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Geometría Moderna I: Paralelogramos

Introducción

En esta entrada presentamos a el primer tipo de cuadriláteros que estudiaremos, los paralelogramos, algunas de sus propiedades serán frecuentemente usadas durante el curso.

Definición 1. Un cuadrilátero es una figura geométrica que consiste en cuatro vértices y cuatro lados. Si los vértices de un cuadrilátero son $A$, $B$, $C$ y $D$ y los lados $\overline{AB}$, $\overline{BC}$, $\overline{CD}$ y $\overline{AD}$ entonces lo denotamos como $\square ABCD$.

Decimos que los lados de un cuadrilátero son adyacentes u opuestos de acuerdo a si tienen o no un vértice en común. Similarmente diremos que los vértices de un cuadrilátero son adyacentes u opuestos si son extremos de un mismo lado o no. Los segmentos que unen vértices opuestos son las diagonales del cuadrilátero.

Un cuadrilátero es convexo si sus diagonales se intersecan en el interior del cuadrilátero.

Figura 1

Proposición 1. La suma de los ángulos internos de todo cuadrilátero convexo es $2\pi$.

Demostración. Sea $\square ABCD$ convexo, consideremos $\overline{BD}$, entonces La suma de los ángulos internos del cuadrilátero será igual a la suma de los ángulos internos de los dos triángulos $\triangle ABD$ y $\triangle CBD$, esto es, $2\pi$.

$\blacksquare$

Algunas propiedades de paralelogramos

Definición 2. Un paralelogramo es un cuadrilátero convexo cuyos pares de lados opuestos son paralelos.

Teorema 1. En todo paralelogramo se cumple lo siguiente:

  • los lados opuestos y los ángulos opuestos son iguales,
  • los ángulos adyacentes son suplementarios,
  • cada diagonal divide al paralelogramo en dos triángulos congruentes,
  • las dos diagonales del paralelogramo lo dividen en dos parejas de triángulos congruentes,
  • las diagonales se intersecan en su punto medio.

Demostración. Sea $\square ABCD$ un paralelogramo, como la diagonal $\overline{BD}$ es transversal a $\overline{AB}$ y $\overline{DC}$ y estos son paralelos entonces $\angle DBA = \angle BDC$, similarmente $\overline{BD}$ es transversal a $\overline{AD}$ y a $\overline{BC}$ por lo que $\angle ADB = \angle CBD$.

Figura 2

$\triangle ABD$ y $\triangle CDB$ tienen en común al lado $\overline{BD}$ y por criterio ALA $\triangle ABD \cong \triangle CDB$ es decir $AB = CD$, $AD = CB$ y $\angle A = \angle C$, además $\angle D = \angle ADB + \angle BDC = \angle CBD + \angle DBA = \angle B$.

Así los lados y ángulos opuesto son iguales.

Veamos que los los ángulos adyacentes son suplementarios,
$\angle A +\angle B = \angle A + \angle CBD + \angle DBA = \angle A + \angle ADB + \angle DBA = \pi$.
Similarmente $\angle A + \angle D = \angle C + \angle B = \angle C + \angle D = \pi$.

Por otro lado, si consideramos la diagonal $\overline{AD}$, al igual que en el caso anterior, tendremos que $\angle BAC = \angle DCA$ y $\angle CAD = \angle ACB$.

Figura 3

Sea $E = \overline{AC} \cap \overline{BD}$, por criterio ALA $\triangle EAB \cong \triangle ECB$ y $\triangle EAD \cong \triangle ECB$ por lo que $AE = CE$ y $BE = DE$.

$\blacksquare$

Rectángulo

Definición 3. Un rectángulo es un cuadrilátero con cuatro ángulos rectos.

Proposición 2. Todo rectángulo es paralelogramo.

Demostración. Como dos lados opuestos son perpendiculares a un tercer lado entonces son paralelos entre sí. Similarmente los otros dos lados opuestos son paralelos entre sí. Por lo tanto, un rectángulo es paralelogramo.

Figura 4

$\blacksquare$

Proposición 3. Un paralelogramo es rectángulo si y solo si sus diagonales tienen la misma longitud.

Demostración. Sea $\square ABCD$ paralelogramo y supongamos que $AC = BD$, por el teorema anterior $AD = BC$, y los triángulos $\triangle ADC $ y $\triangle BCD$ comparten a $\overline{CD}$ como lado en común, por criterio LLL $\triangle ADC \cong \triangle BCD$, en particular $\angle C = \angle D$.

Figura 5

Pero por el teorema 1, $\angle A = \angle C$ y $\angle B = \angle D$, por tanto, $\angle A = \angle C = \angle D = \angle B$.

Por la proposición 1, $4\angle A = \angle A + \angle C + \angle B + \angle D = 2 \pi$
$\Rightarrow \angle A = \angle C = \angle B = \angle D = \dfrac{\pi}{2}$.

Así, $\square ABCD$ es rectángulo.

$\blacksquare$

Ahora supongamos que $\square ABCD$ es rectángulo y probemos que $AC = BD$.

Figura 6

Por hipótesis $\angle D = \angle C$, como $\square ABCD$ es paralelogramo entonces $AD = BC$, además $\overline{CD}$ es un lado en común de $\triangle ADC$ y $\triangle BCD$, por criterio LAL, $\triangle ADC \cong \triangle BCD$, por lo que $AC = BD$.

$\blacksquare$

Rombo

Definición 4. Un rombo es un cuadrilátero con cuatro lados iguales.

Proposición 4. Todo rombo es paralelogramo.

Demostración. Sea $\square ABCD$ un rombo, por criterio LLL $\triangle ABD \cong \triangle CDB$, en particular $\angle ADB = \angle CBD$, como $\overline{BD}$ es transversal a $\overline{AD}$ y a $\overline{BC}$ y los ángulos alternos internos son iguales entonces $\overline{AD} \parallel \overline{BC}$.

Figura 7

De manera similar se ve que $\overline{AB} \parallel \overline{CD}$. Concluimos que $\square ABCD$ es paralelogramo.

$\blacksquare$

Proposición 5. Un paralelogramo es un rombo si y solo si sus diagonales son perpendiculares.

Demostración. Sea $\square ABCD$ paralelogramo y supongamos que $\overline{AC} \perp \overline{BD}$, veamos que es rombo.

Figura 8

Sea $E = \overline{AC} \cap \overline{BD}$, por hipótesis $\angle DEA = \angle AEB$, como $\square ABCD$ es paralelogramo, por el teorema 1, $BE = DE$, además $\overline{AE}$ es un lado en común de $\triangle AED$ y $\triangle AEB$, por criterio LAL $\triangle AED \cong \triangle AEB$, en particular $AD = AB$.

Como $\square ABCD$ es paralelogramo los lados opuestos son iguales, por lo tanto, $CD = AB = AD = BC$

Así, $\square ABCD$ es rombo.

$\blacksquare$

Ahora supongamos que $\square ABCD$ es rombo veamos que $\overline{AC} \perp \overline{BD}$.

Figura 9

Sea $E = \overline{AC} \cap \overline{BD}$, como $\square ABCD$ es paralelogramo, $BE = DE$, por criterio LLL, $\triangle ABE \cong \triangle ADE$, por lo que $\angle AEB = \angle DEA$.

Por ser opuestos por el vértice, $\angle AEB = \angle CED$ y $\angle DEA = \angle BEC$, por lo que $\angle CED = \angle AEB = \angle DEA = \angle BEC$, y como $\angle CED + \angle AEB + \angle DEA + \angle BEC = 2\pi$ entonces $\angle CED = \angle AEB = \angle DEA = \angle BEC =\dfrac{\pi}{2}$.

Por lo tanto, $\overline{AC} \perp \overline{BD}$.

$\blacksquare$

Segmento medio del triángulo

Proposición 6. Si un cuadrilátero convexo tiene un par de lados opuestos paralelos e iguales entre si entonces los restantes lados opuestos son paralelos e iguales entre sí.

Demostración. Sea $\square ABCD$ convexo tal que $AD = BC$ y $\overline{AD} \parallel \overline{BC}$.

Tracemos $\overline{BD}$, como $\overline{AD} \parallel \overline{BC}$ entonces $\angle ADB = \angle CBD$, por criterio LAL, $\triangle ADB \cong \triangle CBD$, en particular $AB = CD$ y $\angle DBA = \angle BDC$.

Figura 10

Como $\overline{BD}$ es transversal a $\overline{AB}$ y a $\overline{CD}$ y $\angle DBA = \angle BDC$ entonces $\overline{AB} \parallel \overline{CD}$.

En consecuencia, $\square ABCD$ es paralelogramo.

