Geometria básica: uma visão abrangente

Geometria
Ensino
Quarenta iniciativas para problemas de geometria plana e espacial, das retas paralelas e dos ângulos notáveis à relação de Euler, a partir do manual manuscrito de Marcelo Dias Carvalho, com uma figura interativa para cada ideia e problemas de vestibular e da IMO.
Autor
Afiliação

Lucas Ozaki Mizuguti

IBILCE-UNESP

Data de Publicação

15 de outubro de 2026

Estas notas seguem o Manual de iniciativas em Geometria, escrito à mão por Marcelo Dias Carvalho (meu professor no ano em que fiz cursinho pré-vestibular, em 2017): uma lista de quarenta iniciativas para problemas de geometria, escrita para estudantes que se preparam para o vestibular. Marcelo as chama de iniciativas: coisas que você pode fazer por conta própria quando um problema não mostra por onde começar, como traçar uma paralela, prolongar um lado ou procurar um triângulo isósceles. As notas estão divididas em duas partes, geometria plana e geometria espacial.

Cada ideia vem com uma figura interativa. Arraste os pontos azuis, mova os controles deslizantes e observe as medidas na linha abaixo da figura: a propriedade resiste a todas as mudanças. Cada figura pode ser ampliada com os botões − / +, com o movimento de pinça ou com Shift + rolagem do mouse, e cada seção termina com um link para a mesma ideia na animação Geometria básica em figuras.

Depois do link vêm problemas que usam a ideia: questões dos vestibulares da Fuvest, da Unicamp e do ITA, e alguns problemas da Olimpíada Internacional de Matemática (IMO). Clique em um problema para abri-lo e tente resolvê-lo antes de clicar na resposta: as figuras das resoluções avançam passo a passo com o botão Próximo passo. Vale mencionar que os esboços de resolução dos problemas da IMO foram baseados no Art of Problem Solving.

Antes de começar

  1. Leia o enunciado com atenção e desenhe. Sempre desenhe, e anote na figura os comprimentos dos segmentos e as medidas dos ângulos que você conhece.
  2. Não tenha medo de nenhum problema: você pode muito bem resolvê-lo. Mas, se ele começar a demorar demais, pule-o e volte depois; haverá outros mais simples, que vão economizar o seu tempo.

Geometria plana

Retas paralelas formam ângulos iguais

Retas paralelas em um problema trazem ângulos iguais: procure-as e marque os ângulos. Uma transversal que corta duas retas \(r\) e \(s\) forma os ângulos alternos \(\alpha\) e \(\theta\), e \[ r\parallel s\iff \alpha=\theta. \] Lembre-se do Z do Zorro: os dois ângulos ficam nos cantos de um Z.

▶ Veja na animação: Retas paralelas, a partir de 0:07.

Por um ponto \(E\) do lado \(AB\) de um quadrado \(ABCD\) de lado \(10\), traça-se uma reta \(s\) paralela à diagonal \(AC\), que encontra o lado \(BC\) no ponto \(F\). Se a distância entre a reta \(s\) e a diagonal \(AC\) é \(5\), então o raio da circunferência \(C_1\) inscrita no triângulo \(BEF\) é

(A) \(\dfrac52\)   (B) \(2-\sqrt2\)   (C) \((2-\sqrt2)^2\)   (D) \(\dfrac52\,(2-\sqrt2)^2\)   (E) \(1-\sqrt2\)

Resposta: (D) \(\ r=\dfrac{5}{2}\,(2-\sqrt2)^2\).

  1. Paralelas formam ângulos iguais. Como \(s\parallel AC\), os ângulos que \(s\) forma com \(AB\) e com \(BC\) são os correspondentes aos da diagonal: \(\widehat{BEF}=\widehat{BAC}=45^\circ\) e \(\widehat{BFE}=\widehat{BCA}=45^\circ\). Logo, \(BEF\) é um triângulo retângulo isósceles.
  2. A sua altura. A diagonal \(BD\) é perpendicular a \(AC\) e, portanto, também a \(s\). Sejam \(M\) o centro do quadrado e \(T=BD\cap s\). Então \(BM=\frac{10\sqrt2}{2}=5\sqrt2\) e \(MT=5\) (a distância entre as paralelas), de modo que a altura de \(BEF\) é \(BT=5\sqrt2-5\).
  3. O raio da circunferência inscrita. Em um triângulo retângulo isósceles de altura \(h\) relativa à hipotenusa, os catetos medem \(h\sqrt2\) e a hipotenusa mede \(2h\); aqui, \(h=TB\). A circunferência inscrita toca os catetos à distância \(r\) do vértice do ângulo reto, formando um quadrado de lado \(r\) e diagonal \(r\sqrt{2}\). Como \[ BT = r + r\sqrt{2}\quad (\mbox{raio + diagonal do quadrado}), \] temos \[ 5\sqrt2-5 = BT = r + r\sqrt{2} \iff r=\dfrac{5}{2}\,(2-\sqrt2)^2. \]

Seja \(\Gamma\) a circunferência circunscrita ao triângulo acutângulo \(ABC\). Os pontos \(D\) e \(E\) estão nos segmentos \(AB\) e \(AC\), respectivamente, de modo que \(AD=AE\). As mediatrizes de \(BD\) e de \(CE\) intersectam os arcos menores \(AB\) e \(AC\) de \(\Gamma\) nos pontos \(F\) e \(G\), respectivamente. Prove que as retas \(DE\) e \(FG\) são paralelas (ou são a mesma reta).

Seja \(R\) o raio de \(\Gamma\), e meça os arcos pelo dobro dos ângulos inscritos neles: escreva \(\overset{\frown}{AF}=2a\), \(\overset{\frown}{FB}=2b\), \(\overset{\frown}{AG}=2c\), \(\overset{\frown}{GC}=2d\), de modo que \(a+b=\widehat C\) e \(c+d=\widehat B\), todos menores que \(90^\circ\).

  1. Onde está \(D\)? A corda \(FB\) subtende o arco \(2b\), logo \(FB=2R\operatorname{sen}b\) (a lei dos senos em \(\Gamma\)), e \(\widehat{FBA}=a\) (inscrito no arco \(AF\)). Como \(FB=FD\), o triângulo \(FBD\) é isósceles e o pé da perpendicular por \(F\) a \(AB\) é o ponto médio de \(BD\). Portanto, \[ BD=2\,FB\cos a=4R\operatorname{sen}b\cos a=2R\big(\operatorname{sen}(a+b)-\operatorname{sen}(a-b)\big)=AB-2R\operatorname{sen}(a-b), \] pois \(AB=2R\operatorname{sen}\widehat C=2R\operatorname{sen}(a+b)\). Assim, \(AD=2R\operatorname{sen}(a-b)\) e, do mesmo modo, \(AE=2R\operatorname{sen}(c-d)\).
  2. A hipótese. \(AD=AE\) dá \(\operatorname{sen}(a-b)=\operatorname{sen}(c-d)\), com os dois ângulos entre \(-90^\circ\) e \(90^\circ\); logo, \(a-b=c-d\), isto é, \(a+d=b+c\).
  3. Os ângulos de \(FG\). A corda \(FG\) corta \(AB\) em \(X\) e \(AC\) em \(Y\). O ângulo entre duas cordas é a semissoma dos arcos que elas determinam: \[ \widehat{AXY}=\tfrac12\big(\overset{\frown}{AG}+\overset{\frown}{FB}\big)=c+b,\qquad \widehat{AYX}=\tfrac12\big(\overset{\frown}{AF}+\overset{\frown}{GC}\big)=a+d . \] Pelo passo 2, eles são iguais; logo, \(AXY\) é isósceles, como \(ADE\), e com o mesmo ângulo em \(A\): os dois ângulos da base valem \(90^\circ-\frac{\widehat A}{2}\). Então \(FG\) e \(DE\) formam o mesmo ângulo com \(AB\) e, sendo iguais os ângulos correspondentes, \(FG\parallel DE\) (ou elas coincidem).

O ângulo reto

O ângulo reto é muito importante: goste do ângulo de \(90^\circ\). Com ele você pode

  • usar Pitágoras: em um triângulo retângulo de catetos \(b\), \(c\) e hipotenusa \(a\), \(a^2=b^2+c^2\);
  • perceber que, se \(\alpha+\beta=90^\circ\), então \(\operatorname{sen}\alpha=\cos\beta\);
  • usar o seno, o cosseno e a tangente.

Então, se você encontrar um ângulo de \(90^\circ\), que sorte! Procure sempre ângulos retos nas figuras.

▶ Veja na animação: O ângulo reto, a partir de 0:19.

Suponha que \(ABC\) seja um triângulo retângulo de perímetro \(16\) cm e hipotenusa \(7\) cm. Calcule a sua área.

Resposta: \(8\ \text{u.a.}\)

Chame os catetos de \(b\) e \(c\). O perímetro dá \(b+c=16-7=9\), e Pitágoras dá \(b^2+c^2=7^2=49\). Não é preciso encontrar \(b\) e \(c\): a área é \(\frac{bc}{2}\), e \[ (b+c)^2=b^2+c^2+2bc\ \Longrightarrow\ 81=49+2bc\ \Longrightarrow\ bc=16, \] logo a área é \(\dfrac{bc}{2}=8\ \text{u.a.}\)

Ângulos notáveis

Os ângulos notáveis são muito bem-vindos. Quando aparecerem \(30^\circ\), \(45^\circ\) ou \(60^\circ\), veja se dá para usá-los em um triângulo retângulo. E guarde um truque para o ângulo de \(30^\circ\): o cateto oposto ao ângulo de \(30^\circ\) mede metade da hipotenusa. No triângulo \(ABC\), retângulo em \(A\) e com \(\hat B=30^\circ\), se \(AC=x\), então \(BC=2x\).

▶ Veja na animação: Ângulos notáveis, a partir de 0:32.

Na parte da frente do casco de um submarino há um sonar esférico de raio \(3\) m, que detecta objetos ao seu redor. O sonar emite ondas que se propagam em todas as direções, formando esferas cujo raio é a distância do centro do sonar à superfície do objeto detectado. O centro do sonar está \(120\) m abaixo da superfície da água.

a) Qual é a menor distância do centro do sonar à superfície de um objeto para que ele seja detectado?
b) Se o sonar detecta um objeto a \(10\) m do seu centro, em um ponto \(45^\circ\) acima da reta horizontal que passa pelo centro do sonar, a que profundidade, abaixo da superfície da água, está o objeto?
c) Se o sonar detecta um objeto \(170\) m abaixo da superfície da água e \(30^\circ\) abaixo da reta horizontal que passa pelo centro do sonar, a que distância do centro do sonar está o objeto?

Resposta: a) \(3\) m;   b) \((120-5\sqrt2)\) m;   c) \(100\) m.

a) O objeto não pode estar dentro do sonar; portanto, a menor distância ocorre quando ele encosta no sonar: o raio, \(3\) m.

b) O centro \(S\) do sonar, o objeto \(O\) e o pé \(P\) da vertical por \(O\) na reta horizontal formam um triângulo retângulo de hipotenusa \(SO=10\) e ângulo de \(45^\circ\) em \(S\). Ele é metade de um quadrado: \(OP=\dfrac{10}{\sqrt2}=5\sqrt2\). O objeto está \(5\sqrt2\) m acima da reta; logo, a sua profundidade é \(120-5\sqrt2\) m.

c) O objeto está \(170-120=50\) m abaixo da reta horizontal. Agora o ângulo em \(S\) é \(30^\circ\), e o cateto oposto ao ângulo de \(30^\circ\) é metade da hipotenusa: \(SO=2\cdot50=100\) m.

Ângulos suplementares

Outros ângulos bons de encontrar em um problema são \(120^\circ\), \(135^\circ\) e \(150^\circ\), os suplementos de \(60^\circ\), \(45^\circ\) e \(30^\circ\). E lembre-se: \[ \alpha+\beta=180^\circ\implies \operatorname{sen}\alpha=\operatorname{sen}\beta,\qquad \cos\alpha=-\cos\beta, \] pois, na circunferência trigonométrica, os pontos de \(\alpha\) e de \(\beta=180^\circ-\alpha\) são simétricos em relação ao eixo vertical (o eixo dos senos).

▶ Veja na animação: Ângulos suplementares, a partir de 0:44.

Sejam \(A\), \(B\), \(C\) os vértices de um triângulo. Determine \(\operatorname{sen}\widehat B\), sabendo que \[ \operatorname{sen}\big(\widehat A+\widehat B\big)=\frac45=\operatorname{sen}\big(\widehat A-\widehat C\big). \]

Resposta: \(\operatorname{sen}\widehat B=\dfrac{44}{125}\).

  1. Ângulos suplementares têm o mesmo seno. \(\widehat A+\widehat B=180^\circ-\widehat C\); logo, \(\operatorname{sen}\widehat C=\operatorname{sen}(\widehat A+\widehat B)=\frac45\), e \(\widehat C\) é \(\gamma=\operatorname{arcsen}\frac45\) (agudo) ou o seu suplemento \(180^\circ-\gamma\).
  2. Qual deles? \(\operatorname{sen}(\widehat A-\widehat C)=\frac45>0\) significa \(0<\widehat A-\widehat C<180^\circ\); logo, \(\widehat A>\widehat C\). Se \(\widehat C=180^\circ-\gamma\) fosse obtuso, teríamos \(\widehat A+\widehat C>2\widehat C>180^\circ\), o que é impossível. Portanto, \(\widehat C=\gamma\).
  3. Então \(\widehat A-\widehat C\) é novamente \(\gamma\) ou \(180^\circ-\gamma\). A segunda opção dá \(\widehat A=180^\circ\), impossível; assim, \(\widehat A-\widehat C=\gamma\), isto é, \(\widehat A=2\gamma\) e \(\widehat B=180^\circ-3\gamma\).
  4. Usando mais uma vez os ângulos suplementares, \(\operatorname{sen}\widehat B=\operatorname{sen}3\gamma=3\operatorname{sen}\gamma-4\operatorname{sen}^3\gamma=\frac{12}{5}-\frac{256}{125}=\frac{44}{125}\).

