Projeções, áreas e lei das tangentes
Quatro teoremas completam as propriedades trigonométricas dos triângulos: um decompõe cada lado nas projeções dos outros dois, dois dão a área e o último, a lei das tangentes, relaciona somas e diferenças de lados com somas e diferenças de ângulos.
A história
A lei das tangentes foi publicada pelo dinamarquês Thomas Fincke em 1583, no mesmo livro em que ele deu nome à tangente (veja o capítulo VIII), e François Viète também a usava na mesma época. Ela se tornou muito prática na era das tábuas de logaritmos: como só envolve quocientes e produtos, permite resolver um triângulo conhecendo dois lados e o ângulo entre eles sem somar quadrados, o que a lei dos cossenos exigiria. Com logaritmos, cada multiplicação ou divisão virava uma soma ou subtração de números tirados da tábua.
- Nasce na torre de Merchiston, perto de Edimburgo, filho de um nobre de 16 anos.
- Entra aos 13 anos na universidade mais antiga da Escócia e sai sem diploma.
- Estuda no estrangeiro, provavelmente na França ou nos Países Baixos. Os documentos não dizem onde; o ponto no mapa é só indicativo.
- Vive no castelo que construiu nas terras da família. Escreve sobre o Apocalipse e começa os cálculos dos logaritmos.
- Assina com Robert Logan um contrato para achar um tesouro escondido no castelo, em troca de um terço dele.
- Senhor de Merchiston. Publica os logaritmos (1614), recebe Briggs (1615), publica a Rabdologia e morre em 1617.
- No Gresham College, Henry Briggs lê o livro e parte para Edimburgo para conhecer o autor.
- Kepler vê as tábuas, escreve ao barão sem saber que ele morreu e usa os logaritmos nas Tábuas Rudolfinas.
Fontes: Fincke (MacTutor) · Viète (MacTutor) · Napier (MacTutor).
No dia a dia
- Terrenos. Um terreno triangular com lados de 40 m e 30 m formando $60^\circ$ tem área $\frac{1}{2} \cdot 40 \cdot 30 \operatorname{sen} 60^\circ \approx 519{,}6$ m².
- Áreas irregulares. Agrimensores e programas de mapas dividem qualquer polígono em triângulos e somam as áreas; é assim que se calcula a área de um lote ou de uma fazenda.
- Obras e reformas. Para comprar piso ou grama para um canteiro triangular, basta medir dois lados e o ângulo entre eles.
Teoria
Teorema das projeções
TeoremaTeorema das projeções
$$a = b\cos\hat{C} + c\cos\hat{B} \qquad b = a\cos\hat{C} + c\cos\hat{A} \qquad c = a\cos\hat{B} + b\cos\hat{A}$$Ver a demonstração
Provemos a primeira; as outras são análogas. Seja $\overline{AD}$ a altura relativa a $\overline{BC}$.
1º caso: $\hat{B} < 90^\circ$ e $\hat{C} < 90^\circ$. $D$ está entre $B$ e $C$. No triângulo retângulo $ABD$, $BD = c\cos\hat{B}$; no triângulo retângulo $ADC$, $DC = b\cos\hat{C}$. Então $a = BD + DC = c\cos\hat{B} + b\cos\hat{C}$.
2º caso: $\hat{B}$ obtuso (o caso de $\hat{C}$ obtuso é simétrico). $D$ cai no prolongamento de $\overline{CB}$, além de $B$; $BD = c\cos(180^\circ - \hat{B}) = -c\cos\hat{B}$ e $DC = b\cos\hat{C}$. Então $a = DC - DB = b\cos\hat{C} + c\cos\hat{B}$.
3º caso: $\hat{B}$ ou $\hat{C}$ reto. $D$ coincide com o vértice do ângulo reto e a fórmula continua valendo, pois $\cos 90^\circ = 0$.
Área em função de dois lados e do ângulo entre eles
TeoremaÁrea do triângulo
Em qualquer triângulo, a área é igual ao semiproduto de dois lados multiplicado pelo seno do ângulo que eles formam:
$$S = \frac{1}{2}bc\operatorname{sen}\hat{A} = \frac{1}{2}ac\operatorname{sen}\hat{B} = \frac{1}{2}ab\operatorname{sen}\hat{C}$$Ver a demonstração
Seja $\overline{BD}$ a altura relativa ao lado $\overline{AC}$. Se $\hat{A} < 90^\circ$, no triângulo retângulo $ADB$ temos $DB = c\operatorname{sen}\hat{A}$; se $90^\circ < \hat{A} < 180^\circ$, $D$ fica no prolongamento de $\overline{CA}$ e $DB = c\operatorname{sen}(180^\circ - \hat{A}) = c\operatorname{sen}\hat{A}$. Em ambos os casos (e também se $\hat{A} = 90^\circ$),
$$S = \frac{AC \cdot DB}{2} = \frac{b \cdot c\operatorname{sen}\hat{A}}{2}.$$As outras duas fórmulas se provam do mesmo modo.
Área em função do raio da circunferência circunscrita
TeoremaÁrea e raio circunscrito
Em qualquer triângulo, a área é igual ao produto dos três lados dividido pelo quádruplo do raio da circunferência circunscrita:
$$S = \frac{abc}{4R}$$Ver a demonstração
Pela lei dos senos, $\operatorname{sen}\hat{A} = \dfrac{a}{2R}$. Substituindo em $S = \dfrac{bc}{2}\operatorname{sen}\hat{A}$, vem $S = \dfrac{bc}{2} \cdot \dfrac{a}{2R} = \dfrac{abc}{4R}$.
Lei das tangentes
TeoremaLei das tangentes
Em qualquer triângulo não isósceles valem:
$$\frac{a + b}{a - b} = \frac{\operatorname{tg}\frac{\hat{A} + \hat{B}}{2}}{\operatorname{tg}\frac{\hat{A} - \hat{B}}{2}}$$$$\frac{a + c}{a - c} = \frac{\operatorname{tg}\frac{\hat{A} + \hat{C}}{2}}{\operatorname{tg}\frac{\hat{A} - \hat{C}}{2}}$$$$\frac{b + c}{b - c} = \frac{\operatorname{tg}\frac{\hat{B} + \hat{C}}{2}}{\operatorname{tg}\frac{\hat{B} - \hat{C}}{2}}$$(nas fórmulas, os lados das diferenças devem ser desiguais, e nenhum dos ângulos envolvidos pode ser reto para que as tangentes existam).
Ver a demonstração
Da lei dos senos, $\dfrac{a}{b} = \dfrac{\operatorname{sen}\hat{A}}{\operatorname{sen}\hat{B}}$. Pela propriedade das proporções (“a soma está para a diferença…”):
$$\frac{a + b}{a - b} = \frac{\operatorname{sen}\hat{A} + \operatorname{sen}\hat{B}}{\operatorname{sen}\hat{A} - \operatorname{sen}\hat{B}} = \frac{2\operatorname{sen}\frac{\hat{A} + \hat{B}}{2}\cos\frac{\hat{A} - \hat{B}}{2}}{2\operatorname{sen}\frac{\hat{A} - \hat{B}}{2}\cos\frac{\hat{A} + \hat{B}}{2}} = \frac{\operatorname{tg}\frac{\hat{A} + \hat{B}}{2}}{\operatorname{tg}\frac{\hat{A} - \hat{B}}{2}}.$$As outras duas são provadas de modo análogo.
Os exercícios desta seção são os de números 393 a 399 da lista do capítulo.