$\blacksquare$

Teorema 2. Del segmento medio del triángulo. El segmento que une puntos medios de dos lados de un triángulo es paralelo e igual a la mitad del lado restante.

Demostración. Sean $\triangle ABC$, $M$ y $N$ los puntos medios de $\overline{AB}$ y $\overline{AC}$ respectivamente. Extendemos $\overline{MN}$ hasta un punto $O$ del lado de $N$ tal que $MN = NO$.

Figura 11

Como $N$ es punto medio de $\overline{AC}$ entonces $AN = CN$, por construcción $MN = NO$ y $\angle ANM = \angle CNO$ por ser opuestos por el vértice. Por criterio LAL $\triangle ANM \cong \triangle CNO$ por lo que $CO = AM = BM$ y $\angle NMA = \angle NOC$.

Como $\overline{MO}$ es transversal a $\overline{AB}$ y a $\overline{CO}$ y los ángulos alternos internos $\angle NMA$, $\angle NOC$ son iguales entonces $\overline{AB} \parallel \overline{CO}$.

En el cuadrilátero $\square MBCO$ los lados opuestos $\overline{MB}$ y $\overline{CO}$ son paralelos e iguales, por la proposición 6, $\overline{MO} \parallel \overline{BC}$ y $MO = BC$ pero $MN = \dfrac{MO}{2}$. Por lo tanto $MN = \dfrac{BC}{2}$ y $\overline{MN} \parallel \overline{BC}$.

$\blacksquare$

Problema de Thébault

Definición 5. Un cuadrado es un cuadrilátero con cuatro lados iguales y cuatro ángulos rectos. Decimos que la intersección de las diagonales de un cuadrado es el centro del cuadrado.

Teorema 3. Los centros de cuadrados construidos externamente sobre los lados de un paralelogramo son los vértices de un cuadrado y las diagonales del cuadrado y las del paralelogramo son concurrentes.

Demostración. Sea $\square ABCD$ paralelogramo y sean $\square ABB’’A’$, $\square BCC’’B’$, $\square CDD’’C’$ y $\square ADD’A’’$ cuadrados construidos sobre $\overline{AB}$, $\overline{BC}$, $\overline{CD}$ y $\overline{DA}$ respectivamente y $O_{1}$, $O_{2}$, $O_{3}$, $O_{4}$ sus respectivos centros.

Como un cuadrado es un caso particular de un rectángulo y un rombo, sus diagonales son perpendiculares y tienen la misma longitud, y como es un paralelogramo las diagonales se bisecan.

De esto concluimos que las diagonales de un cuadrado lo dividen en cuatro triángulos rectángulos, isósceles y congruentes entre sí.

Por otro lado, como $\square ABCD$ es paralelogramo entonces $AD = BC$ y $AB = CD$.

$\Rightarrow$
$\begin{equation} \triangle AA’O_{1} \cong \triangle ABO_{1} \cong \triangle CDO_{3} \cong \triangle CC’O_{3} \end{equation}$
$\begin{equation} \triangle AA’’O_{4} \cong \triangle ADO_{4} \cong \triangle BCO_{2} \cong \triangle CC’’O_{2} \end{equation}$

Figura 12

Por ser $\square ABCD$ paralelogramo entonces $\angle A = \angle C$, $\angle B = \angle D$, $\angle A + \angle B = \pi$.

Veamos que $\triangle AO_{1}O_{4}$ y $\triangle CO_{3}O_{2}$ son congruentes.

Por $(1)$ $\overline{AO_{1}} = \overline{CO_{3}}$, por $(2)$ $\overline{AO_{4}} = \overline{CO_{2}}$,
notemos que $\angle A’’AA’ = \pi – \angle A = \angle B = \angle D = \pi – \angle C = \angle C’’CC’$,
$\Rightarrow \angle O_{4}AO_{1} = \angle O_{4}AA’’ + \angle A’’AA’ + \angle A’AO_{1}$
$= \angle O_{2}CC’’ + \angle C’’CC’ + \angle C’CO_{3} = \angle O_{2}CO_{3}$

Por criterio LAL $\triangle AO_{1}O_{4} \cong \triangle CO_{3}O_{2}$ por lo que $\overline{ O_{1}O_{4}} = \overline{O_{2}O_{3}}$.

De manera similar se muestra que $\triangle AO_{1}O_{4} \cong \triangle BO_{1}O_{2} \cong \triangle DO_{3}O_{4}$, y así
$\begin{equation} O_{2}O_{3} = O_{1}O_{4} = O_{1}O_{2} = O_{3}O_{4} \end{equation}$

Como $\triangle AO_{1}O_{4} \cong \triangle BO_{1}O_{2}$ entonces $\angle AO_{1}O_{4} = \angle BO_{1}O_{2}$.

$\Rightarrow \angle O_{2}O_{1}O_{4} = \angle BO_{1}O_{4} – \angle BO_{1}O_{2}$
$= \angle BO_{1}A + \angle AO_{1}O_{4} – \angle BO_{1}O_{2} = \angle BO_{1}A = \dfrac{\pi}{2}$.

De manera similar se ve que
$\begin{equation} \angle O_{1}O_{4}O_{3} = \angle O_{4}O_{3}O_{2} = \angle O_{3}O_{2}O_{1} = \angle AO_{1}O_{4} = \dfrac{\pi}{2} \end{equation}$.

Como $\square O_{1}O_{2}O_{3}O_{4}$ tienen cuatro lados iguales por $(3)$, y cuatro ángulos rectos por $(4)$, entonces es un cuadrado.

Veamos que las cuatro diagonales son concurrentes, consideremos $\overline{O_{2}O_{4}}$ diagonal del cuadrado y $\overline{BD}$ diagonal del paralelogramo. Sea $E = \overline{O_{2}O_{4}} \cap \overline{BD}$.

En $\triangle EBO_{2}$ y $\triangle EDO_{4}$ tenemos que $\angle BEO_{2} = \angle DEO_{4}$ por ser opuestos por el vértice, $\angle O_{2}BE = \angle O_{2}BC + \angle CBD = \angle O_{4}DA + \angle ADB$, por lo tanto $\angle EO_{2}B = \angle EO_{4}D$, además $BO_{2} = DO_{4}$.

Por criterio LAL $\triangle EBO_{2} \cong \triangle EDO_{4}$, por lo que $BE = DE$ y $O_{2}E = O_{4}E$
$\Rightarrow O_{2}O_{4}$ y $BD$ se intersecan en su punto medio.

Como $\square ABCD$ y $\square O_{1}O_{2}O_{3}O_{4}$ son paralelogramos sus diagonales se intersecan en su punto medio y por lo anterior todas concurren en $E$.

$\blacksquare$

Tarea moral

  1. Muestra que si un cuadrilátero convexo tiene alguna de las siguientes características entonces es un paralelogramo.
    $i)$los dos pares de lados opuestos son iguales,
    $ii)$los dos pares de ángulos opuestos son iguales,
    $iii)$los ángulos adyacentes son suplementarios,
    $iv)$las diagonales se bisecan.
  2.  Construye un cuadrado sobre un segmento dado.
  3. Si trazamos rectas paralelas a los lados de un paralelogramo por un punto de una de sus diagonales se forman 4 cuadriláteros, muestra que los dos cuadriláteros por donde no pasa la diagonal tienen la misma área.
Figura 13
  1. Demuestra que si una recta biseca a un lado de un triangulo y es paralela a otro de los lados del triangulo entonces biseca al lado restante.
  2. $i)$ Muestra que el punto medio de la hipotenusa de un triangulo rectángulo equidista a los tres vértices del triangulo.
    $ii)$ Recíprocamente prueba que si en un triangulo un punto en uno de sus lados equidista a los tres vértices entonces el triángulo es rectángulo.
  3. Prueba que si construimos triángulos equiláteros exteriormente sobre los lados de un paralelogramo, entonces los cuatro vértices construidos son los vértices de un paralelogramo, y muestra que las diagonales de los dos paralelogramos son concurrentes.
Figura 14

Más adelante…

En la siguiente entrada veremos un resultado muy importante de las matemáticas, el teorema de Pitágoras y algunas aplicaciones.

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Geometría Moderna I: Teorema de Varignon

Introducción

Con esta entrada damos inicio a la segunda unidad que tratará sobre cuadriláteros y algunos resultados básicos de trigonometría. A lo largo de la primera unidad definimos y vimos, ya sea en la teoría o como tarea moral, algunas proposiciones sobre cuadriláteros.

Empezamos presentando un resumen de definiciones y resultados sobre cuadriláteros convexos para dar paso al Teorema de Varignon y finalizar con la ley del paralelogramo.

