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NOÇÕES E PROPOSIÇÕES PRIMITIVAS PONTO, RETA E PLANO a) Definição: são noções primitivas e são adotadas sem definição. b) Notação: Ponto - letras maiúsculas latinas: A, B, C, ... Reta - letras minúsculas latinas: a, b, c, ... Plano - letras minúsculas gregas: , , , ... A c) Postulados RETA PLANO P1 Numa reta, bem como fora dela, existem infinitos pontos Num plano, bem como fora dele existem infinitos pontos P2 Por um ponto passam infinitas retas Toda reta que tem dois pontos distintos num plano fica inteiramente contida no plano P3 Dois pontos distintos determinam uma única reta que os contém. Por três pontos não situados na mesma reta (não colineares) passa um e somente um plano P4 Uma reta de um plano divide-o em dois semiplanos P5 Um plano divide o espaço em duas regiões chamadas semi- espaços SEGMENTO DE RETA a) Definição: Dados dois pontos distintos, a reunião do conjunto desses dois pontos com o conjunto dos pontos que estão entre eles é um segmento de reta. b) Notação: Os pontos A e B são as extremidades e os pontos que estão entre A e B são os pontos internos do segmento dado. Se os pontos A e B coincidem (A = B), dizemos que o segmento é nulo. SEMI-RETA a) Definição: Dados dois pontos distintos A e B, em uma reta r. A semi-reta de origem A é o conjunto-reunião do segmento e de todos os pontos C, para os quais B está entre A e C. b) Notação: O ponto A é a origem da semi-reta . Se A estiver entre B e C, a semi-reta e a semi-reta são opostas. ÂNGULOS a) Definição: Chama-se ângulo a reunião de duas semi-retas de mesma origem, não contida numa mesma reta (não colineares). b) Notação: AÔB O ponto O é o vértice do ângulo. As semi-retas e são os lados do ângulo. ÂNGULOS CONSECUTIVOS Definição: Dois ângulos são consecutivos se, e somente se, um lado de um deles é também lado do outros. AÔB e AÔC são consecutivos ( é lado comum) BÔA e BÔC são consecutivos ( é lado comum) CÔB e CÔA são consecutivos ( é lado comum) ÂNGULOS ADJACENTES Definição: Dois ângulos consecutivos são adjacentes se, e somente se, não têm pontos internos comum. AÔB e BÔC são ângulos adjacentes ÂNGULOS OPOSTOS PELO VÉRTICE Definição: Dois ângulos são opostos pelo vértice se, e somente se, os lados de um deles são as respectivas semi-retas opostas aos lados do outro. · e são semi-retas opostas · e são semi-retas opostas · Logo, AÔB e CÔD são ângulos opostos pelo vértice O. ÂNGULOS SUPLEMENTARES Dado o ângulo AÔB e a reta , dizemos que os ângulos AÔB e BÔC são suplementares (soma das medidas é 180º). ÂNGULOS: RETO, AGUDO E OBTUSO Ângulo reto: Chamamos de ângulo reto, aquele que é formado por duas retas perpendiculares, ou seja, mede 90º. Ângulo agudo: é um ângulo menor que um ângulo reto. Ângulo obtuso: é um ângulo maior que um ângulo reto. AÔB é reto AÔB é agudo AÔB é obtuso DETERMINAÇÃO DO PLANO Um plano fica determinado de quatro maneiras distintas Três pontos não colineares determinam um plano (veja postulado P3 do plano) Uma reta e um ponto fora dela, determinam um único plano Desta maneira, temos os pontos A, B e C, definindo o plano a; A, B e D, definindo o plano b; A, B e E definindo o plano c, e assim por diante. Com infinitos pontos fora da reta s, temos infinitos planos passando pela reta s Duas retas concorrentes determinam um plano. Duas retas paralelas determinam um plano. POSIÇÕES RELATIVAS ENTRE DUAS RETAS NO ESPAÇO RETAS PARALELAS - Coincidentes (r e s) - Distintas (r e t ou s e t) · r Ì a · s Ì a · r Ç s = r · r Ç s = s · t Ì a · t Ç r = Æ · t Ç s = Æ RETAS CONCORRENTES As retas r e s têm apenas um ponto em comum · r Ì a · s Ì a · r Ç s = {P} Falamos até aqui de retas coplanares, ou seja, retas contidas no mesmo plano. Vamos analisar o bloco retangular abaixo: · As retas r e s são coplanares, pois pertencem a um mesmo plano; · As retas r e s se encontram no ponto G e por isso são concorrentes; · As retas r e s se encontram no ponto G e formam um ângulo de 90º, por isso são perpendicularres; · As retas r e t não possuem um plano que a contenha; · As retas s e t são coplanares; · As retas s e t não têm ponto em comum, por isso são paralelas. Observações: · Retas coplanares - são duas retas contidas num mesmo plano · Retas reversas - são duas retas não contidas num mesmo plano e que não tem ponto comum. · Para duas retas serem perpendiculares, necessariamente têm que pertencerem ao mesmo plano e formarem ângulo de 90º (ângulo reto). POSIÇÕES RELATIVAS ENTRE