Geometría Moderna I: Teorema de Ceva

Por Rubén Alexander Ocampo Arellano

Introducción

En esta ocasión veremos algunas proposiciones sobre concurrencia de rectas, principalmente el teorema de Ceva y su forma trigonométrica, a partir de los cuales mostraremos otros resultados.

Teorema de Ceva

Definición 1. Si una recta pasa por el vértice de un triángulo, el segmento comprendido entre el vértice y la intersección con el lado opuesto, se llama ceviana.

Teorema 1, de Ceva. Sean ABC y AX, BY, CZ cevianas, entonces AX, BY, CZ son concurrentes si y solo si
AZZBBXXCCYYA=1.

Demostración. Supongamos que AX, BY y CZ concurren en S.

Figura 1

Aplicamos el teorema de Menelao a ABX y la trasversal ZSC
AZZBBCCXXSSA=1.

Nuevamente, usamos el teorema de Menelao, ahora en AXC y la transversal BYS
ASSXXBBCCYYA=1.

Multiplicamos estas dos igualdades y reordenamos
AZZBXBCXCYYAXSSAASSXBCBC=1.

Simplificamos empleando segmentos dirigidos
AZZBBXXCCYYA=1.

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Conversamente, supongamos que para las tres cevianas AX, BY y CZ, se cumple la igualdad AZZBBXXCCYYA=1, sea S=BYCZ, queremos ver que AX pasa por S.

Sea X=ASBC, entonces las cevianas AX, BY y CZ son concurrentes por lo tanto
AZZBBXXCCYYA=1.

Como resultado de esta igualdad y nuestra hipótesis obtenemos
BXXC=BXXC.

Es decir, X y X dividen a BC en la misma razón, por lo tanto, X=X.

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Forma trigonométrica del teorema de Ceva

Forma trigonométrica del teorema de Ceva. Sean AZ, BY y CZ cevianas de un triángulo ABC, entonces AX, BY, CZ son concurrentes si y solo si
sinACZsinZCBsinBAXsinXACsinCBYsinYBA=1.

Demostración. Aplicamos el lema de la razón a los puntos X, Y, Z (figura 1)

BXXC=BAACsinBAXsinXAC,
CYYA=CBBAsinCBYsinYBA,
AZZB=ACCBsinACZsinZCB.

Multiplicamos las tres igualdades
AZZBBXXCCYYA
=sinACZsinZCBsinBAXsinXACsinCBYsinYBA.

Por el teorema de Ceva, AZZBBXXCCYYA=1
si y solo si AX, BY, CZ son concurrentes.

Por lo tanto,
sinACZsinZCBsinBAXsinXACsinCBYsinYBA=1
si y solo si AX, BY, CZ son concurrentes.

◼

Conjugados isotómicos

Proposición 1. Sea ABC y P un punto en el plano, sean X=APBC, Y=BPCA, Z=CPAB, considera los puntos isotómicos X, Y, Z de X, Y, Z respectivamente, entonces las cevianas AX, BY, CZ son concurrentes, al punto de concurrencia se le conoce como conjugado isotómico de P respecto a ABC.

Demostración. Como AX, BY, CZ son concurrentes, por el teorema de Ceva AZZBBXXCCYYA=1.

Figura 2

Ya que X, Y, Z son las reflexiones de X, Y, Z, respectivamente, respecto de los puntos medios de BC, CA y AB respectivamente entonces

AZZBBXXCCYYA
=ZBAZXCBXYACY
=(AZZBBXXCCYYA)1=1.

Por lo tanto, por el teorema de Ceva, AX, BY, CZ son concurrentes.

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Teorema de Blanchet

Definición 2. Si tres cevianas AX, BY, CZ de un triángulo ABC concurren en un punto P, a XYZ se le conoce como triángulo de Ceva de P respecto de ABC.

Teorema 2, de Blanchet. Sea ABC y X el pie de la altura por A, sea P cualquier punto en AX, XYZ el triángulo de Ceva de P respecto de ABC, entonces AX es la bisectriz de ZXY.