Cuadriláteros

Definición 1. Un cuadrilátero es un polígono de cuatro lados. Decimos que los lados de un cuadrilátero son adyacentes u opuestos de acuerdo a si tienen o no un vértice en común. Similarmente diremos que los vértices de un cuadrilátero son adyacentes u opuestos si son extremos de un mismo lado o no. Los segmentos que unen vértices opuestos son las diagonales del cuadrillero.

En esta unidad consideraremos como cuadrilátero $\square ABCD$ únicamente a la figura acotada por los segmentos $\overline{AB}$, $\overline{BC}$, $\overline{CD}$ y $\overline{DA}$.

A partir de la ubicación de las diagonales de un cuadrilátero podemos establecer una clasificación de estos. Un cuadrilátero es convexo si sus dos diagonales se encuentran dentro de él, es cóncavo si tiene una diagonal dentro y otra fuera de él y es cruzado si las dos diagonales se ubican fuera del cuadrilátero.

Definición 2. Un cuadrilátero es:

  • Paralelogramo si sus lados opuestos son paralelos.
  • Rectángulo si tienen cuatro ángulos rectos.
  • Cuadrado si tiene cuatro lados iguales y cuatro ángulos rectos.
  • Rombo si tiene cuatro lados iguales.
  • Romboide si dos pares de lados adyacentes son iguales.
  • Trapecio si un par de lados opuestos son paralelos, a los lados paralelos les llamamos bases del trapecio.
  • Trapecio isósceles si un par de lados son paralelos y el otro par tienen la misma longitud.

Proposiciones:

  1. Un cuadrilátero es paralelogramo $\Leftrightarrow$ sus diagonales se intersecan en su punto medio.
  2. Un cuadrilátero es paralelogramo $\Leftrightarrow$ tiene un par de lados paralelos e iguales.
  3. Un cuadrilátero es paralelogramo $\Leftrightarrow$ los lados opuestos son iguales.
  4. Un cuadrilátero es paralelogramo $\Leftrightarrow$ los ángulos interiores adyacentes son suplementarios.
  5. Un cuadrilátero es paralelogramo $\Leftrightarrow$ cada diagonal divide al cuadrilátero en dos triángulos congruentes.
  6. Un paralelogramo es un rectángulo $\Leftrightarrow$ sus diagonales tienen la misma longitud.
  7. Un paralelogramo es un rombo $\Leftrightarrow$ sus diagonales son perpendiculares.
  8. La recta media del trapecio es el segmento que une los puntos medios de los lados que no son paralelos. La recta media del trapecio es paralela a las bases del trapecio y su longitud es igual a la semisuma de las bases.
  9. En un trapecio si una recta es paralela a las bases de un trapecio y pasa por el punto medio de uno de los lados entonces pasa por el punto medio del lado opuesto.

Teorema de Varignon

Como el teorema de Varignon nos habla sobre el área de un cuadrilátero en general y ya que no es tan intuitivo definir el área de un cuadrilátero cruzado es necesario introducir el concepto de área orientada. Consideraremos el área de un polígono como positiva si recorremos sus vértices en el sentido opuesto a las manecillas del reloj y como negativa en caso contrario.

De esta manera tenemos que para un triángulo $\triangle ABC$, $(\triangle ABC) = (\triangle BCA) = (\triangle CAB) = – (\triangle CBA) = – (\triangle ACB) = – (\triangle BAC)$.

Definición 3. Definimos el área de un cuadrilátero $\square ABCD$ como la suma de las áreas de los triángulos que se forman al considerar una de sus diagonales, esto es, $(\square ABCD) = (\triangle ABC) + (\triangle CDA)$.

Notemos que como resultado de esta definición el área del cuadrilátero cruzado resulta ser la diferencia de las áreas de los triángulos que se forman al considerar la «intersección cruzada» de los lados.

Teorema 1. De Varignon. Los puntos medios de los lados de un cuadrilátero son los vértices de un paralelogramo cuya área es la mitad del área del cuadrilátero y su perímetro es la suma de las diagonales del cuadrilátero.

Demostración. Para la prueba nos referiremos a un cuadrilátero convexo, queda como ejercicio verificar que el teorema se cumple para los casos cóncavo y cruzado.

Sean $\square ABCD$ un cuadrilátero convexo y $E$, $F$, $G$ y $H$ los puntos medios de $\overline{AB}$, $\overline{BC}$, $\overline{CD}$ y $\overline{DA}$ respetivamente como en la imagen.

Notemos que $\overline{EF}$ es un segmento medio de $\triangle ABC$ por lo que $\overline{EF}$ es paralelo a $\overline{CA}$ y $EF = \dfrac{CA}{2}$, similarmente $\overline{GH}$ es un segmento medio de $\triangle CDA$ y así $\overline{GH} \parallel \overline{CA}$ y $GH = \dfrac{CA}{2}$.

De manera análoga y considerando los triángulos $\triangle ABD$ y $\triangle BCD$ podemos ver $\overline{HE} \parallel \overline{DB} \parallel \overline{FG}$ y $HE = \dfrac{BD}{2} = FG$.

Por lo tanto los lados opuestos de $\square EFGH$ son paralelos y $EF + FG + GH + HE = \dfrac{CA + BD + CA +BD}{2} = CA + BD$.

Para calcular el área de  $\square EFGH$ primero notemos que $\triangle HAE$ y $\triangle DAB$ son semejantes pues $\overline{HE} \parallel \overline{DB}$, además sabemos que $HE = \dfrac{DB}{2}$ por lo que las alturas $h$ y $h’$ de $\triangle HAE$  y $\triangle DAB$ respectivamente trazadas desde $A$ también cumplirán que $h = \dfrac{h’}{2}$.

Por lo tanto $(\triangle HAE) = \dfrac{HE \times h}{2} = \dfrac{\frac{1}{2}DB \times \frac{1}{2}h’}{2} = \dfrac{1}{4} \dfrac{DB \times h’}{2} = \dfrac{1}{4} (\triangle DAB)$
de manera similar podemos encontrar el área de $\triangle EBF$, $\triangle FCG$ y $\triangle GDH$.

  Por lo tanto $(\square EFGH) = (\square ABCD) – (\triangle HAE) – (\triangle EBF) – (\triangle FCG) – (\triangle GDH)$ $= (\square ABCD) – \dfrac{1}{4} ((\triangle DAB) + (\triangle ABC) + (\triangle BCD) + (\triangle CDA))$ $= (\square ABCD) – \dfrac{2}{4}(\square ABCD) = \dfrac{(\square ABDC)}{2}$.

$\blacksquare$

Aplicaciones del Teorema

Teorema 2. En un cuadrilátero las rectas que unen los puntos medios de los dos pares de lados opuestos y la recta que une los puntos medios de las diagonales son concurrentes y se bisecan entre sí.

Demostración. Sea $\square ABCD$ un cuadrilátero convexo y $E$, $F$, $G$, $H$, $U$ y $V$ los puntos medios de $\overline{AB}$, $\overline{BC}$, $\overline{CD}$, $\overline{DA}$, $\overline{AC}$ y $\overline{BD}$ respectivamente. Entonces $\overline{EG}$ y $\overline{FH}$ son las diagonales del paralelogramo de Varignon y por la proposición 1 se intersecan en $J$ su punto medio.

Ahora veamos que $\square HUFV$ es un paralelogramo, $\overline{HV}$ es un segmento medio de $\triangle ABD$ por lo que $\overline{HV} \parallel \overline{AB}$ y $\overline{UF}$ es un segmento medio de $\triangle ABC$ por lo tanto $\overline{UF} \parallel \overline{AB}$  y así $\overline{HV} \parallel \overline{UF}$.

Análogamente considerando los triángulos $\triangle ACD$ y $\triangle BCD$ se ve que $\overline{HU} \parallel \overline{FV}$, por lo tanto $\square HUFV$ es un paralelogramo y así las diagonales $\overline{FH}$ y $\overline{UV}$ se intersecan en $J$ su punto medio.

Por lo tanto, $\overline{EG}$, $\overline{FH}$ y $\overline{UV}$ concurren en $J$.

$\blacksquare$

Definición 4. El punto $J$ mencionado en el teorema 2 será referido como el centroide de $\square ABCD$.

Problema. Construye un cuadrilátero $\square ABCD$ conociendo $AB$, $BC$, $CD$, $DA$ y $FH$ donde $F$ y $H$ son los puntos medios de $\overline{BC}$ y $\overline{DA}$ respectivamente.

Solución. Con la información disponible podemos construir el paralelogramo $\square HUFV$, donde $U$ y $V$ son los puntos medios de las diagonales $\overline{AC}$ y $\overline{BD}$ respectivamente, como el del Teorema 2.

