Alturas, Heron, medianas, bissetrizes e raios
Obter medidas especiais a partir dos lados
Considere lados $a,b,c$, área $K$ e semiperímetro $s=(a+b+c)/2$. Exigimos um triângulo não degenerado: lados positivos e cada lado menor que a soma dos outros dois.
Demonstrar a fórmula de Heron
Da lei dos cossenos, $\cos A=(b^2+c^2-a^2)/(2bc)$. Em $K=bc\sin A/2$, use $\sin^2A=1-\cos^2A$:
$$\begin{aligned} 16K^2&=4b^2c^2-(b^2+c^2-a^2)^2\\ &=((b+c)^2-a^2)(a^2-(b-c)^2)\\ &=(a+b+c)(b+c-a)\\ &\quad\cdot(a+b-c)(a-b+c)\\ &=16s(s-a)(s-b)(s-c). \end{aligned}$$A área é positiva, então:
$$K=\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}.$$Alturas
Como $K=ah_a/2=bh_b/2=ch_c/2$:
$$h_a=\frac{2K}{a},\qquad h_b=\frac{2K}{b},\qquad h_c=\frac{2K}{c}.$$Substituir a expressão de Heron fornece cada altura apenas em função dos lados. Também valem $h_a=b\sin C=c\sin B$ e suas permutações.
Medianas
A mediana $m_a$ liga A ao ponto médio de BC. Coloque os extremos da base em $(-a/2,0)$ e $(a/2,0)$ e A em $(u,v)$. Somar as distâncias ao quadrado até os extremos dá:
$$b^2+c^2=2(u^2+v^2)+\frac{a^2}{2}.$$Como $m_a^2=u^2+v^2$, resulta:
$$m_a=\frac12\sqrt{2b^2+2c^2-a^2}.$$Trocar os índices fornece $m_b$ e $m_c$.
Bissetrizes internas
A bissetriz de A encontra BC em D e divide o ângulo em duas partes iguais. As áreas de ABD e ACD estão na razão $c:b$, porque têm a mesma altura relativa à reta BC e também podem ser calculadas com o seno de $A/2$. Logo:
$$BD=\frac{ac}{b+c},\qquad DC=\frac{ab}{b+c}.$$A soma das áreas calculadas pelos lados da bissetriz $t_a=AD$ é:
$$K=\frac{(b+c)t_a\sin(A/2)}{2}.$$Comparando com $K=bc\sin A/2$ e usando $\sin A=2\sin(A/2)\cos(A/2)$:
$$t_a=\frac{2bc\cos(A/2)}{b+c} =\frac{2\sqrt{bc\,s(s-a)}}{b+c}.$$A segunda forma decorre de $\cos^2(A/2)=s(s-a)/(bc)$, obtida pela lei dos cossenos. Todas as raízes são positivas. Troque as letras para obter as demais bissetrizes.
Círculos inscrito e circunscrito
O incentro está a uma distância $r$ de cada lado. Dividir o triângulo nos três triângulos que têm esse centro como vértice fornece:
$$K=\frac{ar+br+cr}{2}=sr.$$Assim:
$$r=\frac Ks=\sqrt{\frac{(s-a)(s-b)(s-c)}s}.$$A tangente traçada de um vértice até os dois pontos de contato tem comprimentos iguais. O trecho associado ao vértice A mede $s-a$. No triângulo retângulo formado com o incentro:
$$r=(s-a)\tan\frac A2.$$Pela lei dos senos e pela expressão de área da aula anterior:
$$R=\frac{abc}{4K}.$$Exemplo: lados 5, 5 e 6
Temos $s=8$ e $K=\sqrt{8\cdot3\cdot3\cdot2}=12$. Para a base $a=6$, com $b=c=5$:
$$h_a=4,\quad m_a=4,\quad t_a=4,\quad r=\frac32,\quad R=\frac{25}{8}.$$Altura, mediana e bissetriz coincidem nessa direção porque o triângulo é isósceles. Em geral, são segmentos diferentes.
No dia a dia
- Área com trena. Medindo só os lados de um terreno (13, 14 e 15 m), a fórmula de Heron dá 84 m².
- Fonte no jardim. O raio da maior fonte circular que cabe num canteiro triangular é o raio inscrito, $r = \frac{S}{p}$.
- Equilíbrio. Uma placa triangular de espessura uniforme se equilibra na ponta de um lápis no baricentro, o encontro das medianas.
Exercícios com resolução
1. Um triângulo tem lados 13, 14 e 15 cm. Calcule área e raio inscrito.
Conferir resolução 1
$s=21$ cm e $K=\sqrt{21\cdot8\cdot7\cdot6}=84$ cm². Então $r=84/21=4$ cm.
2. Nos mesmos lados, calcule a altura e a mediana relativas ao lado de 14 cm.
Conferir resolução 2
$h=2\cdot84/14=12$ cm. A mediana é $m=\tfrac12\sqrt{2\cdot13^2+2\cdot15^2-14^2}=\sqrt{148}=2\sqrt{37}$ cm.
No livro interativo
Os mesmos assuntos, com todas as demonstrações e a lista completa de exercícios, estão no livro interativo de Trigonometria:
Esta aula é uma introdução mais curta ao tema; no livro, a teoria vem acompanhada dos exercícios resolvidos e propostos do capítulo.