ cu a x = x0 + k(x − x0 ) (2.7) y = y0 + k(y − y0 ).Aceste ecuatii se numesc ecuatiile omotetiei hk ˆn raport cu reperul cartezian ales. ¸ ¸ O ıEle pot ﬁ luate ca deﬁnitie a omotetiei ˆn plan si utilizate pentru a demonstra pro- ¸ ı ¸priet˘¸ile esentiale ale omotetiilor. Pentru a facilita asemenea demonstratii putem at ¸ ¸alege reperul cu originea ˆn O, deci x0 = 0 si y0 = 0. ı ¸
• 62. 58 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICE De exemplu, dac˘ M parcurge dreapta de ecuatie ax + by + c = 0, atunci coordo- a ¸natele lui M satisfac ecuatia ax + by + ck = 0, deci M parcurge o dreapt˘ paralel˘ ¸ a acu cea dat˘ . a Similar, dac˘ M se aﬂ˘ pe cercul de ecuatie (x−a)2 +(y −b)2 = r2 , coordonatele a a ¸lui M veriﬁc˘ ecuatia (x − ka) + (y − kb)2 = (kr)2 . Deci, M se aﬂ˘ pe cercul de a ¸ 2 araz˘ kr si de centru omotetic cu centrul cercului dat. a ¸ Analog se pot demonstra alte propriet˘¸i ale omotetiei. at2.6.1 Folosirea omotetiei la rezolvarea unor probleme de loc geometricˆ aplicatii intervine ˆn mod frecvent urm˘ toarea problem˘ de loc geometric.In ¸ ı a a Problem˘ a Se dau cercul C(O, R), unde O este un punct ﬁx si puntul I de asemenea ﬁxat, ¸iar P un punct variabil pe cerc. Se cere s˘ se determine locul geometric al punctului a MIM ∈ IP , dac˘ raportul IP = k este cunoscut, k ﬁind un num˘ r pozitiv ﬁxat. a a P M I O’ O Figura 2.8: Construim paralela M O P O, O ∈ IO. Atunci OI MI MO MI = = k, = = k, IO IP PO IPsi cum segmentele IO, P O au lungimea constant˘ , rezult˘ c˘ punctul O este ﬁx, iar¸ a a asegmentul M O are lungimea constant˘ . a Locul geometric este cercul cu centrul O si raz˘ M O (omoteticul cercului dat sau ¸ atransformatul acestuia prin omotetia de centru I si raport k). ¸ Ca exemplu ˆn acest sens poate servi Cercul lui Euler, cercul care trece prin mij- ıloacele unui triunghi ABC, prin picioarele ˆn˘ ltimilor sale si prin mijloacele seg- ı a¸ ¸mentelor AH, BH, CH, H ﬁind ortocentrul triunghiului. (Cercul celor 9 puncte)
• 63. ˆ2.7. INVERSIUNEA IN PLAN 592.7 Inversiunea ˆn plan ıO alt˘ transformare geometric˘ foarte util˘ ˆn rezolvarea problemelor de geometrie a a aıeste inversiunea. ˆ Inainte de introducerea deﬁnitiei inversiunii ˆn plan bine s˘ se rea- ¸ ı a a ¸˘minteasc˘ puterea unui punct fata de un cerc, pornind de la urm˘ toarele rezultate: a Fie C(O, r) un cerc ˆn planul π, cu centrul ˆn punctul ﬁxat O si raz˘ r. ı ı ¸ a • Oricare ar ﬁ punctele A, B, A , B ∈ C(O, r) cu proprietatea c˘ dreptele AB si a ¸ A B se intersecteaz˘ ˆntr-un punct P are loc egalitatea: aı PA · PB = PA · PB . Se demonstreaz˘ usor din proportionalitatea laturilor triunghiurilor asemenea a ¸ ¸ ∆P AB si ∆P A B. ¸ • Dac˘ o secant˘ variabil˘ trece printr-un punct ﬁx P si intersecteaz˘ un cerc a a a ¸ a C(O, r) ˆn punctele A si B, atunci produsul ı ¸ P A · P B = ct este constant.DEFINITIA 2.13 Se numeste putere a punctului P fata de cercul C(O, r), num˘ rul ¸ ¸ ¸˘ anotat ρ(P ) = P A · P Bunde A si B sunt punctele de intersectie ale unei secante duse prin P cu cercul ¸ ¸C(O, r). • se deﬁneste astfel o functie ρ : π → R, deﬁnit˘ prin ¸ ¸ a ρ(P ) = P A · P B unde A si B sunt punctele de intersectie ale unei secante duse prin P cu cercul ¸ ¸ C(O, r). ¸˘ ¸˘ • puterea unui punct fata de un cerc ne indic˘ pozitia punctului fata de cerc: a ¸ 1. P ∈ Ext(C(O, r)) dac˘ si numai dac˘ ρ(P ) > 0; a¸ a 2. P ∈ C(O, r) dac˘ si numai dac˘ ρ(P ) = 0; a¸ a 3. P ∈ Int(C(O, r)) dac˘ si numai dac˘ ρ(P ) < 0. a¸ a ¸˘ • puterea unui punct P fata de un cerc este ρ(P ) = (OP )2 − r2 .
• 64. 60 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICEPutem prezenta aceste rezultate si vectorial dac˘ elevii cunosc elementele de calcul ¸ avectorial. De asemenea deﬁnitia inversiunii poate ﬁ dat˘ mai usor. ¸ a ¸ Fie O ∈ π un punct ﬁx si k un num˘ r real nenul. ¸ aDEFINITIA 2.14 Inversiunea de pol O si raport k este o transformare a planului ¸ ¸prin care ﬁec˘ rui punct X ∈ π − {O} i se asociaz˘ punctul X pe dreapta OX astfel a aˆncˆ tı a OX · OX = kiar punctului O i se asociaz˘ punctul O. aInversiunea de pol O si raport k se noteaz˘ ik .Punctul O se numeste polul inversiunii. ¸ a O ¸ Asadar ¸ ik : π → π O ik (X) ∈ OX, O OX · Oik (X) = k, O ∀X ∈ π.Punctul X = ik (X) se numeste transformatul punctului X prin inversiunea de pol O ¸O si raport k sau inversul punctului X prin aceast˘ inversiune si vice-versa X este ¸ a ¸ kinversul punctului X prin iO . Punctele X si ik (X) se numesc puncte omoloage ale inversiunii ik . ¸ O O Astfel se pune ˆn evidenta c˘ : ı ¸˘ a • inversiunea este o transformare involutiv˘ a ik ◦ ik = 1 π O O • inversiunea este inversabil˘ si (ik )−1 = ik a¸ O O • punctul O este invariant ˆn raport cu inversiunea ik si toate dreptele care trec ı O ¸ prin O sunt drepte invariante ˆn raport cu inversiunea ik . ı ODEFINITIA 2.15 Dac˘ k > 0 inversiunea ik se numeste pozitiv˘ , iar dac˘ k < 0 ¸ a O ¸ a a kinversiunea iO se numeste negativ˘ . ¸ aVom prezenta ˆn continuare cˆ teva propozitii care ne dau imaginile unui cerc si unei ı a ¸ ¸drepte din plan printr-o inversiune.TEOREMA 2.9 Dac˘ ik este o inversiune pozitiv˘ , atunci ik√invariaz˘ punct cu √a O a O apunct cercul C(O, k) si transform˘ interiorul cercului C(O, k) ˆn exteriorul lui ¸ √ a ısi exteriorul cercului C(O, k) ˆn interiorul lui.¸ ı
• 65. ˆ2.7. INVERSIUNEA IN PLAN 61 T T O O X X’ X X’ Figura 2.9: Demonstratie. ¸ √ √ ˆ Intr-adev˘ r pentru orice X ∈ C(O, k) are loc OX · OX = ( k)2 = √ si deci a k¸ √ √ik (X) = X pentru √ X ∈ C(O, k). Adic˘ ik (C(O, k)) = C(O, k). Fie O orice a Oacum X ∈Int(C(O, k)). Construim perpendiculara pe dreapta OX prin punctul X √si ﬁe T unul din punctele de intersectie√ acestei perpendiculare cu cercul C(O, k).¸ ¸ alTangenta ˆn punctul T la cercul C(O, k) intersecteaz˘ dreapta OX ˆn punctul X . ı a ı √Din teorema catetei aplicat˘ ˆn triunghiul OT X (ﬁgura ) rezult˘ OX · OX = 2 k aı a( k) = k si deci iO (X)√ X . ¸ = √ Dac˘ X ∈Ext(C(O, k)) construim tangenta XT la cercul C(O, k). T ∈ √ aC(O, k) (ﬁgura ) si X piciorul perpendicularei din T pe dreapta OX. Teorema ¸ √catetei ˆn OT X ne d˘ OX · OX = ( k)2 = k si deci ik (X ) = X. ı a ¸ O q.e.d. Din aceast˘ teorem˘ rezult˘ o metod˘ practic˘ de constructie a imaginii ik (X) a a a a a ¸ O kunui punct X prin inversiunea iO , k > 0. k √DEFINITIA 2.16 Pentru iO o inversiune pozitiv˘ , cercul C(O, k) se numeste cer- ¸ a ¸ kcul inversiunii iO sau cercul de inversiune.DEFINITIA 2.17 Dou˘ cercuri secante se numesc ortogonale dac˘ tangenta ˆntr- ¸ a a ıun punct comun la unul dintre cercuri trece prin centrul celuilalt.TEOREMA 2.10 Un cerc diferit de cercul de inversiune este invariant ˆn raport cu ıinversiunea dac˘ si numai dac˘ este ortogonal cu cercul de inversiune. a¸ aPROPOZITIA 2.2 Orice dou˘ perechi de puncte omoloage ˆntr-o inversiune sunt ¸ a ıasezate pe un cerc, dac˘ nici unul dintre puncte nu este polul inversiunii. ¸ aSe pot demonstra urm˘ toarele rezultate: a • printr-o inversiune orice cerc care nu contine polul inversiunii se transform˘ ¸ a ˆntr-un cerc care de asemenea nu contine polul inversiunii; ı ¸
• 66. 62 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICE • printr-o inversiune ik orice patru puncte situate pe un cerc care contine polul O O ¸ al inversiunii se transform˘ ˆn patru puncte situate pe o dreapt˘ care nu contine aı a ¸ polul inversiunii. • printr-o inversiune orice dreapt˘ care nu contine polul inversiunii se transform˘ a ¸ a ˆntr-un cerc care contine polul inversiunii. ı ¸ • daca cercul C(O2 , r2 ) este imaginea cercului C(O1 , r1 ) prin inversiunea ik , O r2 k atunci = , unde ρ(O) este puterea polului O ˆn raport cu cercul C(O2 , r2 ). ı r1 ρ(O)DEFINITIA 2.18 Unghiul a dou˘ cercuri care se intersecteaz˘ ˆn punctele A si B ¸ a aı ¸este unghiul format de cele dou˘ tangente la cercuri ˆn A sau B. a ıDEFINITIA 2.19 Unghiul dintre o dreapt˘ si un cerc pe care-l intersecteaz˘ ˆn A ¸ a¸ aısi B este unghiul format de dreapt˘ si una dintre tangentele la cerc ˆn A sau B.¸ a¸ ı C(O, r) 1 1 A B’ A’ B O1 O’ 1 Figura 2.10: Inversul unui cerc care nu trece prin polul inversiunii OˆIntr-o inversiune sunt invariante: • unghiul a dou˘ cercuri secante; a • unghiul dintre o dreapt˘ si un cerc pe care-l intersecteaz˘ ; a¸ a • unghiul a dou˘ drepte secante. aTEOREMA 2.11 Multimea tuturor omotetiilor si a inversiunilor planului, care au ¸ ¸acelasi centru formeaz˘ un grup. ¸ aDEFINITIA 2.20 Grupul format din omotetiile si inversiunile planului cu acelasi ¸ ¸ ¸centru si pol O se numeste grupul conform de centru O al planului. ¸ ¸ Constructia cu rigla si compasul a imaginii unui cerc printr-o inversiune ik se face ¸ ¸ Oastfel:
• 67. ˆ2.7. INVERSIUNEA IN PLAN 63 O ˆ • cercul C(O1 , r1 ) nu trece prin polul inversiunii ik . In acest caz ﬁe A si B punc- ¸ tele de intersectie ale dreptei OO1 cu cercul C(O1 , r1 ) (ﬁgura 2.10). Construim ¸ punctele A = ik (A) si B = ik (B). Inversul cercului C(O1 , r1 ) prin inversiu- O ¸ O k nea iO este cercul de diametru [A B ]. C(O, r) 1 1 A’ A O O1 Figura 2.11: ˆ • cercul C(O1 , r1 ) trece prin polul inversiunii ik .In acest caz imaginea cercului O C(O1 , r1 ) prin inversiunea ik . este o dreapt˘ . Fie A al doilea punct de intersectie O a ¸ al dreptei OO1 cu cercul C(O1 , r1 ) (ﬁgura 2.10).Construim imaginea punctului A prin inversiunea ik si vom obtine A = ik (A) ∈ OO1 . Perpendiculara pe O ¸ ¸ O OO1 ˆn A este imaginea cercului C(O1 , r1 ) prin inversiunea ik . ı O C(O, r) 1 1 A O O O1 O1 B Figura 2.12 a). Figura 2.12 b) Figura 2.12: Dac˘ cercul C(O1 , r1 ) intersecteaz˘ cercul de inversiune ˆn punctele A si B, a a ı ¸ k atunci AB = iO (C(O1 , r1 )) (ﬁgura 2.11), iar dac˘ cercul C(O1 , r1 ) este tangent a k la cercul de inversiune, atunci iO (C(O1 , r1 )) este tangenta la cercul de inver- siune ˆn punctul de tangenta al celor dou˘ cercuri. (ﬁgura 2.12) ı ¸˘ a
• 68. 64 ˘ CAPITOLUL 2. TRANSFORMARI GEOMETRICE
• 69. Capitolul 3Geometrie ˆn spatiu ı ¸3.1 Introducere ˆn geometria tetraedrului ıSe poate deﬁni tetraedrul ca un caz particular al piramidei:DEFINITIA 3.1 Fie S = [A1 A2 . . . An ] o suprafata poligonal˘ cu frontiera un po- ¸ ¸˘ aligon apartinˆ nd unui plan π si V ∈ π. Se numeste piramid˘ cu vˆ rful V si baz˘ S ¸ a ¸ ¸ a a ¸ amultimea tuturor segmentelor [V A], cu A ∈ S. ¸ ¸˘Suprafata poligonal˘ S se numeste baza piramidei. a ¸ • ˆ functie de natura poligonului S se pot ˆntˆ lni mai multe tipuri de piramide. In ¸ ı a • Se pune ˆn evidenta faptul c˘ o piramid˘ triunghiular˘ se numeste tetraedru. ı ¸˘ a a a ¸ Deci, tetraedrul este o piramid˘ particular˘ , cu poligonul S un triunghi. a aDar putem deﬁni direct tetraedrul:DEFINITIA 3.2 Fie punctele A, B, C, D patru puncte necoplanare din spatiu. Multimea ¸ ¸ ¸ABCD = [ABC] ∪ [ABD] ∪ [ACD] ∪ [BCD] se numeste tetraedru. ¸ A B D C Figura 3.1: Tetraedrul ABCD 65
• 70. 66 ˆ CAPITOLUL 3. GEOMETRIE IN SPATIU ¸ • Punctele A, B, C, D se numesc vˆ rfurile tetraedrului ABCD; a • Segmentele ˆnchise [AB], [AC], [AD], [BD], [BC], [CD] deﬁnesc muchiile te- ı traedrului; • Suprafetele triunghiulare [ABC], [ABD], [ACD], [BCD] se numesc fetele te- ¸ ¸ traedrului; • Folosind materialul didactic elevii vor constata c˘ ˆn cazul tetraedrului ﬁecare aı ¸˘ a a¸ a ¸ a a ¸˘ fata poate ﬁ considerat˘ baz˘ si cˆ nd asez˘ m un tetraedru oarecare cu o alt˘ fata ca baz˘ el capat˘ de ﬁecare dat˘ alt aspect. a a a • Analogie ˆntre triunghi si tetraedru: tetaedrul este poliedrul cu cel mai mic ı ¸ num˘ r de fete asa cum triunghiul este poligonul cu cel mai mic num˘ r de la- a ¸ ¸ a turi.DEFINITIA 3.3 Numim ˆn˘ ltime a unui tetraedru perpendiculara dus˘ dintr-un ¸ ı a¸ avˆ rf al tetraedrului pe fata opus˘ . a ¸ aSpre deosebire de cazul triunghiului (ale c˘ rui ˆn˘ ltimi sunt ˆntotdeauna concurente), a ı a¸ ıˆn˘ ltimile unui tetraedru nu sunt ˆntotdeauna concurente!ı a¸ ı ˆ general cele patru ˆnaltimi ale unui tetraedru sunt dou˘ cˆ te dou˘ necopla- In ı a a anare si sunt generatoarele unui hiperboloid (J. STEINER-1827), numit hiperboloidul ¸ˆn˘ ltimilor. Acestui hiperboloid ˆi apartin perpendicularele ridicate pe planele fetelorı a¸ ı ¸ ¸tetraedrului care trec prin ortocentrele acestor fete. ¸ ¸ ˆDEFINITIA 3.4 Intr-un tetraedru numim bimedian˘ segmentul care uneste mijloa- a ¸cele a dou˘ muchii opuse. aOrice tetraedru are sase muchii, deci exist˘ trei bimediane. ¸ a ˆPROPOZITIA 3.1 Intr-un tetraedru oarecare cele trei bimediane sunt concurente. ¸ Demonstratie. ˆ tetraedrul ABCD consider˘ m punctele M, N, P , Q, R, S mij- ¸ In a aloacele laturilor [AB], [CD], [BC], [AD], [AC], [BD] respectiv. Vom demonstra c˘bimedianele [M N ], [P Q], [M N ] sunt concurente. ˆ triunghiurile BAC si DAC care au latura comun˘ [AC] sunt puse ˆn evidenta In ¸ a ı ¸˘liniile mijlocii [M P ] si [QN ], care corespund laturii comune. ¸ Deci: M P QN si M P = QN. ¸ Analog: P N M Q si P N = M Q ¸ P S QR si P S = QR. ¸
• 71. ˆ3.1. INTRODUCERE IN GEOMETRIA TETRAEDRULUI 67 A M Q R G B S D P N C Figura 3.2: Concurenta bimedianelor ¸ Rezult˘ c˘ patrulaterele P RQS, M P N Q sunt paralelograme si mai mult cele a a ¸trei bimediane [M N ], [P Q], [RS] ale tetraedrului sunt diagonale ˆn aceste parale- ılograme. Cum diagonalele unui paralelogram sunt concurente si se ˆnjum˘ t˘¸esc, cele trei ¸ ı a atbimediane [M N ], [P Q], [RS] ale tetraedrului ABCD sunt concurente, punctul de ¸˘concurenta este notat cu G si este mijlocul ﬁec˘ rei bimediane. ¸ a q.e.d.DEFINITIA 3.5 (LEONARDO DA VINCI) ¸ Punctul de concurenta al bimedianelor, notat cu G, se numeste centrul de greu- ¸˘ ¸tate, sau centrul distantelor medii, sau baricentrul tetraedrului. ¸ AMPROPOZITIA 3.2 Fie ABCD un tetraedru, M ∈ (AB) cu ¸ = u, 0 < u < 1 AB CNsi N ∈ (CD) astfel ˆncˆ t¸ ı a = 1 − u. Atunci au loc urm˘ toarele inegalit˘ ¸i: a at CD |u · BC − (1 − u) · AD| < M N < u · BC + (1 − u) · AD, (3.1) |u · BD − (1 − u) · AC| < M N < u · BD + (1 − u) · AC. Demonstratie. ¸ Fie P ∈ (AC) astfel ˆncˆ t M P ı a BC (ﬁg. 3). Din teorema fundamental˘ aa PCasemanarii avem M P = u · BC si ¸ = 1 − u. AC CN Cum = 1 − u, vom obtine P N ¸ AD si ˆn consecinta din triunghiurile ¸ ı ¸˘ CDasemenea CP N si CAD se obtine P N = (1 − u) · AD. Deoarece punctele M, P, N ¸ ¸nu pot ﬁ coliniare, din inegalit˘¸ile triunghiului obtinem at ¸ |M P − P N | < M N < M P + P N
• 72. 68 ˆ CAPITOLUL 3. GEOMETRIE IN SPATIU ¸ A M P B D N C Figura 3.3:sau dup˘ ˆnlocuiri, avem aı |u · BC − (1 − u) · AD| < M N < u · BC + (1 − u) · AD. Procedˆ nd la fel obtinem si al doilea grup de inegalit˘¸i. a ¸ ¸ at q.e.d.COROLARUL 3.1 (Inegalit˘ ¸ile bimedianei). at Fie ABCD un tetraedru, M mijlocul lui [AB] si N mijlocul lui [CD]; atunci ¸ |BC − AD| < 2M N < BC + AD, |BD − AC| < 2M N < BD + AC. (3.2) Demonstratie. ¸ 1 Luˆ nd u = ˆn (3.1) vom g˘ si aceste inegalit˘¸i. a ı a at q.e.d. 2 ˆDEFINITIA 3.6 Intr-un tetraedru ABCD, dreptele care unesc punctele A, B, C, D ¸cu centrele de greutate ale fetelor opuse se numesc medianele tetraedrului ABCD. ¸TEOREMA 3.1 Cele patru mediane ale unui tetraedru sunt concurente. Demonstratie. ¸ Fie G1 punctul de intersectie al medianelor triunghiului BCD. Se noteaz˘ cu ¸ aM, N, P, Q mijloacele segmentelor [AB], [CD], [BC], [AD], ﬁgura (3.3). ˆ planul (AP D), P Q ∩ AG1 =∅. In ˆ planul paralelogramului M P N Q, M N ∩ P Q = ∅. In ˆ planul (AN B), N M ∩ AG1 =∅. Deci dreptele M N, P Q, AG1 , se intersecteaz˘ In adou˘ cˆ te dou˘ si nu sunt coplanare. Rezult˘ c˘ a a a¸ a a M N ∩ P Q ∩ AG1 =∅,
• 73. ˆ3.1. INTRODUCERE IN GEOMETRIA TETRAEDRULUI 69 A M Q G B D P G1 N C Figura 3.4: Concurenta medianelor ¸deci G ∈ AG1 . Not˘ m cu G2 punctul de intersectie al medianelor triunghiului ACD, iar G3 pen- a ¸tru triunghiul ABD. Analog se demonstreaz˘ BG2 si CG3 trec prin G. a ¸ q.e.d.PROPOZITIA 3.3 (LEONARDO DA VINCI) Centrul de greutate al unui tetraedru ¸ˆmparte o median˘ ˆn dou˘ segmente, dintre care cel care contine vˆ rful tetraedruluiı aı a ¸ aeste triplul celuilalt . Demonstratie. Se consider˘ separat planul (AP D), ﬁgura (3.4). Aplicˆ nd teo- ¸ a arema lui Menelaus ˆn triunghiul AG1 D, pentru dreapta Q, G, P se obtine: ı ¸ AQ P D GG1 · · =1 QD P G1 GA GG1 1 GG1 1Dar AQ = QD si P D = 3P G1 , de unde rezult˘ c˘ ¸ a a = sau = . GA 3 AG1 4 q.e.d. • Un plan arbitrar, care trece printr-o median˘ , ˆmparte tetraedrul ˆn dou˘ poliedre a ı ı a cu volume egale (J. L. LAGRANGE, 1810-1811).PROPOZITIA 3.4 Planele perpendiculare pe muchiile unui tetraedru duse prin ¸mijloacele lor se intersecteaz˘ ˆntr-un punct. aı Demonstratie. ¸ Vom demonstra c˘ exist˘ un punct egal dep˘ rtat de toate vˆ rfurile tetraedrului. a a a a Stim c˘ toate punctele egal dep˘ rtate de B, C si D se aﬂ˘ pe o dreapt˘ d per- ¸ a a ¸ a apendicular˘ pe planul BCD care trece prin centrul cercului circumscris triunghiului aBCD.