Da tangente ao seno e ao cosseno

Mais um truque com o triângulo retângulo. Dado \(\operatorname{tg}\alpha=\tfrac12\), calcule \(\operatorname{sen}\alpha\) e \(\cos\alpha\). Primeiro desenhe, usando a proporção: catetos \(x\) (oposto a \(\alpha\)) e \(2x\) (adjacente). Depois aplique Pitágoras: a hipotenusa mede \(x\sqrt5\). Pronto: \[ \operatorname{sen}\alpha=\frac{x}{x\sqrt5}=\frac{\sqrt5}{5},\qquad \cos\alpha=\frac{2x}{x\sqrt5}=\frac{2\sqrt5}{5}. \]

Considere um retângulo \(ABCD\) em que o lado \(AB\) mede o dobro do lado \(BC\). Sejam \(M\) o ponto médio de \(BC\) e \(N\) o ponto médio de \(CM\). A tangente do ângulo \(M\widehat AN\) é

(A) \(\dfrac1{35}\)   (B) \(\dfrac2{35}\)   (C) \(\dfrac4{35}\)   (D) \(\dfrac8{35}\)   (E) \(\dfrac{16}{35}\)

Resposta: (C) \(\ \dfrac4{35}\).

Tome \(BC=4\) e \(AB=8\); então \(BM=2\) e \(BN=3\).

  1. As duas tangentes. Nos triângulos retângulos \(ABM\) e \(ABN\): \(\operatorname{tg}\beta=\frac{BM}{AB}=\frac14\) e \(\operatorname{tg}\alpha=\frac{BN}{AB}=\frac38\), com \(\beta=B\widehat AM\), \(\alpha=B\widehat AN\) e \(\theta=M\widehat AN=\alpha-\beta\).
  2. Das tangentes aos senos e cossenos, como nesta seção: os triângulos de catetos \(1,4\) e \(3,8\) dão \(\operatorname{sen}\beta=\frac1{\sqrt{17}}\), \(\cos\beta=\frac4{\sqrt{17}}\), \(\operatorname{sen}\alpha=\frac3{\sqrt{73}}\), \(\cos\alpha=\frac8{\sqrt{73}}\). Então \[ \operatorname{tg}\theta=\frac{\operatorname{sen}\alpha\cos\beta-\cos\alpha\operatorname{sen}\beta}{\cos\alpha\cos\beta+\operatorname{sen}\alpha\operatorname{sen}\beta}=\frac{12-8}{32+3}=\frac4{35}. \] (É o mesmo que \(\operatorname{tg}(\alpha-\beta)=\frac{3/8-1/4}{1+3/32}\).)

O triângulo isósceles

Outro triângulo que você deve procurar sempre é o isósceles, porque ele aumenta as informações do problema: lados iguais dão ângulos da base iguais, e vice-versa. Além disso, em um triângulo isósceles \(ABC\) de base \(BC\), o segmento \(AH\) até a base é, ao mesmo tempo, a altura, a mediana e a bissetriz relativas a \(BC\).

Considere um triângulo de vértices \(A\), \(B\) e \(C\), retângulo em \(B\). Sejam \(r\) a reta que passa por \(A\) e \(C\) e \(O\) um ponto equidistante de \(A\) e de \(C\), no mesmo semiplano de \(B\) em relação a \(r\). Sabendo que \(AO=85\), \(AB=10\) e \(BC=24\), a distância de \(O\) a \(r\) é

(A) \(64\)   (B) \(66\)   (C) \(74\)   (D) \(76\)   (E) \(84\)

Resposta: (E) \(84\).

  1. \(AC=\sqrt{10^2+24^2}=26\).
  2. \(OA=OC\); logo, o triângulo \(AOC\) é isósceles de base \(AC\): a sua altura relativa a \(O\) é também mediana, e o seu pé \(H\) é o ponto médio de \(AC\), com \(AH=13\).
  3. A distância de \(O\) a \(r\) é \(OH=\sqrt{85^2-13^2}=\sqrt{(85-13)(85+13)}=\sqrt{72\cdot98}=\sqrt{7056}=84\).

(O ângulo reto em \(B\) e o semiplano de \(r\) apenas fixam o desenho: \(B\) está na circunferência de diâmetro \(AC\).)

Prolongando segmentos

Antes desta, lembre-se: você gosta de triângulos isósceles. Uma iniciativa que às vezes tomamos é prolongar segmentos. No trapézio \(ABCD\) com \(AB\parallel CD\), prolongar \(AB\) produz ângulos alternos. No quadrilátero com \(\hat A=60^\circ\) e ângulos retos em \(B\) e em \(D\), prolongando \(AB\) e \(DC\) até se encontrarem em \(E\), obtemos o triângulo \(ADE\), com os ângulos notáveis \(60^\circ\), \(90^\circ\) e \(30^\circ\). Isso é bom!

▶ Veja na animação: Prolongando segmentos, a partir de 1:14.

Considere um triângulo \(ABC\) e seja \(M\) o ponto médio do lado \(BC\). Tome o ponto \(R\neq A\) na reta \(AB\) tal que \(AB=BR\), e o ponto \(Q\) na reta \(AC\) tal que \(AC=2\,CQ\), com \(Q\) fora do segmento \(AC\). A reta \(RM\) corta o lado \(AC\) no ponto \(S\), e a reta \(QM\) corta o lado \(AB\) no ponto \(P\). Se a área do triângulo \(ABC\) é \(24\), a área do quadrilátero \(APMS\) é

(A) \(15\)   (B) \(16\)   (C) \(17\)   (D) \(18\)   (E) \(19\)

Resposta: (C) \(17\).

  1. Onde está \(S\)? Trace por \(B\) a paralela a \(AC\); ela encontra \(RS\) em \(B'\). No triângulo \(RAS\), \(B\) é o ponto médio de \(RA\) e \(BB'\parallel AS\); logo, \(BB'=\frac{AS}{2}\). Nos triângulos \(MBB'\) e \(MCS\) (ângulos opostos pelo vértice, ângulos alternos, \(MB=MC\)) obtemos \(BB'=CS\). Assim, \(CS=\frac{AS}{2}\) e \(AS=\frac23\,AC\).
  2. Onde está \(P\)? Do mesmo modo, trace por \(C\) a paralela a \(AB\), que encontra \(QP\) em \(C'\). Os triângulos \(QCC'\) e \(QAP\) são semelhantes na razão \(\frac{QC}{QA}=\frac13\); logo, \(CC'=\frac{AP}{3}\); e \(MCC'\cong MBP\) dá \(CC'=BP\). Portanto, \(BP=\frac{AP}{3}\) e \(AP=\frac34\,AB\).
  3. Áreas. A mediana \(AM\) divide \(ABC\) em dois triângulos de área \(12\). Triângulos de mesma altura têm áreas proporcionais às bases: \[ [APM]=\tfrac34\,[ABM]=9,\qquad [ASM]=\tfrac23\,[ACM]=8, \] e então \([APMS]=9+8=17\).

Semelhança de triângulos

Perceber triângulos semelhantes é outra ideia para procurar o tempo todo. Siga este roteiro:

  1. marque segmentos e ângulos na figura;
  2. procure um caso de semelhança: AA, LAL ou LLL;
  3. monte as proporções. Para não errar, lembre-se de que os nossos guias são os ângulos: opostos a ângulos iguais encontramos lados proporcionais;
  4. faça as contas.

Nesta questão simples da Fuvest queremos a relação entre \(x\), \(y\), \(m\) e \(p\). Marque \(\alpha\) e \(\beta\) (eles são complementares); os dois triângulos são semelhantes pelo caso AA; opostos a ângulos iguais, os lados são proporcionais, logo \[ \frac yp=\frac xm\iff \frac xy=\frac mp. \]

A figura mostra um triângulo \(ABC\) que contém dois quadrados. O segmento \(GH\) é lado de um dos quadrados e está sobre o segmento \(AB\). O segmento \(EF\), sobre o segmento \(AC\), é lado do outro quadrado. Sabendo que \(AG\) mede \(4\) cm e que o lado \(GH\) do quadrado menor mede \(3\) cm, o comprimento do segmento \(EF\) é

(A) \(\dfrac{121}{20}\)   (B) \(\dfrac{111}{20}\)   (C) \(\dfrac{102}{15}\)   (D) \(\dfrac{98}{15}\)

Resposta: (B) \(\ \dfrac{111}{20}\) cm.

Sejam \(D\) o vértice do quadrado pequeno sobre \(AC\), \(P\) o seu quarto vértice (sobre o lado \(EI\) do quadrado grande) e \(I\) o vértice do quadrado grande sobre \(AB\).

  1. \(AGD\) é retângulo em \(G\), de catetos \(4\) e \(3\); logo, \(AD=5\).
  2. Três triângulos semelhantes. Os lados dos quadrados são paralelos ou perpendiculares entre si, de modo que todos os triângulos retângulos pequenos têm os mesmos ângulos que \(AGD\) (com o ângulo \(\widehat A\) em um dos vértices): \(AGD\sim DEP\sim PHI\).
  3. Em \(DEP\) a hipotenusa é \(DP=3\): \(\dfrac{PE}{DP}=\dfrac{GD}{AD}=\dfrac35\); logo, \(PE=\dfrac95\).
  4. Em \(PHI\) o ângulo em \(P\) é igual a \(\widehat A\) e o cateto \(PH=3\) é adjacente a ele: \(\dfrac{PI}{PH}=\dfrac{AD}{AG}=\dfrac54\); logo, \(PI=\dfrac{15}4\).
  5. \(EF=EI=PE+PI=\dfrac95+\dfrac{15}4=\dfrac{111}{20}\) cm.

O ângulo externo de um triângulo

Falando de iniciativas com ângulos, enxergar o ângulo externo de um triângulo é muito importante: um ângulo externo é a soma dos dois ângulos internos não adjacentes a ele, \[ \theta=\alpha+\beta. \] Ele aparece quando prolongamos um lado do triângulo.

Exemplo 1. Na figura, \(ADE\) é equilátero, \(AD=BD\), e \(ABC\) é isósceles de base \(BC\). Determine \(\alpha=\widehat{BAD}\). Primeiro marque ângulos e segmentos. Como \(AD=BD\), o ângulo em \(B\) é \(\alpha\); como \(ABC\) é isósceles, o ângulo em \(C\) também é \(\alpha\); e \(\widehat{DAE}=60^\circ\). Daria para sair caçando ângulos externos (\(\theta+60^\circ\) é externo a \(ADB\), \(\widehat{AED}\) é externo a \(EDC\), …), mas olhe o problema um pouco de longe: no triângulo \(ABC\), \[ \alpha+60^\circ+\alpha+\alpha=180^\circ\iff 3\alpha=120^\circ\iff\alpha=40^\circ. \] O ângulo externo não foi o protagonista aqui, mas tê-lo em mente como opção é muito útil.

Exemplo 2. Agora uma questão em que os ângulos externos são os protagonistas: \(BC=BP=PQ=QA\) e \(AB=AC\); determine \(\alpha=\hat A\). Marque ângulos e lados, e os triângulos isósceles começam a aparecer:

  1. \(\widehat{PQB}\) é externo ao triângulo \(PQA\); logo, mede \(\alpha+\alpha=2\alpha\);
  2. o triângulo \(PQB\) é isósceles; logo, \(\widehat{PBQ}=2\alpha\);
  3. \(\widehat{CPB}\) é externo ao triângulo \(PBA\); logo, mede \(\alpha+2\alpha=3\alpha\);
  4. o triângulo \(BPC\) é isósceles; logo, \(\widehat{PCB}=3\alpha\);
  5. o triângulo \(ABC\) é isósceles de base \(BC\); logo, \(\widehat{ABC}=3\alpha\) e \(\widehat{PBC}=3\alpha-2\alpha=\alpha\).

No triângulo \(BPC\), \(\alpha+3\alpha+3\alpha=180^\circ\); logo, \(\alpha=\dfrac{180^\circ}{7}\). Resumindo: marque todos os ângulos que aparecerem e fique de olho nos triângulos isósceles e nos ângulos externos.

Seja \(A\) um ponto exterior a uma circunferência \(\lambda\) de centro \(O\) e raio \(r\). Considere uma reta por \(A\) que corta \(\lambda\) nos pontos \(C\) e \(D\), de modo que o segmento \(AC\) é exterior a \(\lambda\) e mede \(r\). Seja \(B\) o ponto de \(\lambda\) tal que \(O\) pertence ao segmento \(AB\). Se o ângulo \(B\widehat AD\) mede \(10^\circ\), então o ângulo \(B\widehat OD\) mede

(A) \(25^\circ\)   (B) \(30^\circ\)   (C) \(35^\circ\)   (D) \(40^\circ\)   (E) \(45^\circ\)

Resposta: (B) \(30^\circ\).

  1. \(AC=r=OC\): o triângulo \(ACO\) é isósceles; logo, \(C\widehat OA=C\widehat AO=10^\circ\).
  2. Ângulo externo de \(ACO\) em \(C\): \(O\widehat CD=10^\circ+10^\circ=20^\circ\).
  3. \(OC=OD=r\): o triângulo \(OCD\) é isósceles; logo, \(O\widehat DC=20^\circ\).
  4. Ângulo externo de \(AOD\) em \(O\): \(B\widehat OD=O\widehat AD+O\widehat DA=10^\circ+20^\circ=30^\circ\).