De la demostración del teorema 2 sabemos que $HU = FV = \dfrac{AB}{2}$ y $VH = UF = \dfrac{AD}{2}$, además por la proposición 5 sabemos que la diagonal de un paralelogramo lo divide en dos triángulos congruentes, por lo que basta construir un triángulo de lados $HF$, $\dfrac{AB}{2}$  y $\dfrac{AD}{2}$ y luego trazar paralelas por $H$ y $F$ a los lados del triángulo construido completando así el paralelogramo.

Con $U$ y $V$ construidos ahora construimos de manera similar el paralelogramo $\square EUGV$ donde $E$ y $G$ serían los puntos medios de $\overline{AB}$ y $\overline{CD}$ respectivamente.

Sabemos también que $HV \parallel AB$ por lo que trazamos la paralela $\overline{AB}$ a $\overline{HV}$ por $E$ tal que $AE = EB = \dfrac{AB}{2}$.

Con $A$ y $B$ construidos, por $H$ trazamos $\overline{AD}$ tal que $AH = HD = \dfrac{AD}{2}$, de manera similar construimos $C$ y finalmente trazamos $CD$.

$\blacksquare$

Teorema 3. Las cuatro rectas que se obtienen de unir cada vértice de un cuadrilátero con el centroide del triángulo formado por los tres vértices restantes son concurrentes.

Demostración. Sean $\square ABCD$ un cuadrilátero y $E$, $F$, $G$, y $H$ los puntos medio de $\overline{AB}$, $\overline{BC}$, $\overline{CD}$ y $\overline{DA}$ respectivamente y sean $A’$, $B’$, $C’$ y $D’$ los centroides de $\triangle BCD$, $\triangle ACD$, $\triangle ABD$ y $\triangle ABC$ respectivamente.

Entonces sabemos que el centroide triseca a las medianas por lo tanto $\dfrac{HB’}{HC} = \dfrac{1}{3} = \dfrac{HC’}{HB}$ así que por el reciproco del Teorema de Thales tenemos que $\overline{B’C’} \parallel \overline{BC}$. Análogamente se puede ver que $\overline{C’D’} \parallel \overline{CD}$, $\overline{D’A’} \parallel \overline{DA}$ y $\overline{A’B’} \parallel \overline{AB}$.

Así los lados correspondientes de los cuadrilateros $\square A’B’C’D’$ y $\square ABCD$ son paralelos, es decir los dos cuadriláteros son homotéticos y por lo tanto $\overline{AA’}$, $\overline{BB’}$, $\overline{CC’}$ y $\overline{DD’}$ son concurrentes.

$\blacksquare$

Ley del paralelogramo

Lema. La suma de los cuadrados de los lados de un cuadrilátero es igual a la suma de los cuadrados de las diagonales más cuatro veces el cuadrado del segmento que une los puntos medios de las diagonales.

Demostración. Sean $U$ y $V$ los puntos medios de $\overline{AC}$ y $\overline{BD}$ respectivamente.

En la entrada lugar geométrico encontramos una fórmula para las medianas en función de los lados del triángulo, aplicando esto a los triángulos $\triangle DAC$, $\triangle BAC$ y $\triangle UDB$ tenemos que:

$2DU^2 = DA^2 + CD^2 – \dfrac{AC^2}{2}$
$2BU^2 = AB^2 + BC^2 – \dfrac{AC^2}{2}$
$2UV^2 = DU^2 + BU^2 – \dfrac{BD^2}{2}$

Multiplicamos la última igualdad por dos y sustituimos las primeras dos en el resultado.

$4UV^2 = AB^2 + BC^2 + CD^2 + DA^2 – AC^2 – BD^2$ $\Leftrightarrow$ $4UV^2 + AC^2 + BD^2= AB^2 + BC^2 + CD^2 + DA^2$.

$\blacksquare$

Corolario. Ley del paralelogramo. La suma de los cuadrados de los lados de un paralelogramo es igual a la suma de los cuadrados de sus diagonales.

Demostración. Por la proposición 1 sabemos que las diagonales de un paralelogramo se intersecan en su punto medio por lo que $UV = 0$ en el lema anterior.

$\blacksquare$

Tarea moral

  1. Hasta ahora no se habían mencionado las proposiciones 5, 6 y 7, demuéstralas.
  2. Muestra que un cuadrilátero es dividido por una de sus diagonales en dos triángulos de igual área si y solo si la diagonal biseca a la otra diagonal.
  3.  Verifica que el Teorema de Varignon se cumple para los cuadriláteros cóncavo y cruzado.
  4. ¿Bajo que condiciones el paralelogramo de Varignon es un rectángulo, un rombo, un cuadrado?
  5. Sean $\square ABCD$ un cuadrilátero $U$ y $V$ los puntos medios de $\overline{AC}$ y $\overline{BD}$ respectivamente y $T$ la intersección de $\overline{AB}$ con $\overline{CD}$. Prueba que $(\triangle TUV) = \dfrac{(\square ABCD)}{4}$.
    Sugerencia. Considera $H$ y $F$ los puntos medios de $\overline{AD}$ y $\overline{BC}$ y los cuadriláteros $\square ACBD$, $\square CUFT$ y $\square BVFT$ para calcular el área de los triángulos $\triangle UVF$, $\triangle UFT$ y $\triangle VFT$.
  1. En el Teorema 3 demuestra que el centroide de $\square ABDC$ es el centro de homotecia de $\square ABCD$ y $\square A’B’C’D’$ y encuentra la razón de homotecia.
  2. Construye un cuadrilátero dados dos ángulos opuestos, la longitud de las diagonales y el ángulo entre las diagonales.
  3. Muestra que la suma de los cuadrados de las diagonales de un cuadrilátero es igual a dos veces la suma de los cuadrados de los dos segmentos que unen los puntos medios de lados opuestos del cuadrilátero.

Más adelante…

En la siguiente entrada estudiaremos algunas condiciones bajo las cuales un cuadrilátero es cíclico es decir sus cuatro vértices están en una misma circunferencia.

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Introducción

En la entrada anterior llegamos a una equivalencia entre un punto en el plano euclidiano y parejas de números $(x,y)$, donde $x, y \in \mathbb{R}$. Podemos imaginarnos entonces el conjunto de todas las parejas ordenadas de números reales como $\mathbb{R} \times \mathbb{R} = \mathbb{R}^2$, donde $\times$ hace referencia al producto cartesiano (en general para conjuntos $A$ y $B$, $A \times B := \{ (a,b) : a \in A, b \in B \}$).

Con esto en mente, es posible imaginaros a los postulados de Euclides ya no como afirmaciones incuestionables, sino como consecuencias de una geometría construida a partir de las parejas de números reales. Ahora nuestra base será la teoría de conjuntos, los números reales y las parejas ordenadas. Usaremos los axiomas y propiedades que tienen para construir nuestros objetos.

Para entender mejor cómo se trabajará en el espacio formado por todas las parejas $(x,y)$ de reales, comencemos esta entrada hablando de los números reales.

Los números reales

Como advertencia, esta sección tiene muchos símbolos. Es normal. Muy muy a grandes rasgos, lo que queremos recordar aquí es que los reales se pueden sumar, restar, multiplicar y dividir (excepto divisiones entre cero). Y que todas estas operaciones tienen propiedades bonitas.