• 74. 70 ˆ CAPITOLUL 3. GEOMETRIE IN SPATIU ¸ Punctele egal dep˘ rtate de de A si B se aﬂ˘ ˆn planul mediator P al segmentului a ¸ aıAB. Planul P si dreapta d se intersecteaz˘ ˆntr-un punct O, c˘ ci altfel ar ﬁ paralele si ¸ aı a ¸segmentul AB ar ﬁ ˆn planul BCD, contrar ipotezei. ı q.e.d.COROLARUL 3.2 Perpendicularele ridicate pe fetele unui tetraedru ˆn centrele ¸ ıcercurilor circumscrise acelor fete sunt concurente ˆntr-un punct, O. ¸ ı Demonstratie. ¸ Aceste perpendiculare sunt determinate de intersectiile perechilor de plane per- ¸pendiculare pe muchiile unui tetraedru duse prin mijloacele lor si conform propozitiei ¸ ¸anterioare sunt concurente. q.e.d. Astfel am demonstrat c˘ punctul O din propozitia de mai sus este egal dep˘ rtat de a ¸ avˆ rfurile tetraedrului si el este centrul unei sfere care contine vˆ rfurile tetraedrului, a ¸ ¸ acare se numeste sfera circumscris˘ tetraedrului. ¸ a Deci: Orice tetraedru poate ﬁ ˆnscris ˆntr-o sfer˘ , care are centrul ˆn punctul de intersectie ı ı a ı ¸al planelor mediatoare ale muchiilor tetraedrului si care este ˆn acelasi timp si punc- ¸ ı ¸ ¸tul de intersectie al perpendicularelor ridicate pe fetele tetraedrului ˆn centrele cer- ¸ ¸ ıcurilor circumscrise acestora.DEFINITIA 3.7 Numim coordonate baricentrice ale punctului P , patru numere ¸λ1 , λ2 , λ3 , λ4 care sunt proportionale cu volumele tetraedrelor cu vˆ rful ˆn P si ¸ a ı ¸avˆ nd drept baze fetele tetraedrului. a ¸Deci, dac˘ µ este factorul de proportionalitate, atunci avem: a ¸ λ1 + λ2 + λ3 + λ4 = µV,V ﬁind volumul tetraedrului. Pentru µ = 1 coordonatele baricentrice se numesc absolute. • Segmentele de dreapt˘ care unesc centrul de greutate al tetraedrului, G, cu a vˆ rfurile tetraedrului ˆmpart tetraedul ˆn patru tetraedre echivalente: din aceast˘ a ı ı a cauz˘ coordonatele baricentrice ale lui G sunt egale. a • Distantele lui G la fetele tetraedrului sunt invers proportionale cu ariile acestor ¸ ¸ ¸ fete. ¸
• 75. ˆ3.1. INTRODUCERE IN GEOMETRIA TETRAEDRULUI 71PROPOZITIA 3.5 (lungimea medianei) ¸ Fie tetraedrul A1 A2 A3 A4 , AG1 o median˘ a tetraedrului, unde G1 este centrul ade greutate al fetei A2 A3 A4 . Atunci ¸ A1 A2 + A1 A2 + A1 A2 A2 A2 + A2 A2 + A3 A4 2 3 4 3 4 4 A1 G2 = 1 − . 3 9 Demonstratie.¸ Fie A1 A2 A3 A4 un tetraedru cu G1 centrul de greutate al fetei A2 A3 A4 , iar M ¸mijlocul laturii A3 A4 . Vom aplica relatia lui Stewart ˆn triunghiul A1 A2 M : ¸ ı A2 M (A1 G2 + A2 G1 · G1 M ) = A1 M 2 · A2 G1 + A1 A2 · G1 M, 1 2 A1 A4 A2 G1 M A3 Figura 3.5: lungimea medianelor ˆn care vom folosi expresiile date de teorema medianei aplicat˘ ˆn triunghiul ı a ıA1 A3 A4 pentru mediana A1 M si ˆn triunghiul A2 A3 A4 pentru mediana A2 M . Se ¸ ıobtine astfel lungimea medianei tetraedrului. ¸ q.e.d.Observatia 3.1 Propozitia (3.5) este analoag˘ teoremei medianei unui triunghi. ¸ ¸ aPROPOZITIA 3.6 (lungimea bimedianei) Fie tetraedrul oarecare ABCD, M mij- ¸locul muchiei AB si M mijlocul muchiei opuse CD. Atunci: ¸ BC 2 + BD2 + AC 2 + AD2 − AB 2 − CD2 2 MM = . (3.3) 4 Demonstratie. ¸ Aplic˘ m teorema medianei pentru M M , median˘ a triunghiului ABM . a a BM este median˘ ˆn triunghiul BCD si AM este median˘ ˆn triunghiul ACD, aı ¸ aıunde pentru calculul lor vom folosi tot teorema medianei. q.e.d.
• 76. 72 ˆ CAPITOLUL 3. GEOMETRIE IN SPATIU ¸ A M B D M’ C Figura 3.6: lungimea bimedianelor Folosind lungimea bimedianelor unui tetraedru se poate demonstra imediat:PROPOZITIA 3.7 Fie tetraedrul oarecare ABCD, M, N, P, Q, R, S mijloacele ¸muchiilor [AB], [CD], [BC], [AD], [AC], [BD] respectiv. Atunci: AB 2 + BC 2 + AD2 + AC 2 + BD2 + CD2 M N 2 + P Q2 + RS 2 = . 4 A M Q R G B S D P N C Figura 3.7: 4PROPOZITIA 3.8 Suma p˘ tratelor medianelor este egala cu din suma p˘ tratelor ¸ a a 9muchiilor. Demonstratie. Se folosesc lugimile medinelor unui tetraedru, conform propozitia ¸ ¸anterioare si se obtine relatia anuntat˘ . ¸ ¸ ¸ ¸ a q.e.d.PROPOZITIA 3.9 Suma p˘ tratelor distantelor centrului de greutate la vˆ rfuri este ¸ a ¸ aegal˘ cu suma p˘ tratelor lungimilor bimedianelor. a a
• 77. ˆ3.1. INTRODUCERE IN GEOMETRIA TETRAEDRULUI 73PROPOZITIA 3.10 Fie BCD un triunghi si M un punct oarecare ˆn spatiu, iar G1 ¸ ¸ ı ¸centrul de greutate al triunghiului BCD. Atunci are loc relatia lui Leibniz: ¸ M B 2 + M C 2 + M D2 = 3M G2 + G1 B 2 + G1 C 2 + G1 D2 . 1 (3.4) Demonstratie. Fie S, T, R respectiv mijloacele laturilor CD, BD, BC ale triun- ¸ghiului DBC. Apli˘ m teorema lui Stewart ˆn triunghiul M BS, se obtine: a ı ¸ BS 2BS BS 2BS M B2 + M S2 = M G2 · BS + 1 BS, 3 3 3 3care se poate scrie: M R C B G1 S T D Figura 3.8: M B 2 + 2M S 2 = 6SG2 + 3M G2 . 1 1 (3.5)ˆ triunghiul M DS lungimea medianei M S esteIn 4M S 2 = 2(M C 2 + M D2 ) − DC 2 . (3.6)Din (3.5) si (3.6) se obtine: ¸ ¸ 1 M B 2 + M C 2 + M D2 = 3M G2 + 6G1 S 2 + DC 2 . 1 (3.7) 2ˆ triunghiul G1 DC, G1 S este median˘ , deci:In a 4G1 S 2 = 2(G1 D2 + G2 C 2 ) − DC 2 . (3.8)Din (3.7) si (3.8) se obtine: ¸ ¸ M B 2 + M C 2 + M D2 = 3M G2 + 4G1 S 2 + G1 D2 + G1 C 2 . 1Dar 2G1 S = G1 B si se obtine relatia din enunt. ¸ ¸ ¸ ¸ q.e.d.
