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3.5 Conseqüências dos Casos de

3.5.6 A Desigualdade Triangular

O teorema 3.6 permite demonstrar uma das mais importantes de- sigualdades da matemática.

Teorema 3.7 (Desigualdade Triangular em Triângulos). Em todo triângulo a medida de qualquer lado é menor do que a soma das medidas dos outros dois lados.

Demonstração: Seja um triângulo ABC. Veremos que AC<AB+BC (as outras desigualdades se provam de forma aná-

loga). Seja um ponto D na semi-reta AB tal que B está entre A e

D e BD=BC.

A B

C

D Figura 3.53 - AC<AB+BC

122

Então o triângulo ∆BCD é isósceles com BDC =BCD . Mas

 

BCD< ACD e, portanto BDC < ACD . Assim, no triân-

gulo ∆ADC tem-se, pelo teorema 3.6, que AD>AC. Mas AD=AB+BD=AB+BC. Daí tem-se AC<AB+BC.

■ Uma conseqüência imediata deste teorema é:

Corolário 1 (do teorema 3.7). Em todo triângulo a medida de qualquer lado é maior do que o valor absoluto da diferença das medidas dos outros dois lados.

Demonstração: Seja um triângulo ABC. Do teorema 3.7 temos

que: AC<AB+BC i) , AB<AC+BC ii) e BC<AB+AC iii) .

De (i) e (ii) obtemos: BC> ACAB e BC >ABAC. Logo,

BC> ACAB . As outras desigualdades se provam analoga-

mente.

Teorema 3.8 (Desigualdade Triangular no Plano). Dados três pontos A, B e C (não necessariamente distintos), a medida de qual- quer um dos segmentos AB, AC ou BC é menor ou igual à soma

dos outros dois. A igualdade ocorre somente se os pontos forem colineares.

Demonstração: Parte da demonstração deste teorema é a de- monstração do teorema 3.7 e, se os pontos forem colineares, basta analisar caso a caso. Note que, neste caso, apenas uma igualdade pode ocorrer. Por exemplo, AB= AC+BC se, e somente se, C es-

tiver entre A e B. Se houver coincidência de pontos, por exemplo, se A e B forem um só ponto, então AB=0.

Observação: Este teorema nos diz que, se três pontos distintos A,

três desigualdades estritas, então estes três pontos formam um triângulo ∆ABC. Na verdade, basta verificar apenas duas desi-

gualdades em relação a qualquer um dos segmentos. Por exem- plo, basta verificar que ACBC < AB<AC+BC para garantir

que os três pontos A, B e C formam um triângulo (por quê?). Outra conseqüência do teorema 3.7 é:

Corolário 2 (do teorema 3.7). Se dois triângulos possuem dois lados respectivamente congruentes formando ângulos distintos, então os terceiros lados são distintos e o menor deles é oposto ao menor dos dois ângulos.

Demonstração: Sejam dois triângulos ABC e ∆AB C′ com AC

comum, BC=B C′ e ACB > ACB′ (figura). Vamos provar que

AB′ < AB. A B B' C D Figura 3.54 - AB′ <AB

Seja CD, com D sobre AB, a bissetriz do ângulo ∠BCB′. En-

tão ∆CDB≡ ∆CDB′, pois BC=B C′ , BCD =B CD′ e CD é

comum (caso LAL). Logo, DB′ =DB. Agora, no ∆ADB′, temos AB′< AD+DB′= AD+DB= AB (pela desigualdade triangular).

Exercícios Resolvidos

Um Problema de Minimização: O Problema de Heron

1) –

Dados dois pontos A e B, em um mesmo lado de uma reta

r, achar o ponto P de r tal que AP+BP seja mínima (entre

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Resolução: Este problema é um problema de construção com ré- gua e compasso. A posição relativa do ponto P na reta r pode ser calculada em função das posições relativas de A e B, mas para isto será necessário usar semelhança de triângulos. Sejam então uma reta r e dois pontos A e B e dados como na figura.