A partir de este punto, pensaremos en los reales como algo que sabemos con seguridad puede ser construido, y tomaremos como ciertos todos los axiomas que éstos cumplen. Los axiomas se pueden resumir en la siguiente frase, que desglosaremos una vez enunciada:

«$\mathbb{R}$ es un campo ordenado y completo»

Que $\mathbb{R}$ sea un campo hace referencia a que como conjunto, tiene las operaciones de suma ($+$) y producto ($\dot$) definidas tales que:

  • $\mathbb{R}$ con la suma, es un grupo conmutativo
    • La suma es asociativa, es decir: $ \forall a,b,c \in \mathbb{R}$, se tiene que $(a+b)+c=a+(b+c)$ ($\forall$ se lee para todo).
    • Existe $ 0 \in \mathbb{R}$ tal que $\forall a \in \mathbb{R}$, $a+0=a=0+a$
    • Existe $ b \in \mathbb{R}$ tal que $a+b=0=b+a$. ($b=-a$)
    • Es conmutativa, es decir, $\forall a,b \in \mathbb{R}$, se tiene que $a+b=b+a$.
  • $\mathbb{R} \setminus \{0\}$ (los reales sin el elemento cero) con el producto, es un grupo conmutativo; de manera análoga a la suma tenemos:
    • El producto es asociativo: $\forall a,b,c \in \mathbb{R}$, se tiene que $(ab)c=a(bc)$ (nota que estamos omitiendo el símbolo de multiplicación).
    • Existe $ 1 \in \mathbb{R}$ tal que $\forall a \in \mathbb{R}$, $a\cdot1=a=1\cdot a$
    • Existe $ b \in \mathbb{R}$ tal que $ab=1=ba$. ($b=\frac{1}{a}$)
    • Es conmutativo, es decir, $\forall a,b \in \mathbb{R}$, se tiene que $ab=ba$.
  • La suma y el producto se distribuyen: $\forall a,b,c \in \mathbb{R}$, se tiene que $a(b+c)=ab+ac$

Que sea ordenado nos indica que tenemos una relación que es un orden total y es compatible con la suma y el producto. $\forall a,b \in \mathbb{R}$:

  • Se cumple exactamente una de las siguientes relaciones: $a<b$, $b<a$, $a=b$.
  • Si $a \leq b$ y $b \leq c$, entonces $a \leq c$.
  • Si $a \leq b$, entonces $a+c \leq b+c$
  • Si $a,b \geq 0$ , entonces $ab \geq 0$

Por último, que sea completo es una noción formal en la cual no nos enfocaremos mucho, pero que a grandes rasgos quiere decir que en los números reales «no hay hoyos», lo cual es muy importante para cuando se quiere usar este sistema numérico para hacer cálculo diferencial e integral.

Por lo que vimos en la entrada anterior, podemos representar cualquier punto en el espacio euclidiano con una pareja de números reales. Ya que hemos dado un pequeño repaso formal de la estructura de $\mathbb{R}$ (todo esto lo cumple cada entrada de un punto $(a,b)$), demos el siguiente paso y exploremos el espacio vectorial $\mathbb{R}^2$.

Espacio vectorial $\mathbb{R}^2$

Comencemos definiendo formalmente un concepto que exploramos en la entrada anterior: el vector.

Definición. Un vector $v$ con dos entradas, es una pareja ordenada de números reales $v=(x,y)$.

Ejemplos. Algunos vectores en $\mathbb{R}^2$ son:

  • $(1,4)$
  • $(-3,2)$
  • $(\pi,1)$
  • $(2.3,-e)$

Utiliza el siguiente interactivo de GeoGebra: mueve el punto $C$ y explora cómo el vector cambia con esta acción.

Definición. El conjunto de todos los vectores con dos elementos (ambos reales) es $\mathbb{R}^2$. En símbolos tenemos que:

$\mathbb{R}^2=\{(x,y): x,y \in \mathbb{R} \}$

Si realizaste la tarea moral anterior, te habrás dado cuenta que podemos encontrar ciertas regiones geométricas al imponer condiciones sobre las entradas de un vector. En la tarea se hace referencia a áreas muy determinadas conocidas como cuadrantes, pero no son las únicas regiones existentes. Hagamos un ejercicio de esto.

Problema. Ubica dentro del plano de dos dimensiones las siguientes regiones geométricas definidas al imponer ciertas restricciones en las entradas de un vector:

  1. $\{ (x,y) \in \mathbb{R}^2 : x \leq 0, y \geq 1 \}$
  2. $\{ (x,y) \in \mathbb{R}^2 : x \geq \pi , y \leq \pi \}$
  3. $\{ (x,y) \in \mathbb{R}^2 : x \geq y \}$

Solución. Para encontrar estas áreas basta con ubicar la región en la que se vale cada condición por separado. La intersección de las regiones será la región que buscamos. Esto se vale para los dos primeros incisos.

Utiliza el siguiente interactivo de GeoGebra en el que ya están las condiciones para visualizar la primera región geométrica para localizar la región del segundo inciso.

¿Qué pasa con el inciso 3? Puede parecer más complicado porque ahora las coordenadas están conectadas en una sola restricción. Antes de introducir la condición en GeoGebra, imagina cuál es la región en la que la condición se cumple.

Ahora, utilicemos el siguiente interactivo para usar lo que ya sabemos y determinar intuitivamente cuál es el área que determina la condición $x \geq y$. Pensemos en el caso específico $x = 1$, $y$ puede ser a lo más $1$ ($y \leq 1$); al restringir nuestra $x$ podemos obtener dos condiciones a partir de las cuales ya sabemos cómo encontrar la región en las que se cumplen. Si ves el interactivo, notarás que la intersección de las regiones es únicamente la recta definida por $x=1$ pero no toda, sino que sólo a partir de cuando $y=1$ hacia abajo. ¿qué pasa si mueves los deslizadores para cambiar los valores de $x$ y $y$ ? Se obtienen segmentos de recta correspondientes a un valor de $x$ fijo que comienzan cuando $y$ es menor o igual a ese valor.

Resulta que estos segmentos de recta se obtienen para cualquier valor de $x$. ¿qué pasa ahora cuando unes todas estas líneas? En este punto es importante recordar que en $\mathbb{R}$ hay un real entre cada dos reales. Entonces, se puede construir el segmento de recta del que hemos hablado. Por lo que la únión de todas estas rectas define un área, ¿ya imaginas cuál es? Verifícalo al escribir la condición $y \leq x$ en el interactivo anterior.

$\square$

La suma en $\mathbb{R}^2$

Regresando a la teoría, el siguiente paso lógico después de definir ciertos objetos (en este caso vectores), es averiguar cómo operan. Definamos entonces la suma y el producto escalar de vectores haciendo uso del conocimiento que ya tenemos acerca de las operaciones en los reales.

Definición. Sean $v_1, v_2 \in \mathbb{R}^2$ dados por $v_1=(x_1,y_1)$ y $v_1=(y_1,y_2)$. Su suma está dada por el vector

$v_1+v_2 := (x_1+x_2,y_1+y_2)$

Esto es, que la suma de vectoes se hace entrada a entrada y esta bien definida pues al final lo que estamos sumando son números reales.

Ejemplos.

  • $(-3,4) + (2,2)=(-3+2,4+2)=(-1,6)$
  • $(7,4) + (2,1)=(7+2,4+1)=(9,5)$
  • $(-3.-7) + (1,2)=(-3+1,-7+2)=(-2,-5)$

En el siguiente interactivo podrás ver el primer ejemplo de manera gráfica en el plano, donde los vectores de colores son los que se suman y el vector negro es el resultante.

Además de poder obtener el vector suma de manera algebraica hay otra manera más de hacerlo: En el mismo interactivo hay una copia de cada vector de color, escoge uno de los dos vectores de la suma y transpórtalo por completo y paralelo a sí mismo para que su punto de inicio no sea el origen, si no el punto donde termina el otro vector. Por ejemplo, deja el vector azul en su lugar y transporta al verde para que su punto de partida sea la flecha del vector azul. Si lo hiciste correctamente, notarás que ahora ese vector transportado termina en donde el vector resultante de la suma (negro) termina. Resulta que si quieres sumar dos vectores, puedes avanzar desde el origen hasta las coordenadas de uno de ellos y ahora »tomando» como origen ese punto al que llegaste, avanzar las coordenadas del otro vector. Al final llegarás al punto del vector resultante de la suma. Este método es conocido como el método del paralelogramo.

El producto escalar en $\mathbb{R}^2$

Otra operación importante en $\mathbb{R}^2$ es el producto escalar, que intuitivamente combina a un real y a un vector y «reescala» al vector por el factor dado por el número real.

Definición. Para $r$ un número real y $v_1 \in \mathbb{R}^2$ dado por $v_1=(x,y)$, el producto escalar $rv$ está dado por:

$rv:=(rx,ry)$

Ejemplos.

  • $4(7,3.5)=(28,14)$
  • $2(5,3)=(10,6)$
  • $2.3(6,3)=(13.8,6.9)$

Utiliza el siguiente interactivo moviendo el deslizador del valor $a$ que multiplica al vector $(5,3)$ para interiorizar lo que implica multiplicar un vector por un escalar. Si lo notas, lo único que hace es reescalarlo, y si el escalar es negativo, entonces le cambia el sentido, pero no la dirección.

Una última cosa que es muy importante mencionar es que hasta ahora no hemos dicho cómo multiplicar dos (o más vectores). Sólo tenemos un producto que toma un escalar (un real) y lo multiplica con un vector, cuyo resultado acaba siendo un vector.

