Potencia de un Punto

Transcripción

1 otencia de un unto Si es un punto cualquiera en el plano de una circunferencia dada, y una línea por interseca a la circunferencia en y, el producto de los segmentos y es constante. Esta propiedad característica de una circunferencia nos lleva a la formulación de la efinición: La otencia de un unto con respecto a una circunferencia, es el producto de sus distancias a cualquier par de puntos en la circunferencia que sean colineales con él. omo vemos, tenemos dos posibles casos para, éste puede ser interior o exterior a la circunferencia: = =

2 En ambos casos, si O y R son el centro y el radio de la circunferencia, respectivamente, tenemos que ambas potencias son iguales a: Si es exterior: Si es interior: O R = R O. =. continuación veremos de dónde salen estos hechos. rimero demostraremos la relación cuando es un punto exterior a la circunferencia. Notemos que los triángulos y son semejantes, ya que comparten el ángulo en y los ángulos y son iguales por abrir el mismo arco. Entonces: = =. O R T

3 omo caso particular, tenemos cuando una de las rectas que pasan por es tangente a la circunferencia. onsiderando la figura de arriba, tenemos lo siguiente: odríamos considerar un argumento similar a la demostración anterior, sin embargo, podemos suponer que la tangente T funciona como una secante que toca a la circunferencia dos veces en un mismo punto T. plicando potencia de un punto con respecto a, tenemos: T T = = T ero T = O R. or lo tanto: principio. = T = O R, como teníamos al onsideremos ahora el caso en que es interior a la circunferencia. on un argumento similar podemos notar que los triángulos y son semejantes. or lo tanto: = =. M R O N onsideremos un diámetro MN que pase por ; entonces aplicando potencia con respecto a tenemos que = M N= ( R+ O)( R O) = R O. on esto terminamos la demostración. Este teorema es de gran importancia en la resolución de problemas, sobre todo en aquellos donde se involucran circunferencias y cuadriláteros cíclicos. Qué pasa cuando está sobre la circunferencia?

4 Test para uadriláteros íclicos Sea un cuadrilátero, tal que sus diagonales se intersectan en. Entonces es cíclico si y sólo si =. emostración. omo =, entonces: =, y como los ángulos y son el mismo, tenemos que los triángulos y son semejantes. or lo tanto: =, o bien = ; esto implica que el cuadrilátero es cíclico. nálogamente, si el cuadrilátero es cíclico, podemos proceder igual que en las demostraciones anteriores. Sea un cuadrilátero, tal que sus lados opuestos y se cortan en. Entonces es cíclico si y sólo si =. emostración. omo =, tenemos que =, y como los triángulos y comparten el ángulo en, entonces son semejantes. or lo tanto, los ángulos y son iguales. Esto implica que es cíclico. Si,, y son concíclicos, procedemos como al inicio de la sección.

5 Ejes Radicales El Eje Radical de dos circunferencias es el lugar geométrico de los puntos cuyas potencias con respecto a las dos circunferencias son iguales. Este lugar geométrico es una recta perpendicular a la línea de los centros. O O = y ' ' ' ' = ' ' ' ' emostración. onsideremos primero dos circunferencias no concéntricas cuyos centros son O y O, y cuyos radios son r y r, respectivamente. or, un punto que tiene la misma potencia con respecto a estas circunferencias, dibujamos M perpendicular a la línea de los centros OO. O M O

6 Entonces O r = O' r'. Restando M a ambos lados obtenemos: ( O M ) r = ( O' M ) r' OM r = O' M r' y puesto que OM + MO = OO, tenemos que: OM O' M = ( OM+ MO')( OM MO') = OO'( OM O' M) = r r' r r' OM O' M=. OO ' or lo tanto, sólo hay un punto M que satisface dicha relación. O N M O Si N es un punto cualquiera semejante, tenemos que OM - MO = ON - NO ; esto es: (ON + NM) MO = ON (NM + MO ); y entonces MN = 0, es decir, M coincide con N. or lo tanto, si un punto tiene potencias iguales con respecto a las dos circunferencias de centros O y O, está en una perpendicular a la línea de sus centros. Inversamente, se puede demostrar, invirtiendo los primeros pasos de la discusión anterior que, si está en la perpendicular a OO por M, sus potencias con respecto a estas circunferencias son iguales. Si los centros de dos circunferencias de radios desiguales se aproximan, el punto M se aproxima al punto al infinito en OO y la línea M tiende a la línea al infinito. sí que el eje radical de dos circunferencias concéntricas desiguales se define como la línea al infinito. El eje radical de dos circunferencias iguales