Traçando paralelas

E a iniciativa com paralelas? Na “ponta de flecha” \(ABCD\), determine \(\theta\) em função de \(\alpha\), \(\beta\) e \(\gamma\). Por \(C\), trace a paralela a \(AD\) e a paralela a \(AB\): o ângulo \(\theta\) se divide em cópias de \(\alpha\), \(\beta\) e \(\gamma\), logo \[ \theta=\alpha+\beta+\gamma. \]

Agora uma bonita com a iniciativa da paralela: no trapézio \(WZYX\) com \(XY\parallel WZ\), \(WZ=9{,}4\), \(XY=5{,}7\), \(\hat W=\theta\) e \(\widehat{XYZ}=2\theta\), determine \(m=ZY\). Trace por \(Y\) a paralela a \(WX\), que encontra \(WZ\) em \(P\). Então \(WPYX\) é um paralelogramo; logo, \(WP=5{,}7\) e \(ZP=9{,}4-5{,}7=3{,}7\); e, que sorte, o triângulo \(ZPY\) é isósceles de base \(PY\) (dois ângulos \(\theta\)). Portanto, \(m=ZY=ZP=3{,}7\).

▶ Veja na animação: Traçando paralelas, a partir de 2:02.

Considere a circunferência \(\lambda\) de centro \(O\) que passa por um ponto \(A\). Sejam \(B\) um ponto tal que \(A\) é o ponto médio de \(OB\), e \(M\) um ponto de \(\lambda\) tal que \(A\widehat OM=100^\circ\). Sejam \(r\) a reta tangente a \(\lambda\) em \(M\) e \(DE\) a projeção ortogonal do segmento \(AB\) sobre a reta \(r\). Determine, em graus, a medida do ângulo \(A\widehat EB\).

Resposta: \(A\widehat EB=40^\circ\).

  1. Três paralelas. \(OM\perp r\) (tangente e raio), e \(AD\perp r\), \(BE\perp r\) (projeções). Logo, \(OM\parallel AD\parallel BE\).
  2. Paralelas determinam segmentos proporcionais. Essas paralelas cortam as retas \(OB\) e \(ME\); como \(A\) é o ponto médio de \(OB\), \(D\) é o ponto médio de \(ME\).
  3. Um triângulo isósceles. \(AD\) é perpendicular a \(ME\) no seu ponto médio; logo, \(A\) está na mediatriz de \(ME\): \(AM=AE\).
  4. Ângulos. \(OA=OM\) e \(A\widehat OM=100^\circ\); logo, \(O\widehat MA=40^\circ\); então \(A\widehat ME=90^\circ-40^\circ=50^\circ\) e, no triângulo isósceles \(AME\), também \(A\widehat EM=50^\circ\). Finalmente, \(A\widehat EB=90^\circ-50^\circ=40^\circ\), pois \(BE\perp r\).

Traçando perpendiculares

As perpendiculares também são uma boa iniciativa: 1) em um triângulo isósceles, a perpendicular por \(A\) à base a encontra no ponto médio \(M\); 2) em um trapézio isósceles de bases \(a\) e \(b\), as perpendiculares pelos vértices da base menor dividem a base maior em \(\tfrac{b-a}2\), \(a\), \(\tfrac{b-a}2\); 3) a perpendicular \(PA\) por um ponto \(P\) a uma reta \(r\) é a distância de \(P\) a \(r\).

Na figura, os segmentos \(AC\) e \(DE\) são paralelos entre si e perpendiculares ao segmento \(CD\); o ponto \(B\) pertence ao segmento \(AC\); \(F\) é o ponto médio do segmento \(AB\); e \(ABE\) é um triângulo equilátero. Além disso, o segmento \(BC\) mede \(10\) unidades de comprimento e o segmento \(AE\) mede \(6\). A medida do segmento \(DF\) é

(A) \(14\)   (B) \(15\)   (C) \(16\)   (D) \(17\)   (E) \(18\)

Resposta: (A) \(14\).

  1. Trace a perpendicular por \(E\). No triângulo equilátero \(ABE\), a altura relativa a \(E\) cai no ponto médio de \(AB\), que é \(F\); ela mede \(\frac{6\sqrt3}{2}=3\sqrt3\).
  2. \(EF\) e \(DC\) são ambos perpendiculares às paralelas \(AC\) e \(DE\); logo, \(EFCD\) é um retângulo e \(CD=EF=3\sqrt3\).
  3. \(FC=FB+BC=3+10=13\) e, no triângulo retângulo \(FCD\): \[ DF^2=13^2+(3\sqrt3)^2=169+27=196,\qquad DF=14 . \]

Uma paralela a um dos lados

Mais sobre paralelas; não se esqueça desta ideia: uma reta \(r\parallel BC\) que corta \(AB\) em \(P\) e \(AC\) em \(Q\) sempre dá \(\triangle APQ\sim\triangle ABC\).

Um marceneiro possui um pedaço de madeira no formato de um triângulo retângulo, cujos catetos medem \(12\) cm e \(35\) cm. A partir dele, deve recortar o maior quadrado possível, com um dos ângulos retos do quadrado coincidindo com o ângulo reto do triângulo. A medida do lado do quadrado é mais próxima de

(A) \(8{,}0\) cm   (B) \(8{,}5\) cm   (C) \(9{,}0\) cm   (D) \(9{,}5\) cm   (E) \(10{,}0\) cm

Resposta: (C) \(x=\dfrac{420}{47}\approx8{,}94\) cm.

O maior quadrado tem o seu quarto vértice sobre a hipotenusa. O seu lado de cima é paralelo ao cateto de medida \(35\); logo, ele recorta, no alto, um triângulo pequeno semelhante ao triângulo todo: os seus catetos medem \(x\) (horizontal) e \(12-x\) (vertical). Portanto, \[ \frac{12-x}{x}=\frac{12}{35}\ \Longrightarrow\ 35(12-x)=12x\ \Longrightarrow\ x=\frac{420}{47}\approx8{,}94 . \] (Em geral, o quadrado em um triângulo retângulo de catetos \(b\), \(c\) tem lado \(\frac{bc}{b+c}\).)

Um ponto médio gosta de outro ponto médio

Guarde isto: um ponto médio gosta de outro ponto médio. Se \(M\) e \(N\) são os pontos médios de \(AB\) e \(AC\), então, pelo teorema da base média, \[ MN\parallel BC\qquad\text{e}\qquad MN=\tfrac12\,BC. \] Quando encontrar dois pontos médios, tome a iniciativa de ligá-los.

Na figura, \(ABCD\) é um trapézio com \(AB=1\) e \(CD=5\). Os pontos \(M\) e \(N\) são os pontos médios de \(AB\) e \(BC\), respectivamente. Sabendo que a área de \(MBN\) é \(1\), a área do trapézio é

(a) \(18\)   (b) \(20\)   (c) \(22\)   (d) \(24\)

Resposta: (d) \(24\).

  1. Dois pontos médios. Trace a diagonal \(AC\). No triângulo \(ABC\), \(M\) e \(N\) são pontos médios de dois lados; logo, \(MN\parallel AC\) e \(MN=\frac{AC}2\): o triângulo \(MBN\) é semelhante a \(ABC\) na razão \(\frac12\), e a sua área é um quarto da área de \(ABC\). Assim, \([ABC]=4\).
  2. A altura. \(ABC\) tem base \(AB=1\) e altura igual à altura \(h\) do trapézio: \(\frac{1\cdot h}{2}=4\); logo, \(h=8\).
  3. \([ABCD]=\dfrac{(1+5)\cdot8}{2}=24\).

Seja \(ABC\) um triângulo de circuncentro \(O\). Os pontos \(P\) e \(Q\) são pontos interiores dos lados \(CA\) e \(AB\), respectivamente. Sejam \(K\), \(L\) e \(M\) os pontos médios dos segmentos \(BP\), \(CQ\) e \(PQ\), respectivamente, e seja \(\Gamma\) a circunferência que passa por \(K\), \(L\) e \(M\). Suponha que a reta \(PQ\) seja tangente à circunferência \(\Gamma\). Prove que \(OP=OQ\).

  1. Pontos médios. No triângulo \(PQB\), \(M\) e \(K\) são os pontos médios de \(PQ\) e de \(PB\); logo, \(MK\parallel QB\) (isto é, \(\parallel AB\)) e \(MK=\frac{QB}{2}\). No triângulo \(QPC\), \(ML\parallel PC\) (isto é, \(\parallel AC\)) e \(ML=\frac{PC}{2}\).
  2. Tangência. O ângulo \(K\widehat MQ\) entre a tangente \(MQ\) e a corda \(MK\) é igual ao ângulo inscrito \(M\widehat LK\). E \(K\widehat MQ=A\widehat QP\), ângulos alternos para as paralelas \(MK\) e \(AB\). Logo, \(M\widehat LK=A\widehat QP\); do mesmo modo (\(ML\parallel AC\)), \(M\widehat KL=L\widehat MP=A\widehat PQ\).
  3. Portanto, \(MKL\sim APQ\) e \(\dfrac{MK}{ML}=\dfrac{AP}{AQ}\), isto é, \(\dfrac{QB}{PC}=\dfrac{AP}{AQ}\), ou \(AQ\cdot QB=AP\cdot PC\).
  4. Potência de ponto. Para um ponto \(X\) interior à circunferência circunscrita (de raio \(R\)), sobre uma corda \(UV\), vale \(XU\cdot XV=R^2-OX^2\). Logo, \(R^2-OQ^2=R^2-OP^2\) e \(OP=OQ\).

Quatro fórmulas para memorizar

Para o triângulo equilátero de lado \(\ell\) e o quadrado de lado \(\ell\): \[ h=\frac{\ell\sqrt3}{2}\ \ (\text{sobre }2),\qquad \text{Área}=\frac{\ell^2\sqrt3}{4}\ \ (\text{sobre }4);\qquad\qquad \text{Área}=\ell^2,\qquad d=\ell\sqrt2. \] Nós as usamos muito na geometria espacial dos tetraedros regulares e dos prismas.

▶ Veja na animação: Quatro fórmulas, a partir de 2:41.

A trave de equilíbrio é um aparelho da ginástica artística sobre o qual a atleta deve manter o equilíbrio. A trave é paralela ao chão e, em cada extremidade, apoia-se em um suporte no qual os pontos \(A\), \(B\) (sob a trave) e \(C\) (onde as duas pernas se cruzam) formam um triângulo equilátero; a perna que passa por \(B\) e \(C\) toca o chão em \(D\). Sabendo que a distância da trave ao chão é de \(110\) cm, calcule o comprimento do segmento \(DB\).

Resposta: \(DB=\dfrac{220\sqrt3}{3}\) cm.

\(ABC\) é equilátero; logo, a perna \(BD\) forma \(60^\circ\) com a trave \(AB\) e, como a trave é paralela ao chão, também \(60^\circ\) com o chão (ângulos alternos). Trace a perpendicular por \(B\) ao chão: ela é a altura \(110\), oposta ao ângulo de \(60^\circ\) em \(D\). Em um triângulo de ângulos \(30^\circ\), \(60^\circ\) e \(90^\circ\), o cateto oposto a \(60^\circ\) mede \(\frac{\sqrt3}{2}\) da hipotenusa; logo, \[ 110=\frac{\sqrt3}{2}\,DB,\qquad DB=\frac{220}{\sqrt3}=\frac{220\sqrt3}{3}\ \text{cm}. \] Dito de outra forma: \(DB\) é o lado de um triângulo equilátero de altura \(110\), e \(h=\frac{\ell\sqrt3}{2}\).

Relações métricas no triângulo retângulo

Memorize estas também; elas podem ser úteis. No triângulo \(ABC\), retângulo em \(A\) (tem que ser retângulo), seja \(AH=h\) a altura relativa à hipotenusa \(BC=a\) (tem que ser altura), \(BH=m\), \(HC=n\), \(AB=c\) e \(AC=b\). Então \[ h^2=m\,n\qquad\text{e}\qquad b\,c=a\,h. \] As duas podem ser demonstradas por semelhança de triângulos.

▶ Veja na animação: Relações métricas, a partir de 2:51.

A hipotenusa de um triângulo retângulo mede \(10\) cm. O volume do sólido gerado pela rotação desse triângulo em torno de um eixo que contém a hipotenusa é \(30\pi\) cm³. O perímetro do triângulo, em cm, é

(A) \(10+4\sqrt7\)   (B) \(10+5\sqrt7\)   (C) \(10+2\sqrt{10}\)   (D) \(10+3\sqrt{10}\)   (E) \(10+4\sqrt{10}\)

Resposta: (E) \(10+4\sqrt{10}\).

  1. O sólido são dois cones colados pelas bases. O raio comum é a altura \(h\) relativa à hipotenusa, e as alturas \(m\) e \(n\) dos cones somam \(10\): \[ V=\frac{\pi h^2 m}{3}+\frac{\pi h^2 n}{3}=\frac{\pi h^2\cdot10}{3}=30\pi\ \Longrightarrow\ h=3 . \]
  2. Relações métricas: \(bc=ah=10\cdot3=30\) e \(b^2+c^2=a^2=100\).
  3. \((b+c)^2=100+60=160\); logo, \(b+c=4\sqrt{10}\) e o perímetro é \(10+4\sqrt{10}\).

Em um triângulo retângulo \(ABC\), a hipotenusa \(BC\), de medida \(a\), é dividida em \(n\) partes iguais (\(n\) um inteiro ímpar). Seja \(\alpha\) o ângulo agudo sob o qual, a partir de \(A\), se vê o segmento que contém o ponto médio da hipotenusa. Seja \(h\) a medida da altura relativa à hipotenusa. Prove que \[ \operatorname{tg}\alpha=\frac{4nh}{(n^2-1)\,a}. \]

Sejam \(PQ\) o segmento do meio e \(M\) o ponto médio de \(BC\) (e também de \(PQ\)); então \(PQ=\frac an\) e \(MP=MQ=\frac a{2n}\).

