1) Demonstrar que em todo triangulo retângulo ABC subsiste a dupla desigualdade: 2/5 < r/h(a) < 1/2. Sendo r o raio da circunferência inscrita ao triângulo e h(a) a altura relativa à hipotenusa "a".

Resolução:

Seja o raio “r” do círculo inscrito e os catetos de medidas “b” e “c” temos que a área do triângulo pode ser calculada pela fórmula de (base x altura)/2:

Área do triângulo = b.c/2

Mas também temos a fórmula da área do triângulo em função do raio da circunferência inscrita e do semi perímetro (p):

Área do triângulo = r.p

Área do triângulo = r.(a + b + c)/2

Então igualando as duas áreas:

b.c/2 = r.(a + b + c)/2

b.c = r.(a + b + c)

Além disso, há também uma propriedade do triângulo retângulo que diz que o produto da hipotenusa pela altura relativa à hipotenusa é igual ao produto dos catetos:

a.h(a) = b.c

E assim, podemos colocar isso na nossa equação:

b.c = r.(a + b + c)

a.h(a) = r.(a + b + c)

a/(a + b + c) = r/h(a)

Agora resta achar os valores máximo e mínimo de r/h(a). Vendo essa equação, você sabe que a razão:

a/(a + b + c)

será mínima quando o denominador for máximo e será máxima quando o denominador for mínimo. Então fazemos “a” constante para ver quando (b + c) é máximo e mínimo. Assim, r/h(a) é máximo quando (b + c) for mínimo e vice e versa.

Agora o problema trata-se de achar os valores máximo e mínimo de (b + c). Como estamos num triângulo sabemos que a soma de dois lados quaisquer devem ser no mínimo maiores que o terceiro lado, ou seja:

b + c > a

E colocando isso na nossa desigualdade teremos o valor máximo de r/h(a). Como b + c tem “a” como valor mínimo, se colocarmos o valor mínimo de b + c no denominador da desigualdade, a razão assume valor máximo:

r/h(a) = a/(a + b + c) < a/(a + a)

r/h(a) < a/(a + a)

r/h(a) < a/2a

r/h(a) < 1/2

* ver observação abaixo

Agora para acharmos o valor mínimo de r/h(a), precisamos do valor máximo de (b + c). Como temos um triângulo retângulo, sabemos que b2 + c2 = a2. Então podemos fazer:

b2 + c2 = a2

b2 + 2bc + c2 = a2 + 2bc

(b + c)2 = a2 + 2bc

b + c = raiz(a2 + 2bc)

E sabemos que (b + c) será máximo quando bc for máximo, já que “a” está constante. Então precisamos ter só b ou só c numa expressão para achar seu valor máximo. Isolando b em função de c no teorema de Pitágoras:

b2 + c2 = a2

b2 = a2 – c2

b = raiz(a2 – c2)

Agora fazendo bc:

bc = raiz(a2 – c2) . c

bc = raiz(a2.c2 – c4)

E agora bc terá valor máximo quando a2.c2 – c4 for máximo. Transformando isso numa função quadrática, fazemos x = c2  e achamos o valor máximo que é o vértice:

= a2.c2 – c4

= a2x – x2

Que tem valor mínimo para o x do vértice (lembre de -b/2a):

x = -(a2)/2.(-1)

x = a2/2

E como x = c2:

x = a2/2

c2 = a2/2

c = a/raiz(2)

Para acharmos o valor de b, usamos agora o teorema de Pitágoras de novo:

b2 + c2 = a2

b2 + [a/raiz(2)]2 = a2

b2 + a2/2 = a2

b2 = a2 – a2/2

b2 = a2/2

b = a/raiz(2)

Então vimos que r/h(a) terá valor mínimo quando b = c = a/raiz(2). Colocando na desigualdade:

r/h(a) = a/(a + b + c) > a/[a + a/raiz(2) + a/raiz(2)]

r/h(a) > a/[a + a/raiz(2) + a/raiz(2)]

r/h(a) > a/[a + 2a/raiz(2)]

r/h(a) > a/[a + 2a.raiz(2)/2]

r/h(a) > a/[a + a.raiz(2)]

r/h(a) > a/{a.[1 + raiz(2)]}

r/h(a) > 1/[1 + raiz(2)], racionalizando,

r/h(a) > [raiz(2) – 1]/(2 – 1)

r/h(a) > raiz(2) – 1

E como sabemos que raiz(2) é aproximadamente 1,414:

r/h(a) > raiz(2) – 1

r/h(a) > 1,414 – 1

r/h(a) > 0,414 > 0,4 = 2/5

E temos agora as duas partes da desigualdade que o problema pediu:

2/5 < r/h(a) < 1/2, como queríamos demonstrar.

*** Para achar que b = c = a/raiz(2), você poderia ter feito de outra forma também usando a desigualdade entre as médias geométrica e aritmética de “b” e “c”, que é a seguinte:

raiz(bc) <= (b + c)/2, com igualdade b = c.

Ou seja:

bc <= (b + c)2/4

(b + c)2 = a2 + 2bc <= a2 + (b + c)2/2

(b + c)2 <= 2a2

(b + c) <= a.raiz(2)

Agora pegamos o máximo da soma para achar os valores de b e c:

b + c = a.raiz(2)

b = a.raiz(2) – c

Como vimos que bc tem que ser máximo:

bc = [a.raiz(2) – c].c

bc = ac.raiz(2) – c2

bc = -c2 + a.raiz(2).c

Que tem valor máximo no vértice (-b/2a):

c = -[a.raiz(2)]/2.(-1)

c = -[a.raiz(2)]/(-2)

c = a.raiz(2)/2

Multiplicando o numerador e o denominador por raiz(2):

c = a.raiz(2)/2

c = a.2/2.raiz(2)

c = a/raiz(2)

E assim você acha o valor de b também:

b + c = a.raiz(2)

b + a/raiz(2) = a.raiz(2)

b = a.raiz(2) – a/raiz(2)

b = a.2/raiz(2) – a/raiz(2)

b = a/raiz(2)

E resumindo:

b = c = a/raiz(2)

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