RETA E PLANO NO ESPAÇO Há três posições possíveis entre uma reta e um plano: Reta contida no plano - quando a reta e o plano têm dois pontos distintos em comum. · A Î a · B Î a · r Ì a Reta concorrente ou secante ao plano - Quando a reta e o plano têm apenas um ponto em comum. · r Ç a = {P} · Reta paralela ao plano - Quando a reta e o plano não têm ponto em comum. · r Ç a = Æ POSIÇÕES RELATIVAS ENTRE PLANOS NO ESPAÇO Dois planos a e b podem ocupar no espaço as seguintes posições: Secantes ou concorrentes - quando dois planos têm uma única reta em comum. a Ç b = r a Ç b = r Paralelos - Dois planos são paralelos quando não têm ponto em comum · a Ç b = Æ Coincidentes - Dois planos são coincidentes quando possuem mais que uma reta em comum. · a Ç b = a = b · a=b PARALELISMO RETAS PARALELAS a) Definição: Duas retas são paralelas, se e somente se, são coincidentes (iguais) ou são coplanares (contidas no mesmo plano) e não se cruzam. Retas paralelas Coincidentes (r e s) Distintas (r e t ou s e t) · r Ì a · s Ì a · r Ç s · t Ì a · t Ç r = Æ · t Ç s = Æ = r · r Ç s = s Æ b) Notação: r // s // t ou r // s e r // t. Se os ângulos a e b são congruentes (mesma medida), então as retas s e t são paralelas. PARALELISMO ENTRE RETAS E PLANOS a) Definição: Uma reta é paralela a um plano, ou vice-versa, se e somente se, eles não têm ponto comum. Reta paralela ao plano Quando a reta e o plano não têm ponto em comum. · r Ç a = Æ · r // a Uma condição necessária e suficiente para que r, que não está contida em a , a , seja paralela a a a é r ser paralela a uma reta t qualquer contida em a .a . PARALELISMO ENTRE PLANOS a) Definição: Dois planos são paralelos, se e somente se, eles não têm ponto comum ou são coincidentes (iguais). Paralelos - Dois planos são paralelos quando não têm ponto em comum · a // b · a Ç b = Æ Coincidentes - Dois planos são coincidentes quando possuem mais que uma reta em comum. · a // b · a Ç b = a = b · a=b PERPENDICULARIDADE RETAS PERPENDICULARES a) Definição: Duas retas são perpendiculares, se e somente se, são concorrentes (têm ponto comum) e formam ângulos adjacentes suplementares congruentes. b) Notação: r ^ s. Retas perpendiculares · r ^ s <=> r Ç s = {P} e a = b Obs. Dois segmentos são perpendiculares, se e somente se, estão contidos em retas perpendiculares e têm um ponto comum. RETA E PLANO PERPENDICULARES a) Definição: Uma reta e um plano são perpendiculares, se e somente se, eles têm um ponto comum e a reta e perpendicular a todas as retas que passam por este ponto comum. b) Notação: r ^ a. Retas e pano perpendiculares · r ^ a <=> r paralela a todas as retas que passam por P e contidas em a. Condição suficiente - Se uma reta e perpendicular a duas retas concorrentes de um plano, então ela é perpendicular ao plano. PLANOS PERPENDICULARES a) Definição: Um plano a é perpendicular a um plano b , , se e somente se, a contém uma reta perpendicular ao plano b. b) Notação: aa ^^ bb . Pano perpendiculares · aa ^^ bb <=> se houver uma reta em a perpen dicular a b. O TEOREMA DE TALES 1. INTRODUÇÃO Um dos teoremas centrais no estudo da geometria plana é o chamado "teorema de Tales", cujo enunciado clássico é: "Se um feixe de paralelas é interceptado por duas retas transversais então os segmentos determinados pelas paralelas sobre as transversais são proporcionais". Este resultado junto com a teoria da semelhança de figuras constitui o cerne da geometria. A semelhança, por sua vez, pode ser utilizada na demonstração do teorema de Pitágoras. A relação trigonométrica fundamental e a fórmula da geometria analítica da distância entre dois pontos surgem da aplicação do Teorema de Pitágoras. Portanto, pela sua importância no estudo da geometria e conseqüentemente no estudo da trigonometria e da geometria analítica, o teorema de Tales merece um tratamento muito especial. 