7 concéntricas, se dejará indefinido, y cualquier enunciado acerca del eje radical no es aplicable a tales circunferencias. ómo localizar el Eje Radical de dos ircunferencias Si dos circunferencias no se cortan, una forma de encontrar su eje radical es trazar dos circunferencias secantes a ambas y unir los puntos de intersección de las cuerdas comunes. O trazar directamente una perpendicular a la línea de los centros. Si dos circunferencias son secantes, su eje radical es la recta que pasa por sus puntos de intersección.

8 Si dos circunferencias son tangentes, su eje radical es la tangente por el punto común. Teorema Los ejes radicales de tres circunferencias tomadas por pares son concurrentes. emostración. 1 3 onsideremos primero tres circunferencias 1, y 3 cuyos centros no son colineales, y sea la intersección del eje radical de 1 y con el de y 3. Entonces tendrá potencias iguales con respecto a las tres circunferencias, y entonces el eje radical de 1 y 3 también pasará por. Si los centros de las tres circunferencias son colineales, los ejes radicales son paralelos y distintos, o dos de ellos coinciden y la línea común es paralela al tercero, o los tres coinciden. En cada uno de estos casos especiales, las líneas son concurrentes en un punto al infinito.

9 El punto de concurrencia de los tres ejes radicales de tres circunferencias tomadas en pares, es llamado su entro Radical. lgunas propiedades del Eje Radical omo los puntos del eje radical tienen igual potencia respecto a las dos circunferencias, para cualquier punto del eje radical, si desde este punto trazamos las tangentes a las dos circunferencias, las longitudes de los segmentos tangentes serán las mismas. Esto posibilitará la resolución de algunos problemas de tangencias. omo consecuencia de lo anterior, el eje radical de dos circunferencias, será el lugar geométrico de los centros de las circunferencias ortogonales a dichas circunferencias. Nota: os circunferencias son ortogonales si, al cortarse, sus radios trazados a los puntos en común son perpendiculares. T O O T T = T ropiedades del entro Radical omo es la intersección de tres ejes radicales, las longitudes de los seis segmentos tangentes a las tres circunferencias serán iguales.

10 Será centro de una circunferencia ortogonal a las tres. O 1 O O 3 istancia entre el ircuncentro y el Incentro de un Triángulo (Teorema de Euler) La distancia d entre el circuncentro y el incentro de un triángulo está dada por: d R Rr =, donde R y r son el circunradio e inradio del triángulo, respectivamente. emostración. onsideremos un triángulo con circuncentro O e incentro I. Sean R y r el circunradio e inradio, respectivamente. Sean y Q las intersecciones de I y I con el circuncírculo, respectivamente.

11 Q r I O plicando potencia de un punto con respecto a I obtenemos: I I= R OI = R d r r ero seni = I I = seni. demás, notamos que: Q + Q + Q I= = = = I. Es decir, el triángulo I es isósceles, por lo que I =. hora, en el triángulo aplicamos la Ley de Senos: R I RsenI seni = = =. Entonces, podemos concluir: r R d = I I= (Rsen I) = Rr. seni or lo que d R Rr =.

12 Ejemplos Ejemplo 1. Si dos circunferencias se intersectan, la cuerda en común biseca las tangentes en común a dichas circunferencias. emostración. Sean y Q los puntos donde se cortan las circunferencias, sean,, y los puntos de tangencia, como muestra la figura; y sean M y N los puntos de intersección de la cuerda Q con y, respectivamente. M Q N Entonces, aplicando potencia de un punto por un lado obtenemos que: M = M MQ= M. or lo tanto M = M. nálogamente obtenemos que N = N. Ejemplo. Sean y dos círculos que se intersectan en dos puntos distintos y Q. Una recta que pasa por intersecta a en y a en (ambos distintos de ). Sean Y el punto medio de, X la intersección de QY con y Z la intersección de QY con. rueba que Y también es el punto medio de XZ. emostración. plicando potencia de un punto en obtenemos XY YQ= Y Y. (1) plicando potencia de un punto en obtenemos Y Y= YZ YQ. ()

