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Geometria


🧩 Exercício 4 IMEMédio

Seja ABCABC um triângulo de lados ABAB, BCBC e ACAC iguais a 2626, 2828 e 1818, respectivamente. Considere o círculo de centro OO inscrito nesse triângulo. A distância AOAO vale:

Seja rr o raio da circunferência inscrita e seja AA o ângulo do vértice AA.

Como OO é o incentro, AOAO é a bissetriz do ângulo AA. Se HH é o ponto de tangência da circunferência com um dos lados que formam o ângulo AA, então o triângulo AOHAOH é retângulo e

sen⁡α2=rAO.\operatorname{sen}\frac{\alpha}{2} = \frac{r}{AO}.

Portanto,

AO=rsen⁡α2.AO=\frac{r}{\operatorname{sen}\frac{\alpha}{2}}.

1. Calculando o raio inscrito​

O semiperímetro do triângulo é

p=26+28+182=36.p=\frac{26+28+18}{2}=36.

Pela fórmula de Heron, a área é

Δ=36(36−26)(36−28)(36−18).\Delta = \sqrt{36(36-26)(36-28)(36-18)}.

Logo,

Δ=36⋅10⋅8⋅18=7210.\Delta = \sqrt{36\cdot10\cdot8\cdot18} = 72\sqrt{10}.

Como

Δ=rp,\Delta=rp,

temos

r=Δp=721036=210.r=\frac{\Delta}{p} = \frac{72\sqrt{10}}{36} = 2\sqrt{10}.

2. Calculando sen⁡α2\operatorname{sen}\frac{\alpha}{2}​

O lado oposto ao ângulo α\alpha é BC=28BC=28. Pela Lei dos Cossenos,

282=262+182−2(26)(18)cos⁡α.28^2=26^2+18^2-2(26)(18)\cos\alpha.

Assim,

784=676+324−936cos⁡α,784=676+324-936\cos\alpha,

portanto,

936cos⁡α=216,936\cos\alpha=216,

e

cos⁡α=313.\cos\alpha=\frac{3}{13}.

Usando a fórmula do seno do ângulo metade,

sen⁡α2=1−cos⁡α2.\operatorname{sen}\frac{\alpha}{2} = \sqrt{\frac{1-\cos\alpha}{2}}.

Logo,

sen⁡α2=1−3132=1026=513.\operatorname{sen}\frac{\alpha}{2} = \sqrt{\frac{1-\frac{3}{13}}{2}} = \sqrt{\frac{10}{26}} = \sqrt{\frac{5}{13}}.

3. Calculando AOAO​

Finalmente,

AO=210513.AO = \frac{2\sqrt{10}}{\sqrt{\frac{5}{13}}}.

Portanto,

AO=21305=226.AO = 2\sqrt{\frac{130}{5}} = 2\sqrt{26}.

Como

226=104,2\sqrt{26}=\sqrt{104},

concluímos que

AO=104.\boxed{AO=\sqrt{104}}.
🧩 Exercício 5 IME 2010/2011Difícil

Seja ABCABC um triângulo onde α\alpha, β\beta e γ\gamma são os ângulos internos dos vértices AA, BB e CC, respectivamente. Esse triângulo está inscrito em um círculo de raio unitário.

As bissetrizes internas desses ângulos interceptam esse círculo nos pontos A1A_1, B1B_1 e C1C_1, respectivamente.

Determine o valor da expressão

AA1‾cos⁡α2+BB1‾cos⁡β2+CC1‾cos⁡γ2sen⁡α+sen⁡β+sen⁡γ.\frac{ \overline{AA_1}\cos\frac{\alpha}{2} + \overline{BB_1}\cos\frac{\beta}{2} + \overline{CC_1}\cos\frac{\gamma}{2} }{ \operatorname{sen}\alpha+\operatorname{sen}\beta+\operatorname{sen}\gamma }.

Vamos determinar separadamente cada uma das parcelas do numerador.

1. Determinação de AA1‾cos⁡α2\overline{AA_1}\cos\frac{\alpha}{2}​

Triângulo e semicirculos

Considere o triângulo AA1BAA_1B.

Como AA1AA_1 é a bissetriz interna do ângulo α\alpha, temos

∠BAA1=α2.\angle BAA_1=\frac{\alpha}{2}.