  1. A mediana relativa à hipotenusa mede metade da hipotenusa: \(AM=\frac a2\).
  2. A área de \(APQ\), de dois modos: \(\frac12\,AP\cdot AQ\operatorname{sen}\alpha=\frac12\,PQ\cdot h\); logo, \(AP\cdot AQ\operatorname{sen}\alpha=\frac{ah}{n}\).
  3. Lei dos cossenos em \(APQ\): \(2\,AP\cdot AQ\cos\alpha=AP^2+AQ^2-PQ^2\). E, como \(AM\) é mediana de \(APQ\), \(AP^2+AQ^2=2AM^2+2MP^2=\frac{a^2}2+\frac{a^2}{2n^2}\) (Apolônio: some as leis dos cossenos em \(APM\) e \(AQM\), cujos ângulos em \(M\) são suplementares). Logo, \[ AP\cdot AQ\cos\alpha=\frac12\Big(\frac{a^2}{2}+\frac{a^2}{2n^2}-\frac{a^2}{n^2}\Big)=\frac{a^2(n^2-1)}{4n^2}. \]
  4. Dividindo 2 por 3: \(\operatorname{tg}\alpha=\dfrac{ah/n}{a^2(n^2-1)/(4n^2)}=\dfrac{4nh}{(n^2-1)a}\).

As leis dos cossenos e dos senos

Mais iniciativas com ângulos e lados. Dados dois lados e o ângulo entre eles, a lei dos cossenos, um “super Pitágoras”, dá o terceiro lado: \[ a^2=b^2+c^2-2bc\cos\theta. \] Dados dois ângulos e um lado, a lei dos senos dá outro lado: \[ \frac{a}{\operatorname{sen}\alpha}=\frac{b}{\operatorname{sen}\beta}. \]

Os ângulos internos de um triângulo estão em progressão aritmética. Se \(a\), \(b\), \(c\) são as medidas dos seus lados, com \(a<b<c\), então

(a) \(b^2+ac=a^2+c^2\)   (b) \(a^2+bc=b^2+c^2\)   (c) \(a^2-bc=b^2+c^2\)   (d) \(b^2-ac=a^2+c^2\)

Resposta: (a) \(b^2+ac=a^2+c^2\).

  1. Ângulos em progressão aritmética são \(\beta-r\), \(\beta\), \(\beta+r\), com soma \(3\beta=180^\circ\): o ângulo do meio mede \(60^\circ\).
  2. O maior lado fica oposto ao maior ângulo; logo, o lado do meio, \(b\), fica oposto ao ângulo do meio, \(60^\circ\).
  3. Lei dos cossenos: \(b^2=a^2+c^2-2ac\cos60^\circ=a^2+c^2-ac\), isto é, \(b^2+ac=a^2+c^2\).

Sejam \(a\), \(b\), \(c\) os lados de um triângulo e \(S\) a sua área. Prove que \[ a^2+b^2+c^2\ \ge\ 4\sqrt3\,S . \] Em que caso vale a igualdade?

Seja \(\gamma\) o ângulo entre \(a\) e \(b\). Pela lei dos cossenos, \(c^2=a^2+b^2-2ab\cos\gamma\), e \(S=\frac12ab\operatorname{sen}\gamma\). Então \[ a^2+b^2+c^2-4\sqrt3\,S=2a^2+2b^2-4ab\Big(\tfrac12\cos\gamma+\tfrac{\sqrt3}2\operatorname{sen}\gamma\Big)=2a^2+2b^2-4ab\cos(\gamma-60^\circ). \] Como \(\cos(\gamma-60^\circ)\le1\), isso é pelo menos \(2a^2+2b^2-4ab=2(a-b)^2\ge0\).

A igualdade exige \(a=b\) e \(\gamma=60^\circ\): o triângulo é equilátero, e de fato \(3\ell^2=4\sqrt3\cdot\frac{\ell^2\sqrt3}{4}\).

Onde termina a lei dos senos

E, falando da lei dos senos, não se esqueça de onde ela termina: \[ \frac{a}{\operatorname{sen}\hat A}=\frac{b}{\operatorname{sen}\hat B}=\frac{c}{\operatorname{sen}\hat C}=2R, \] o diâmetro da circunferência circunscrita ao triângulo \(ABC\).

Um triângulo tem perímetro \(20\), e os seus ângulos internos \(\alpha\), \(\beta\) e \(\gamma\) satisfazem \(\operatorname{sen}\alpha+\operatorname{sen}\beta+\operatorname{sen}\gamma=2\). Sabendo que um dos seus lados mede \(8\), determine as medidas dos outros dois lados.

Resposta: \(6+\sqrt{11}\) e \(6-\sqrt{11}\).

  1. A lei dos senos, até o fim: cada lado é \(2R\) vezes o seno do ângulo oposto, \(a=2R\operatorname{sen}\alpha\) etc. Somando, \(20=a+b+c=2R(\operatorname{sen}\alpha+\operatorname{sen}\beta+\operatorname{sen}\gamma)=4R\); logo, \(R=5\).
  2. O lado \(8\) é oposto a um ângulo com \(\operatorname{sen}\alpha=\frac{8}{2R}=\frac45\); logo, \(\cos\alpha=\pm\frac35\).
  3. Os outros lados satisfazem \(b+c=12\) e, pela lei dos cossenos, \(64=b^2+c^2-2bc\cos\alpha=144-2bc(1+\cos\alpha)\); logo, \(bc(1+\cos\alpha)=40\).
    • Se \(\cos\alpha=-\frac35\): \(bc=100\), mas \(b+c=12\) permite no máximo \(bc=36\). Impossível.
    • Se \(\cos\alpha=\frac35\): \(bc=25\); logo, \(b\) e \(c\) são as raízes de \(t^2-12t+25=0\): \(t=6\pm\sqrt{11}\).

Proporções: o teorema da bissetriz interna

Tome a iniciativa de usar proporções em geometria, como nesta aplicação do teorema da bissetriz interna. Se \(AS\) é a bissetriz do ângulo \(A\), com \(AB=c\), \(AC=b\), \(BS=m\) e \(SC=n\), então \[ \frac cm=\frac bn\qquad\text{ou}\qquad \frac cb=\frac mn. \] Leia a primeira como “um lado está para a sua projeção assim como o outro lado está para a outra projeção”, e a segunda como “a razão entre os lados é a razão entre as projeções”. Veja como fica fácil esta questão da Fuvest: com \(AB=30\), \(AC=40\) e \(BC=56\), escreva \(BS=3x\) e \(SC=4x\); então \(3x+4x=56\); logo, \(x=8\) e \(BS=24\).

Considere o triângulo \(ABC\) em que os segmentos \(AC\), \(CB\) e \(AB\) medem, respectivamente, \(10\) cm, \(15\) cm e \(20\) cm. Seja \(D\) o ponto do segmento \(AB\) tal que \(CD\) é a bissetriz do ângulo \(A\widehat CB\), e seja \(E\) um ponto do prolongamento de \(CD\), na direção de \(D\), tal que \(D\widehat BE=D\widehat CB\). A medida, em cm, de \(CE\) é

(A) \(\dfrac{11\sqrt6}3\)   (B) \(\dfrac{13\sqrt6}3\)   (C) \(\dfrac{17\sqrt6}3\)   (D) \(\dfrac{20\sqrt6}3\)   (E) \(\dfrac{25\sqrt6}3\)

Resposta: (E) \(\ \dfrac{25\sqrt6}{3}\) cm.

  1. Teorema da bissetriz: \(\dfrac{AD}{DB}=\dfrac{AC}{CB}=\dfrac{10}{15}\), e \(AD+DB=20\); logo, \(AD=8\) e \(DB=12\).
  2. Triângulos semelhantes. \(EBD\) e \(ECB\) têm em comum o ângulo em \(E\), e \(E\widehat BD=E\widehat CB\). Logo, \(EBD\sim ECB\), na razão \(\dfrac{BD}{CB}=\dfrac{12}{15}=\dfrac45\): \(EB=\frac45EC\) e \(ED=\frac45EB=\frac{16}{25}EC\). Portanto, \(CD=EC-ED=\frac9{25}EC\).
  3. A medida da bissetriz. Pela lei dos cossenos, \(\cos\widehat C=\frac{10^2+15^2-20^2}{2\cdot10\cdot15}=-\frac14\); logo, \(\cos\frac{\widehat C}{2}=\sqrt{\frac{1+\cos\widehat C}{2}}=\sqrt{\frac38}\). Escrevendo a área de \(ABC\) como \([ACD]+[DCB]\): \[ \tfrac12\cdot10\cdot15\operatorname{sen}\widehat C=\tfrac12(10+15)\,CD\operatorname{sen}\tfrac{\widehat C}2\ \Longrightarrow\ CD=\frac{2\cdot10\cdot15}{25}\cos\tfrac{\widehat C}2=12\sqrt{\tfrac38}=3\sqrt6 . \]
  4. \(EC=\dfrac{25}{9}\cdot3\sqrt6=\dfrac{25\sqrt6}{3}\).

(Outro caminho: \(E\widehat BA=A\widehat CE\) mostra que \(ABEC\) é inscritível, e então \(DA\cdot DB=DC\cdot DE\).)

Seja \(ABCD\) um quadrilátero inscritível. Sejam \(P\), \(Q\) e \(R\) os pés das perpendiculares por \(D\) às retas \(BC\), \(CA\) e \(AB\), respectivamente. Mostre que \(PQ=QR\) se, e somente se, as bissetrizes dos ângulos \(\angle ABC\) e \(\angle ADC\) se encontram sobre \(AC\).

  1. Ângulos retos dão circunferências. \(D\widehat PC=D\widehat QC=90^\circ\); logo, \(P\) e \(Q\) estão na circunferência de diâmetro \(DC\). Nessa circunferência, a corda \(PQ\) está oposta ao ângulo inscrito \(P\widehat CQ\), que é o ângulo \(\widehat C\) do triângulo \(ABC\) ou o seu suplemento; pela lei dos senos nessa circunferência, \(PQ=DC\cdot\operatorname{sen}\widehat C\).
  2. Do mesmo modo, \(Q\) e \(R\) estão na circunferência de diâmetro \(DA\), e \(QR=DA\cdot\operatorname{sen}\widehat A\).
  3. Assim, \(PQ=QR\iff DC\operatorname{sen}\widehat C=DA\operatorname{sen}\widehat A\iff\dfrac{DA}{DC}=\dfrac{\operatorname{sen}\widehat C}{\operatorname{sen}\widehat A}=\dfrac{BA}{BC}\), o último passo pela lei dos senos em \(ABC\).
  4. Teorema da bissetriz. A bissetriz de \(\angle ABC\) encontra \(AC\) no ponto \(X\) com \(\frac{XA}{XC}=\frac{BA}{BC}\); a bissetriz de \(\angle ADC\) a encontra em \(Y\) com \(\frac{YA}{YC}=\frac{DA}{DC}\). Elas se encontram sobre \(AC\) exatamente quando \(X=Y\), isto é, quando \(\frac{BA}{BC}=\frac{DA}{DC}\), a condição do passo 3.

Cinco maneiras de obter a área de um triângulo

Quando um problema for sobre áreas de triângulos, lembre-se destas maneiras de obter uma área:

  1. \(\text{Área}=\dfrac{a\,h}{2}\);
  2. \(\text{Área}=\dfrac12\,a\,b\operatorname{sen}\theta\), com \(\theta\) o ângulo entre \(a\) e \(b\);
  3. a fórmula de Heron, \(\text{Área}=\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}\), com \(p=\dfrac{a+b+c}{2}\);
  4. triângulos de mesma altura têm áreas proporcionais às bases: \(\dfrac{\text{Área}_{ABD}}{\text{Área}_{ACD}}=\dfrac xy\);
  5. triângulos semelhantes na razão \(k\) têm áreas na razão \(k^2\): se \(DEF\) é \(ABC\) reduzido (ou ampliado) na razão \(k\), então \(\dfrac{\text{Área}_{DEF}}{\text{Área}_{ABC}}=k^2\).

▶ Veja na animação: Áreas de triângulos, a partir de 3:27.

A figura mostra um quadrado \(ABCD\) de lado \(x\). O ponto médio do lado \(AB\) é \(M\). Os pontos \(P\) e \(Q\), sobre o lado \(CD\), são tais que \(PD=QC\). O ângulo \(P\widehat MQ\), chamado \(\theta\), satisfaz \(\cos\theta=\frac23\). A área do triângulo \(PMQ\) é

(a) \(\dfrac{\sqrt5\,x^2}{5}\)   (b) \(\dfrac{\sqrt3\,x^2}{2}\)   (c) \(\dfrac{\sqrt2\,x^2}{2}\)   (d) \(\dfrac{\sqrt3\,x^2}{4}\)

Resposta: (a) \(\ \dfrac{\sqrt5\,x^2}{5}\).

  1. Simetria: \(PD=QC\); logo, \(MP=MQ\), e a altura \(MH\) do triângulo isósceles \(PMQ\) é um lado do quadrado, \(MH=x\), caindo no ponto médio \(H\) de \(PQ\).
  2. Arco metade: a altura divide \(\theta\) ao meio. De \(\cos\theta=\frac23\): \(\cos^2\frac\theta2=\frac{1+\cos\theta}{2}=\frac56\); logo, \(\operatorname{tg}^2\frac\theta2=\frac{1}{\cos^2(\theta/2)}-1=\frac15\) e \(\operatorname{tg}\frac\theta2=\frac1{\sqrt5}\).
  3. \(PH=x\operatorname{tg}\frac\theta2=\frac{x}{\sqrt5}\); logo, \(PQ=\frac{2x}{\sqrt5}\) e a área é \(\dfrac{PQ\cdot MH}{2}=\dfrac{x^2}{\sqrt5}=\dfrac{\sqrt5\,x^2}{5}\).

