Resumo
Esta aula estende a resolução de triângulos, que com as razões trigonométricas se limitava aos triângulos retângulos, a todos os triângulos: dados três de seus elementos, entre lados e ângulos, determina os demais. Demonstra que a área de um triângulo é a metade do produto de dois lados pelo seno do ângulo que eles formam, deduz disso a lei dos senos e sua relação com o raio da circunferência circunscrita, prova com coordenadas a lei dos cossenos, que contém o teorema de Pitágoras como caso particular, e obtém de ambas a fórmula de Herão, que dá a área a partir dos três lados. Com essas ferramentas estuda os casos de resolução, e em particular o caso ambíguo, em que dois lados e o ângulo oposto a um deles determinam nenhum, um ou dois triângulos conforme o discriminante e os sinais das raízes de uma equação quadrática. Por último, mede o ângulo entre dois vetores por meio do produto escalar, e mostra que essa fórmula e a lei dos cossenos são duas leituras de um mesmo fato; os problemas aplicam esses resultados às medianas, à medição de distâncias inacessíveis e às diagonais de um paralelogramo.
Objetivos de aprendizagem
- Calcular a área de um triângulo a partir de dois lados e do ângulo que eles formam, ou a partir de seus três lados por meio da fórmula de Herão.
- Demonstrar as leis dos senos e dos cossenos, e reconhecer em qual delas convém apoiar-se conforme os dados disponíveis.
- Resolver um triângulo dados seus três lados, dois lados e o ângulo compreendido, ou um lado e dois ângulos, e discutir o número de soluções quando são dados dois lados e o ângulo oposto a um deles.
- Calcular o ângulo entre dois vetores com o produto escalar, e aplicar a resolução de triângulos a problemas geométricos e de medição.
Notação e fatos prévios
Na aula sobre as razões trigonométricas o seno, o cosseno e a tangente de um ângulo agudo foram definidos como quocientes entre os lados de um triângulo retângulo, e estendidos depois a todo ângulo por meio da circunferência unitária. Um triângulo retângulo se resolve, portanto, com essas razões e com o teorema de Pitágoras. Ora, a maioria dos triângulos que aparecem na geometria e na medição do terreno não tem nenhum ângulo reto; o objetivo desta aula é resolvê-los todos.
Em um triângulo de vértices , e , a mesma letra maiúscula designa o vértice e a medida do ângulo interno do triângulo nesse vértice, e a letra minúscula correspondente designa o comprimento do lado oposto: é o comprimento do lado , o do lado e o do lado . A área do triângulo é denotada por , e a distância entre dois pontos e , por . Como é costume na resolução de triângulos, os ângulos são expressos em graus. Ora, as funções trigonométricas estão definidas para números reais, que são medidas em radianos; pela regra de conversão da aula sobre os ângulos e sua medida, um ângulo de graus mede radianos, e adota-se a convenção que segue: designa , e o mesmo com as demais funções; por exemplo, . Do mesmo modo, o arco-cosseno, que toma valores em , devolve a medida em radianos de um ângulo, que se expressa em graus: a igualdade significa que , a medida em radianos de um ângulo de . Com essa convenção, tudo o que segue vale igualmente em radianos, substituindo por . Admite-se, como na aula sobre os ângulos e sua medida, um fato da geometria elementar que este curso não demonstra porque não desenvolve a geometria sintética: os três ângulos de um triângulo somam dois retos.
Daí se segue que cada ângulo de um triângulo está estritamente entre e , e que no máximo um deles é reto ou obtuso. Das aulas precedentes desta unidade empregam-se, além disso, os fatos abaixo:
- O ponto que está a distância da origem, sobre a semirreta que forma o ângulo com o semieixo positivo das abscissas, tem as coordenadas : é o ponto da circunferência unitária correspondente a , multiplicado por .
- A identidade pitagórica, , e as simetrias do ângulo suplementar, e .
- Se , o seno de é positivo; o cosseno é positivo se é agudo, nulo se é reto e negativo se é obtuso.
- O cosseno é estritamente decrescente entre e e toma nesse intervalo cada valor entre e exatamente uma vez; por isso, segundo a aula sobre as funções trigonométricas inversas, um ângulo de um triângulo fica determinado por seu cosseno, .
O seno, por outro lado, não determina um ângulo de um triângulo: os ângulos e têm o mesmo seno, e a função arco-seno devolve apenas o agudo. Essa assimetria entre o seno e o cosseno explicará, na penúltima seção, por que certos dados admitem dois triângulos distintos.
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