Tarea moral

  • Sean $v=(8,9)$, $w=(3,-2)$, $u=(-5-4)$. Calcula y dibuja las siguientes operaciones de vectores:
    • $5v+3u$
    • $u-3w$
    • $2.5v+9w-u$
  • Demuestra en $\mathbb{R}$ que si $-1$ es el inverso aditivo de $1$, entonces $-a$ es el inverso aditivo de $a$.
  • Por los axiomas, sabemos que la conmutatividad se vale para la suma de reales, es decir, que si $a$ y $b$ son reales, entonces $a+b=b+a$. Pero en esta entrada definimos una nueva suma: la de vectores. De entrada, no sabemos qué propiedades cumple. A partir de las definiciones que dimos, y de los axiomas de los reales, demuestra que también se tiene $u+v=v+u$ para $u$ y $v$ vectores en $\mathbb{R}^2$.
  • Determina, si es posible, las regiones siguientes geométricas. Si dicha región es vacía, argumenta por qué.
    • $\{ (x,y) \in \mathbb{R}^2 : x \leq y, y \geq x \}$
    • $\{ (x,y) \in \mathbb{R}^2 : x \leq y, y > x \}$
    • $\{ (x,y) \in \mathbb{R}^2 : x \leq 3, y > \pi \}$
  • En el interactivo de producto escalar siempre sucede que la línea que pasa por el extremo del vector verde y el extremo del vector rojo siempre pasa por el origen. ¿Por qué sucede esto?

Más adelante…

En esta entrada dimos un breve repaso acerca de los números reales que nos sirvió para entender el espacio $\mathbb{R}^2$ y las operaciones dentro de este. El desarrollo aquí hecho servirá como herramienta para construir la representación algebraica de una recta.

Seminario de Resolución de Problemas: Vectores en geometría

Introducción

Anteriormente, comenzamos esta serie de entradas de geometría platicando de algunas técnicas euclideanas o sintéticas que se pueden usar para resolver problemas en el plano. Después, tomamos herramientas de la geometría analítica, las cuales nos permiten poner problemas en términos de coordenadas y ecuaciones. Lo que haremos ahora es ver varios ejemplos del uso de vectores en geometría.

A diferencia de la geometría analítica, cuando hablamos de soluciones por vectores estamos hablando de aquellas que aprovechan la estructura de espacio vectorial en $\mathbb{R}^2$. En otras palabras, usamos argumentos en los cuales pensamos a los puntos del plano como vectores, los cuales tienen una dirección y una magnitud. Los vectores tienen operaciones de suma y de producto por un escalar. Además, tienen producto punto, norma y transformaciones dadas por matrices. Apenas tocaremos la superficie del tipo de teoría que se puede usar. Un buen curso de álgebra lineal te puede dar más herramientas para resolver problemas geométricos.

Interpretar puntos como vectores

Pongamos un origen $O$ en el plano. A cada punto $P$ le corresponden ciertas coordenadas dadas por parejas de reales $(x,y)$, que identificaremos con $P$. Al origen le corresponden las coordenadas $(0,0)$. Si tenemos otro punto $Q=(w,z)$, entonces su suma es el vector $P+Q=(x+w,y+z)$. Si tomamos un real $r$, el vector $rP$ es el vector de coordenadas $(rx,ry)$.

Suma de vectores
Suma de vectores

La suma $P+Q$ se puede encontrar mediante la ley del paralelogramo: los puntos $O,P,P+Q,Q$ hacen un paralelogramo en ese orden cíclico. La resta $Q-P$ está definida por $Q+(-1)P$, y la llamamos el vector $PQ$. Geométricamente coincide con el vector que va «de $P$ a $Q$». Observa que el orden es importante y que $OP=P$.

Resta de vectores
Resta de vectores

Proposición (de la razón). Si tenemos dos puntos $P$ y $Q$ distintos y $m,n$ son reales, entonces podemos encontrar al único punto $R$ en la recta por $P$ y $Q$ tal que $$\frac{PR}{RQ}=\frac{m}{n}$$ así: $$R=\frac{n}{m+n}P + \frac{m}{m+n} Q.$$

Punto en una recta con cierta razón
Punto en una recta con cierta razón

Veamos dos problemas en los que se usan estas ideas de vectores en geometría, en particular, la proposición de la razón.

Problema. En el triángulo $ABC$ se toman puntos $D,E,F$ sobre los segmentos $BC,CA,AB$ tales que $\frac{BD}{DC}=\frac{CE}{EA}=\frac{AF}{FB}=\frac{1}{4}$. Muestra que $ABC$ y $DEF$ tienen el mismo gravicentro.

Sugerencia pre-solución. Encuentra una fórmula en términos vectoriales para el gravicentro de un triángulo $ABC$.

Solución. Tomemos un triángulo $PQR$ y pensemos a sus vértices como vectores. Afirmamos que su gravicentro $X$ es el punto correspondiente a $\frac{P+Q+R}{3}$ Demostraremos esto.

El gravicentro está a un tercio del punto medio hacia el vértice correspondiente
Razón del gravicentro en la mediana

Primero haremos un argumento de geometría sintética. El gravicentro es por definición el punto de intersección de las medianas de un triángulo. Si $L$ es el punto medio de $QR$ y $M$ es el punto medio de $RP$, entonces $X$ es el punto de intersección de $PL$ y $QM$. Tenemos que $$\frac{RL}{LQ}=1=\frac{RM}{MP},$$ así que por el teorema de Tales se tiene que la recta por $L$ y $M$ es paralela al lado $PQ$, y $\frac{LM}{PQ}=\frac{1}{2}$. Esto muestra que los triángulos $XLM$ y $XPQ$ son semejantes en razón $1$ a $2$. Por lo tanto, $\frac{LX}{XP}=\frac{1}{2}$.

Ahora hagamos el argumento vectorial, pensando a los puntos como vectores. El punto $L$ está a la mitad de $QR$, así que por la proposición de la razón, $$L=\frac{Q+R}{2}.$$ El punto $X$ cumple $\frac{LX}{XP}=\frac{1}{2}$, así que de nuevo por la proposición de la razón.
\begin{align*}
X&=\frac{2L+P}{2+1}\\
&=\frac{Q+R+P}{3}\\
&=\frac{P+Q+R}{3}.
\end{align*}

Esto es el resultado auxiliar que queríamos mostrar. Regresemos al problema.

De acuerdo al resultado auxiliar, el gravicentro de $ABC$ es $$G:=\frac{A+B+C}{3}.$$ Usando una vez más la proposición de la razón, los puntos $D$, $E$ y $F$ los podemos calcular como sigue:
\begin{align*}
D&=\frac{4B+C}{4+1}=\frac{4B+C}{5}\\
E&=\frac{4C+A}{4+1}=\frac{4C+A}{5}\\
F&=\frac{4A+B}{4+1}=\frac{4A+B}{5}.
\end{align*}

De esta forma, el gravicentro $G’$ de $DEF$ lo podemos encontrar como sigue:
\begin{align*}
G’&=\frac{D+E+F}{3}\\
&=\frac{\frac{4B+C}{5}+\frac{4C+A}{5}+\frac{4A+B}{5}}{3}\\
&=\frac{A+B+C}{3}\\
&=G.
\end{align*}

Esto termina la solución del problema.

$\square$

Problema. En el paralelogramo $ABCD$ el punto $F$ es el punto medio de $CD$. Muestra que el segmento $AF$ corta a la diagonal $BD$ en un punto $E$ tal que $\frac{DE}{DB}=\frac{1}{3}$.

Sugerencia pre-solución. Hay varias formas de hacer las cuentas en este problema, pero el uso de una notación adecuada te hará simplificar muchas operaciones.

Solución. Pensemos a los puntos de la figura como vectores. Coloquemos al punto $A$ en el origen. El punto $C$ está dado por $B+D$, de modo que $$F:=\frac{C+D}{2}=\frac{B+2D}{2}.$$

Vectores en geometría: problema de paralelogramo
Figura auxiliar para problema de paralelogramo

Para encontrar al punto $E$, notemos que está en las rectas $AF$ y $BD$. De esta forma, deben existir reales $r$ y $s$ tales que $$E=rF$$ y $$E=sB+(1-s)D.$$ Expresando $F$ en términos de $B$ y $D$ en la primer ecuación, tenemos que $$E=\frac{rB+2rD}{2}=\frac{rB}{2}+rD.$$ De ambas expresiones para $E$, concluimos que
\begin{align*}
s=\frac{r}{2}\\
1-s=r.
\end{align*}

Este sistema de ecuaciones tiene solución $r=\frac{2}{3}$, $s=\frac{1}{3}$, y por lo tanto $E=\frac{B+2D}{3}$. De aquí se obtiene $\frac{DE}{EB}=\frac{1}{2}$, o bien $\frac{DE}{DB}=\frac{DE}{DE+EB}=\frac{1}{3}$, como queríamos mostrar.