2. UM POUCO DE HISTÓRIA Tales de Mileto foi um filósofo grego que viveu por volta de 630 A.C.. Sabe-se muito pouco a respeito de sua vida e de sua obra. Conjectura-se ter sido ele o criador da geometria demonstrativa. Por isto, ele é saudado como o primeiro matemático a dar uma contribuição à organização da geometria. Tudo o que afirmaremos daqui para a frente é sobre tradições persistentes e não sobre documentos históricos. Um discípulo de Aristóteles chamado Eudemo (320 A.C.) escreveu uma história de matemática. Um resumo desta história foi incorporado pelo filósofo Proclus (410 D.C.) no seu livro "Comentário sobre o volume 1 de Euclides". É a partir deste texto que temos a primeira referência de Tales como iniciador do método dedutivo na Matemática. Proclus nos diz: "Tales primeiro foi ao Egito e de lá introduziu esse estudo na Grécia. Descobriu muitas proposições ele próprio, e instruiu seus sucessores nos princípios que regem muitas outras, seu método de ataque sendo em certos casos mais geral, em outros mais empírico". Proclus atribui a Tales as seguintes propriedades: - Um ângulo inscrito numa semi-circunferência é reto. - Os ângulos opostos pelo vértice são iguais. - Os ângulos da base de um triângulo isósceles são iguais. - Um círculo é dividido igualmente pelo seu diâmetro. - Se dois triângulos são tais que dois ângulos e um lado de um são iguais respectivamente a dois ângulos e um lado do outro, então os triângulos são congruentes. Mas temos outras fontes que citam o nome de Tales. - O historiador Heródoto (484 - 425 A.C.) disse que Tales previu o eclipse solar de 585 A.C. - Diógenes Laércio nos informa que: "Hierônimos (discípulo de Aristóteles) disse que Tales mediu a altura da pirâmide do Egito pela observação de sua sombra com a sombra da pirâmide. Quando a sua sombra tivesse o mesmo comprimento de sua altura, a sombra da pirâmide teria o mesmo comprimento que a altura da pirâmide". - Plutarco disse que "Tales mediu a altura da pirâmide fincando verticalmente uma vara no chão e comparando as razões entre os dois triângulos formados". Percebe-se que este relato é mais geral que o outro. - Aristóteles cita que Tales fez uma fortuna alugando com antecedência as prensas de azeite num ano em que a colheita de azeitonas prometia ser abundante. - Eudemo cita que Tales mediu a distância de uma torre a um navio. 3. O SURGIMENTO DO NOME "TEOREMA DE TALES" Observamos pelos relatos de Diógenes, Plutarco e Eudemo que a questão da proporcionalidade estava sempre associada ao nome de Tales. Além disso, ela era de grande importância na arquitetura e agrimensura. Por isso, conjectura-se que a primeira sistematização da geometria deve Ter sido em torno da questão da proporcionalidade de segmentos determinados por um feixe de retas paralelas e outras retas transversais. Esta questão durante muitos séculos foi denominada de teorema dos segmentos proporcionais. Foi somente no final do século 19, na França, que alguns autores denominaram este resultado de teorema de Tales, denominação que persiste até hoje. A primeira publicação de que se tem notícia e que substitui o nome de "teorema dos segmentos proporcionais" pelo "teorema de Tales" é o livro francês "Elements de Géomètrie" de Rouche e Comberousse (reedição de 1883). Em alguns países como por exemplo a Alemanha, o nome teorema de Tales é dado a um outro enunciado. Neste país o teorema de Tales tem o seguinte enunciado: "Todo triângulo inscrito numa semi-circunferência é retângulo". O teorema que nós chamamos de "teorema de Tales" é chamado na Alemanha de teorema dos feixes de retas concorrentes. 4. O TEOREMA DE TALES NA EUROPA · ITÁLIA II teorema de Talete "I segmenti staccati da um fascio di rette parallele su due trasversali sono direttamente proporzionali". (Os segmentos determinados por um feixe de retas paralelas sobre duas transversais são diretamente proporcionais). Obs.: O enunciado destaca que a razão é entre dois segmentos de uma mesma transversal. Clique aqui para ver exemplo · ESPANHA Teorema de Tales "Si cortamos dos rectas cualesquiera, por varias rectas paralelas, los segmentos correspondientes determinados em ambias, son proporcionales". (Se cortamos duas retas quaisquer por várias retas paralelas, os segmentos correspondentes determinados em ambas são proporcionais). Obs.: O enunciado destaca que a razão é entre dois segmentos correspondentes de duas retas transversais. Clique aqui para ver exemplo · ALEMANHA Teorema dos Segmentos Proporcionais "Se um feixe de retas concorrentes é cortado por duas retas paralelas então a razão entre as medidas dos segmentos determinados por uma reta do feixe é igual à razão entre as medidas dos segmentos correspondentes determinados sobre qualquer outra reta do feixe". Obs.: O enunciado destaca, como na Itália, que a razão é entre dois segmentos de uma mesma transversal. Contudo, enquanto na Itália são duas retas transversais e um feixe de retas paralelas, na Alemanha são duas retas paralelas e um feixe de retas concorrentes. Clique aqui para ver exemplo · FRANÇA Três pontos de vista na apresentação do Teorema de Tales 5. COMO