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Geometría Moderna II: Eje radical de 2 circunferencias

Por Armando Arzola Pérez

Introducción

En la entrada anterior hablamos de la noción de potencia de un punto con respecto a una circunferencia. Lo que haremos ahora es tomar dos circunferencias y preguntarnos por los puntos cuya potencia a ellas coincide. Esto nos llevará a estudiar la noción de eje radical de las circunferencias.

A grandes rasgos, definiremos qué es el eje radical. Luego, mostraremos que es una recta muy específica. Después de hacer eso, estudiaremos qué sucede si tenemos tres circunferencias. Finalmente, hablaremos un poco de cómo dibujar el eje radical de dos circunferencias.

Eje radical de 2 circunferencias

La definición que nos interesa estudiar ahora es el conjunto de puntos del plano cuyas potencias a dos circunferencias coincide. La siguiente definición formaliza esto.

Definición. El eje radical de dos circunferencias no concéntricas C1 y C2 es el lugar geométrico de los puntos P tales que Pot(P,C1)=Pot(P,C2). Si un punto está en el eje radical de ellas, decimos que es equipotente a ambas.

Ejemplo. Supongamos que tenemos dos circunferencias C1 y C2 de centros O1 y O2, y de radios 5 y 10 respectivamente. Supongamos que |O1O2|=25. El punto X entre O1 y O2 que está a distancia 11 de O1 y a distancia 14 de O2 es equipotente a ambas circunferencias. Esto se debe a que su potencia a C1 es (6)(16)=96 y que su potencia a C2 es (4)(24)=96 también.

El eje radical es una recta

En esta sección demostraremos el siguiente teorema.

Teorema. Sean C1 y C2 circunferencias no concéntricas de de centros O1 y O2. El eje radical de ellas es la recta que perpendicular a la recta O1O2, y que pasa por el punto M de O1O2 que cumple Pot(M,C1)=Pot(M,C2).

La demostración de este teorema la dividiremos en las siguientes partes:

  1. Probar que existe al menos un punto P en el eje radical.
  2. Mostrar que la proyección M de dicho punto a la recta O1O2 también está en el eje radical.
  3. Ver que todo punto en la perpendicular a O1O2 por M está en el eje radical.
  4. Mostrar que no existen otros puntos en el eje radical más allá de los ya localizados.

Veamos cada uno de estos puntos como una proposición por separado.

Proposición. Sean C1 y C2 circunferencias no concéntricas. Existe al menos un punto P en el eje radical de C1 y C2.

Demostración. Vamos a dar una construcción explícita para encontrar un punto en el eje radical de C1 y C2:

Eje radical de 2 circunferencias, construcción de un punto equipotente

Para ello, tracemos una tercera circunferencia C3 que intersecte a cada una de C1 y C2 en dos puntos (una manera de hacer esto esto tomar C3 como el circuncírculo un punto dentro de C1, uno dentro de C2 y otro fuera de ambas).

Llamamos A1,B1 las intersecciones con C1 y A2,B2 las intersecciones con C2. Tomamos el punto P como la intersección de A1B1 con A2B2 como en la siguiente figura.

Las siguientes cuentas muestran que P es equipotente a ambas. Estamos usando el resultado de la entrada anterior que muestra que el cálculo de la potencia con respecto a C3 no depende de los puntos elegidos.

Pot(P,C1)=PA1PB1=Pot(P,C3)=PA2PB2=Pot(P,C2).

Por lo anterior, en efecto existe al menos un punto en el eje radical.

◻

Ahora veremos que la proyección de un punto equipotente en la recta de los centros también es un punto equipotente.

Proposición. Sean C1 y C2 circunferencias no concéntricas de centros O1 y O2. Si P es un punto equipotente con respecto a ellas y M es el pie de la perpendicular desde P a la recta O1O2, entonces M es equipotente con respecto a las dos circunferencias.

Demostración. Sean r1 y r2 los radios de C1 y C2, respectivamente. Como P esta en el eje radical de ambas, entonces por cómo se calcula la potencia con la distancia a los centros y el radio, tenemos que

(1)PO12r12=PO22r22.

Queremos demostrar que M pertenece al eje radical, osea Pot(M,C1)=Pot(M,C2).

Tracemos los segmentos O1P y O2P. Los triángulos PMO1 y PMO2 son rectángulos, ver la siguiente figura.

Por Pitágoras se sigue que PO12=MO12+PM2 y PO22=MO22+PM2.

Al sustituir en (1), obtenemos: MO12+PM2r12=MO22+PM2r22.

Cancelando PM2, se obtiene la expresión que muestra que M también es equipotente a ambas circunferencias:

(2)MO12r12=MO22r22.

◻

Ahora veremos que todos los puntos en la perpendicular por M también son equipotentes.

Proposición. Sean C1 y C2 circunferencias no concéntricas de centros O1 y O2. Si M es un punto en O1O2 equipotente a ambas circunferencias, entonces todos los puntos en la perpendicular a O1O2 por M también lo son.