$\square$

Producto punto, norma y ángulos

Para dos vectores $P=(x,y)$ y $Q=(w,z)$ definimos su producto punto como la cantidad $P\cdot Q = xw+yz$. El productos puntos es:

  • Conmutativo: $P\cdot Q = Q\cdot P$
  • Abre sumas: $P\cdot (Q+R)=P\cdot Q + P\cdot R$
  • Saca escalares: $(rP)\cdot Q = r(P\cdot Q)$.

La norma de $P$ se define como $\norm{P}=\sqrt{P\cdot P}$, y coincide con la distancia de $P$ al origen. La norma de $PQ$ es entonces $\norm{PQ}=\sqrt{(Q-P)\cdot (Q-P)}$ y coincide con la distancia de $P$ a $Q$.

El ángulo entre dos vectores $PQ$ y $RS$ se define como el ángulo cuyo coseno es $$\frac{PQ \cdot RS}{\norm{PQ}\norm{RS}},$$ y coincide precisamente con el ángulo (orientado) geométrico entre las rectas $PQ$ y $RS$. De esta forma, las rectas $PQ$ y $RS$ son perpendiculares si y sólo si el producto punto $PQ\cdot RS$ es cero.

Problema. Sea $ABC$ un triángulo con sus vértices pensados como vectores. Sean $H$ y $O$ su ortocentro y circuncentro respectivamente. Supongamos que el circuncentro $O$ está en el origen. Muestra que $H=A+B+C$.

Sugerencia pre-solución. Trabaja hacia atrás. Define al punto $A+B+C$ y ve que las rectas que unen a los vértices con este punto en efecto son alturas. Para calcular los ángulos, usa el producto punto y sus propiedades.

Solución. Como el circuncentro equidista de $A$. $B$ y $C$, tenemos que $$\norm{A}=\norm{B}=\norm{C}.$$ Tomemos el punto $H’=A+B+C$.

Vectores en geometría para encontrar el ortocentro
Ortocentro con vectores

Calculemos el ángulo entre las rectas $BC$ y $AH’$, haciendo su producto punto:
\begin{align}
BC\cdot AH’ &= (C-B)\cdot (H’-A)\\
&=(C-B)\cdot(C+B)\\
&=C\cdot C + C\cdot B – B\cdot C – B\cdot B\\
&=\norm{C}^2 – \norm{B}^2\\
&=0.
\end{align*}

Observa que estamos usando la linealidad y conmutatividad del producto punto. Al final usamos que $A$ y $C$ tienen la misma norma.

Esto muestra que la recta $AH’$ es la altura al lado $BC$. De manera análoga, $BH’$ y $CH’$ son las alturas a los lados $CA$ y $AB$ respectivamente. Por lo tanto, $H’$ es el ortocentro, así que $H=A+B+C$.

$\square$

Cualquier triángulo $ABC$ en el plano se puede trasladar para que su circuncentro $O$ quede en el origen. El ortocentro estará en $H=A+B+C$ y el gravicentro, como vimos antes, en $G=\frac{A+B+C}{3}$, que es un múltiplo escalar de $H$. Por lo tanto, $O$, $H$ y $G$ están alineados. Acabamos de demostrar con vectores en geometría un clásico resultado euclideano.

Teorema (recta de Euler). En cualquier triángulo $ABC$, el circuncentro $O$, el gravicentro $G$ y el ortocentro $H$ están alineados. Además, $$\frac{OG}{GH}=\frac{1}{2}.$$

Teorema de la recta de Euler
Teorema de la recta de Euler

Si el circuncentro no está en el origen, ahora podemos usar el teorema de la recta de Euler y la proposición de la razón para concluir que $G=\frac{2O+H}{3}$. Usando que $G=\frac{A+B+C}{3}$, obtenemos el siguiente corolario

Corolario. Sea $ABC$ un triángulo en el plano, $H$ su ortocentro y $O$ su circuncentro. Entonces al pensar a los puntos como vectores tenemos que $$A+B+C=2O+H.$$

Más problemas

Puedes encontrar más problemas del uso de vectores en geometría en la sección 8.3 del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.

Álgebra Lineal I: Formas cuadráticas, propiedades, polarización y Gauss

Introducción

En la entrada anterior hablamos acerca de formas bilineales y comenzamos a hablar de formas cuadráticas. Discutimos cómo a partir de estas nociones a la larga podremos hablar de geometría y cálculo en espacios vectoriales. El objetivo de esta entrada es entender mejor a las formas cuadráticas y su relación con formas bilineales.

Lo primero que haremos es demostrar la identidad de polarización, que a grandes rasgos dice que hay una biyección entre las formas bilineales simétricas y las formas cuadráticas. Veremos algunos ejemplos concretos de esta biyección. A partir de ella demostraremos algunas propiedades de formas cuadráticas. Finalmente, hablaremos brevemente de un bello resultado de Gauss que caracteriza las formas cuadráticas en $\mathbb{R}^n$ en términos de formas lineales, de las cuales discutimos mucho cuando hablamos de espacio dual.

Como pequeño recordatorio de la entrada anterior, una forma bilineal de un espacio vectorial $V$ es una transformación $b:V\times V \to \mathbb{R}$ tal que cada que fijamos una coordenada, es lineal en la otra. Esta forma es simétrica si $b(x,y)=b(y,x)$ para cada par de vectores $x,y$ en $V$. Una forma cuadrática de $V$ es una transformación $q:V\to \mathbb{R}$ tal que $q(x)=b(x,x)$ para alguna forma bilineal $b$.

Formas cuadráticas y polarización

En la entrada anterior enunciamos el siguiente teorema, que mostraremos ahora.

Teorema (identidad de polarización). Sea $q:V\to \mathbb{R}$ una forma cuadrática. Existe una única forma bilineal simétrica $b:V\times V \to \mathbb{R}$ tal que $q(x)=b(x,x)$ para todo vector $x$. Esta forma bilineal está determinada mediante la identidad de polarización $$b(x,y)=\frac{q(x+y)-q(x)-q(y)}{2}.$$

Demostración. Tomemos una forma cuadrática $q$ de $V$. Por definición, está inducida por una forma bilineal $B$ de $V$, es decir, $q(x)=B(x,x)$. Definamos la transformación $b$ mediante $$b(x,y)=\frac{q(x+y)-q(x)-q(y)}{2}.$$ Comencemos probando que $b$ es una transformación bilineal simétrica. Notemos que:
\begin{align*}
b(x,y)&=\frac{q(x+y)-q(x)-q(y)}{2}\\
&=\frac{B(x+y,x+y)-B(x,x)-B(y,y)}{2}\\
&=\frac{B(x,x)+B(x,y)+B(y,x)+B(y,y)-B(x,x)-B(y,y)}{2}\\
&=\frac{B(x,y)+B(y,x)}{2}.
\end{align*}

De aquí es muy claro que $b$ es forma bilineal, pues fijando $x$, set tiene que $b(x,y)$ es combinación lineal de dos formas lineales en $y$; y fijando $y$, se tiene que $b(x,y)$ es combinación lineal de dos formas lineales en $x$. Además, de esta igualdad (o directo de la definición de $b$) es claro que $b(x,y)=b(y,x)$.

También de esta igualdad obtenemos que $$b(x,x)=B(x,x)=q(x).$$

Para mostrar la unicidad, notemos que cualquier forma bilineal simétrica $b’$ tal que $b'(x,x)=q(x)$ debe satisfacer, como en las cuentas que hicimos arriba, que
\begin{align*}
q(x+y)&=b'(x+y,x+y)\\
&=q(x)+q(y)+b'(x,y)+b'(y,x)\\
&=q(x)+q(y)+2b'(x,y).
\end{align*}

De aquí, despejando $b’$, se obtiene que debe tener la forma de $b$.

$\square$

El teorema anterior justifica la siguiente definición.

Definición. Dada una forma cuadrática $q$ de $V$, a la única forma bilineal simétrica $b$ de $V$ tal que $q(x)=b(x,x)$ le llamamos la forma polar de $q$.