(Também dá para usar a lei dos cossenos e a área \(\frac{b\cdot h}{2}\); outra das cinco maneiras é \(\frac12\,MP\cdot MQ\operatorname{sen}\theta\).)

No triângulo \(ABC\), a bissetriz do ângulo \(\angle BCA\) encontra novamente a circunferência circunscrita em \(R\), a mediatriz de \(BC\) em \(P\) e a mediatriz de \(AC\) em \(Q\). O ponto médio de \(BC\) é \(K\) e o ponto médio de \(AC\) é \(L\). Prove que os triângulos \(RPK\) e \(RQL\) têm a mesma área.

Escreva \(a=BC\), \(b=CA\) e \(\gamma=\widehat C\), e seja \(O\) o circuncentro.

  1. Os triângulos retângulos \(CKP\) e \(CLQ\): \(P\widehat CK=Q\widehat CL=\frac\gamma2\); logo, \(PK=\frac a2\operatorname{tg}\frac\gamma2\), \(CP=\frac{a/2}{\cos(\gamma/2)}\), e \(QL=\frac b2\operatorname{tg}\frac\gamma2\), \(CQ=\frac{b/2}{\cos(\gamma/2)}\). Além disso, \(C\widehat PK=C\widehat QL=90^\circ-\frac\gamma2\).
  2. Um triângulo isósceles. \(OP\perp BC\) e \(OQ\perp CA\); logo, as retas \(OP\) e \(OQ\) formam o mesmo ângulo \(90^\circ-\frac\gamma2\) com a bissetriz \(CR\): o triângulo \(OPQ\) é isósceles. O pé \(N\) da perpendicular por \(O\) à corda \(CR\) é o ponto médio de \(CR\) e de \(PQ\). Portanto, \(RP=CQ\) e \(RQ=CP\).
  3. Áreas com \(\frac12 xy\operatorname{sen}\): os ângulos em \(P\) e \(Q\) são \(R\widehat PK=180^\circ-C\widehat PK\) e \(R\widehat QL=180^\circ-C\widehat QL\), ambos com seno igual a \(\cos\frac\gamma2\). Logo, \[ [RPK]=\tfrac12\,RP\cdot PK\cos\tfrac\gamma2=\tfrac12\cdot\frac{b/2}{\cos\frac\gamma2}\cdot\frac a2\operatorname{tg}\tfrac\gamma2\cdot\cos\tfrac\gamma2=\frac{ab}{8}\operatorname{tg}\frac\gamma2, \] e a mesma conta, trocando \(a\) e \(b\), dá \([RQL]=\frac{ab}{8}\operatorname{tg}\frac\gamma2\).

Trapézios

Para trapézios, não se esqueça: se \(M\) e \(N\) são os pontos médios dos lados não paralelos, então \(MN\) é paralelo às bases e \[ MN=\frac{AB+CD}{2}. \] (De novo o teorema da base média: um ponto médio gosta de outro ponto médio!)

▶ Veja na animação: Trapézios, a partir de 3:44.

Seja \(ABCD\) um trapézio isósceles com base maior \(AB\) medindo \(15\), o lado \(AD\) medindo \(9\) e o ângulo \(A\widehat DB\) reto. A distância entre o lado \(AB\) e o ponto \(E\) em que as diagonais se cortam é

(A) \(\dfrac{21}8\)   (B) \(\dfrac{27}8\)   (C) \(\dfrac{35}8\)   (D) \(\dfrac{37}8\)   (E) \(\dfrac{45}8\)

Resposta: (E) \(\ \dfrac{45}{8}\).

  1. O triângulo retângulo \(ADB\): \(DB=\sqrt{15^2-9^2}=12\); a altura relativa a \(D\) é \(h=\frac{9\cdot12}{15}=\frac{36}5\), e o seu pé está à distância \(\frac{9^2}{15}=\frac{27}5\) de \(A\).
  2. A base menor: o trapézio é isósceles; logo, \(CD=15-2\cdot\frac{27}5=\frac{21}5\).
  3. As diagonais determinam triângulos semelhantes: \(ABE\sim CDE\) (ângulos alternos, \(AB\parallel CD\)), na razão \(\frac{AB}{CD}=\frac{15}{21/5}=\frac{25}7\). As suas alturas relativas a \(E\) estão na mesma razão e somam \(h\); logo, a distância de \(E\) a \(AB\) é \[ \frac{25}{25+7}\cdot\frac{36}{5}=\frac{45}{8}. \]

Paralelogramos

Para paralelogramos: ângulos opostos são iguais; ângulos consecutivos são suplementares, \(\alpha+\beta=180^\circ\), de modo que quem conhece um ângulo conhece todos; e as diagonais se cortam no ponto médio comum.

▶ Veja na animação: Paralelogramos, a partir de 3:54.

Um objeto é formado por \(4\) hastes rígidas unidas nas extremidades por dobradiças cujos centros são os vértices de um paralelogramo. As hastes se movimentam de modo que o paralelogramo permanece sempre no mesmo plano. A cada posição do objeto associa-se \(\theta\), o menor ângulo interno do paralelogramo. A área da região delimitada pelo paralelogramo quando \(\theta=90^\circ\) é \(A\). Para que a área da região delimitada pelo paralelogramo seja \(\frac A2\), o valor de \(\theta\) deve ser

(A) \(15^\circ\)   (B) \(22{,}5^\circ\)   (C) \(30^\circ\)   (D) \(45^\circ\)   (E) \(60^\circ\)

Resposta: (C) \(30^\circ\).

As hastes mantêm os seus comprimentos \(a\) e \(b\). Uma diagonal divide o paralelogramo em dois triângulos congruentes de lados \(a\), \(b\) e ângulo \(\theta\); logo, a sua área é \(2\cdot\frac12ab\operatorname{sen}\theta=ab\operatorname{sen}\theta\). Para \(\theta=90^\circ\), ela vale \(A=ab\); então precisamos de \(ab\operatorname{sen}\theta=\frac{ab}{2}\), \(\operatorname{sen}\theta=\frac12\) e, como \(\theta\) é o menor ângulo, \(\theta=30^\circ\).

Losangos

Para losangos: as diagonais são bissetrizes dos ângulos, são perpendiculares, e \[ \text{Área}_{ABCD}=\frac{AC\cdot BD}{2} \] (leia como “diagonal maior vezes diagonal menor, sobre 2”).

▶ Veja na animação: Losangos, a partir de 4:02.

Em arquitetura, um oval é uma curva formada por dois pares de arcos de circunferência de raios diferentes, unidos nos pontos em que as circunferências são tangentes. A Praça de São Pedro, no Vaticano, projetada por Gian Lorenzo Bernini, é um exemplo famoso. As duas circunferências menores têm o mesmo raio, assim como as duas maiores. Os centros das duas circunferências menores (\(B\) e \(D\)) estão a \(65\) m um do outro, e o centro de cada uma delas está sobre a outra circunferência. Os centros das circunferências maiores (\(A\) e \(C\)) são as interseções das circunferências menores. Os centros das quatro circunferências formam um losango \(ABCD\).

a) Calcule a área do losango \(ABCD\).
b) Calcule o perímetro do oval.

Resposta: a) \(\dfrac{4225\sqrt3}{2}\) m²;   b) \(\dfrac{520\pi}{3}\) m.

a) Cada circunferência menor tem raio \(BD=65\) e passa pelo outro centro; logo, \(AB=AD=CB=CD=BD=65\): a diagonal \(BD\) divide o losango em dois triângulos equiláteros de lado \(65\), e \[ [ABCD]=2\cdot\frac{65^2\sqrt3}{4}=\frac{4225\sqrt3}{2}\ \text{m}^2 . \] (Ou com as diagonais: \(AC=65\sqrt3\), e \(\frac{AC\cdot BD}{2}\) dá o mesmo valor.)

b) Uma circunferência maior, de centro \(C\), é tangente internamente à circunferência menor de centro \(D\) em um ponto \(E\) da reta \(CD\); logo, o seu raio é \(CE=CD+DE=130\). O oval é formado por dois arcos de raio \(65\) (centros \(B\) e \(D\)) e dois arcos de raio \(130\) (centros \(A\) e \(C\)). Os seus ângulos são \(E\widehat DF=A\widehat DC=120^\circ\) (opostos pelo vértice; o losango tem ângulos de \(120^\circ\) em \(B\) e \(D\)) e \(E\widehat CG=D\widehat CB=60^\circ\). Logo, \[ 2\cdot\frac{120^\circ}{360^\circ}\,2\pi\cdot65+2\cdot\frac{60^\circ}{360^\circ}\,2\pi\cdot130=\frac{260\pi}{3}+\frac{260\pi}{3}=\frac{520\pi}{3}\ \text{m}. \]

Quadrados

Para quadrados, às vezes é bom usar a área como “diagonal vezes diagonal sobre 2”, já que todo quadrado também é um losango: \(\text{Área}=\dfrac{AC\cdot BD}{2}=\dfrac{d^2}{2}\).

▶ Veja na animação: Quadrados, a partir de 4:09.

Uma árvore pitagórica é uma figura plana construída em estágios. No Estágio 1, ela é um quadrado de lado \(1\) cm. No Estágio 2, constroem-se sobre o quadrado do Estágio 1 dois quadrados cujos lados são os catetos do triângulo retângulo isósceles cuja hipotenusa é o lado do quadrado do Estágio 1. No Estágio 3, aplica-se o Estágio 2 a cada um dos novos quadrados, e assim por diante. A partir de qual estágio o lado de cada um dos novos quadrados passa a ser, pela primeira vez, menor que um décimo de milésimo do lado do quadrado do Estágio 1? (Use \(\log_{10}2=0{,}3\).)

(A) \(26\)   (B) \(27\)   (C) \(28\)   (D) \(29\)   (E) \(30\)

Resposta: (C) \(28\).

  1. A diagonal do quadrado: um triângulo retângulo isósceles é metade de um quadrado; a sua hipotenusa é a diagonal \(\ell\sqrt2\) de um quadrado de lado \(\ell\). Logo, os catetos são a hipotenusa dividida por \(\sqrt2\): de um estágio para o seguinte, o lado é multiplicado por \(\frac{1}{\sqrt2}\).
  2. No Estágio \(n\), os novos quadrados têm lado \(a_n=\big(\frac1{\sqrt2}\big)^{n-1}=2^{-(n-1)/2}\).
  3. \(a_n<10^{-4}\iff\frac{n-1}{2}\log_{10}2>4\iff\frac{n-1}{2}\cdot0{,}3>4\iff n-1>26{,}7\). O primeiro estágio assim é \(n=28\).

Retângulos

Para retângulos: as diagonais são iguais e se cortam no ponto médio comum. Assim, em um triângulo retângulo, a mediana relativa à hipotenusa mede metade da hipotenusa: no triângulo retângulo \(ABD\), \(AM=\tfrac12BD\).

▶ Veja na animação: Retângulos, a partir de 4:16.

Seja \(ABC\) um triângulo retângulo com \(B\widehat AC=30^\circ\). Considere um ponto \(D\) na hipotenusa \(AC\) e as retas \(r\) e \(s\) que passam por \(D\), paralelas aos lados \(AB\) e \(BC\), respectivamente. Se \(E=r\cap BC\), \(F=s\cap AB\) e \(BC=1\), o menor valor possível de \(EF\) é

(A) \(\dfrac{\sqrt2}5\)   (B) \(\dfrac{\sqrt2}2\)   (C) \(\dfrac{\sqrt3}3\)   (D) \(\dfrac{\sqrt3}2\)   (E) \(\sqrt3\)

Resposta: (D) \(\ \dfrac{\sqrt3}{2}\).

  1. Um retângulo. \(DE\parallel AB\), \(DF\parallel BC\) e \(\widehat B=90^\circ\); logo, \(BEDF\) é um retângulo. As suas diagonais são iguais: \(EF=BD\).
  2. O menor \(BD\). \(D\) percorre a hipotenusa, e \(BD\) é mínimo quando é perpendicular a \(AC\): a altura do triângulo.
  3. Com \(\widehat A=30^\circ\) e \(BC=1\): \(AC=2\) e \(AB=\sqrt3\); logo, a altura é \(\dfrac{AB\cdot BC}{AC}=\dfrac{\sqrt3}{2}\).

Polígonos

Memorize, para um polígono convexo de \(n\) lados: \[ \text{número de diagonais}=\frac{n(n-3)}{2},\qquad S_i=(n-2)\cdot180^\circ,\qquad S_e=360^\circ. \] Dividimos por 2 porque cada diagonal é contada duas vezes, uma a partir de cada extremidade. \(S_i\) é a soma dos ângulos internos e \(S_e\) a soma dos ângulos externos. Quando puder escolher, trabalhe com os ângulos externos, pois a soma deles é constante, \(360^\circ\). E não se esqueça do hexágono regular: ele se divide em 6 triângulos equiláteros congruentes; logo, \[ \text{Área}=6\cdot\frac{\ell^2\sqrt3}{4}. \]

▶ Veja na animação: Polígonos, a partir de 4:24.

Uma pavimentação do plano é chamada uniforme se for formada por polígonos regulares que cobrem todo o plano sem sobreposição e, além disso, o padrão for o mesmo em todos os vértices. Para classificá-las, usa-se uma sequência de números: escolhe-se um vértice qualquer e escreve-se o número de lados de cada polígono que contém esse vértice, no sentido anti-horário, começando pelos polígonos com menos lados. Por exemplo, \((3.3.3.3.6)\) e \((3.6.3.6)\). O piso de um museu em Sevilha tem o padrão da pavimentação abaixo (os botões alternam entre o piso e o exemplo \((3.6.3.6)\)). A sua notação é

(A) \((3.3.3.4)\)   (B) \((3.3.4.6)\)   (C) \((3.4.4.4)\)   (D) \((3.4.4.6)\)   (E) \((3.4.6.4)\)

Resposta: (E) \((3.4.6.4)\).

