Problema 3 opm 2015 fase final [solução ponce ]

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PROBLEMA 3 Nesse problema, mostraremos, com o auxílio da geometria espacial, a identidade: “ Pentágono – Hexágono – Decágono “ , que diz que, sendo  n o comprimento lado do n – ágono regular inscrito em um círculo de raio 1, então 2  25   10   26

a ) Seja ABC um triângulo retângulo em A, sendo AH a altura relativa à hipotenusa. Prove que 1 AH

2

1 AB

2

1 AC 2

RESOLUÇÃO

Sendo AH altura relativa à hipotenusa do ∆ ABC, H (pé da altura) e BC ( hipotenusa). Então,BC = BH + HC. [I] Já , das relações métricas do triângulo retângulo,

AB2 = BH. BC,

AC2 = HC.BC

e

AH2 = BH . CH. [II]

Portanto, de [I] e [II], obtém-se: 1 AB

2

1 AC

2

1 1 1  1 1  1  BH  HC  1  BC           BH .BC HC .BC BC  BH HC  BC  BH . HC  BC  AH 2 

o que finaliza a demonstração pedida.

RESPOSTA : DEMONSTRAÇÃO .

1

1 AH 2

;


b ) Na figura a seguir, temos um icosaedro regular (cujas faces são triângulos equiláteros) de centro C. Construímos, ligando pontos médios de arestas, um pentágono regular P e um decágono regular D. M1 M 2   6 , calcule , em função de  5 ,  6 e  10 , os raios dos círculos circunscritos ao pentágono P e ao decágono D.

Sendo

RESOLUÇÃO 2 Do enunciado, M1 M 2 é lado comum aos polígonos regulares P e D, M1 M 2   6 e  25   10   26 , tais que:

 5 é o comprimento do lado de um pentágono regular inscrito em um círculo de raio 1.  6 é o comprimento do lado de um hexágono regular inscrito em um círculo de raio 1.

10 é o comprimento do lado de um decágono regular inscrito em um círculo de raio 1.

Dai, o comprimento do lado,

tanto do polígono regular P quanto do polígono regular D , é

6 .

Por outro lado, claramente, polígonos regulares de mesmo número de lados, são semelhantes. A razão desta semelhança pode ser dada , tanto pela razão dos comprimentos dos seus lados pela razão das medidas dos raios dos seus círculos circunscritos.

quanto

Deste modo, sendo RP e RD , respectivamente, medidas dos raios, dos círculos circunscritos ao pentágono P e ao decágono D, tem-se: RP  6 (consequência da semelhança entre P e o pentágono regular inscrito no círculo de raio 1) e  1 5  RD  6 , ( consequência da semelhança entre D e o decágono regular inscrito no círculo de raio 1). 1  10

Portanto,  RP  6 5

RESPOSTA :

6 5

e

RD 

6 10

[ raio do círculo circunscrito de P ] e

6  10

[raio do círculo circunscrito de D].

NOTAS:

1. O centro do círculo circunscrito ao decágono regular coincide com o centro C 2.  6

= 1 [ resultado bem conhecido da geometria plana] .

2

do icosaedro .


c) Sejam V um vértice e W o centro de P. Mostre que as retas WM1 e CV são perpendiculares. RESOLUÇÃO [demonstração]

Primeiramente, exibimos as figuras abaixo, com função exclusiva de auxiliar a compreensão da demonstração.

Sejam M1, M2 , M3 , M4 e M5 pontos médios das arestas do icosaedro que têm o vértice V em comum. Deste modo, M1M2M3M4 M5 é o pentágono P de centro W . Como V, claramente, não pertencente ao plano de P e VM1 = VM2 = VM3 = VM4 = VM5 ; pois as faces do icosaedro são triângulos equiláteros, então VM1M2M3M4 M5 é uma pirâmide pentagonal regular, sendo P sua base e V seu vértice. Portanto, a reta VW é perpendicular ao plano de sua base ( P ) .

[I]

Já, sendo C , centro do icosaedro regular, ele é equidistante dos seus 12 vértices. Dai, as retas VM1 , VM2 , VM3 , VM4 e VM5 são mediatrizes das arestas do icosaedro que têm M1, M2 , M3 , M4 e M5 como pontos médios, respectivamente. Como C ,claramente, não pertence ao plano de P e CM1 = CM2 = CM3 = CM4 = CM5 , então CM1M2M3M4 M5 é uma pirâmide pentagonal regular, sendo P sua base e C seu vértice. Portanto, a reta CW é perpendicular ao plano de sua base ( P ) .

