Geometría Moderna I: Haz armónico

Por Rubén Alexander Ocampo Arellano

Introducción

Esta es una continuación de la entrada anterior donde vimos algunas propiedades de hileras armónicas de puntos, esta vez nos enfocaremos en propiedades de un haz armónico de rectas, que nos permitirán definir al cuadrilátero armónico.

Haz de rectas

Definición 1. Si cuatro rectas PA, PC, PB, PD concurren en P, decimos que forman un haz de rectas y que P es el vértice del haz, denotamos al haz como P(ACBD).

Teorema. 1 Sea P(ACBD) un haz de rectas donde A, C, B, D, son colineales, considera A, B, C, D, las intersecciones de cualquier otra transversal al haz, entonces (A,B;C,D)=(A,B;C,D)

Demostración. Aplicamos la ley de los senos a PAC, PCB, PBD y PAD.

Figura 1

ACsinAPC=PCsinCAP,

CBsinCPB=PCsinPBC,

DBsinBPD=PDsinDBP,

ADsinAPD=PDsinDAP.

De lo anterior calculamos,
(A,B;C,D)=ACCBDBAD

=sinAPCsinCAPsinBPDsinDBPsinCPBsinPBCsinAPDsinDAP
(1)=sinAPCsinCPBsinBPDsinAPD.

La última igualdad se debe a que CAP=DAP y sinPBC=sinDBP, por ser PBC y DBP suplementarios.

Si hacemos el mismo procedimiento, esta vez con los puntos A, C, B, D, obtendremos el mismo resultado ya que APC=APC, CPB=CPB, BPD=BPD y APD=APD.

Por lo tanto (A,B;C,D)=(A,B;C,D)

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Definición 2. Dado un haz de rectas P(ACBD), si A, C, B y D son colineales, definimos la razón cruzada P(A,B;C,D) del haz como la razón cruzada (A,B;C,D), de la hilera de puntos ACBD.

Equivalentemente, por la ecuación (1), podemos definir, P(A,B;C,D)=sinAPCsinCPBsinBPDsinAPD.

Si P(A,B;C,D)=1, decimos que el haz es armónico y que PA, PB son rectas conjugadas armónicas respecto de PC y PD o que PC, PD son conjugadas armónicas respecto de PA y PD.

Ejemplo

Proposición 1. Las rectas que unen los excentros de un triángulo con los puntos medios de los lados del triángulo relativos a esos excentros son concurrentes.

Demostración. Sean Ia, Ib, IC, los excentros de un triángulo ABC, A, B, C los puntos medio de BC, CA y AB respectivamente, consideremos X=IaAIbIc, Y=IbBIaIc, Z=IcCIaIb; D=IaABC, E=IbBCA, F=IcCAB.

Figura 2

Consideremos los haces Ia(CDAB), Ib(ABEC), Ic(BCFA), por el teorema 1, tenemos lo siguiente:
(A,D;B,C)=(X,A;Ic,Ib),
(B,E;A,C)=(Y,B;Ic,Ia),
(C,F;B,A)=(Z,C;Ia,Ib).

Esto es,
(2)ABBDCDAC=XIcIcAIbAXIb,
(3)BAAECEBC=YIcIcBIaBYIa,
(4)CBBFAFCA=ZIaIaCIbCZIb.

Como AD, BE, CF; IaA, IbB, IcC, concurren en el incentro I de ABC, aplicando el teorema de Ceva a los triángulos ABC y IaIbIc tenemos:

AFFBBDDCCEEA=1,
IaCCIbIbAAIcIcBBIa=1.

Recordemos que A, B, C son los puntos medios de BC, CA y AB, empleando segmentos dirigidos y tomando en cuenta lo anterior, si hacemos el producto del inverso de (2) con (3) y (4), obtenemos:

IaZZIbIcXXIbIcYYIa=1.

Por el teorema de Ceva, IaX=IaA, IbY=IbB, IcZ=IcC, son concurrentes.

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Haz armónico

Proposición 2. Una recta, paralela a alguna de las rectas de un haz, es dividida en dos segmentos iguales por las otras tres rectas del haz si y solo si el haz es armónico.

Demostración. Sean P(ACBD) un haz de rectas con A, C, B, D, colineales en ese orden, l paralela a PA, C=lPC, B=lPB, D=lPD.

Figura 3

Aplicamos la ley de los senos a CPB y BPD

CBsinCPB=PBsinBCP,
DBsinBPD=PBsinPDB.

Por lo tanto,
DBCB=sinBCPsinCPBsinBPDsinPDB.

Por la ecuación (1)
(A,B;C,D)=sinAPCsinCPBsinBPDsinAPD.

Como PACBD, entonces APC=BCP y APD, PDB son suplementarios, además CPB=CPB y BPD=BPD.

Por lo tanto (A,B;C,D)=DBCB.

Como resultado, (A,B;C,D)=1|DB|=|CB|.

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Proposición 3. Si dos rectas conjugadas de un haz armónico son perpendiculares entonces son las bisectrices del ángulo formado por las otras dos rectas del haz.

Demostración. Sea P(ACBD) un haz armónico, supongamos que PAPB (figura 3), sean l una recta paralela a PA y C, B, D, las intersecciones de l con PC, PB, PD respectivamente.

Por la proposición anterior CB=BD, como PAPB entonces PBCD.

Por lo tanto, PCD es isósceles y así, PA y PB son las bisectrices externa e interna de CPD.

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Proposición 4. Si tenemos dos hileras armónicas ACBD y ACBD tales que AA, BB, CC concurren en un punto P entonces DD también pasa por P.

Demostración. Sea X=PDACBD, por el teorema 1, X es el conjugado armónico de C respecto de AB, por lo tanto X=D.