Em torno de cada vértice do piso há, nesta ordem, um triângulo, um quadrado, um hexágono e um quadrado. Os ângulos dos polígonos regulares confirmam que isso fecha a volta: \(60^\circ+90^\circ+120^\circ+90^\circ=360^\circ\) (o ângulo interno de um polígono regular de \(n\) lados é \(\frac{(n-2)\,180^\circ}{n}\)). As alternativas (A), (B) e (C) nem somam \(360^\circ\). A (D) tem os mesmos quatro polígonos, mas com os dois quadrados lado a lado; no piso, os quadrados estão separados pelo triângulo e pelo hexágono.

Circunferências

Para circunferências, guarde estas ideias:

  1. o comprimento de uma circunferência de raio \(R\) é \(2\pi R\), o comprimento do arco \(\widehat{AB}\) de ângulo central \(\alpha\) é \(\dfrac{\alpha}{360^\circ}\cdot2\pi R\), e a reta tangente é perpendicular ao raio;

  2. os dois segmentos tangentes traçados por um ponto \(P\) são iguais: \(PA=PB\);

  3. a potência de ponto: para uma secante por \(P\) que encontra a circunferência em \(A\) e \(B\), e uma tangente \(PT\), \(PT^2=PA\cdot PB\);

  4. uma boa iniciativa com duas circunferências de raios \(R\) e \(r\) e uma tangente comum \(PQ\): trace por \(B\), o centro da circunferência menor, a paralela a \(PQ\). Ela forma um triângulo retângulo de catetos \(R-r\) e \(PQ\) e hipotenusa \(AB\);

  5. o ângulo inscrito é metade do ângulo central: \(\theta=\tfrac12\alpha\).

▶ Veja na animação: Circunferências, a partir de 4:39.

A figura mostra três circunferências, tangentes duas a duas, e as três tangentes a uma mesma reta. As duas circunferências maiores têm raio \(R\) e a menor tem raio \(r\). A razão \(R/r\) é

(a) \(3\)   (b) \(\sqrt{10}\)   (c) \(4\)   (d) \(2\sqrt5\)

Resposta: (c) \(4\).

  1. Circunferências tangentes: a distância entre os centros é a soma dos raios. Reta tangente: o raio até o ponto de tangência é perpendicular à reta.
  2. Duas circunferências tangentes de raios \(x\) e \(y\), sobre uma reta, tocam-na em pontos a uma distância \(2\sqrt{xy}\) um do outro: trace os raios até a reta e use o triângulo retângulo de hipotenusa \(x+y\) e cateto \(|x-y|\), cujo outro cateto é \(\sqrt{(x+y)^2-(x-y)^2}=2\sqrt{xy}\).
  3. As circunferências grandes tocam a reta a uma distância \(2\sqrt{R\cdot R}=2R\) uma da outra, e a pequena a toca no meio, a \(2\sqrt{Rr}\) de cada uma: \[ 2\sqrt{Rr}+2\sqrt{Rr}=2R\ \Longrightarrow\ 4\sqrt{Rr}=2R\ \Longrightarrow\ 4r=R . \]

Duas circunferências \(G_1\) e \(G_2\) se intersectam em dois pontos \(M\) e \(N\). Seja \(AB\) a reta tangente a essas circunferências em \(A\) e \(B\), respectivamente, de modo que \(M\) está mais próximo de \(AB\) do que \(N\). Seja \(CD\) a reta paralela a \(AB\) que passa pelo ponto \(M\), com \(C\) em \(G_1\) e \(D\) em \(G_2\). As retas \(AC\) e \(BD\) se encontram em \(E\); as retas \(AN\) e \(CD\) se encontram em \(P\); as retas \(BN\) e \(CD\) se encontram em \(Q\). Mostre que \(EP=EQ\).

  1. Potência de ponto. A reta \(MN\) encontra \(AB\) em \(K\). A potência de \(K\) em relação a cada circunferência dá \(KA^2=KM\cdot KN=KB^2\); logo, \(K\) é o ponto médio de \(AB\) (os dois segmentos tangentes por \(K\) são iguais).
  2. Uma paralela a um dos lados. \(PQ\parallel AB\); as retas \(NA\), \(NK\), \(NB\) cortam as duas paralelas; logo, \(\frac{MP}{KA}=\frac{NM}{NK}=\frac{MQ}{KB}\). Como \(KA=KB\), \(M\) é o ponto médio de \(PQ\).
  3. Tangente e corda. Em \(G_1\), o ângulo entre a tangente \(AB\) e a corda \(AM\) é igual ao ângulo inscrito \(A\widehat CM\); e \(A\widehat CM=E\widehat AB\) (ângulos correspondentes, \(CM\parallel AB\)). Logo, \(AB\) é bissetriz do ângulo \(E\widehat AM\); do mesmo modo, \(BA\) é bissetriz de \(E\widehat BM\).
  4. Simetria. Os triângulos \(EAB\) e \(MAB\) têm o lado \(AB\) em comum e ângulos iguais em \(A\) e em \(B\); logo, são congruentes, e \(E\) é o simétrico de \(M\) em relação a \(AB\): \(EM\perp AB\) e, portanto, \(EM\perp PQ\).
  5. \(EM\) é perpendicular a \(PQ\) no seu ponto médio; logo, \(EP=EQ\).

O raio da circunferência inscrita

Em questões mais sofisticadas, às vezes é bom usar \[ r=\frac{S}{p}: \] o raio da circunferência inscrita é a área \(S\) do triângulo \(ABC\) dividida pelo seu semiperímetro \(p\).

Considere um triângulo \(ABC\) com \(AB=14\), \(\cos B\widehat AC=\frac35\) e \(\cos A\widehat BC=\frac5{13}\). O raio da circunferência inscrita no triângulo é

(A) \(2\)   (B) \(2\sqrt2\)   (C) \(3\)   (D) \(4\)   (E) \(4\sqrt2\)

Resposta: (D) \(4\).

  1. Senos: \(\operatorname{sen}\widehat A=\frac45\), \(\operatorname{sen}\widehat B=\frac{12}{13}\); e, como ângulos suplementares têm o mesmo seno, \(\operatorname{sen}\widehat C=\operatorname{sen}(\widehat A+\widehat B)=\frac45\cdot\frac5{13}+\frac35\cdot\frac{12}{13}=\frac{56}{65}\).
  2. Lei dos senos: \(2R=\frac{14}{56/65}=\frac{65}4\); logo, \(BC=2R\operatorname{sen}\widehat A=13\) e \(AC=2R\operatorname{sen}\widehat B=15\).
  3. Os lados são \(13\), \(14\), \(15\): \(p=21\) e, pela fórmula de Heron (ou com a altura \(12\) relativa ao lado \(14\)), \(S=\sqrt{21\cdot8\cdot7\cdot6}=84\).
  4. \(r=\dfrac{S}{p}=\dfrac{84}{21}=4\).

Uma circunferência está inscrita em um triângulo \(ABC\) de lados \(a\), \(b\), \(c\). Traçam-se as tangentes à circunferência paralelas aos lados do triângulo. Cada uma dessas tangentes recorta de \(ABC\) um triângulo. Em cada um desses triângulos inscreve-se uma circunferência. Determine a soma das áreas dos quatro círculos inscritos, em função de \(a\), \(b\), \(c\).

Resposta: \(\displaystyle \pi\,\frac{(a^2+b^2+c^2)(b+c-a)(c+a-b)(a+b-c)}{(a+b+c)^3}\).

Sejam \(p=\frac{a+b+c}{2}\), \(S\) a área e \(r=\frac Sp\) o raio da circunferência inscrita.

  1. Tangentes iguais. A tangente paralela a \(BC\) recorta, junto a \(A\), um triângulo cujos lados são tangentes à circunferência inscrita; de cada vértice, os dois segmentos tangentes são iguais, e o seu perímetro é a soma das duas tangentes por \(A\), isto é, \(2(p-a)\).
  2. Semelhança: esse triângulo é semelhante a \(ABC\) (uma paralela a um dos lados), na razão \(k_a=\frac{2(p-a)}{2p}=\frac{p-a}{p}\). O raio da sua circunferência inscrita é \(k_a r\). Do mesmo modo, \(k_b=\frac{p-b}p\) e \(k_c=\frac{p-c}p\).
  3. A soma: \(\pi r^2\big(1+k_a^2+k_b^2+k_c^2\big)=\frac{\pi r^2}{p^2}\big(p^2+(p-a)^2+(p-b)^2+(p-c)^2\big)\), e o parêntese vale \(4p^2-2p(a+b+c)+a^2+b^2+c^2=a^2+b^2+c^2\).
  4. Com \(r=\frac Sp\) e a fórmula de Heron, \(S^2=p(p-a)(p-b)(p-c)\): \[ \frac{\pi S^2(a^2+b^2+c^2)}{p^4}=\frac{\pi(a^2+b^2+c^2)(p-a)(p-b)(p-c)}{p^3}, \] que é a resposta acima.

Quadriláteros inscritíveis

Um quadrilátero é inscritível em uma circunferência se, e somente se, os seus ângulos opostos são suplementares: \[ \alpha+\beta=180^\circ\iff\text{existe uma circunferência que passa por } A,\ B,\ C,\ D. \]

Seja \(Q\) um quadrilátero de vértices \(A\), \(B\), \(C\) e \(D\) cujos lados satisfazem \(AB=5=CD\), \(BC=3\) e \(DA=8\). Sabendo que \(Q\) está inscrito em uma circunferência de raio \(r\), determine \(r\).

Resposta: \(r=\dfrac{7\sqrt3}{3}\).

  1. Cordas iguais \(AB=CD\) determinam arcos iguais; logo, os ângulos inscritos nesses arcos são iguais: \(A\widehat DB=C\widehat BD\). Eles são alternos para as retas \(AD\), \(BC\) e a transversal \(BD\); logo, \(BC\parallel AD\): \(ABCD\) é um trapézio isósceles.
  2. Trace as alturas por \(B\) e por \(C\): elas recortam \(\frac{8-3}{2}=\frac52\) de cada extremidade de \(AD\). No triângulo retângulo de hipotenusa \(AB=5\) e cateto \(\frac52\), \(\cos\widehat A=\frac12\): \(\widehat A=60^\circ\). (E então \(\widehat C=120^\circ\): ângulos opostos de um quadrilátero inscritível são suplementares.)
  3. Lei dos cossenos em \(ABD\): \(BD^2=5^2+8^2-2\cdot5\cdot8\cdot\frac12=49\), \(BD=7\).
  4. Lei dos senos, até o fim, no triângulo \(ABD\), inscrito na mesma circunferência: \(2r=\dfrac{BD}{\operatorname{sen}60^\circ}=\dfrac{14}{\sqrt3}\); logo, \(r=\dfrac{7\sqrt3}{3}\).

Uma circunferência tem centro sobre o lado \(AB\) do quadrilátero inscritível \(ABCD\). Os outros três lados são tangentes à circunferência. Prove que \(AD+BC=AB\).

Sejam \(O\) o centro e \(r\) o raio da circunferência, e \(G\), \(E\) os seus pontos de tangência com \(DA\) e \(CB\). Escreva \(\widehat A\), \(\widehat B\), \(\widehat C\), \(\widehat D\) para os ângulos de \(ABCD\).

  1. Triângulos retângulos nos pontos de tangência (tangente \(\perp\) raio). Em \(AGO\): \(AO=\dfrac{r}{\operatorname{sen}\widehat A}\) e \(AG=r\operatorname{cotg}\widehat A\). Em \(BEO\): \(OB=\dfrac{r}{\operatorname{sen}\widehat B}\) e \(BE=r\operatorname{cotg}\widehat B\). Logo, \(AB=AO+OB=r\Big(\dfrac1{\operatorname{sen}\widehat A}+\dfrac1{\operatorname{sen}\widehat B}\Big)\).
  2. Bissetrizes. \(O\) está à distância \(r\) de \(DA\) e de \(DC\); logo, \(DO\) é bissetriz de \(\widehat D\), e o segmento tangente por \(D\) é \(DG=r\operatorname{cotg}\frac{\widehat D}{2}\). Do mesmo modo, \(CE=r\operatorname{cotg}\frac{\widehat C}{2}\).
  3. Quadrilátero inscritível: \(\widehat C=180^\circ-\widehat A\) e \(\widehat D=180^\circ-\widehat B\); logo, \(\operatorname{cotg}\frac{\widehat C}2=\operatorname{tg}\frac{\widehat A}2\) e \(\operatorname{cotg}\frac{\widehat D}2=\operatorname{tg}\frac{\widehat B}2\). Portanto, \[ AD+BC=(AG+GD)+(BE+EC)=r\Big(\operatorname{cotg}\widehat A+\operatorname{tg}\tfrac{\widehat A}2\Big)+r\Big(\operatorname{cotg}\widehat B+\operatorname{tg}\tfrac{\widehat B}2\Big). \]
  4. Uma identidade: \(\operatorname{cotg}x+\operatorname{tg}\frac x2=\dfrac{\cos x\cos\frac x2+\operatorname{sen}x\operatorname{sen}\frac x2}{\operatorname{sen}x\cos\frac x2}=\dfrac{\cos\frac x2}{\operatorname{sen}x\cos\frac x2}=\dfrac1{\operatorname{sen}x}\). Logo, \(AD+BC=r\Big(\dfrac1{\operatorname{sen}\widehat A}+\dfrac1{\operatorname{sen}\widehat B}\Big)=AB\).