A A' P M Q N r B

Figura 3.55 - Problema de Heron

Seja AA′ perpendicular a r cujo ponto médio M está em r (dize-

mos que A′ é o simétrico de A em relação à reta r). Note que r é a

mediatriz de AA′. O segmento A B cruza a reta r. Afirmamos que

o ponto de interseção P é o ponto procurado.

Justificativa: AP= A P′ . Mas A B′ = A P′ +BP= AP+BP. Seja

Q um outro ponto qualquer de r. Então AQ=A Q′ . Mas, no

triângulo ∆A BQ′ , temos A B′ <A Q′ +BQ=AQ+BQ. Como A B′ =AP+BP, temos que AP+BP< AQ+BQ. Logo, a soma

é mínima em P.

Observação: Da solução concluímos ainda que APM =BPN (fi-

gura acima), pois BPN =A PM′ (opostos ao vértice) e A PM′ =APM

(pois ∆PAA′ é isósceles e PMAA′). Este problema é conhe-

cido em ótica como o problema da reflexão de um raio de luz, e o que se conclui é que o ângulo de incidência (∠APM)

é “igual” ao ângulo de reflexão (∠BPN), imaginando-se um raio

de luz indo de A para B e refletindo em r. Isto ocorre segundo um princípio de minimização na natureza que diz que a luz vai de um ponto a outro no menor tempo possível. Uma variação interessan- te do problema de Heron está enunciada no problema seguinte.

Dentre todos os triângulos com um lado dado e com altura 2)

relativa a esse lado dada, encontre aquele que tem o menor perímetro.

Resolução: Seja AB o lado dado. Seja r a reta que está a uma

distância igual à altura dada da reta que contém AB. A solução é

a mesma do problema 1. A B C P M r

Figura 3.56 - O ABP tem perímetro mínimo

Só que agora ∆APM ≡ ∆A PM′ ≡ ∆BPC (por quê?), onde C é o

pé da perpendicular a r por B. Então AP=BP, e o triângulo de

perímetro mínimo é o triângulo isósceles (note que basta minimi- zar AP+BP pois AB é fixo).

Seja

3) ∆ABC um triângulo e seja P um ponto no interior deste

triângulo. Prove que AP+BP<AC+BC.

Resolução: A B C D P Figura 3.57 - AP+BP<AC+BC Da figura, no ∆APD: AP<AD+PD. Assim, AP+BP<AD+PD+BP=AD+BD. Agora, no ∆BCD: BD<DC+BC. Assim, AP+BP<AD+BD< AD+DC+BC=AC+BC.

Exercícios Propostos

Prove o problema “dual” do exercício 2 resolvido acima: 1)

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rímetro dado, aquele que possui a maior altura relativa ao lado dado é o triângulo isósceles.

Sugestão: Raciocine da seguinte forma: se fixarmos o lado AB e

a altura através da reta r (figura 3.56), então qualquer ponto no semi-plano oposto ao dos pontos A e B, em relação à reta r, ou qualquer ponto de r distinto de P, forma com A e B um triângu- lo de perímetro maior do que o perímetro do triângulo isósceles

PAB

(por quê?). Conclua.

Construir com régua e compasso o caminho mínimo para se 2)

ir de um ponto P até um ponto Q, ambos no interior de um ângulo ∠AOB, passando uma vez por cada lado do ângulo.

Sugestão: A solução é uma dupla aplicação da solução do proble- ma de Heron.

Seja

3) P um ponto no interior de um triângulo ∆ABC. Mostre

que: 2 AB BC AC PA PB PC AB BC AC + + < + + < + +

Sugestão: Para provar a primeira desigualdade, use a desigualda- de triangular nos triângulos ∆ABP, ∆BCP e ∆ACP, escrevendo

AB<PA PB+ etc. Para a segunda desigualdade, use o exercício

resolvido 3 acima. Dados dois pontos

4) A e B, em um mesmo lado de uma reta r

dada, achar o ponto P sobre r tal que APBP seja máximo.

Sugestão: Observe que qualquer lado de um triângulo é maior do que o valor absoluto da diferença dos outros dois, e que A, B e P formam um triângulo (qualquer que seja P em r?).

3.5.7 Posições Relativas de Retas e