• 78. 74 ˆ CAPITOLUL 3. GEOMETRIE IN SPATIU ¸PROPOZITIA 3.11 (J. L. LAGRANGE) ¸ Fie ABCD un tetraedru si G centrul s˘ u de greutate, iar M un punct oarecare ¸ adin spatiu. Atunci are loc relatia: ¸ ¸ M A2 + M B 2 + M C 2 + M D2 = 4M G2 + GA2 + GB 2 + GC 2 + GD2 . Demonstratie. Not˘ m cu G1 centrul de greutate al fetei BCD. Aplic˘ m relatia lui ¸ a ¸ a ¸Stewart ˆn triunghiul M AG1 : ı M A2 + 3M G2 = 4M G2 + 12GG2 . 1 1 (3.9)Prin aplicarea propozitiei 3.10 se obtine: ¸ ¸ B G G1 A C D M Figura 3.9: M B 2 + M C 2 + M D2 = 4M G2 + G1 B 2 + G1 C 2 + G1 D2 . 1 (3.10)Din relatiile (3.9) si (3.10) se obtine: ¸ ¸ ¸ M A2 + M B 2 + M C 2 + M D2 = 4M G2 + 12G1 A2 + G1 B 2 + G1 C 2 + G1 D2 . (3.11)ˆ propozitia 3.10, cu M = G, se obtine:In ¸ ¸ GB 2 + GC 2 + GD2 = 3GG2 + G1 B 2 + G1 C 2 + G1 D2 . 1Tinˆ nd seama c˘ 3G1 G = GA, relatia (3.11) devine:¸ a a ¸ M A2 + M B 2 + M C 2 + M D2 = 4M G2 + GA2 + GB 2 + GC 2 + GD2 . q.e.d.Observatia 3.2 Folosind aceast˘ proprietate se obtine c˘ suma p˘ tratelor distantelor ¸ a ¸ a a ¸lui G la cele patru vˆ rfuri este minim˘ . a a
• 79. ˆ3.1. INTRODUCERE IN GEOMETRIA TETRAEDRULUI 75Observatia 3.3 Relatia din propozitia 3.11 este generalizarea relatiei ¸ ¸ ¸ ¸ M A2 + M B 2 + M C 2 = 3M G2 + GA2 + GB 2 + GC 2valabil˘ pentru un triunghi ABC, G centrul de greutate al triunghiului, M un punct aoarecare din planul triunghiului. Au fost demonstrate urm˘ toarele aﬁrmatii: a ¸ • Locul geometric al punctelor P a c˘ ror sum˘ a p˘ tratelor distantelor la vˆ rfurile a a a ¸ a tetraedrului este constant˘ , este o sfer˘ cu centrul ˆn centrul de greutate al tetra- a a ı edrului G. (J. L. LAGRANGE). • Centrul de greutate G al tetraedrului nu trebuie confundat cu centrul de greutate al suprafetei tetraedrului, ˆn schimb acesta este centrul sferei ˆnscrise ˆn tetrae- ¸ ı ı ı drul care are drept vˆ rfuri centrele de greutate ale fetelor tetraedrului dat. (C. C. a ¸ GERONO; 1826-1827).PROPOZITIA 3.12 Planele care trec prin mijloacele muchiilor si sunt perpendicu- ¸ ¸lare pe muchia opus˘ , sunt concurente ˆntr-un punct M (G. MONGE-1813), numit a ıpunctul lui MONGE sau anticentrul tetraedrului. Demonstratie. Fie L si L mijloacelor laturilor AB si CD ˆn tetraedrul ABCD. ¸ ¸ ¸ ı D L’ O G M A C L B Figura 3.10:Bimediana LL trece prin centrul de greutate al tetraedrului G si GL = GL . Planul ¸care trece prin L si este perpendicular pe muchia AB trece prin centrul sferei cir- ¸cumscrise tetraedrului, punctul O. Deci planul care trece prin L si este de asemenea ¸perpendicular pe AB contine punctul M al dreptei OG caracterizat prin OG = GM . ¸ ˆ baza acestui rationament, punctul M se aﬂ˘ si ˆn celelalte plane care trec prin In ¸ a¸ ımijlocul uneia dintre laturile tetraedrului si sunt perpendiculare pe muchia opus˘ . ¸ a q.e.d.
• 80. 76 ˆ CAPITOLUL 3. GEOMETRIE IN SPATIU ¸ Anticentrul unui tetraedru este un punct simetric cu centrul sferei circumscrise te-traedrului, ˆn raport cu centrul de greutate al acestuia.Punctul lui Monge (anticentrul) ıal tetraedrului este centrul hiperboloidului ˆn˘ ltimilor. ı a¸ • Centrul sferei circumscrise apartine dreptei care uneste centrul de greutate G ¸ ¸ ¸˘ cu punctul lui MONGE M , si el este simetricul punctului M fata de G. (G. ¸ MONGE-1813).PROPOZITIA 3.13 Planele bisectoare ale diedrelor unui tetraedru sunt concu- ¸rente.Punctul de intersectie al acestor plane bisectoare, notat cu I este egal dep˘ rtat de ¸ afetele tetraedrului. Exist˘ o sfer˘ de centru I tangent˘ celor patru fete ale tetraedrului, ¸ a a a ¸avˆ nd punctele de contact cu fetele proiectiile lui I pe aceste plane. Sfera cu centrul a ¸ ¸ˆn I este sfera cu centrul ˆn I, raza ei o vom nota cu r.ı ıTEOREMA 3.2 (P. FERMAT) Cele patru bisectoare ale triedrelor unui tetraedrusunt concurente.Dac˘ se consider˘ fetele tetraedrului ABCD prelungite atunci planele bisectoare ale a a ¸diedrelor suplimentare cu muchiile AB, AC, BC ˆntˆ lnesc bisectoarea ∆D ˆntr-un ı a ıpunct Id egal dep˘ rtat de fetele tetraedrului, dar exterior lui. Id este centrul sferei Sd a ¸exˆnscrise tetraedrului ABCD corespunz˘ toare triedrului D. ˆ mod analog se obtin ı a In ¸sferele exˆnscrise Sa , Sb , Sc corespunz˘ toare triedrelor cu vˆ rfurile A, B, C ale c˘ ror ı a a acentre se noteaz˘ cu Ia , Ib , Ic si au razele ra , rb , rc . a ¸ Au loc urm˘ toarele relatii: a ¸ 1 1 1 1 2 + + + = ; ra rb rc rd r ra · rb · rc · rd ≥ 16r4 .PROPOZITIA 3.14 Planele care trec printr-o muchie a tetraedrului (T ) si care ¸ ¸sunt paralele cu muchia opus˘ , determin˘ un paralelipiped circumscris tetraedrului: a apatru dintre vˆ rfurile acestui paralelipiped sunt vˆ rfuri ale tetraedrului; celelalte a apatru vˆ rfuri determin˘ un alt tetraedru care are acelasi centru de greutate G cu a a ¸(T ), care este simetricul lui (T ) fata de G, si sfera circumscris˘ acestui al doilea ¸˘ ¸ atetraedru are drept centru punctul lui MONGE al primului tetraedru (A. JACOBI).DEFINITIA 3.8 Fie A1 A2 A3 A4 un tetaedru. Un punct T cu proprietatea ¸ Ai T Aj = Ak T Al , ∀i, j, k, l ∈ {1, 2, 3, 4}se numeste centrul izogon sau punctul lui Torricelli al tetraedrului. ¸
• 81. 3.2. TETRAEDRE CRELLE 77Observatia 3.4 Punctul lui Torricelli al tetraedrului A1 A2 A3 A4 este caracterizat de ¸urm˘ toarea proprietate vectorial˘ : a a T A1 T A 2 T A 3 T A4 + + + = 1. T A1 T A 2 T A 3 T A4 Unul dintre cele cinci poliedre regulate ale lui PLATON este tetraedrul si de el s-a ¸ocupat si EUCLID ˆn Elementele sale (ˆn Cartea a XIII-a). ¸ ı ıDEFINITIA 3.9 Un tetraedru cu toate muchiile congruente se numeste tetraedru ¸ ¸regulat. 1. Tetraedrul regulat are toate fetele triunghiuri echilaterale congruente. ¸ 2. ˆ altimea tetraedrului regulat cade ˆn centrul fetei opuse, care este la intersectia In˘ ¸ ı ¸ ¸ ˆn˘ ltimilor fetei. ı a¸ ¸ 3. Tetraedrul regulat are 4 ˆn˘ ltimi congruente. ı a¸ 4. ˆ Intr-un tetraedru regulat unind centrele fetelor se obtine un nou tetraedru regulat. ¸ ¸ Volumul tetraedrului regulat este √ l3 2 V = . (3.12) 123.2 Tetraedre Crelleˆ general nu exist˘ o sfer˘ care s˘ ﬁe tangent˘ la toate muchiile unui tetraedru (T).In a a a aCu toate acestea, pentru unele tetraedre particulare o astfel de sfer˘ exist˘ . a aTEOREMA 3.3 (Teorema lui CRELLE) Fiind dat un tetraedru ABCD exist˘ o asfer˘ tangent˘ celor sase muchii ale tetraedrului, dac˘ si numai dac˘ are loc conditia: a a ¸ a¸ a ¸ AB + CD = AC + BD = AD + BC. Demonstratie. ¸ a a at ¸˘ ” ⇒ ” Implicatia este evident˘ datorit˘ propriet˘¸ii de congruenta a tangentelor ¸dintr-un punct exterior. ⇐ ” Presupunem c˘ este indeplinit˘ conditia: a a ¸ AB + CD = AC + BD = AD + BC.Rezult˘ : a AC + AB − BC = AD + AB − BD si AB + BC − AC = BD + BC − CD. ¸
• 82. 78 ˆ CAPITOLUL 3. GEOMETRIE IN SPATIU ¸ D S R N A C D Q P M B Figura 3.11: Teorema lui Crelle Prima relatie arat˘ c˘ cercul ˆnscris ˆn triunghiul ABC are punctul de contact cu ¸ a a ı ıAB identic cu punctul de contact al lui AB cu cercul ˆnscris ˆn triunghiul ABD. Deci ı ıexist˘ o sfer˘ ce contine cele dou˘ cercuri (ˆnscris ˆn ABC si ˆnscris in ABD). Exist˘ a a ¸ a ı ı ¸ ı adeci punctele M, N, O, P, Q ˆn sfera care este tangent˘ segmentelor [BC], [AC], ı a[AD], [BD], [AB]. Se consider˘ planul (BDC) si cercul de intersectie determinat a ¸ ¸de plan si sfera considerat˘ . Relatia a dou˘ dovedeste c˘ punctul de contact cu BC ¸ a ¸ a ¸ aal cercului ˆnscris ˆn triunghiul BDC si punctul de contact cu BC al cercului ˆnscris ı ı ¸ ıˆn triunghiul ABC coincid.ı Cum, cercul de intersectie dintre planul BDC si sfera este tangent muchiilor te- ¸ ¸traedrului ˆn P si M , iar pe de alta parte prin P si M trece cercul ˆnscris ˆn triunghiul ı ¸ ¸ ı ıBDC, rezul˘ c˘ cercul de intersectie dintre planul (BDC) si sfera si cercul ˆnscris a a ¸ ¸ ¸ ıˆn triunghiul BDC coincid. Deci sfera este tangent˘ si muchiei [CD], ceea ce de-ı a¸monstreaz˘ teorema. a q.e.d.DEFINITIA 3.10 Tetraedrele cu proprietatea c˘ exist˘ o sfer˘ hexatangent˘ mu- ¸ a a a achiilor se numesc tetraedre Crelle.Pentru tetraedrele Crelle se poate demonstra urm˘ toarea teorem˘ : a a ˆTEOREMA 3.4 (Teorema lui Brianchon) Intr-un tetraedru Crelle cele trei segmentece unesc punctele de contact de pe muchiile opuse ale sferei hexatangente sunt con-curente. Demonstratie. Se foloseste Teorema lui Menelaus ˆn spatiu pentru patrulaterul ¸ ¸ ı ¸ABCD si rezult˘ c˘ dreptele RC si SM sunt coplanare, deci RM ∩ SP =∅. ¸ a a ¸ Analog se arat˘ c˘ N Q ∩ SP =∅ si RM ∩ N Q=∅. a a ¸