(Se \(\widehat A\) for obtuso, \(G\) cai além de \(A\) e \(AG=r\operatorname{cotg}\widehat A\) é negativo; a conta é a mesma.)

Áreas do círculo e de suas partes

Para o círculo e suas partes: o círculo tem área \(\pi R^2\) e o setor de ângulo \(\alpha\) tem área \(\dfrac{\alpha}{360^\circ}\cdot\pi R^2\). Iniciativa: pense em diferenças de áreas. Essa iniciativa salva muitas resoluções em geometria; use-a sempre que puder. Por exemplo, o segmento circular determinado pela corda \(AB\) tem área \[ S=\text{Área}_{\text{setor }OAB}-\text{Área}_{\triangle OAB}=\frac{\alpha}{360^\circ}\cdot\pi R^2-\frac12R^2\operatorname{sen}\alpha. \]

▶ Veja na animação: Áreas de círculos, a partir de 5:12.

Considere a região do plano cartesiano \(A=\{(x,y)\in\mathbb R^2:\ |x|+|y|\le1\}\). Dado \(B=\{(x,y)\in\mathbb R^2:\ (x+1)^2+y^2\ge1\}\), a área da região \(A\cap B\) é

(A) \(2-\dfrac\pi4\)   (B) \(2-\dfrac\pi2\)   (C) \(4+\dfrac\pi2\)   (D) \(4-\dfrac\pi4\)   (E) \(2+\dfrac\pi2\)

Resposta: (A) \(2-\dfrac\pi4\).

  1. \(A\) é um quadrado de vértices \((\pm1,0)\), \((0,\pm1)\) e diagonais \(2\): área \(\frac{2\cdot2}{2}=2\).
  2. \(B\) é a região exterior à circunferência de centro \((-1,0)\), um vértice do quadrado, e raio \(1\). Os dois lados do quadrado em \((-1,0)\) formam um ângulo reto e medem \(\sqrt2>1\), e os dois lados opostos estão à distância \(\sqrt2\) de \((-1,0)\); assim, a circunferência corta apenas os dois lados em \((-1,0)\), e a parte do quadrado interior à circunferência é um quarto de círculo de raio \(1\) (o seu arco passa pelo centro \((0,0)\) do quadrado), de área \(\frac\pi4\).
  3. Pense na diferença: \([A\cap B]=2-\dfrac\pi4\).

Geometria espacial

Reta perpendicular a um plano

Este é um dos teoremas mais importantes da geometria espacial; memorize-o e use-o sempre: se uma reta \(t\) é perpendicular a duas retas concorrentes de um plano, então ela é perpendicular ao plano. A recíproca é igualmente importante: se uma reta é perpendicular a um plano, então ela é perpendicular a todas as retas do plano que passam pelo ponto de interseção.

Por exemplo, no cubo abaixo, a reta \(t=AB\) é perpendicular a \(BC\) e a \(BD\); logo, 1) \(t\perp\) plano \((ECBD)\); 2) \(BE\) está contida nesse plano. De 1) e 2), \(t\perp BE\).

Um plano intercepta as arestas de um triedro trirretângulo de vértice \(V\) (três arestas perpendiculares duas a duas), determinando um triângulo \(ABC\) cujos lados medem \(\sqrt{10}\), \(\sqrt{17}\) e \(5\) cm. O volume, em cm³, do sólido \(VABC\) é

(A) \(2\)   (B) \(4\)   (C) \(\sqrt{17}\)   (D) \(6\)   (E) \(5\sqrt{10}\)

Resposta: (A) \(2\) cm³.

  1. Sejam \(VA=x\), \(VB=y\), \(VC=z\). Cada aresta é perpendicular ao plano das outras duas e, portanto, a todas as retas desse plano que passam por \(V\): as três faces em \(V\) são triângulos retângulos, e \[ x^2+y^2=10,\qquad y^2+z^2=17,\qquad x^2+z^2=25 \] (em alguma ordem; os nomes não importam).
  2. Um sistema linear disfarçado: chame \(X=x^2\), \(Y=y^2\), \(Z=z^2\). As três equações ficam \[ X+Y=10,\qquad Y+Z=17,\qquad X+Z=25, \] um sistema linear de três equações e três incógnitas. Cada incógnita aparece em exatamente duas equações; por isso, somando as três, cada uma aparece duas vezes: \[ 2(X+Y+Z)=10+17+25=52\ \Longrightarrow\ X+Y+Z=26. \] Somar equações verdadeiras dá uma equação verdadeira; então, subtraindo de \(X+Y+Z=26\) cada equação do sistema, sobra uma incógnita de cada vez: \(Z=26-10=16\), \(X=26-17=9\) e \(Y=26-25=1\). (De volta ao sistema: \(9+1=10\), \(1+16=17\), \(9+16=25\).) Como \(x\), \(y\), \(z\) são comprimentos, \(x=3\), \(y=1\) e \(z=4\).
  3. Volume: tome o triângulo retângulo \(VAB\) como base; \(VC\) é perpendicular ao seu plano; logo, é a altura: \(\dfrac13\cdot\dfrac{3\cdot1}{2}\cdot4=2\).

Prismas

Para reconhecer um prisma, procure duas faces paralelas e congruentes, as bases. Uma caçamba de entulho é um prisma de base \(ABCD\) e altura \(CC'\); logo, \[ \text{Vol}_{\text{caçamba}}=\text{Área}_{ABCD}\cdot CC'. \]

▶ Veja na animação: Prismas, a partir de 5:37.

O tanque de um caminhão-pipa é um cilindro circular reto de eixo horizontal, com dimensões internas de \(6\) metros de comprimento e \(2\) metros de diâmetro. Uma escola contratou o caminhão para encher a sua caixa-d’água. Após a entrega, o motorista notou que o tanque do caminhão estava cheio até \(\frac34\) da sua altura. Qual volume de água, em metros cúbicos, foi usado para encher a caixa-d’água da escola, sabendo que o tanque do caminhão estava cheio antes?

(A) \(\Big(2\pi-\dfrac{\sqrt3}{4}\Big)\)   (B) \(\Big(2\pi-\dfrac{3\sqrt3}{2}\Big)\)   (C) \(\Big(2\pi+\dfrac{3\sqrt3}{2}\Big)\)   (D) \(\Big(4\pi+\dfrac{\sqrt3}{4}\Big)\)   (E) \(\Big(4\pi+\dfrac{3\sqrt3}{2}\Big)\)

Resposta: (B) \(\ 2\pi-\dfrac{3\sqrt3}{2}\) m³.

  1. Um prisma deitado: a água que saiu ocupava a parte de cima do tanque, um sólido com duas bases paralelas e congruentes (segmentos circulares) e comprimento \(6\). O seu volume é (área da base) × \(6\).
  2. A base: a circunferência tem raio \(1\); a parte vazia tem altura \(\frac14\cdot2=\frac12\); logo, a sua corda está à distância \(\frac12\) do centro. No triângulo retângulo de hipotenusa \(1\) e cateto \(\frac12\), \(\cos\alpha=\frac12\): \(\alpha=60^\circ\), e o segmento corresponde a um ângulo central de \(120^\circ\).
  3. Segmento = setor − triângulo \(=\dfrac{120^\circ}{360^\circ}\pi\cdot1^2-\dfrac12\cdot1\cdot1\cdot\operatorname{sen}120^\circ=\dfrac\pi3-\dfrac{\sqrt3}{4}\).
  4. Volume \(=6\Big(\dfrac\pi3-\dfrac{\sqrt3}4\Big)=2\pi-\dfrac{3\sqrt3}{2}\) m³.

Ângulos retos nos sólidos

O seu gosto por ângulos retos na geometria plana vira uma ótima iniciativa também na geometria espacial. Procure os ângulos de \(90^\circ\) nas figuras 3D, seja em um prisma, em uma pirâmide ou em qualquer outro sólido: no cubo, na pirâmide (a altura), no cone (\(h\), \(r\) e \(g\)), no cilindro reto (planificando-o) e na esfera (uma seção).

Uma luminária será instalada a certa altura abaixo do teto. Ela fica no vértice \(P\) de uma pirâmide regular de base quadrada, inscrita em um cubo de aresta \(4\) m: a base da pirâmide é o piso \(ABFE\) do cubo, e \(DCGH\) é o teto. As projeções da luminária sobre o teto e sobre o piso são os pontos \(R\) e \(Q\), interseções das diagonais dos quadrados \(DCGH\) e \(ABFE\).

a) Se as arestas laterais da pirâmide medem \(3\) m, a que altura do piso está a luminária?
b) Se as arestas laterais da pirâmide formam um ângulo de \(45^\circ\) com o piso, quanto mede, em metros, uma aresta lateral?
c) Seja \(S\) a projeção ortogonal de \(P\) sobre a face de trás \(EFGH\) do cubo. Quanto mede a projeção da aresta \(PF\) sobre o plano \(EFGH\), se a altura \(PQ\) é \(2\sqrt2\) m?

Resposta: a) \(1\) m;   b) \(4\) m;   c) \(2\sqrt3\) m.

a) \(PQ\) é perpendicular ao piso; logo, é perpendicular à meia-diagonal \(QB=\frac{4\sqrt2}{2}=2\sqrt2\). No triângulo retângulo \(PQB\): \(PQ^2+8=9\), \(PQ=1\) m.

b) Agora o ângulo em \(B\) é \(45^\circ\): \(PQB\) é um triângulo retângulo isósceles, \(PQ=QB=2\sqrt2\), e \(PB=2\sqrt2\cdot\sqrt2=4\) m.

c) A projeção de \(PF\) sobre a face de trás é \(SF\). \(S\) está à altura \(PQ=2\sqrt2\) acima do ponto médio \(M\) de \(EF\) (a projeção de \(Q\)), e \(MF=2\). No triângulo retângulo \(SMF\): \(SF^2=8+4=12\), \(SF=2\sqrt3\) m.

Pirâmides e tetraedros

Para uma pirâmide, lembre-se: \[ \text{Volume}=\frac13\cdot\text{Área}_{\text{base}}\cdot\text{altura}. \] É uma excelente iniciativa quando a pirâmide é um tetraedro, porque qualquer face pode ser a base. Veja esta questão: na caixa abaixo, \(AB=AD=3\) e a altura é \(4\); qual é a distância \(d\) de \(D\) ao plano \((AHC)\)? A iniciativa é calcular o volume do tetraedro de duas maneiras, com vértice \(H\) e base \(ACD\), e com vértice \(D\) e base \(AHC\): \[ \text{Vol}_{HACD}=\text{Vol}_{DAHC}\iff \frac13\cdot\text{Área}_{ACD}\cdot HD=\frac13\cdot\text{Área}_{AHC}\cdot d. \] As duas áreas são fáceis e, isolando \(d\), terminamos: \(d=\dfrac{12}{\sqrt{41}}\).

Um tetraedro tem quatro arestas de medida \(\sqrt3\) e duas arestas opostas de medida \(2\). O seu volume é

(A) \(\dfrac13\)   (B) \(\dfrac23\)   (C) \(\dfrac43\)   (D) \(1\)   (E) \(\dfrac53\)

Resposta: (B) \(\dfrac23\).

Chame-o de \(ABCD\), com \(BC=AD=2\) e as outras quatro arestas medindo \(\sqrt3\).

  1. Seja \(M\) o ponto médio de \(BC\). Os triângulos \(ABC\) e \(DBC\) são isósceles; logo, \(AM\perp BC\), \(DM\perp BC\) e \(AM=DM=\sqrt{3-1}=\sqrt2\).
  2. Escolha uma boa base: \(BC\) é perpendicular às duas retas \(MA\) e \(MD\) do plano \(AMD\); logo, é perpendicular a esse plano. Esse plano corta o tetraedro em duas pirâmides de base \(AMD\) e alturas \(MB=MC=1\): \[ V=\frac13\,[AMD]\,(MB+MC)=\frac23\,[AMD]. \]
  3. \(AMD\) é isósceles, de lados \(\sqrt2,\sqrt2,2\): como \(2+2=4\), ele é retângulo em \(M\), e \([AMD]=\frac{\sqrt2\cdot\sqrt2}{2}=1\). Logo, \(V=\frac23\).

O ângulo entre dois planos

Lembre-se de como encontramos o ângulo entre dois planos \(\alpha\) e \(\beta\): \(\theta\) é o ângulo entre duas retas \(r\subset\alpha\) e \(s\subset\beta\) perpendiculares à interseção \(t\) dos planos, em um mesmo ponto. Em uma pirâmide regular, por exemplo, o ângulo entre a base e a face \(VBC\) é o ângulo \(\widehat{VMO}\), em que \(O\) é o centro da base e \(M\) o ponto médio de \(BC\).

Para construir um tetraedro, dobra-se uma folha retangular de papel, de lados \(3\) cm e \(4\) cm, ao longo de uma de suas diagonais, de modo que as duas metades da folha formem um ângulo reto e constituam duas faces do tetraedro. Em seguida, completam-se as demais faces com mais papel. Determine as medidas das arestas do tetraedro.

Resposta: \(3\), \(3\), \(4\), \(4\), \(5\) e \(\dfrac{\sqrt{337}}{5}\) cm.

Chame o retângulo de \(ABCD\), com \(AB=CD=4\) e \(BC=DA=3\), dobrado ao longo de \(AC=5\). Cinco arestas mantêm as suas medidas: \(3,4,3,4,5\). A sexta é \(BD\).