TRABALHAR TALES ADOTANDO O PRIMEIRO PONTO DE VISTA? · Fase Experimental Sugerimos iniciar com um trabalho experimental usando régua, compasso e esquadro. Cada aluno deverá construir um triângulo qualquer ABC no caderno. Escolher um ponto D qualquer em AB e traçar por este ponto uma paralela DE a BC com E pertencendo a AC. Medir os segmentos , , e numa mesma unidade de comprimento e calcular os quocientes: e Cada aluno verificará a proporcionalidade entre as medidas. A comparação dos resultados obtidos permitirá fazer conjecturas fortalecendo nos alunos a hipótese de que os segmentos são proporcionais. Este trabalho experimental poderá também ser desenvolvido pelo software Cabri-Géomètre (vide Dissertação de Mestrado de Maria Célia L. da Silva da PUC/SP). Alertar os alunos que em toda verificação experimentalobtemos geralmente respostas aproximadas. Isto ocorre por vários motivos: ao desenhar uma figura, representamos pontos por pequenas bolinhas enquanto o ponto geométrico não tem dimensão, representamos segmentos por linhas grossas enquanto que a reta geométrica não tem espessura; as medições são imprecisas; os instrumentos nem sempre são de boa qualidade; etc.. Comentar a seguir que a verificação experimental não autoriza concluir que o resultado obtido é verdadeiro. Ela apenas sugere a validade do resultado. Daí a necessidade da demonstração. O fato altamente positivo da verificação experimental é que são realizadas 35 a 40 experiências na sala de aula (uma de cada aluno) com triângulos distintos e escolhas distintas do ponto D. A conclusão obtida a partir das experiências com a relação acima serve para qualquer triângulo e propicia uma melhor compreensão da demonstração pois que o enunciado do teorema já foi trabalhado e a tese completamente incorporada. ·Fase Dedutiva Um problema que surge a nível de 8a. série é a justificativa do Teorema de Tales. Qual a alternativa para o professor que deseja oferecer a seus alunos uma demonstração? Uma opção seria fazer a demonstração dos pitagóricos que supõe todos os segmentos comensuráveis (dois segmentos eram ditos comensuráveis pelos gregos se existia um segmento que cabia um número inteiro de vezes no primeiro e um número inteiro de vezes no outro). Mas é uma demonstração incompleta. Em geral, os textos didáticos apresentam esta demonstração não analisando o caso dos segmentos incomensuráveis. A primeira demonstração rigorosa do Teorema de Tales aparece no livro sexto dos Elementos de Euclides (300 A.C.) e é baseada na teoria das proporções de Eudoxo. Ela utiliza o método das áreas. O livro da Geometria de Moise Downs (vol. 1, cap. 12, p. 307) apresenta também uma demonstração pelo método das áreas. É a demonstração de Euclides com uma roupagem nova. A demonstração pelo método das áreas não é uma demonstração que segue um caminho natural mas é uma demonstração completa e convincente. Vale lembrar que esta demonstração necessita apenas do conhecimento de que a área de um retângulo é igual ao produto das medidas dos dois lados tomados na mesma unidade. No entanto, deve-se ressaltar que a demonstração deste último resultado é tão difícil quanto a análise do caso dos segmentos incomensuráveis. Por este motivo postula-se a fórmula da área do retângulo. Teorema Fundamental da Proporcionalidade Seja ABC um triângulo e D um ponto pertencente ao lado AB. Se pelo ponto D traçarmos uma reta r paralela ao lado BC com então . A demonstração pelo método das áreas a) Calcule as áreas dos triângulos ADE e DEB. b) Determine a razão entre as duas áreas. c) Calcule as áreas dos triângulos ADE e EDC. d) Determine a razão entre as duas áreas. e) Observe que as áreas dos triângulos EDC e DEB são iguais. f) A partir dos resultados obtidos em (b), (d) e (e) conclua a tese. Recíproco do Teorema Fundamental da Proporcionalidade Seja ABC um triângulo, D um ponto pertencente ao lado AB e E um ponto pertencente ao lado AC. Se então DE é paralelo a BC. Teorema de Tales (Caso Particular) Se três retas duas a duas paralelas são interceptadas por duas transversais então os segmentos determinados pelas paralelas sobre as transversais são proporcionais. Teorema de Tales (Caso Geral) Se um feixe de retas paralelas intercepta retas transversais, então os segmentos determinados pelas retas paralelas sobre as transversais são proporcionais. Créditos: Este trabalho foi desenvolvido pelo grupo de Geometria do PROEM - PUC/SP 2000
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