• 83. 3.3. TETRAEDRE ECHIFACIALE 79 Cum dreptele RM, SP, N Q nu pot ﬁ coplanare rezult˘ c˘ sunt concurente (Dac˘ a a aˆn spatiu trei drepte se intersecteaz˘ dou˘ cˆ te dou˘ , atunci ele sunt sau coplanareı ¸ a a a asau concurente).S˘ demonstr˘ m aceast˘ proprietate. a a a Fie dreptele a, b si c si s˘ presupunem c˘ nu sunt concurente. Fie P planul de- ¸ ¸ a aterminat de dreptele a si b. Cum dreapta c intersecteaz˘ atˆ t pe a cˆ t si pe b si cele ¸ a a a ¸ ¸trei puncte de intersectie sunt dou˘ cˆ te dou˘ diferite, rezult˘ c˘ dreapta c are dou˘ ¸ a a a a a apuncte diferite ˆn planul P , deci este ˆn ˆntregime continut˘ ˆn acest plan. S-a de- ı ı ı ¸ aımonstrat astfel ca dreptele a, b si c sunt coplanare. ¸ q.e.d. ˆPROPOZITIA 3.15 Intr-un tetraedru Crelle ABCD, unde AB = c, AC = b, ¸BC = a, AD + BC = s, volumul V si raza ρ a sferei hexatangente satisfac egalita- ¸tea: 3V ρ = 2(s − p)(p − a)(p − b)(p − c).3.3 Tetraedre echifacialeˆ prima jum˘ tate a secolului XIX o serie de geometrii str˘ luciti: Feuerbach, Vec-In a a ¸ten, Jacobi au stabilit multiple propriet˘¸i ale tetraedrului cu fetele congruente. at ¸DEFINITIA 3.11 (J. NEUBERG) Tetraedrul cu cele patru fete tringhiuri cu aceeasi ¸ ¸ ¸arie se numeste isoscel sau echifacial ¸Tetraedrul echifacial are urm˘ toarele propriet˘¸i remarcabile: a at 1. Cele patru ˆnaltimi ale tetraedrului echifacial sunt egale (A. SCHMIDT-1889). ı ¸ Demonstratia este imediat˘ , folosind formula volumului tetraedrului. ¸ a 2. Perechile de muchii opuse sunt egale. 3. Bimedianele sunt ortogonale dou˘ cˆ te dou˘ : adic˘ ele determin˘ un triedru a a a a a tridreptunghic avˆ nd originea ˆn G, si ˆntˆ lnesc dreptele suport ale muchiilor a ı ¸ ı a tetraedrului sub unghiuri drepte (A. JACOBI). 4. Fiecare muchie este egal ˆnclinat˘ fata de fetele neadiacente cu ea (A. JACOBI). ı a ¸˘ ¸ 5. Bisectoarele unghiurilor sub care se vad din centrul de greutate dou˘ muchii a opuse tetraedrului sunt bimedianele (J. NEUBERG). 6. Patru puncte remarcabile coincid, mai precis: centrul de greutate, punctul lui MONGE, centrul sferei circumscrise si centrul sferei ˆnscrise. ¸ ı
• 84. 80 ˆ CAPITOLUL 3. GEOMETRIE IN SPATIU ¸ 7. Suma algebric˘ a distantelor unui punct arbitrar din spatiu la fetele tetraedrului a ¸ ¸ ¸ este constant˘ (A. JACOBI). a 8. Volumul tetraedrului echifacial este egal cu a treia parte a produsului segmente- lor bimediane (E. GENTY-1878). 9. Volumul tetraedrului echifacial este 2(a2 + b2 − c2 )(a2 − b2 + c2 )(−a2 + b2 + c2 ) V = (3.13) 12 unde a, b, c sunt lungimile laturilor unei fete a tetradrului. ¸10. Cele patru triedre ale tetraedrului sunt congruente, din aceast˘ cauz˘ suma die- a a drelor triedrelor este constant˘ . a11. Fetele sunt ˆntotdeauna triunghiuri ascutitunghice. (MORLEY). ¸ ı ¸12. Punctele de contact ale sferei ˆnscris˘ , ˆn tetraedrul echifacial, cu fetele sunt ı a ı ¸ centrele cercurilor circumscrise acestora (J. NEUBERG), iar punctele de con- tact interne ale fetelor cu sferele exˆnscrise sunt ortocentrele acestor fete, iar ¸ ı ¸ punctele de contact interne ale fetelor cu sferele exˆ nscrise sunt ortocentrele ¸ a acestor fete. ¸13. Exist˘ cinci sfere tangente la fetele tetraedrului; sfera ˆnscris˘ si cele patru sfere a ¸ ı a¸ exˆnscrise. ı ı a ¸˘14. Centrele sferelor exˆnscrise sunt simetricele vˆ rfurilor tetraedrului fata de cen- trul sferei ˆnscrise, din acest motiv, ele sunt vˆ rfurile paralelipipedului circum- ı a scris tetraedrului (F. MORLEY-1894).15. Sfera circumscris˘ trece prin centrele celor patru sfere exˆnscrise (J. NEUBERG- a ı 1890).16. Exista o sfer˘ avˆ nd centrul ˆn G care este tangent˘ la ˆn˘ ltimile tetraedrului a a ı a ı a¸ echifacial si la perpendicularele ridicate pe fete ˆn ortocentrele acestor fete. (A. ¸ ı ¸ SCHMIDT-1889).17. Exist˘ patru sfere exˆnscrise la muchiile unui tetraedru echifacial (G. RIBONI- a ı 1890).Alte clase de tetraedre particulare sunt cele ˆn care doar dou˘ fete sunt egale, ori trei ı a ¸fete egale, sau care au fetele egale dou˘ cˆ te dou˘ . ˆ acest din urma caz, exist˘ dou˘ ¸ ¸ a a a In a abimediane care sunt ˆn acelasi timp si perpedicularele comune ale muchiilor opuse ı ¸ ¸corespunz˘ toare. a
• 85. 3.4. TETRAEDRE ORTOCENTRICE 81PROPOZITIA 3.16 Un tetraedru echifacial care are o pereche de muchii opuse ¸perpendiculare, este regulat.3.4 Tetraedre ortocentriceˆ general o muchie a unui tetraedru ABCD nu este perpendicular˘ pe muchiaIn aopus˘ ; ˆns˘ dac˘ una dintre muchii, de exemplu AB este perpendicular˘ pe CD, a ı a a aatunci ˆn˘ ltimile duse din vˆ rfurile A si B sunt coplanare, si sunt de asemenea co- ı a¸ a ¸ ¸planare ˆn˘ ltimile coborˆ te din vˆ rfurile C si D, si reciproc. ı a¸ a a ¸ ¸ ˆ anul 1827 geometrul elvetian Jacob Steiner a introdus notiunea de tetraedru In ¸ ¸ortic sau ortocentric, care are cele patru ˆn˘ ltimi concurente. ı a¸DEFINITIA 3.12 Un tetraedru care are perechile de muchii opuse ortogonale se ¸numeste tetraedru ortocentric. ¸Suﬁcienta conditiei de perpendicularitate pentru dou˘ perechi de muchii. ¸ ¸ aPROPOZITIA 3.17 Dac˘ dou˘ perechi de muchii opuse ale unui tetraedru sunt ¸ a aperpendiculare, atunci si muchiile r˘ mase ale tetraedrului sunt de asemenea per- ¸ apendiculare. Demonstratie. Fie un tetraedru ABCD, cu AB ⊥ CD, BC ⊥ AD. Se duce ¸AE ⊥ CD, AF ⊥ BC (ﬁg.3.12). A B D F A’ E C Figura 3.12: tetraedre ortocentrice Rezult˘ CD ⊥ (ABE), BC ⊥ (ADF ). Deci dac˘ AA = (ABE) ∩ (ADF ), a aatunci AA ⊥ (BCD) si AA ⊥ BD. Dar, CA ⊥ BD, deci BD ⊥ (ACA ) si ¸ ¸BD ⊥ AC. q.e.d. ¸ ˆ a¸PROPOZITIA 3.18 In˘ ltimile unui tetraedru sunt concurente ˆntr-un punct H dac˘ ı asi numai dac˘ tetraedrul este ortocentric.¸ a
• 86. 82 ˆ CAPITOLUL 3. GEOMETRIE IN SPATIU ¸ Demonstratie. “⇐” ¸ Presupunem ca tetraedrul ABCD este ortocentric, cu AB ⊥ CD, AC ⊥ BD,AD ⊥ BC. Atunci prin AB, AC, AD se pot duce plane perpendiculare pe CD, BD, BC.Aceste plane se vor intersecta dup˘ dreapta AA ⊥ (BCD). a A este ortocentrul triunghiului BCD. Planul care contine pe AB, perpendicular ¸ A B’ B D A’ E C Figura 3.13:pe CD se intersectez˘ cu CD ˆn E. AE este o ˆn˘ ltime a triunghiului ACD, BE o a ı ı a¸ˆn˘ ltime a triunghiului BCD.ı a¸ Not˘ m cu B ortocentrul triunghiului ACD. BB ⊥ (ACD). Dreptele AA si a ¸BB ﬁind ˆn ABE sunt concurente. ı Dou˘ ˆn˘ ltimi oarecare ale tetraedrului ortocentric sunt concurente si deoarece nu aı a¸ ¸pot ﬁ toate ˆn acelasi plan, trec toate prin acelasi punct. ı ¸ ¸ “⇒” Presupunem c˘ ˆn˘ ltimile tetraedrului ABCD au punctul comun H. aı a¸ (A HB ) ⊥ CD si (A HB ) ∩ CD = E, astfel ˆncˆ t BA E si AB E sunt ˆn˘ ltimi ¸ ı a ¸ ı a¸ale fetelor BCD, ACD. Rezult˘ c˘ ABE ⊥ CD, deci AB ⊥ CD. ¸ a a Analog se demonstreaz˘ si perpendicularitatea celorlalte perechi de muchii opuse. a¸Deci tetraedrul este ortocentric. q.e.d.DEFINITIA 3.13 Punctul H de concurenta al ˆn˘ ltimilor se numeste ortocentrul ¸ ¸˘ ı a¸ ¸tetraedrului.Un tetraedru ortocentric se bucur˘ de propriet˘¸ile urm˘ toare: a at a 1. Picioarele ˆnaltimilor sunt ortocentrele fetelor corespunz˘ toare. ı ¸ ¸ a