  1. Alturas relativas à dobra: em cada um dos triângulos retângulos \(ABC\) e \(ADC\), a altura relativa a \(AC\) mede \(\frac{3\cdot4}{5}=\frac{12}5\). Os seus pés são \(H\) e \(K\), com \(AH=\frac{4^2}{5}=\frac{16}5\) e \(AK=\frac{3^2}5=\frac95\); logo, \(HK=\frac75\).
  2. O ângulo entre os planos é o ângulo entre retas perpendiculares à dobra, uma em cada plano. Ele mede \(90^\circ\); logo, \(BH\perp KD\); e \(BH\perp HK\). Então \(BH\) é perpendicular ao plano \(ACD\) e, portanto, a \(HD\).
  3. \(HD^2=HK^2+KD^2=\frac{49}{25}+\frac{144}{25}\) e \(BD^2=BH^2+HD^2=\frac{144+49+144}{25}=\frac{337}{25}\); logo, \(BD=\frac{\sqrt{337}}5\).

Cilindros e cones

Para um cilindro reto de raio \(r\) e altura \(h\): \[ \text{Área}_{\text{lateral}}=2\pi r\,h,\qquad \text{Volume}=\pi r^2h, \] porque, planificada, a superfície lateral é um retângulo \(2\pi r\times h\). Para um cone reto de geratriz \(g\): \[ \text{Área}_{\text{lateral}}=\pi r\,g,\qquad \text{Volume}=\frac13\pi r^2h, \] e, planificada, a sua superfície lateral é um setor circular de raio \(g\) e arco \(2\pi r\).

▶ Veja na animação: Cilindros e cones, a partir de 6:20.

Márcia está decorando a sua casa para o Natal. Ela quer cobrir uma pilastra com papel de parede natalino e depois enrolar um fio de luzes de LED em volta da pilastra coberta, dando exatamente uma volta, de modo que o ponto em que o fio começa fique exatamente abaixo do ponto em que ele termina. A pilastra é um cilindro circular reto de \(3\) m de altura; o perímetro da sua base é \(1\) m, e a sua lateral será totalmente coberta com papel de parede, colado sem sobreposição.

a) Se o metro quadrado do papel de parede custa R$ 20,00, quanto Márcia vai gastar com papel de parede?
b) Qual é o menor comprimento que o fio de LED pode ter para essa instalação?

Resposta: a) R$ 60,00;   b) \(\sqrt{10}\) m.

a) Planifique a lateral: ela é um retângulo de lados \(1\) (o perímetro da base) e \(3\) (a altura), de área \(3\) m², que custa \(3\cdot20=60\) reais.

b) Planificado, um fio que dá uma volta, de um ponto ao ponto logo acima dele, vira uma linha de um canto do retângulo ao canto oposto. O caminho mais curto é o reto, a diagonal: \(\sqrt{1^2+3^2}=\sqrt{10}\) m.

A superfície lateral de um cone circular reto, quando planificada, é um setor circular de \(216^\circ\). Se a geratriz do cone mede \(10\) cm, então a sua altura, em cm, é

(A) \(5\)   (B) \(6\)   (C) \(7\)   (D) \(8\)   (E) \(9\)

Resposta: (D) \(8\).

  1. Planificado, o cone é um setor de raio \(g=10\) cujo arco é o perímetro da base: \(\dfrac{216^\circ}{360^\circ}\cdot2\pi\cdot10=2\pi r\); logo, \(r=6\).
  2. O triângulo retângulo altura–raio–geratriz: \(h=\sqrt{10^2-6^2}=8\).

Diferenças de volumes

Uma ótima ideia na geometria espacial é pensar em diferenças de volumes, como no tronco de cone: \[ \text{Vol}_{\text{tronco}}=\text{Vol}_{\text{cone maior}}-\text{Vol}_{\text{cone menor}}. \] E lembre-se: 1) \(\triangle VAB\sim\triangle VCD\); 2) o cone menor é semelhante ao maior; 3) \(\dfrac{\text{Vol}_{\text{cone menor}}}{\text{Vol}_{\text{cone maior}}}=k^3\) (sólidos semelhantes).

▶ Veja na animação: Diferenças de volumes, a partir de 6:38.

Um designer de produtos quer fazer um vaso de flores formado por dois troncos de cone iguais, unidos pelas bases menores. A base e a boca do vaso são círculos de raio \(R=10\) cm, o meio é um círculo de raio \(r=5\) cm, e cada tronco tem altura \(h=12\) cm. Qual é a capacidade do vaso, em cm³?

(A) \(1400\pi\)   (B) \(2100\pi\)   (C) \(2400\pi\)   (D) \(2600\pi\)   (E) \(2800\pi\)

Resposta: (A) \(1400\pi\) cm³.

  1. Complete cada tronco até um cone de altura \(H\). O cone pequeno retirado é semelhante ao grande, na razão \(\frac rR=\frac12\); logo, \(H-12=\frac H2\) e \(H=24\).
  2. Diferença de volumes: cada tronco tem volume \(\dfrac{\pi\cdot10^2\cdot24}{3}-\dfrac{\pi\cdot5^2\cdot12}{3}=800\pi-100\pi=700\pi\). (Ou: o cone pequeno é \(\big(\frac12\big)^3=\frac18\) do grande, e \(800\pi\cdot\frac78=700\pi\).)
  3. O vaso: \(2\cdot700\pi=1400\pi\) cm³.

É dado o tetraedro \(ABCD\), cujas arestas \(AB\) e \(CD\) medem \(a\) e \(b\), respectivamente. A distância entre as retas reversas \(AB\) e \(CD\) é \(d\), e o ângulo entre elas é \(\omega\). O tetraedro é dividido em dois sólidos por um plano \(\varepsilon\) paralelo às retas \(AB\) e \(CD\). A razão entre as distâncias de \(\varepsilon\) a \(AB\) e a \(CD\) é igual a \(k\). Calcule a razão entre os volumes dos dois sólidos obtidos.

Resposta: \(\dfrac{k^2(k+3)}{3k+1}\) (o sólido que contém \(AB\) sobre o outro); \(a\), \(b\), \(d\), \(\omega\) não são necessários.

Sejam \(t=\frac{k}{k+1}\) e \(V\) o volume de \(ABCD\).

  1. O corte. As distâncias a \(AB\) e a \(CD\) variam proporcionalmente ao longo de qualquer segmento que liga \(AB\) a \(CD\); logo, \(\varepsilon\) corta \(AC\), \(AD\), \(BD\), \(BC\) em \(W\), \(X\), \(Y\), \(Z\) com \(\frac{AW}{AC}=\frac{AX}{AD}=\frac{BY}{BD}=\frac{BZ}{BC}=t\). A seção \(WXYZ\) é um paralelogramo.
  2. Corte de novo o sólido que contém \(AB\), pelo plano que passa por \(W\) e \(X\) e é paralelo à face \(BCD\); ele encontra \(AB\) em \(P\), com \(\frac{AP}{AB}=t\).
    • O canto \(APWX\) é um tetraedro semelhante a \(ABCD\) na razão \(t\): volume \(t^3V\).
    • O resto, \(PWX\,BZY\), é um prisma: \(Z-W=Y-X=B-P=(1-t)(B-A)\). A sua base \(PWX\) é semelhante a \(BCD\) na razão \(t\); logo, tem área \(t^2[BCD]\), e a sua altura é \((1-t)\) vezes a altura de \(A\) em relação a \(BCD\): volume \(3t^2(1-t)V\).
  3. Assim, o sólido que contém \(AB\) tem volume \(V_1=(3t^2-2t^3)V\), o outro \(V_2=(1-3t^2+2t^3)V=(1-t)^2(1+2t)V\), e \[ \frac{V_1}{V_2}=\frac{t^2(3-2t)}{(1-t)^2(1+2t)}=\frac{k^2(k+3)}{3k+1}. \]

A esfera

Para a esfera de raio \(R\): \[ \text{Área}=4\pi R^2,\qquad \text{Volume}=\frac43\pi R^3. \] E lembre-se de que toda seção plana de uma esfera é um círculo: à distância \(x\) do centro, o seu raio \(r\) satisfaz \(r^2=R^2-x^2\), e a sua área é \(\pi r^2\). Lembre-se também dos casos da esfera inscrita 1) em um cone, em que \(\triangle VO'T\sim\triangle VOA\), e 2) em um cubo de aresta \(\ell\), em que \(2r=\ell\), isto é, \(r=\dfrac{\ell}{2}\).

▶ Veja na animação: A esfera, a partir de 6:49.

Um recipiente cilíndrico de altura \(h\) contém água. Quando se coloca no recipiente uma esfera de chumbo de raio \(R\), a água cobre a esfera e não transborda. Sabendo que o raio da base do cilindro é o dobro do raio da esfera, a diferença entre as alturas da água antes e depois de a esfera ser colocada é

(a) \(2R\)   (b) \(R\)   (c) \(\dfrac R3\)   (d) \(\dfrac{2R}3\)

Resposta: (c) \(\dfrac R3\).

A água sobe o volume da esfera, distribuído sobre a base do cilindro: \[ \pi(2R)^2\,\Delta h=\frac43\pi R^3\ \Longrightarrow\ \Delta h=\frac{4R^3}{3\cdot4R^2}=\frac R3 . \]

Considere um cone de revolução com uma esfera inscrita, tangente à base do cone. Um cilindro é circunscrito a essa esfera de modo que uma de suas bases está contida na base do cone. Sejam \(V_1\) o volume do cone e \(V_2\) o volume do cilindro.

a) Prove que \(V_1\neq V_2\).
b) Determine o menor número \(k\) para o qual \(V_1=kV_2\); nesse caso, construa o ângulo sob o qual um diâmetro da base do cone é visto do vértice do cone.

Resposta: sempre \(V_1>V_2\); o menor \(k\) é \(\dfrac43\), quando o semiângulo \(\varphi\) no vértice satisfaz \(\operatorname{sen}\varphi=\dfrac13\).

  1. Seção meridiana: um triângulo isósceles de base \(2\rho\) (a base do cone) e ângulos da base \(\beta\), com o círculo máximo da esfera inscrito. O centro da esfera está na bissetriz de \(\beta\); logo, o raio da esfera é \(s=\rho\operatorname{tg}\frac\beta2\), e a altura do cone é \(h=\rho\operatorname{tg}\beta\).
  2. Volumes, com \(t=\operatorname{tg}\frac\beta2\in(0,1)\) e \(\operatorname{tg}\beta=\frac{2t}{1-t^2}\): \(V_1=\frac13\pi\rho^2h=\frac{2\pi\rho^3t}{3(1-t^2)}\) e \(V_2=\pi s^2\cdot2s=2\pi\rho^3t^3\). Logo, \[ k=\frac{V_1}{V_2}=\frac{1}{3t^2(1-t^2)} . \]
  3. A cota: \(t^2(1-t^2)\le\big(\frac{t^2+1-t^2}{2}\big)^2=\frac14\) (desigualdade das médias); logo, \(k\ge\frac43>1\). Portanto, \(V_1\neq V_2\) (item a), e o menor \(k\) é \(\frac43\), atingido quando \(t^2=\frac12\) (item b).
  4. O ângulo: nesse caso, \(\operatorname{tg}\beta=\frac{2t}{1-t^2}=2\sqrt2\); logo, \(\cos\beta=\frac13\); o semiângulo no vértice é \(\varphi=90^\circ-\beta\), com \(\operatorname{sen}\varphi=\frac13\). Para construí-lo, desenhe um triângulo retângulo de hipotenusa \(3\) e um cateto \(1\): o ângulo oposto a esse cateto é \(\varphi\), e o ângulo no vértice é \(2\varphi\).

Poliedros convexos

Para poliedros convexos, vale a relação de Euler: \[ V-A+F=2, \] com \(V\) o número de vértices, \(A\) o de arestas e \(F\) o de faces. Existem apenas cinco poliedros regulares, T H O D I: o tetraedro, o hexaedro (cubo), o octaedro, o dodecaedro e o icosaedro. Também é importante saber como um tetraedro regular se inscreve em um cubo: basta ligar vértices alternados do cubo. A sua aresta é a diagonal \(\ell\sqrt2\) de uma face.

▶ Veja na animação: Poliedros convexos, a partir de 7:00.

Um deltaedro é um poliedro cujas faces são todas triângulos equiláteros. Se um deltaedro convexo tem \(8\) vértices, então o seu número de faces é

(A) \(4\)   (B) \(6\)   (C) \(8\)   (D) \(10\)   (E) \(12\)

(Use a relação de Euler para poliedros convexos, \(F-A+V=2\): \(F\) faces, \(A\) arestas, \(V\) vértices.)

Resposta: (E) \(12\).

  1. Contando as arestas pelas faces: cada face tem \(3\) arestas e cada aresta está em \(2\) faces; logo, \(3F=2A\).
  2. Euler: \(F-\frac{3F}{2}+8=2\); logo, \(\frac F2=6\) e \(F=12\) (com \(A=18\)).

O deltaedro convexo de \(8\) vértices existe: é o disfenoide achatado da figura.

Marcelo termina o seu manual assim: não deixem de revisar os seus cadernos, livros e apostilas, e boa sorte nos vestibulares a todos vocês! Mantenham-se motivados, lutem, trabalhem com todo o empenho e tornem-se os melhores profissionais, dos quais sempre vamos precisar.

Referências

Estas notas foram baseadas em:

  1. Marcelo Dias Carvalho, Manual de iniciativas em Geometria (manuscrito): as quarenta iniciativas, a sua ordem e as dicas.
  2. Art of Problem Solving, AoPS Wiki: IMO Problems and Solutions, para os esboços de resolução dos problemas da IMO.
  3. Poliedro, Poliedro Resolve, resoluções comentadas das provas da Fuvest, da Unicamp e do ITA.
  4. Etapa, Etapa Resolve, resoluções comentadas das provas da Fuvest, da Unicamp e do ITA.
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Reuso

Citação

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  title = {Geometria básica: uma visão abrangente},
  date = {2026-10-15},
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Por favor, cite este trabalho como:
Ozaki Mizuguti, Lucas. 2026. “Geometria básica: uma visão abrangente.” Preprint, October 15. https://LucasOzaki.github.io/notes/basic-geometry/.