13 X Y Z Q Multiplicando (1) y () miembro a miembro obtenemos: XY YQ Y Y= Y Y YZ YQ. Y como Y = Y, tenemos que XY = YZ. Y entonces Y es punto medio de XZ. Ejemplo 3. Sea un punto en una semicircunferencia de diámetro y sea el punto medio del arco. enotemos por E a la proyección del punto sobre y por F a la intersección de E con la semicircunferencia. robar que F biseca al segmento E. emostración. M F E O Sea O el centro de la semicircunferencia y M el punto de intersección de F con E. Es claro que O es perpendicular a. demás, como E es perpendicular a E y el ángulo es recto, ya que es diámetro, entonces se tiene que E y son paralelas. En consecuencia, O es perpendicular a E. Es decir, E es tangente a la semicircunferencia.

14 or lo tanto, podemos aplicar potencia de un punto: M MF M = ( )( ). demás, como el triángulo ME es rectángulo en E y el ángulo F es recto, tenemos que EF es altura, por lo cual: ME MF M = ( )( ). Esto implica que M = ME, por lo cual M es punto medio de E. roblemas 1. Sea un trapecio, con paralela a y tal que el ángulo es recto. os circunferencias de diámetros y se cortan en los puntos y Q. La recta Q corta al lado en M. emuestra que M es punto medio de.. Sea un triángulo tal que = Si Z es un punto sobre tal que Z =, demuestra que el circuncírculo del triángulo Z es tangente al lado en. 3. Supóngase que y son dos cuerdas perpendiculares de un círculo, y sea E su punto de intersección. Supóngase que E =, E = 6 y E = 3. Encontrar el diámetro del círculo. 4. onsidere un triángulo rectángulo con = 3, = 4 y = 5. iseque el ángulo y llame O al punto de intersección de ésta bisectriz con el cateto. espués trace el círculo con centro O y radio O. Si Q es el diámetro que coincide con la bisectriz, muestre que Q 1+ 5 es la razón áurea 5. Si es un triángulo equilátero e inscrito en un círculo,, los puntos medios de los lados y respectivamente y es la intersección del segmento con el círculo (con en el arco menor ), demuestre que ' ' 1+ 5 =. ' 6. onsidere tres círculos que se intersectan dos a dos definiendo los puntos,, F E,, E, F como se muestra en la figura. emuestre que = 1. F E.

15 F E 7. Sea una curva cerrada en el plano tal que para cada cuatro puntos,, y de la curva, si denota la intersección de las rectas y, entonces =. ruebe que es una circunferencia. 8. Sean 1, y 3 tres circunferencias de distintos radios y tangentes exteriormente entre sí. Sean, y los puntos de tangencia de 1 con, con 3 y 3 con 1 respectivamente. enotemos por a la intersección de la recta con la recta que une los centros de 1 y. Sea T un punto de 3 tal que T sea tangente a 3. rueba que T =. 9. En un cuadrilátero inscrito en una circunferencia llamemos al punto de intersección de las diagonales y, y sea M el punto medio de. La circunferencia que pasa por y que es tangente a en M corta a y a en los puntos Q y R, respectivamente. Se toma un punto S sobre el segmento de tal manera que S = Q. or S se traza una paralela a que corta a en un punto T. rueba que T = R. 10. os circunferencias que se cortan en M y N tienen una tangente común que es tangente a una circunferencia en y a la otra en Q. emuestra que los triángulos MN y MNQ tienen la misma área. 11. Sean,,,, vértices consecutivos de un heptágono regular, sean L y M las tangentes desde a la circunferencia de centro y radio. Sea N la intersección de y. emuestra que los puntos L, M y N son colineales. 1. Sea un punto en el interior de una circunferencia, tal que existen tres cuerdas que pasan por de igual longitud. rueba que es el centro del círculo.