• 87. 3.4. TETRAEDRE ORTOCENTRICE 83 2. Centrele de greutate ale fetelor sunt vˆ rfurile unui tetraedru ortocentric, care a ¸ ¸˘ este omotetic cu tetraedrul initial fata de G; din aceast˘ cauz˘ perpendicularele a a ridicate pe fetele unui tetraedru ortocentric ˆn centrele de greutate ale acestor ¸ ı fete sunt concurente ˆntr-un punct H , care se gaseste pe dreapta GH, astfel ¸ ı 1 ˆncˆ t H G = HG (L. A. S. FERRIOT, 1811-1812). ı a 3 3. Cele trei bimediane ale unui tetraedru ortocentric sunt egale, si reciproc: un ¸ tetraedru care are bimedianele egale, este ortocentric. Mai precis, dac˘ ˆntr-un tetraedru aı • dac˘ cele trei bimediane sunt egale atunci cele patru ˆnaltimi ale tetraedrului a ı ¸ sunt concurente ˆntr-un acelasi punct ı ¸ • dac˘ dou˘ bimediane sunt egale atunci dou˘ ˆnaltimi sunt concurente ˆntr-un a a aı ¸ ı punct H1 si celelalte dou˘ ˆn˘ ltimi sunt concurente ˆntr-un alt punct H2 ¸ aı a¸ ı • dac˘ cele trei mediane au lungimi diferite atunci cele patru ˆn˘ ltimi sunt, a ı a¸ dou˘ cˆ te dou˘ , necoplanare. (H. GELLENTHIN, 1885). a a a 4. Suma p˘ tratelor a dou˘ muchii opuse este egal˘ cu de patru ori p˘ tratul distantei a a a a ¸ dintre mijloacele a dou˘ muchii opuse. (K. W. FEUERBACH-1827). a Din aceasta cauz˘ , ˆntr-un tetraedru ortocentric ABCD suma p˘ tratelor muchi- a ı a ilor opuse este constant˘ , a AB 2 + CD2 = AC 2 + BD2 = AD2 + BC 2 . 5. Perpendiculara comun˘ a perechilor de muchii opuse (axele tetraedrului) trec a prin H; si punctele lor de sprijin pe aceste muchii sunt picioarele ˆn˘ ltimilor ¸ ı a¸ fetelor tetraedrului (K. W. FEUERBACH-1827). ¸ 6. Ortocentrul ˆmparte ﬁecare dintre aceste drepte (cele patru ˆnaltimi si cele trei ı ı ¸ ¸ axe) ˆn dou˘ segmente al c˘ ror produs este constant (A. JACOBI). ı a a 7. ˆ Intr-un tetraedru ortocentric produsul cosinusilor a dou˘ diedre opuse este con- ¸ a stant. (J. NEUBERG). 8. Vˆ rfurile unui tetraedru ortocentric si ortocentrul s˘ u determin˘ un pentagon. a ¸ a a Fiecare vˆ rf al acestiu pentagon este ortocentrul tetraedrului determinat de ce- a lelalte patru vˆ rfuri (pentagon ortocentric), (K. W. FEUERBACH-1827). a 9. ˆ Intr-un tetraedru ortocentric, mijloacele muchiilor si picioarele ˆn˘ ltimilor fetelor ¸ ı a¸ ¸ sunt dou˘ sprezece puncte care se g˘ sesc pe aceeasi sfer˘ (prima sfer˘ a celor a a ¸ a a dou˘ sprezece puncte) avˆ nd centrul ˆn centrul de greutate al tetraedrului (H. a a ı VOGT-1881) si raza egal˘ cu jum˘ tatea din lungimea unei bimediane. ¸ a a
• 88. 84 ˆ CAPITOLUL 3. GEOMETRIE IN SPATIU ¸10. Centrul de greutate al unui tetraedru ortocentric si ortocentrele fetelor aces- ¸ ¸ tuia apartin aceleiasi sfere, a c˘ rei raz˘ este egal˘ cu a treia parte a razei sfe- ¸ ¸ a a a rei circumscrise tetraedrului. Aceast˘ sfer˘ ˆmparte segmentele ˆn˘ ltimilor cu- a aı ı a¸ prinse ˆntre vˆ rfuri si ortocentru ˆn raportul 2 : 1 (cea de-a dou˘ sfer˘ a celor ı a ¸ ı a a dou˘ sprezece puncte sau sfera lui JACOBI). a11. ˆ Intr-un tetraedru ortocentric mijloacele segmentelor ˆn˘ ltimilor cuprinse ˆntre ı a¸ ı vˆ rfuri si ortocentru apartin unei sfere cu centrul ˆn G, a c˘ rei raz˘ este egal˘ cu a ¸ ¸ ı a a a jum˘ tatea razei sferei circumscrise (A. JACOBI). aPROPOZITIA 3.19 Orice tetraedru regulat este ortocentric. ¸3.5 Probleme 1. S˘ se veriﬁce c˘ ˆntr-un tetraedru cu muchiile AB ⊥ BD si AC ⊥ CD, piciorul a aı ¸ ˆn˘ ltimii din vˆ rful A se aﬂ˘ pe cercul circumscris triunghiului BCD. ı a¸ a a Indicatie: Vˆ rfurile tetraedrului se aﬂ˘ pe sfera cu diametrul AD, care se inter- ¸ a a secteaz˘ cu planul BCD dup˘ un cerc. a a 2. Fie tetraedrul ABCD si a, b, c, d lungimile ˆn˘ ltimilor duse din vˆ rfurile A, B, ¸ ı a¸ a C, D; ﬁe O un punct oarecare din interiorul tetraedrului, iar α, β, γ, δ distantele ¸ punctului O la fetele BCD, CDA, DBA, ABC. S˘ se demonstreze: ¸ a α β γ δ + + + = 1. a b c d 3. ˆ Intr-un tetraedru ortogonal ABCD suma diedrelor si a unghiurilor f˘ cute de ¸ a muchii cu fetele este egal˘ cu 12 unghiuri drepte. ¸ a 4. Fie ABCD un tetraedru si unghiul φ al dreptelor AC, BD. S˘ se veriﬁce egali- ¸ a tatea: 2AC · BD| cos φ| = |AD2 + BC 2 − AB 2 − CD2 |.
• 89. Capitolul 4APLICATII ALE NUMERELOR ¸ ˆCOMPLEXE IN GEOMETRIE4.1 Elemente de trigonometrie aplicate ˆn geometrie ıGeometria este una dintre ramurile matematicii ˆn care trigonometria are aplicatii ı ¸imediate. Aici vom reaminti cˆ teva teoreme si relatii trigonometrice care folosesc la re- a ¸ ¸zolvarea triunghiului si vom prezenta unele aplicatii practice ale trigonometriei in ¸ ¸topograﬁe. Not˘ m cu a, b, c lungimile laturilor unui triunghi ABC si cu R raza cercului cir- a ¸cumscris triunghiului. A R b c ha O B C a Figura 4.1: Triunghiul ABC • Teorema sinusurilor ˆ orice triunghi ABC are loc relatia: In ¸ a b c = = = 2R. sin A sin B sin C 85
• 90. 86 ¸ ˆ CAPITOLUL 4. APLICATII ALE NUMERELOR COMPLEXE IN GEOMETRIE • Teorema cosinusului ˆ orice triunghi ABC are loc relatia: In ¸ a2 = b2 + c2 − 2bc cos A. (4.1)Observatia 4.1 Din relatia (4.1) se obtin: ¸ ¸ ¸ b2 = a2 + c2 − 2ac cos B; c2 = b2 + a2 − 2ab cos C. • ˆ orice triunghi ABC are loc relatia: In ¸ 2bc A la = cos (4.2) b+c 2 la ﬁind lungimea bisectoarei unghiului A.ˆ mod analog putem calcula lungimile bisectoarelor celorlalte dou˘ unghiuri aleIn atriunghiului: 2ac B 2ab C lb = cos ; lc = cos . a+c 2 a+b 2 • Formule de calcul pentru aria S unui triunghi oarecare ABC. 1. aha bhb chc S= = = , 2 2 2 unde ha , hb , hc sunt lungimile ˆn˘ ltimilor corespunz˘ toarele laturilor a, b, ı a¸ a respectiv c; 2. ab sin C bc sin A ac sin B S= = = ; 2 2 2 3. S= p(p − a)(p − b)(p − c), p ﬁind semiperimetrul triunghiului; 4. a2 sin B sin C b2 sin A sin C c2 sin A sin B S= = = 2 sin A 2 sin B 2 sin C 5. S = rp r este raza cercului ˆnscris ˆn triunghi; ı ı
• 91. ˆ4.1. ELEMENTE DE TRIGONOMETRIE APLICATE IN GEOMETRIE 87 6. abc S= ; 4S 7. S = 2R2 sin A sin B sin C.4.1.1 Aplicatii practice ¸ • Distanta dintre dou˘ puncte accesibile ˆntre care se aﬂ˘ un obstacol. ¸ a ı a A b B C a Figura 4.2:Pentru a calcula distanta de la A la B se alege un punct C din care se v˘ d punctele A ¸ asi B. Prin m˘ sur˘ tori se obtin numerele AC = b, BC = a, m(ACB) = C. Distanta¸ a a ¸ ¸de la A la B se calculeaz˘ folosind teorema cosinusului ˆn triunghiul ABC: a ı AB 2 = a2 + b2 − 2ab cos C. • Distanta dintre dou˘ puncte inaaccesibile. ¸ a A B α δ β γ C D Figura 4.3:
• 92. 88 ¸ ˆ CAPITOLUL 4. APLICATII ALE NUMERELOR COMPLEXE IN GEOMETRIE Pentru a calcula distanta de la A la B se aleg punctele C si D din care se v˘ d ¸ ¸ apunctele A si B astfel ˆncˆ t distanta CD s˘ se poat˘ determina. ¸ ı a ¸ a a Prin m˘ sur˘ tori se obtin numerele CD = a, m(ACB) = α, m(BCD) = β, a a ¸m(ADC) = γ, m(ADB) = δ Din triunghiurile BCD respectiv ACD se obtin: ¸ a sin(γ + δ) a sin γ BC = , AC = . sin(α + β + γ) sin(α + β + γ)Distanta dintre punctele inaccesibile A si B se obtine din triunghiul ABC, cu- ¸ ¸ ¸noscˆ ndu-i dou˘ laturi si unghiul cuprins ˆntre ele. a a ¸ ı • Determinarea ˆn˘ ltimii unui turn inaccesibil situat pe un deal. ı a¸Fie turnul marcat prin segmentul AB. Alegem un punct accesibil si lucr˘ m ˆn planul ¸ a ıdeterminat de punctele A, B, C. Luˆ nd ˆnc˘ un punct accesibil D ∈ BC si not˘ m cu a ı a ¸ aE punctul de intersectie al verticalei prin A cu orizontala prin D. Prin m˘ sur˘ tori se ¸ a a A B α C β φ D Figura 4.4:obtin: ¸ CD = a, m(EDB), m(ADB) = β, m(ACB) = α.ˆ triunghiul ACD, avemIn AC a = . sin β sin(α − β)Din triunghiul ABC se obtine ¸ AB AC = . sin α sin( π + φ) 2Asadar ¸ a sin α sin β AB = . sin(α − β) cos φ