Além disso, os ângulos ∠CBA1\angle CBA_1 e ∠A1AC\angle A_1AC são ângulos inscritos que subtendem o mesmo arco CA1^\widehat{CA_1}. Portanto,

∠CBA1=∠A1AC=α2.\angle CBA_1=\angle A_1AC=\frac{\alpha}{2}.

Como

∠ABC=β,\angle ABC=\beta,

e os raios BABA e BA1BA_1 estão em lados opostos de BCBC, segue que

∠ABA1=β+α2.\angle ABA_1 = \beta+\frac{\alpha}{2}.

Aplicando a Lei dos Senos no triângulo AA1BAA_1B:

AA1‾sen⁡(β+α2)=2R.\frac{\overline{AA_1}} {\operatorname{sen}\left(\beta+\frac{\alpha}{2}\right)} = 2R.

Como o raio da circunferência é unitário,

R=1,R=1,

e, portanto,

AA1‾=2sen⁡(β+α2).\overline{AA_1} = 2\operatorname{sen}\left(\beta+\frac{\alpha}{2}\right).

Multiplicando por cos⁡α2\cos\frac{\alpha}{2}:

AA1‾cos⁡α2=2sen⁡(β+α2)cos⁡α2.\overline{AA_1}\cos\frac{\alpha}{2} = 2\operatorname{sen}\left(\beta+\frac{\alpha}{2}\right) \cos\frac{\alpha}{2}.

Usando a fórmula da transformação em soma de senos,

2sen⁡xcos⁡y=sen⁡(x+y)+sen⁡(x−y),2\operatorname{sen}x\cos y = \operatorname{sen}(x+y)+\operatorname{sen}(x-y),

obtemos

AA1‾cos⁡α2=sen⁡(α+β)+sen⁡β.\overline{AA_1}\cos\frac{\alpha}{2} = \operatorname{sen}(\alpha+\beta)+\operatorname{sen}\beta.

Como

α+β+γ=π,\alpha+\beta+\gamma=\pi,

temos

sen⁡(α+β)=sen⁡(π−γ)=sen⁡γ.\operatorname{sen}(\alpha+\beta) = \operatorname{sen}(\pi-\gamma) = \operatorname{sen}\gamma.

Logo,

AA1‾cos⁡α2=sen⁡β+sen⁡γ.\boxed{ \overline{AA_1}\cos\frac{\alpha}{2} = \operatorname{sen}\beta+\operatorname{sen}\gamma }.

2. As outras duas parcelas​

Aplicando exatamente o mesmo raciocínio aos pontos B1B_1 e C1C_1, obtemos

BB1‾cos⁡β2=sen⁡α+sen⁡γ\boxed{ \overline{BB_1}\cos\frac{\beta}{2} = \operatorname{sen}\alpha+\operatorname{sen}\gamma }

e

CC1‾cos⁡γ2=sen⁡α+sen⁡β.\boxed{ \overline{CC_1}\cos\frac{\gamma}{2} = \operatorname{sen}\alpha+\operatorname{sen}\beta }.

Portanto, o numerador da expressão é

(sen⁡β+sen⁡γ)+(sen⁡α+sen⁡γ)+(sen⁡α+sen⁡β).(\operatorname{sen}\beta+\operatorname{sen}\gamma) + (\operatorname{sen}\alpha+\operatorname{sen}\gamma) + (\operatorname{sen}\alpha+\operatorname{sen}\beta).

Agrupando os termos:

=2sen⁡α+2sen⁡β+2sen⁡γ.=2\operatorname{sen}\alpha +2\operatorname{sen}\beta +2\operatorname{sen}\gamma.

Assim,

AA1‾cos⁡α2+BB1‾cos⁡β2+CC1‾cos⁡γ2=2(sen⁡α+sen⁡β+sen⁡γ).\overline{AA_1}\cos\frac{\alpha}{2} + \overline{BB_1}\cos\frac{\beta}{2} + \overline{CC_1}\cos\frac{\gamma}{2} = 2(\operatorname{sen}\alpha+\operatorname{sen}\beta+\operatorname{sen}\gamma).

Substituindo na expressão original:

2(sen⁡α+sen⁡β+sen⁡γ)sen⁡α+sen⁡β+sen⁡γ=2.\frac{ 2(\operatorname{sen}\alpha+\operatorname{sen}\beta+\operatorname{sen}\gamma) }{ \operatorname{sen}\alpha+\operatorname{sen}\beta+\operatorname{sen}\gamma } =2.

Portanto,

2.\boxed{2}.