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Cuadrilátero armónico

Teorema 2. Sean ◻ACBD un cuadrilátero cíclico, en ese orden cíclico, y P un punto en su circuncírculo, entonces la razón cruzada del haz P(ACBD) no depende de la posición de P.

Demostración. Sea R el circunradio de ◻ABCD, aplicamos la ley extendida de los senos a APC, CPB, BPD y APD.

Figura 4

ACsinAPC=CBsinCPB=DBsinBPD
=ADsinAPD=12R.

Por lo tanto,
P(A,B;C,D)=sinAPCsinCPBsinBPDsinAPD
=ACCBDBAD.

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Definición 3. Definimos la razón cruzada de cuatro puntos cíclicos A, B, C, D, como (A,B;C,D)=P(A,B;C,D), para cualquier punto P en la misma circunferencia.

De manera equivalente, por el teorema 2, podemos definir (A,B;C,D)=ACCB÷ADDB, la cual tomamos como positiva si AB y CD no se intersecan dentro de la circunferencia y como negativa en caso contrario.

Si (A,B;C,D)=1, decimos que ◻ACBD es un cuadrilátero armónico.

Construcción del conjugado armónico en una circunferencia.

Proposición 5. Sean Γ el circuncírculo de un triángulo ABC, P la intersección de las tangentes a Γ por A y C, D=PBΓ, DB, entonces ◻ABCD es un cuadrilátero armónico.

Demostración. Como DBA=DAP y CBD=PCD, por criterio de semejanza AA, PBAPAD y PBCPCD, recordemos que las tangentes PA y PC son iguales.

Figura 5

Por lo tanto,
BAAD=PBPA=PBPC=BCCD
ABBC=ADDC.

De acuerdo a la definición 3, ◻ABCD es un cuadrilátero armónico.

Proposición 6. Sea ◻ABCD un cuadrilátero armónico, entonces BD y las tangentes a Γ el circuncírculo de ◻ABCD, en A y C son concurrentes.

Sean l1 tangente a Γ en A, P=lBD y E=ACBD, por el teorema 2, el haz A(ABCD) es armónico, donde AA=l1, por el teorema 1, (P,E;D,B)=1.

Análogamente, sea l2 la tangente a Γ en C y Q=l2BD entonces el haz C(CBAD) es armónico, por lo tanto (Q,E;D,B)=1.

Por lo tanto, P=Q.

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Ejemplo

Proposición 7. Sea Γ el incírculo de un triángulo ABC, X, el punto de contacto de Γ con BC, D el pie de la altura por A y M el punto medio de AD, N=XMΓ, NX entonces XN es la bisectriz de BNC.

Demostración. Sea L el punto al infinito de la recta AD, entonces, M y L son conjugados armónicos respecto de A y D.

Figura 6

Sea X el punto diametralmente opuesto a X, como XXAD, entonces XXAD=L.

Por el teorema 1, el haz X(DMAX) es armónico, sea U=XAΓ, UX, entonces ◻XNUX es un cuadrilátero armónico.

Sean Y, Z los puntos de tangencia de Γ con CA y AB respectivamente, por la proposición 5, ◻XYUZ es armónico.

Sea P=ZYBC, como BC es tangente a Γ en X entonces por la proposición 6, PU es tangente a Γ.

Como ◻XNUX es armónico, por la proposición 6, PX, PU, XN son concurrentes, es decir X, N y P son colineales.

Ya que XX es diámetro de Γ, entonces XNX=π2, es decir, NXNP.

Sabemos que AX, BY, CZ concurren en el punto de Gergonne Ge, entonces por el teorema 2 de la entrada anterior, P=ZYBC es el conjugado armónico de X respecto de BC.

Ya que NXNP, por el teorema 3 de la entrada anterior, NX es la bisectriz interna de BNC.

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Más adelante…

En la siguiente entrada hablaremos sobre las simedianas, estas son las reflexiones de la medianas de un triángulo respecto de las bisectrices que pasan por el mismo vértice, con la ayuda de haces armónicos estableceremos algunas propiedades de estas rectas.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. En un triángulo ABC, D, E, F, los pies de las alturas por A, B, C, respectivamente, Ia, Ib, Ic los excentros opuestos a A, B, C respectivamente, demuestra que IaD, IbE, IcF son concurrentes.
  2. i) Dadas tres rectas concurrentes OA, OC, OB, construye el conjugado armónico de OC respecto de OA y OB,
    ii) Si (A,B;C,D)=1, (A,B;C,D)=1, y ABAB, muestra que BB, CC, DD son concurrentes.
  3. Sea ◻ABCD un cuadrilátero convexo, E=ADBC, F=ABCD, G=ACBD, sea O la proyección de G en FE, muestra que AOB=COD.
  4. Muestra que las rectas que unen un punto en una circunferencia con los extremos de un cuerda, dividen armónicamente al diámetro perpendicular a dicha cuerda.
  5. En un triángulo ABC, A es el punto medio de BC, sea Γ la circunferencia con diámetro AA, considera D=ΓAB, E=ΓCA, DAE, y P la intersección de las tangentes a Γ en D y E, muestra que PB=PC.

Entradas relacionadas

Fuentes

  • Lozanovski, S., A Beautiful Journey Through Olympiad Geometry. Version 1.4. 2020, pp 159-166.
  • Andreescu, T., Korsky, S. y Pohoata, C., Lemmas in Olympiad Geometry. USA: XYZ Press, 2016, pp 149-161.
  • Aref, M. y Wernick, W., Problems and Solutions in Euclidean Geometry. New York: Dover, 2010, pp 178-186.

Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE104522 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 2»

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