• 93. 4.2. NUMERE COMPLEXE 894.2 Numere complexeNumerele complexe au fost introduse ˆn matematic˘ pentru a face posibil˘ rezolvarea ı a aunor ecuatii de gradul al II-lea care nu admit r˘ d˘ cini reale. S-a pornit de la ecuatia ¸ a a ¸ 2x + 1 = 0 care nu admite r˘ d˘ cini reale. a a √ ˆ secolul al XVI-lea, Cardan utiliza ˆn mod formal simbolul −a cu a ∈ R, a 0 In ı √pentru a descrie r˘ d˘ cinile ecuatiei x2 − 10x + 40 = 0 cu numerele 5 + −15 si √ a a ¸ ¸5 − −15 numite numere imaginare. Tot ˆn secolul al XV I−lea, cu ocazia unor turniruri stiintiﬁce, N. Fontana zis ı ¸ ¸Tartaglia (1500-1557) g˘ seste formula de rezolvare a ecuatiilor de gradul al III-lea a ¸ ¸care conduce c˘ tre numere imaginare. a ˆ secolul al XIX-lea, prin Gauss si Cauchy, se reuseste o reprezentare a nume- In ¸ ¸ ¸relor imaginare cu obiecte matematice cunoscute. Astfel, Gauss reprezinta nume-rele imaginare prin punctele unui plan ˆn raport cu un reper ortonormat, foloseste √ ı ¸simbolul −1 = i si adopt˘ denumirea de num˘ r complex. Cauchy observ˘ c˘ nu- ¸ a a a amerele complexe pot ﬁ obtinute aplicˆ nd asupra numerelor reale si a simbolului i, ¸ a ¸ 2cu i = −1, regulile de adunare si ˆnmultire din R. Observ˘ si concluzioneaz˘ c˘ ¸ ı ¸ a¸ a anumerele complexe pot ﬁ scrise sub forma a + ib cu a, b ∈ R. Descoperirea interpret˘ rii geometrice a numerelor complexe este legat˘ de mate- a amaticienii K. Wessel (1745-1818), J.R. Argand (1768-1822) si G. F. Gauss (1777- ¸1855). K. Wessel public˘ pentru prima dat˘ o interpretare geometric˘ a numerelor com- a a aplexe ˆn 1799 la Copenhaga. Lucrarea sa a fost descoperit˘ dup˘ o sut˘ de ani. Ge- ı a a aometrul francez J.R. Argand public˘ ˆn 1806 Essai sur une maniere de representer aıles quantites imaginaires ˆn care interpretarea geometric˘ a numerelor complexe este ı aintens utilizat˘ , demonstrˆ nd teorema fundamentalˆ a algebrei. Mult timp, aceast˘ a a a alucrare a fost ignorat˘ . Dup˘ redescoperirea lucr˘ rii, ˆn lumea matematic˘ mondial˘ a a a ı a adevine preponderent˘ denumirea de diagram˘ Argand care se utilizeaz˘ frecvent. In a a a ˆliteratura de specialitate romˆ neasc˘ nu a fost precizat˘ aceast˘ denumire. La noi a a a ase utilizeaz˘ termenul propus ˆn 1821 la Ranchy: aﬁx al lui M(x,y) pentru num˘ rul a ı acomplex z = x + iy. Marele matematician G. F. Gauss contureaz˘ ˆnc˘ din 1799 interpretarea geo- aı ametric˘ a numerelor complexe, iar ˆn 1828 public˘ o teorie complet˘ a numerelor a ı a acomplexe ˆn care foloseste diagrama Argand care este denumit˘ si interpretarea lui ı ¸ a¸Gauss. ˆ ¸ara noastr˘ Dimitrie Pompeiu (1873-1954) al˘ turi de Gheorghe Titeica si In t a a ¸¸ ¸Traian Lalescu reprezint˘ marii matematicieni care s-au preocupat de geometrie, aaplicˆ nd elemente de teoria numerelor complexe. a
• 94. 90 ¸ ˆ CAPITOLUL 4. APLICATII ALE NUMERELOR COMPLEXE IN GEOMETRIE Problema dac˘ ABC este un triunghi echilateral si M un punct arbitrar ˆn planul s˘ u, a ¸ ı alungimile M A, M B, M C sunt laturile unui triunghi eventual degenerat poart˘ numele lui Dimitrie Pompeiu. Acesta o demonstreaz˘ atˆ t sintetic, cˆ t si a a a a ¸utilizˆ nd operatii cu numere complexe, realizˆ nd ˆnca o dat˘ legatura ˆntre geometrie a ¸ a ı a ısi algebr˘ .¸ a4.3 Aplicatii ale numerelor complexe ˆn geometrie ¸ ı • ˆ artirea unui segment ˆntr-un raport dat. Imp˘ ¸ ıFie A1 , A2 puncte distincte din plan, de aﬁxe z1 si respectiv z2 si ﬁe P un punct pe ¸ ¸ −→ − −→ −dreapta A1 A2 , astfel ˆncˆ t P A1 = λP A2 , unde λ ∈ R, λ=1. Dac˘ P are aﬁxul zP , ı a aatunci: 1 λ zP = z1 − z2 . 1−λ 1−λFormula reprezint˘ aﬁxul punctului care ˆmparte un segment ˆntr-un raport dat. a ı ı Aﬁxul mijlocului unui segment. Dac˘ P este mijlocul segmentului [A1 A2 ], atunci λ = −1. Din formula prece- adent˘ se obtine: a ¸ z1 + z2 zP = . 2Patrulaterul M1 M2 M3 M4 , unde punctele Mi au aﬁxele zi , i = 1, 4 este paralelogramdac˘ si numai dac˘ a¸ a z1 + z3 = z2 + z4 . • Centrul de greutate al unui triunghi.Fie ABC un triunghi ale c˘ rui vˆ rfuri au aﬁxele zA , zB , zC . Atunci centrul de greu- a atate G al triunghiului are aﬁxul zA + zB + zC zG = . 3 • Distanta dintre dou˘ puncte; ecuatia cercului. ¸ a ¸Dac˘ A1 , A2 sunt puncte ˆn plan de aﬁxe z1 si respectiv z2 , atunci lungimea segmen- a ı ¸tului [A1 A2 ] este |A1 A2 = |z1 − z2 |.Rezult˘ c˘ cercul de centru A0 (z0 ) si raz˘ r are ecuatia a a ¸ a ¸ (z − z0 )(¯ − z0 ) = 0. z ¯
• 95. ¸ ˆ4.3. APLICATII ALE NUMERELOR COMPLEXE IN GEOMETRIE 91 • Conditia de coliniaritate : ¸Punctele M1 , M2 , M3 de aﬁxe z1 , z2 respectiv z3 sunt coliniare dac˘ si numai dac˘ a¸ aexist˘ k1 , k2 , k3 ∈ R cu k1 + k2 + k3 = 0 si k1 z1 + k2 z2 + k3 z3 = 0. a ¸ ˆ −− −→ Intr-adev˘ r dac˘ M1 , M2 , M3 sunt coliniare, atunci exist˘ k ∈ R cu M2 M1 = a a a −− −→ z1 − kz3k M2 M3 . Deci z2 = , adic˘ z1 − (1 − k)z2 − kz3 = 0. a 1−k Pentru k1 = 1, k2 = 1 − k, k3 = −k obtinem concluzia. ¸ Reciproc, din k1 + k2 + k3 = 0 cu k2 = −k1 − k3 obtinem ¸ k1 (z1 − z2 ) = −k3 (z3 − z2 ). k3 z1 − kz3Pentru k = − obtinem z2 = ¸ , adic˘ M1 , M2 , M3 sunt coliniare. a k1 1−k • M˘ surarea unghiului orientat. aM˘ sura unghiului orientat M1 OM2 , ˆn sens trigonometric, (semidreapta OM1 se a ıroteste ˆn sens trigonometric peste semidreapta OM2 ),fata de un reper cu originea ¸ ı ¸˘ˆn O este:ı z2 m(M1 OM2 ) = arg , z1unde z1 , z2 sunt aﬁxele punctelor M1 , respectiv M2 . Dac˘ punctele M1 , M2 , M3 au aﬁxe z1 , z2 respectiv z3 , atunci m˘ sura unghiului a aorientat (ˆn sens trigonometric) M1 M2 M3 este ı z3 − z2 m(M1 M2 M3 ) = arg . z1 − z2 z3 − z2Dac˘ punctele M1 , M2 , M3 au aﬁxe z1 , z2 , z3 si a ¸ = ρε, unde ρ > 0, ε = z1 − z2cos α + i sin α cu α ∈ [0, 2π), atunci M2 M3 = ρ, m(M1 M2 M3 ) = min(α, 2π − α). M1 M2 • Ecuatia dreptei care trece prin dou˘ puncte. ¸ aFie A1 , A2 , dou˘ puncte distincte din plan de aﬁxe z1 , respectiv z2 . Atunci, dreapta aA1 A2 reprezint˘ multimea punctelor din plan ale c˘ ror aﬁxe z sunt de forma: a ¸ a z = (1 − λ)z1 + λz2 , λ ∈ R.O alt˘ form˘ a ecuatiei unei drepte ˆn C. a a ¸ ı Punctul P apartine dreptei A1 A2 dac˘ si numai dac˘ aﬁxul s˘ u z veriﬁc˘ egalita- ¸ a¸ a a atea: z2 − z1 z − z1 = (¯ − z1 ). z ¯ z2 − z1 ¯ ¯
• 96. 92 ¸ ˆ CAPITOLUL 4. APLICATII ALE NUMERELOR COMPLEXE IN GEOMETRIE • Unghiul a dou˘ drepte a Fie punctele M1 , M2 , M3 , M4 , distincte ˆn plan, diferite de origine, cu aﬁxele ızi , i = 1, 4. M˘ sura unghiului orientat (ˆn sens trigonometric) al dreptelor M1 M2 a ısi M3 M4 este:¸ z2 − z1 m(M1 M2 , M3 M4 ) = arg . z4 − z3COROLARUL 4.1 Dreptele M1 M2 si M3 M4 sunt: ¸ z2 − z1 1. M1 M2 ⊥ M3 M4 dac˘ si numai dac˘ a¸ a ∈ iR∗ ; z4 − z3 z2 − z1 2. M1 M2 M3 M4 dac˘ si numai dac˘ a¸ a ∈ R∗ . z4 − z3 • Punctele distincte M1 , M2 , M3 , M4 sunt conciclice dac˘ si numai dac˘ raportul a¸ a anarmonic al aﬁxelor lor este real, adic˘ : a z3 − z1 z4 − z1 (z1 , z2 , z3 , z4 ) = : ∈ R∗ . z3 − z2 z4 − z2 • Ortocentrul unui triunghi.Fie ABC un triunghi ˆnscris ˆntr-un cerc cu centrul ˆn originea O a sistemului car- ı ı ıtezian xOy. ˆ altimile AA1 , BB1 si CC1 ale triunghiului sunt concurente ˆntr-un In˘ ¸ ¸ ıpunct H care ˆndeplineste conditia vectorial˘ : ı ¸ ¸ a −→ − − → − −→ − → OH = OA + OB + OC.Dac˘ aﬁxele vˆ rfurilor triunghiului sunt z1 , z2 , z3 pentru punctele A, B respectiv C a aatunci aﬁxul ortocentrului este h si este ¸ h = z1 + z2 + z3 .COROLARUL 4.2 Dac˘ originea reperului cartezian nu este ˆn centrul cercului a ıcircumscris triunghiului, atunci punctul O are aﬁxul o si are loc relatia: ¸ ¸ h + 2o = z1 + z2 + z3 .COROLARUL 4.3 Fata de un reper cu originea ˆn centrul cercului circumscris ¸˘ ıtriunghiului ABC, centrul cercului lui Euler are aﬁxul: z1 + z2 + z3 ω= . 2 • Centrul cercului ˆnscris ˆntr-un triunghi ı ı
• 97. ¸ ˆ4.3. APLICATII ALE NUMERELOR COMPLEXE IN GEOMETRIE 93Fie ABC un triunghi ale c˘ rui laturi BC, CA, AB au respectiv lungimile a, b, c. aCentrul I al cercului ˆnscris ˆn triunghiul ABC are aﬁxul ı ı 1 zI = [azA + bzB + czC ]. a+b+c • Aria unui triunghiDac˘ zi , i = 1, 3 sunt aﬁxele vˆ rfurilor triunghiului ABC, notat ˆn sens trigonome- a a ıtric, atunci aria triunghiului este: 1 SABC = Im(z1 z2 + z2 z3 + z3 z1 ). 2F˘ r˘ a restˆ nge generalitatea problemei putem considera c˘ originea sistemului orto- aa a a y A O x B C Figura 4.5:gonal de axe se aﬂ˘ ˆn interiorul triunghiului. Folosind forma trigonometric˘ a celor aı a3 aﬁxe: zi = r1 (cos θ1 + i sin θ1 ), i = 1, 3,atunci:z1 z2 +z2 z3 +z3 z1 = r1 r2 [cos(θ2 −θ1 )+i sin(θ2 −θ1 )]+r2 r3 [cos(θ3 −θ2 )+i sin(θ3 −θ2 )]+ +r1 r3 [cos(θ1 − θ3 ) + i sin(θ1 − θ3 )].Calcul˘ m a 1 Im(z1 z2 + z2 z3 + z3 z1 ) = 2 1 1 1 = r1 r2 sin(θ2 − θ1 ) + r2 r3 sin(θ3 − θ2 ) + r1 r3 sin(θ1 − θ3 ) = 2 2 2 = SAOB + SBOC + SCOA = SABC .