Demostración. Sean l la paralela a BC por A, D=XZl, E=XYl, entonces tenemos las siguientes semejanzas YCXYAE, ZADZBX, esto es,
YCYA=CXAE y ZAZB=ADBX.

Figura 3

Como las cevianas AX, BY, CZ son concurrentes, por el teorema de Ceva tenemos
AZZBBXXCCYYA=1.

Sustituimos las ecuaciones derivadas de la semejanza
DABXBXXCXCAE=1.

Esto implica que DA=AE.

Como EAX=XAD=π2, por criterio de congruencia LAL, XAEXAD.

Por lo tanto, DXA=AXE.

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Teorema del nido de Ceva

Teorema 3. Sean AD, BE, CF tres cevianas de un triángulo ABC; DX, EY, FZ, tres cevianas de DEF, si dos de las tercias (AD,BE,CF); (DX,EY,FZ); (AX,BY,CZ), entonces la tercera también es concurrente.

Demostración. Supongamos que (AD,BE,CF) y (DX,EY,FZ) son concurrentes, la prueba para otros casos es análoga.

Aplicamos el lema de la razón a los triángulos AEF, BFD, CDE y los respectivos puntos X, Y, Z,

EXXF=EAAFsinEAXsinXAF,

FYYD=FBBDsinFBYsinDBY,

DZZE=DCCEsinDCZsinECZ.

Figura 4

Sean X=AXBC, Y=BYCA, Z=CZAB, recordemos que si dos ángulos son suplementarios su seno es igual, ahora multiplicamos las tres ecuaciones y reacomodamos

DZZEEXXFFYYD
=(AFFBBDDCCEEA)1sinXACsinXABsinYBAsinCBYsinZCBsinACZ.

Por otra parte, como (AD,BE,CF) y (DX,EY,FZ) son concurrentes, por el teorema de Ceva
AFFBBDDCCEEA=1,

DZZEEXXFFYYD=1.

Por lo tanto,
sinACZsinZCBsinXABsinXACsinCBYsinYBA=1.

Por la forma trigonométrica del teorema de Ceva, AX=AX, BY=BY, CZ=CZ, son concurrentes.

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Teorema de Jacobi

Teorema 4, de Jacobi. Sean ABC, X, Y, Z puntos tales que XBC=ABZ=β1, BCX=YCA=γ1, CAY=ZAB=α1, entonces las rectas AX, BY, CZ son concurrentes, al punto de concurrencia se le conoce como punto de Jacobi.

Demostración. Sean BAC=α0, CBA=β0, ACB=γ0, Q=BXCA, R=CXAB.

Figura 5

Como AX, BQ, CR concurren en X, por el teorema de Ceva trigonométrico,
sinACRsinRCBsinBAXsinXACsinCBQsinQBA=1.

Por lo tanto,

1=sinBAXsinXACsinγ0+γ1sinγ1sinπβ1sinπ(β0+β1)
=sinBAXsinXACsinγ0+γ1sinγ1sinβ1sinβ0+β1.

Igualmente podemos encontrar

sinACZsinZCBsinβ0+β1sinβ1sinα1sinα0+α1=1,

sinCBYsinYBAsinα0+α1sinα1sinγ1sinγ0+γ1=1.

Multiplicando estas tres ecuaciones y obtenemos
sinACZsinZCBsinBAXsinXACsinCBYsinYBA=1.

Lo que significa, por la forma trigonométrica del teorema de Ceva que AX, BY, CZ son concurrentes.

Observación. Notemos que el punto de Jacobi es una generalización de los puntos de Fermat que vimos en la unidad 2.

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Puntos de Napoleón

Corolario. Sea ABCABC una configuración externa (interna) de Napoleón, sean Ia, Ib, Ic, los incentros de ABC, ABC, ABC respectivamente, entonces AIa, BIb, CIc son concurrentes, al punto de concurrencia N+ (N) se le conoce como primer (segundo) punto de Napoleón.