Demostración. A la perpendicular del enunciado la llamaremos l. Sea X un punto en l. Debemos mostrar que Pot(X,C1)=Pot(X,C2).

Para ello, trazamos O1X y O2X.

Eje radical de 2 circunferencias demostración de proposición.

Como los triángulos XMO1 y XMO2 son rectángulos, nuevamente por Pitágoras: XO12=MO12+XM2 y XO22=MO22+XM2.

Usando las igualdades anteriores y que M está en el eje radical (específicamente, (2)), tenemos que:

Pot(X,C1)=XO12r12=MO12+XM2r12=MO22+XM2r22=XO22r22=Pot(X,C2).

Por lo tanto, todo punto X en l es un punto en el eje radical.

◻

Ya sólo nos falta ver que no hay más puntos equipotentes.

Proposición. Sean C1 y C2 circunferencias no concéntricas de de centros O1 y O2. Si M es un punto en O1O2 equipotente a ambas circunferencias, entonces únicamente los puntos en la perpendicular a O1O2 por M son equipotentes a las circunferencias.

Demostración. Primero veremos que el único punto en O1O2 que puede funcionar es M. Para buscar una contradicción supongamos que otro punto N en la recta O1O2, con NM también cumple que Pot(N,C1)=Pot(N,C2). Entonces, NO12r12=NO22r22.

Restando a esta ecuación la ecuación (2), obtenemos que NO12MO12=NO22MO22, y por diferencia de cuadrados, (NO1+MO1)(NO1MO1)=(NO2+MO2)(NO2MO2).

Tenemos que NO1MO1=NO1+O1M=NM y lo análogo para O2, de modo que (NO1+MO1)NM=(NO2+MO2)NM.

Como NM, tenemos NM0 y lo podemos cancelar. NO1+MO1=NO2+MO2,

de donde sale la cuarta igualdad de la siguiente cadena:

O2O1=O2N+NO1=NO2+NO1=MO1+MO2=O1M+MO2=O1O2.

Obtenemos que O2O1=O1O2. ¡Esto es imposible, pues son segmentos dirigidos y O1O2! Esta contradicción muesta que M es el único punto en O1O2 equipotente a ambas circunferencias.

Para finalizar, supongamos que existe un punto P cualquiera del plano equipotente a C1 y C2. Por la proposición de la proyección, la proyección M de P en O1O2 también es equipotente. Por lo que acabamos de mostrar, M=M. Y así, P está en la perpendicular a O1O2 por M, como queríamos.

◻

Los ejes radicales por parejas de 3 circunferencias son concurrentes

Si tenemos tres circunferencias, entonces definen tres ejes radicales. Estos tres ejes radicales siempre concurren.

Teorema. Sean C1, C2 y C3 circunferencias de centros no colineales. Sea e1 el eje radical de C1 y C2. Sea e2 el eje radical de C2 y C3. Sea e3 el eje radical de C3 y C1. Las rectas e1,e2,e3 son concurrentes.

Demostración. Consideremos 3 circunferencias C1,C2 y C3, cuyos centros O1, O2 y O3 no son colineales (en particular, son distintos). Tomemos los ejes radicales e1,e2,e3 como en el enunciado.

Llamamos P al punto de intersección de e1 y e2. Como P está en e1, entonces Pot(P,C1)=Pot(P,C2) y como P está en e2, entonces Pot(P,C2)=Pot(P,C3). De esta manera, Pot(P,C1)=Pot(P,C3). Esto muestra que también P está en e3. Por lo tanto, los 3 ejes radicales concurren en P.

◻

Construcción del eje radical

¿Cómo podemos dibujar el eje radical de dos circunferencias no concéntricas C1 y C2, digamos, con regla y compás? Podemos seguir la idea que usamos cuando probamos que por lo menos existe un punto en el eje radical. Sean O1 y O2 los centros de estas circunferencias, respectivamente.

Dibujemos una circunferencia C que corte a las circunferencias C1 y C2, en A,A y B,B. Esto puede hacerse trazando el circuncírculo de O1, O2 y un punto fuera de ambas cirfunferencias. Sean A y A las intersecciones de C con C1. Sean B y B las intersecciones de C con C2. Tomemos P la intersección de AA y BB. Por lo que mostramos anteriormente, P está en el eje radical de las circunferencias. Y además, también mostramos que la recta perpendicular a O1O2 por P es el eje radical. Así, al trazar esta perpendicular, obtenemos el eje radical requerido.

Más adelante…

Se seguirá abordando el tema de potencia de un punto y el eje radical con respecto a las circunferencias ortogonales.

Al final de los temas de esta primera unidad se dejará una serie de ejercicios.

Entradas relacionadas

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.

◼

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.

◼

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.

◼

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.

◼

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.

◼

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.

◼

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.

◼

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.

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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»

Modificar el problema

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HeuristicasOtra técnica de resolucion de problemas es proponer un problema que ayude, pero que no necesariamente sea equivalente. Esto puede ser a través de problemas más particulares o de problemas más difíciles.

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