16 13. uál es el lugar geométrico de los puntos tales que su potencia con respecto a una circunferencia dada es constante? 14. uál es el lugar geométrico de un punto cuya suma de potencias con respecto a dos circunferencias es constante? onsidere dos circunferencias concéntricas así como dos no concéntricas. 15. ara un punto en el interior de ángulo xoy, encontrar un punto sobre Ox y un punto sobre Oy tal que esté sobre y el producto es mínimo. 16. ado un plano π y dos puntos y en diferentes lados de él, construye una esfera que contenga a y a y que su intersección con π sea un círculo del menor radio posible. 17. En un triángulo sean O, H y R el circuncentro, ortocentro y circunradio, respectivamente. emuestra que la longitud del segmento OH está dada por OH = R (1 8coscoscos ). 18. Sea un triángulo y sean,, puntos sobre los lados,,, respectivamente. enotemos por M el punto de intersección de los circuncírculos de y distinto de, y por N el punto de intersección de los circuncírculos de y distinto de. e manera similar, uno define los puntos, Q y R, S, respectivamente. robar que: (a) l menos una de las siguientes situaciones ocurre: (i) Las tripletas de rectas (, M, N), (,, Q), (, R, S) son concurrentes en,, y, respectivamente. (ii) M y N son paralelas a, o y Q son paralelas a, o R y S son paralelas a. (b) En el caso donde (i) ocurre, los puntos,, son colineales. 19. onsidera los puntos,,,, no tres de ellos colineales. Las rectas y se cortan en E, y y se cortan en F. rueba que los círculos con diámetros, y EF pasan por un punto común, o dos de ellos no tienen ningún punto en común. 0. Sean 1 y dos círculos concéntricos, con en el interior de 1. esde un punto sobre 1 dibuja la tangente a ( se encuentra sobre ). Sea el segundo punto de intersección de con 1, y sea el punto medio de. Una recta que pasa por intersecta a en E y F de tal forma que las

17 mediatrices de E y F se intersecten en un punto M sobre. Encuentra la razón M M. 1. Sea un triángulo acutángulo. Los puntos M y N son tomados sobre los lados y, respectivamente. Los círculos con diámetros N y M se cortan en los puntos y Q. emuestre que, Q y el ortocentro H son colineales.. Sea un cuadrilátero convexo inscrito en un semicírculo s de diámetro. Las rectas y se cortan en E y las rectas y en F. La recta EF corta al semicírculo s en G y a la recta en H. rueba que E es el punto medio del segmento GH si y sólo si G es el punto medio del segmento FH. 3. Sea un triángulo y sean y E puntos sobre los lados y, respectivamente, tales que E es paralela a. Sea cualquier otro punto interior al triángulo E y sean F y G las intersecciones de E con las rectas y, respectivamente. Sea Q el segundo punto de intersección de los circuncírculos de los triángulos G y FE. emuestra que los puntos, y Q se encuentran sobre una misma recta. 4. Sean,, y cuatro puntos distintos sobre una recta, en ese orden. Los círculos con diámetros y se cortan en X y en Y. La recta XY corta a en Z. Sea un punto sobre XY distinto de Z. La recta corta al círculo con diámetro en y M, y la recta corta al círculo con diámetro en y en N. emuestra que las rectas M, N y XY son concurrentes. 5. onsidera una semicircunferencia de centro O y diámetro. Una recta intersecta a en M y a la semicircunferencia en y de tal forma que M < M y M < M. Los circuncírculos de los triángulos O y O se cortan por segunda vez en K. Muestra que MK y KO son perpendiculares. 6. Sea un triángulo isósceles con =. Si y son puntos sobre tales que = y y Q son las intersecciones del circuncírculo de con y, respectivamente, demuestra que Q pasa por el punto medio de. 7. Sean, E, F las alturas del triángulo. Sea X la intersección de EF con, Y la intersección de E con, y Z la intersección de F con. emostrar que X, Y y Z son colineales. Más aún, si G y O son el gravicentro y circuncentro de, respectivamente, entonces la recta que contiene a X, Y y Z es paralela a OG. 8. En el triángulo los puntos, Q y R están en, y, respectivamente, y las líneas, Q y R son concurrentes. emostrar que el centro radical de

18 las circunferencias que tienen estas líneas como diámetros es el ortocentro del triángulo.