[II]

Em fim, de [I] e [II] , conclui-se que C, W e V são colineares , com a reta CV perpendicular ao plano de P . Portanto, da definição de reta perpendicular à um plano, as retas WMi ( i=1,2,3,4,5), contidas no plano de P, são perpendiculares à reta CV ; o que finaliza a demonstração pedida. RESPOSTA : DEMONSTRAÇÃO

NOTA: 1. C é o centro do círculo circunscrito ao decágono regular 2. A reta

.

CV é a reta suporte das alturas relativas à base P das duas pirâmides pentagonais.

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d ) Utilizando o icosaedro, prove identidade: “ Pentágono – Hexágono – Decágono “ , ou seja, sem usar 2 trigonometria, demonstre que  25   10   26 .

RESOLUÇÃO [demonstração]

Do item ( c ), as retas WM1 e CV são perpendiculares e a reta CM1 é a mediatriz da aresta que tem M1 ∆VM1C é um triângulo retângulo em M1 e M1W é a sua altura

como ponto médio. Em consequência , relativa à hipotenusa VC .

Do item ( b ),

 M1W = RP  6 5

CM1 = RD 

e

6 10

.

Já, das faces equiláteras do icosaedro, o ∆VM1M2 é equilátero e, portanto,

VM1  M1 M 2   6 =1 .

Consequentemente, da propriedade de triângulos retângulos, provada no item ( a ), resulta para o ∆VM1C : 1 2 RP

1 2 RD

Portanto, com os valores de RP

1 12

.

e RD, substituídos nesta relação, obtém-se

1  6       5

2

1  6       10 

2

1

,

2 que após simplificações convenientes nos leva a bela identidade: “  25   10   26 “ , conhecida como a identidade “ Pentágono – Hexágono – Decágono “ ; o que finaliza a demonstração pedida.

RESPOSTA : DEMONSTRAÇÃO NOTA : Em consequência da semelhança entre polígonos regulares de mesmo número de lados, claramente, se Ln é o comprimento lado do n – ágono regular inscrito em um círculo de raio R,

então Dai,

AUTOR:

L5  R. 5 , L6  R. 6  R e L10  R. 10 ,

2 2 2 L25  R 2  25  R 2  10   26  R 2 . 10  R 2 . 26  L10  L26

LUIZ ANTONIO PONCE ALONSO [09/07/2016].

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CURIOSIDADE Demonstração da identidade: “ Pentágono – Hexágono – Decágono “ , que diz que, sendo  n o comprimento lado do n – ágono regular inscrito em um círculo de raio 1, então com o auxílio apenas da Geometria Plana.

2  25   10   26 ,

DEMONSTRAÇÃO

Seja ABCDE um pentágono regular inscrito em um círculo de raio 1, seja F ponto médio do menor arco AB da circunferência deste círculo, seja M ponto médio do lado AB , e seja BD = d. Nestas condições, claramente:   DBF =  DMB = 900.  AD = AC= DB = d.  AB = BC= CD = DE = EA =  5 ,  6 = 1, AF = BF =  10 ,  5  2BM e DF = 2.  6 .

Do Teorema de Ptlomeu aplicado ao quadrilátero

  d    2 6 . 5   10.d  10  5 ou  6 6 d  5 10  2 

2  4 2 d 2   10 6

2

Dividindo ambos os membros por d 2 , e em

[I]

seguida por  25 , obtém-se respectivamente:

2

 d    ou     10   4 [ II ]   6  6 

Por outro lado, de [II] e [III]:

 25   5 .d  d 2 .

cíclico ABCD :

Das relações métricas do ∆ DBF retângulo em B :

2  5        5   1 [ III ] d    d 

e

5 d 1 d 5

[ IV]

2 2 2 2  d            4   10    5   4   5  .         d   6  6   10 

[ III ] 2   2 [ III 2 2 [ IV ]    ]        d            .  3  5  2  1  5  2   1  5   2    5    5    5   1   5  1   1    d d d   d    d  d   d    d   5    

  Mas, 4   5 

Em consequência, AUTOR:

2 2 [ I] 2  5   d         1    1  6         10   5  10 

 

2

 

2

2  2 . . Portanto,  5   1   6  , ou seja,  25   10 6  10   10 

LUIZ ANTONIO PONCE ALONSO [09/07/2016].

NOTA: [ Teorema de Ptolomeu] Se um quadrilátero é cíclico, isto é, inscritível

em uma circunferência, então o produto dos comprimentos de suas diagonais é igual a soma dos produtos dos comprimentos dos seus lados opostos, isto é, sendo m e n comprimentos de suas diagonais, a,b,c e d comprimentos de seus lados, com a e c, correspondentes um par de lados opostos do quadrilátero cíclico, então m.n = a.c + bd.

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