Demostración. Como ABC, ABC, ABC son equiláteros y están construidos externamente (internamente) sobre los lados de ABC entonces IaBC=ABIc=BCIa=IbCA=CAIb=IcAB=π6.

Figura 6

Por el teorema de Jacobi, AIa, BIb, CIc son concurrentes.

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Teorema de Routh

Teorema 5, de Routh. Sean AX, BY, CZ cevianas de un triángulo ABC y considera D=BYAX, E=BYCZ, F=AXCZ, z=AZZB, x=BXXC, y=CYYB entonces el área de DEF se puede calcular mediante la siguiente formula:
(DEF)=(1xyz)2(xy+y+1)(yz+z+1)(zx+x+1)(ABC).

Demostración. Como AFC y AXC tienen la misma altura desde C entonces.
(AFC)(AXC)=AFAX=AFAF+FX=11+FXAF.

Figura 7

Aplicando el teorema de Menelao en ABX y la transversal ZFC
AZZBBCCXXFFA=1
XFFA=ZBAZXCBC=1z×XCBX+XC=1z(x+1).

Como resultado,
(AFC)=11+1z(x+1)(AXC)=z(x+1)zx+z+1(AXC)

Por otro lado,
(AXC)(ABC)=XCBC=XCBX+XC=1x+1.

Por lo tanto,
(AFC)=z(x+1)zx+z+1×11+x(ABC)=zzx+z+1(ABC).

Igualmente podemos encontrar
(BDA)=xxy+x+1(ABC),
(CEB)=yyz+y+1(ABC).

Finalmente
(DEF)=(ABC)(AFC)(BDA)(CEB)
=(ABC)(1zzx+z+1xxy+x+1yyz+y+1)
=(1xyz)2(xy+y+1)(yz+z+1)(zx+x+1)(ABC).

Los cálculos de la última ecuación quedan para el lector.

◼

Observación. Notemos que este resultado generaliza el teorema de Ceva pues si AX, BY, CZ son concurrentes entonces (DEF)=0, lo que implica que AZZBBXXCCYYA=xyz=1.

Por el contrario, si xyz=1, entonces (DEF)=0, es decir AX, BY, CZ son concurrentes.

Más adelante…

En la siguiente entrada hablaremos sobre el punto de Nagel, un punto notable del triángulo con varias propiedades interesantes, la existencia de los conjugados isotómicos nos permitirá presentar este punto.

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. Empleando el teorema de Menelao, muestra que las medianas, las alturas y las bisectrices internas de todo triángulo son concurrentes.
  2. Sea ABC y X, XBC; Y, YCA; Z, ZAB, los puntos en que una circunferencia interseca a los lados de ABC, prueba que si AX, BY, CZ son concurrentes, entonces AX, BY, CZ son concurrentes.
  3. In un triangulo ABC, D, E, F son los pies de las alturas desde A, B, C, muestra que las perpendiculares desde A, B, y C a EF, DF y DE, respectivamente son concurrentes.
  4. Si las diagonales de un cuadrilátero convexo ◻ABCD se intersecan en P muestra que
    sinPADsinPABsinPBAsinPBCsinPCBsinPCDsinPDCsinPDA=1.
  5. Teorema de Kariya. Sea Γ(I) el incírculo de un triángulo ABC, sean D, E, F los puntos de tangencia de Γ(I) con BC, CA y AB respectivamente, sean (I,r) una circunferencia con centro en I y radio r, X=(I,r)ID, Y=(I,r)IE, Z=(I,r)IF, demuestra que AX, BY, CZ son concurrentes.

Entradas relacionadas

Fuentes

  • Andreescu, T., Korsky, S. y Pohoata, C., Lemmas in Olympiad Geometry. USA: XYZ Press, 2016, pp 37-53, 85-93.
  • Altshiller, N., College Geometry. New York: Dover, 2007, pp 158-160.
  • Posamentier, A. y Salkind, C; Challenging Problems in Geometry. New York: Dover, 1996, pp 36-42.
  • Wikipedia
  • The University of Georgia

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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