Ejemplo. En el espacio vectorial $\mathbb{R}^n$, la transformación $q:\mathbb{R}^n\to \mathbb{R}$ dada por $$q(x_1,\ldots,x_n)=x_1^2+\ldots+x_n^2.$$ es una forma cuadrática. Su forma polar es la forma bilineal producto punto que manda a $x=(x_1,\ldots,x_n)$ y $y=(y_1,\ldots,y_n)$ a $$b(x,y)=x_1y_1+\ldots+x_ny_n.$$

Esto coincide con la construcción dada por la identidad de polarización, ya que \begin{align*}q(x+y)-q(x)-q(y)&=\sum_{i=1}^n (x_i+y_i)^2-x_i^2-y_i^2 \\&= \sum_{i=1}^n x_iy_i\end{align*}

$\square$

Ejemplo. En el espacio vectorial $\mathbb{R}[x]$ de polinomios con coeficientes reales, la transformación $Q$ dada por $$Q(p)=p(0)p(1)+p(2)^2$$ es una forma cuadrática. Para encontrar a su forma bilineal polar, usamos la identidad de polarización
\begin{align*}
B(p,q)&=\frac{Q(p+q)-Q(p)-Q(q)}{2}\\
&=\frac{(p+q)(0)(p+q)(1)+(p+q)(2)^2-p(0)p(1)-p(2)^2-q(0)q(1)-q(2)^2}{2}\\
&=\frac{p(0)q(1)+q(0)p(1)+2p(2)q(2)}{2}\\
&=\frac{p(0)q(1)}{2}+\frac{p(1)q(0)}{2}+p(2)q(2).
\end{align*}

$\square$

Propiedades de formas cuadráticas

Si $q$ es una forma cuadrática, $x$ es un vector y $c$ es un real, tenemos que $q(cx)=c^2q(x)$, pues sale una $c$ por cada una de las coordenadas de la forma bilineal asociada. En particular, $q(-x)=q(x)$.

La identidad de polarización nos permite probar otras propiedades de formas bilineales y formas cuadráticas.

Proposición. Sea $q$ una forma cuadrática en $V$ con forma polar $b$. Entonces:

  • Para todo par de vectores $x$ y $y$ en $V$, se tiene que $$b(x,y)=\frac{q(x+y)-q(x-y)}{4}.$$
  • (Ley del paralelogramo) Para todo par de vectores $x$ y $y$ en $V$, se tiene que $$q(x+y)+q(x-y)=2(q(x)+q(y)).$$
  • (Teorema de Pitágoras) Para vectores $x$ y $y$ tales que $b(x,y)=0$, se tiene que $$q(x+y)=q(x)+q(y).$$
  • (Diferencia de cuadrados) Para todo par de vectores $x$ y $y$ en $V$, se tiene que $b(x+y,x-y)=q(x)-q(y).$

Demostración. Por la identidad de polarización tenemos que $$b(x,y)=\frac{q(x+y)-q(x)-q(y)}{2},$$ y como $q(y)=q(-y)$, tenemos también por la identidad de polarización que \begin{align*}-b(x,y)&=b(x,-y)\\&=\frac{q(x-y)-q(x)-q(y)}{2}.\end{align*}

Restando la segunda ecuación de la primera, obtenemos la primer propiedad. Sumando ambas obtenemos la ley del paralelogramo.

El teorema de Pitágoras es una consecuencia directa de la identidad de polarización.

La identidad de diferencia de cuadrados es una consecuencia de la primer propiedad aplicada a los vectores $x+y$ y $x-y$, y de usar que $q(2x)=4q(x)$ y que $q(2y)=4q(y)$.

$\square$

Forma de las formas cuadráticas

Otra consecuencia de la identidad de polarización es que establece una biyección entre las formas cuadráticas y las formas simétricas bilineales. Esta asociación nos permite decir cómo se ven exactamente las formas cuadráticas en espacios vectoriales de dimensión finita.

Toda forma cuadrática viene de una forma bilineal simétrica. En la entrada anterior, mencionamos que para definir una forma bilineal simétrica en un espacio vectorial $V$ de dimensión $n$, basta tomar una base $\{e_1,\ldots,e_n\}$ de $V$ y decidir los valores $b_{ij}$ de $b(e_i,e_j)$ para $1\leq i \leq j \leq n$. Como $b$ es simétrica, para $j<i$ se tendría que $b(e_i,e_j)=b(e_j,e_i)$, es decir, que $b_{ji}=b_{ij}$.

De esta forma, para todo vector $v$ en $V$ podemos encontrar el valor de $q(v)$ expresando $v$ en la base $\{e_1,\ldots,e_n\}$, digamos, $$v=a_1e_1+\ldots+a_ne_n,$$ de donde $$q(v)=\sum_{i=1}^n b_{ii} a_i^2 + 2 \sum_{1\leq i < j \leq n} b_{ij} a_i a_j.$$

Ejemplo. Toda forma cuadrática en $\mathbb{R}^3$ se obtiene de elegir reales $a,b,c,d,e,f$ y definir $$q(x,y,z)=ax^2+by^2+cz^2+2dxy+2eyz+2fzx.$$ La forma polar de $q$ es la forma bilineal $B$ tal que para la base canónica $e_1,e_2,e_3$ de $\matbb{R}^3$ hace lo siguiente

\begin{align*}
B(e_1,e_1)&=a\\
B(e_2,e_2)&=b\\
B(e_3,e_3)&=c\\
B(e_1,e_2)&=B(e_2,e_1)=d\\
B(e_2,e_3)&=B(e_3,e_2)=e\\
B(e_3,e_1)&=B(e_1,e_3)=f.
\end{align*}

$\square$

Teorema de Gauss de formas cuadráticas (opcional)

Para esta sección, fijemos al espacio vectorial como $\mathbb{R}^n$. Hay una forma muy natural de construir formas cuadráticas a partir de formas lineales. Tomemos números reales $\alpha_1,\ldots, \alpha_r$ y formas lineales $l_1,\ldots,l_r$. Consideremos $$q(x)=\alpha_1l_1(x)^2+\ldots+\alpha_r l_r(x)^2.$$ Se tiene que $q$ es una forma cuadrática. La demostración de ello es sencillo y se queda como tarea moral.

Lo que descubrió Gauss es que todas las formas cuadráticas se pueden expresar de esta forma, y de hecho, es posible hacerlo usando únicamente formas lineales que sean linealmente independientes y coeficientes $1$ y $-1$.

Teorema (clasificación de Gauss de formas cuadráticas). Sea $q$ una forma cuadrática en $\mathbb{R}^n$. Entonces, existen enteros no negativos $r$ y $s$, y formas lineares $l_1,\ldots,l_r,m_1,\ldots,m_s$ en $(\mathbb{R}^n)^\ast$, todas ellas linealmente independientes, tales que $$q=l_1^2+\ldots+l_r^2-m_1^2-\ldots-m_s^2.$$

Hay un pequeño refinamiento de este teorema, demostrado por Sylvester.

Teorema (teorema de la inercia de Sylverster). Los números $r$ y $s$ en el teorema de clasificación de Gauss de formas cuadráticas son únicos.

Ejemplo. Tomemos la forma cuadrática en $\mathbb{R}^3$ dada por $q(x,y,z)=xy+yz+zx$. Por el teorema de Gauss, esta forma se debe de poder poner como combinación lineal de cuadrados de formas lineales independientes. En efecto, tenemos que: $$xy+yz+zx=\left(\frac{2x+y+z}{2}\right)^2-\left(\frac{y-z}{2}\right)^2-x^2,$$ en donde
\begin{align*}
(x,y,z)&\mapsto \frac{2x+y+z}{2},\\
(x,y,z) &\mapsto \frac{y-z}{2}\quad \text{ y }\\
(x,y,z)&\mapsto x
\end{align*}
son formas lineales linealmente independientes.

$\square$

Tarea moral

  • Verifica que las formas cuadráticas de los ejemplos del teorema de polarización en efecto son formas cuadráticas.
  • Muestra que $q(x,y)=3x^2-y^2+7y$ no es una forma cuadrática.
  • Muestra que si $\alpha_1,\ldots, \alpha_r$ son reales y tomamos formas lineales $l_1,\ldots,l_r$ en $\mathbb{R}^n$, entonces $$q(x)=a_1l_1(x)^2+\ldots+\alpha_r l_r(x)^2$$ es una forma cuadrática.
  • ¿Quién es la forma polar de la forma cuadrática $Q(f)=\int_{0}^1 f^2(x)\, dx$ en el espacio vectorial de funciones continuas en el intervalo $[0,1]$?

Una demostración algorítmica del teorema de Gauss se puede encontrar en la Sección 10.1 del libro de Álgebra Lineal de Titu Andreescu.

Más adelante…

En esta entrada estudiamos a fondo la identidad de polarización; esto nos permitió concluir que existe una biyección entre las funciones bilineales simétricas y las fromas cuadráticas. También, pusimos mucho énfasis en ejemplos concretos de esta biyección.

Con esto estamos listos para empezar a pensar en cómo haríamos geometría o cálculo en espacios vectorias. Abordaremos estos temas al final de esta unidad. En la siguiente entrada hablaremos del producto interior.

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