• 98. 94 ¸ ˆ CAPITOLUL 4. APLICATII ALE NUMERELOR COMPLEXE IN GEOMETRIE • Caracterizarea triunghiului dreptunghic. Triunghiul ABC ˆnscris ˆn cercul C(O, R) este dreptunghic dac˘ si numai dac˘ ı ı a¸ a|a + b + c| = R, unde A(a), B(b), C(c). Demonstratie. Dac˘ triunghiul ABC este dreptunghic, cu unghiul drept ˆn A, ¸ a ıatunci B si C sunt diametral opuse, deci b = −c, de unde |a + b + c| = |a| = R. ¸ Reciproc, dac˘ |a + b + c| = R, atunci |a + b + c|2 = R2 , adic˘ (a + b + a a 2 2 2 R R Rc) + + = R2 , deci a b c 1 1 1 (a + b + c) + + =1 a b cechivalent cu (a + b)(b + c)(c + a) = 0adic˘ dou˘ dintre punctele A, B, C sunt diametral opuse. a a q.e.d. • Formula rotatiei ˆn complex ¸ ıDac˘ punctul M3 (z3 ) se obtine printr-o rotatie cu centrul ˆn M2 (z2 ) si unghi α ∈ a ¸ ¸ ı ¸[0, 2π) a punctului M1 (z1 ), atunci: z3 = z2 + (z1 − z2 )unde = cos α + i sin α dac˘ rotatia se efectueaz˘ ˆn sens trigonometric sau = a ¸ aıcos(2π − α) + i sin(2π − α), dac˘ rotatia se efectueaz˘ ˆn sens invers trigonometric a ¸ aıCOROLARUL 4.4 Triunghiul ABC este echilateral dac˘ si numai dac˘ a¸ a c = a + (b − a) π πunde = cos + i sin , dac˘ triunghiul ABC este orientat ˆn sens trigonome- a ı 3 3 5π 5πtric, sau = cos + i sin , dac˘ triunghiul ABC este orientat ˆn sens invers a ı 3 3trigonometric4.4 Teoreme clasice de geometrie demonstrate cu ajutorul numerelor com- plexeˆ cele ce urmeaz˘ vom prezenta cˆ teva propriet˘¸i ale punctului si dreptei lui NagelIn a a at ¸folosind numerele complexe. O prezentare sintetic˘ a acestor rezultate a fost f˘ cut˘ a a aˆn primul capitol.ı
• 99. 4.4. TEOREME CLASICE DE GEOMETRIE DEMONSTRATE CU AJUTORUL NUMERELOR COMPLEXE95 Fie ABC un triunghi oarecare. Not˘ m cu A mijlocul laturii (BC) si cu D, D a ¸punctele de contact ale acesteia cu cercurile ˆnscris si A-exˆ nscris triunghiului dat. ı ¸ aPe laturile (CA) si (AB) consider˘ m punctele B , E, E si respectiv C , F, F cu ¸ a ¸semniﬁcatii analoage. Sunt cunoscute (sau se deduc usor) urm˘ toarele relatii: ¸ ¸ a ¸BD = p − c, D C = p − b, CE = p − a, E A = p − c, AF = p − b, F B = p − a, (4.3)unde p este semiperimetrul triunghiului. Not˘ m aﬁxul unui punct X oarecare cu zX . aPROPOZITIA 4.1 Dreptele AD , BE , CF sunt concurente ˆntr-un punct N cu ¸ ıaﬁxul: 1 zN = [(p − a)zA + (p − b)zB + (p − c)zC ] . (4.4) p Demonstratie. ¸ BD p−c Folosind (4.3) avem k = = , deci DC p−b zB + kzC 1 zD = = [(p − b)zB + (p − c)zC ]. 1+k aSe obtin formule similare pentru aﬁxele punctelor E , F . Fie V un punct pe seg- ¸ AVmentul (AD ) determinat de raportul v = . Astfel VD zA + vzD 1 1 v v zV = = zA + (p − b)zB + (p − c)zC . 1+v 1+v p−a a aVom obtine o form˘ simetric˘ pentru paranteza paranteza p˘ trat˘ legˆ nd v astfel ˆncˆ t ¸ a a a a a ı a 1 v a = , adic˘ v = a . Atunci, punctul de pe AD corespunz˘ tor acestei ap−a a p−a 1valori a lui v, punct pe care-l not˘ m cu N , va avea aﬁxul zN = p [(p − a)zA + (p − ab)zB + (p − c)zC ]. Simetria acestei relatii face evident faptul c˘ punctul N este situat ¸ asi pe dreptele BE si CF .¸ ¸ q.e.d. Punctul N pus ˆn evidenta de Propozitia 4.1 este punctul lui Nagel. ı ¸˘ ¸PROPOZITIA 4.2 Punctul lui Nagel are propriet˘ ¸ile: ¸ at 1. G ∈ (IN ) si N G = 2GI, ¸ 2. N H OI si N H = 2OI. ¸
• 100. 96 ¸ ˆ CAPITOLUL 4. APLICATII ALE NUMERELOR COMPLEXE IN GEOMETRIE A E C’ B’ I S E’ G N B C D A’ D’ Figura 4.6: Demonstratie. 1)Pentru aﬁxele centrului de greutate G al triunghiului si al cen- ¸ ¸trului cercului ˆnscris ˆn triunghi avem: ı ı zA + zB + zC 1 zG = , zI = [azA + bzB + czC ] (4.5) 3 2pDin (4.4) si (4.5) vom obtine: ¸ ¸ 1 1 zG − zI 3 (zA + zB + zC ) − 2p (azA + bzB + czC ) = 1 = zN − zG p [(p − a)zA + (p − b)zB + (p − c)zC ] − p(zA + zB + zC ) 1 2p(zA + zB + zC ) − 3(azA + bzB + czC ) 1 = = , 2 3 [(p − a)zA + (p − b)zB + (p − c)zC ] − p(zA + zB + zC ) 2 zG − zI 1deci = ∈ R, de unde rezult˘ c˘ G ∈ (IN ) si |zN − zG | = 2|zG − zI |, a a ¸ zN − zG 2adic˘ N G = 2GI. a 2) Alegem un sistem de axe cu originea ˆn O, centrul cercului circumscris triun- ıghiului ABC. ˆ acest caz stim c˘ zH = zA + zB + zC si vom avea In ¸ a ¸ 1 zN − zH p [(p − a)zA + (p − b)zB + (p − c)zC ] − (zA + zB + zC ) = 1 = −2 ∈ R, zI − zO 2p (azA + bzB + czC )deci N H OI si |zN − zH | = 2|zI − zO |, adic˘ N H = 2OI. ¸ a q.e.d. Dreapta IN se numeste dreapta lui Nagel. ¸PROPOZITIA 4.3 Cercul ˆnscris ˆn triunghiul median A B C are centrul ˆn mijlo- ¸ ı ı ıcul S al segmentului (IN ).
• 101. 4.5. PROBLEME 97 a b c 1 Demonstratie. Evident B C = , C A = , A B = si p = p , p ﬁind semi- ¸ ¸ 2 2 2 2perimetrul triunghiului median. Atunci aﬁxul centrului cercului ˆnscris ˆn triunghiul ı ımedian este: 1 a b c 1 zB + zC zA + zC zB + zA zI = zA + zB + zC = a +b +c = 2p 2 2 2 2p 2 2 2 1 = [(b + c)zA + (a + c)zB + (b + a)zC ] 4pPe de alt˘ parte a 1 1 1 1zS = (zI +zN ) = (azA + bzB + czC ) + [(p − a)zA + (p − b)zB + (p − c)zC ] = 2 2 2p p 1 1= [(2p − a)zA + (2p − b)zB + (2p − c)zC ] = [(b + c)zA + (a + c)zB + (b + a)zC ] 4p 4pCa urmare, zI = zS si deci I coincide cu S. ¸ q.e.d. Punctul S mijlocul segmentului (IN ) se numeste punctul lui Spiecker, iar cercul ¸ rC(S, 2 ) ˆnscris ˆn triunghiul median cercul lui Spiecker. ı ıPROPOZITIA 4.4 Centrul I al cercului ˆnscris ˆn triunghiul ABC este punctul lui ¸ ı ıNagel al triunghiului median A B C . Demonstratie. Pentru punctul lui Nagel N al triunghiului A B C avem ¸ 1 zN = [(p − a )zA + (p − b )zB + (p − c )zC ] = p 1 zB + zC zA + zC zB + zA = (p − a) + (p − b) + (p − c) = p 2 2 2 1 = (azA + bzB + czC ) = zI , 2pdeci N coincide cu I. q.e.d.4.5 Probleme 1. Fie A1 A2 A3 A4 un patrulater inscriptibil. Se noteaz˘ cu H1 , H2 , H3 , H4 ortocen- a trele triunghiurilor A2 A3 A4 , A3 A4 A1 , A4 A1 A2 , A1 A2 A3 . S˘ se arate c˘ patru- a a laterele A1 A2 A3 A4 si H1 H2 H3 H4 sunt congruente. ¸
• 102. 98 ¸ ˆ CAPITOLUL 4. APLICATII ALE NUMERELOR COMPLEXE IN GEOMETRIE 2. Dac˘ pe laturile unui patrulater oarecare ABCD construim ˆn exterior p˘ trate a ı a de centre O1 , O2 , O3 , O4 , atunci dreptele O1 O3 si O2 O4 sunt perpendiculare. ¸ 3. Pe laturile patrulaterului convex ABCD se construiesc ˆn exterior triunghiurile ı echilaterale ABM, BCN, CDP, DAQ. S˘ se arate c˘ patrulaterele ABCD si a a ¸ M N P Q au acelasi centru de greutate. ¸
• 103. Bibliograﬁe[1] Dan Brˆ nzei, Sebastian Anita, Eugen Onofras, Gheorghe Isvoraanu, Bazele a ¸ ¸ rationamentului geometric, Editura Academiei RSR, 1983; ¸[2] Dan Brˆ nzei, Sebastian Anita, Constantin Cocea, Planul si spatiul euclidian, a ¸ ¸ ¸ Editura Academiei RSR, 1986; ¸˘[3] Ion Chitescu, Marcel Chirita, Geometria patrulaterului, Editura Teora, 1998; ¸[4] Traian Lalescu, Geometria triunghiului, Editura Apollo, Craiova 1993;[5] Liviu Nicolescu, Vladimir Broskov, Probleme practice de geometrie, Editura Tehnica, Bucuresti, 1990 99