Geometria Espacial - Exercícios Programados da Aula 20: Ângulos no espaço11 1 O conteúdo desta semana encontra-se no livro Geometria Básica - Volume 2. - Gabarito
Exercício 1.
Verifique se as afirmações abaixo são verdadeiras ou falsas. Ilustre com um exemplo as verdadeiras e com um contra-exemplo as falsas.
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a)
Se duas retas são paralelas entre si e um plano é perpendicular a uma delas, então ele é perpendicular à outra reta.
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b)
Se dois planos distintos são perpendiculares a uma reta, então eles são paralelos entre si.
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c)
Se duas retas distintas são perpendiculares a uma reta do espaço, então elas são paralelas.
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d)
Se duas retas distintas são perpendiculares a um plano, então elas são paralelas.
Solução:
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a)
Verdadeiro.
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b)
Verdadeiro.
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c)
Falso.
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d)
Verdadeiro.
Ilustrações:
Exercício 2.
Seja um plano e uma reta não perpendicular a . Quantos planos contendo perpendiculares a existem? Justifique sua resposta.
Solução: Apenas um plano. Seja , a interseção de com . Sabemos que existe uma única reta perpendicular a passando por e que esta reta está contida em qualquer plano perpendicular a que passe por . Logo qualquer plano perpendicular a que contenha , também contém a reta . Logo o plano procurado é o único plano que contém as retas concorrentes e .
Exercício 3.
A figura a seguir representa um cubo de aresta . Mostre que as retas e são perpendiculares.
Solução: Uma boa estratégia para se verificar que duas retas são perpendiculares é encontrar um plano que contenha uma delas e seja perpendicular à outra. Aqui o plano contém a reta e é perpendicular à reta . De fato, é perpendicular às retas concorrentes e , ambas contidas em , logo é perpendicular ao plano . Assim, é perpendicular a todas as retas do plano , portanto, é perpendicular a .
Definição 1.
Dados dois pontos e no espaço, o plano mediador do segmento é o plano perpendicular ao segmento que passa pelo ponto médio de .
Exercício 4.
O plano mediador de um segmento cumpre, no espaço, o papel que a mediatriz cumpre no plano no sentido de que ele é o conjunto dos pontos do espaço que estão a uma mesma distância dos extremos do segmento. Nesta questão você deverá justificar este fato.
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a)
Considere um ponto do plano mediador do segmento . Mostre que .
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b)
Seja um ponto do espaço tal que . Mostre que pertence ao plano mediador do segmento .
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c)
Conclua dos itens a) e b) que o plano mediador do segmento é o conjunto
Solução:
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a)
Seja o ponto médio do segmento . Como é perpendicular ao plano , então é perpendicular a toda reta deste plano. Em particular, é perpendicular a . Portanto, a reta é perpendicular ao segmento e passa pelo ponto médio de , ou seja, a reta é a mediatriz do segmento no plano . Logo, .
De outro modo, pode-se justificar que os triângulos e são congruentes pelo caso LAL de congruência de triângulos pois , e é comum a ambos os triângulos, logo .
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b)
Considere o plano . Como os pontos e pertencem a este plano, a reta está contida nele. Logo, o ponto médio de também pertence ao plano . Assim o resultado novamente segue do caso plano, pois se , então pertence à mediatriz do segmento no plano e, portanto, a reta é perpendicular a . Conclusão, pertence ao plano mediador de .
Caso prefira evitar usar a propriedade da mediatriz como lugar geométrico, pode-se observar que os triângulos e , do plano são congruentes pelo caso de congruência de triângulos, donde os ângulos e são iguais e somam , logo são ângulos retos, de onde conclui-se que pertence ao plano mediador de .
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c)
Justificamos no item a) que todo ponto do plano mediador cumpre a condição , isto é, que
No item b) mostramos que todo ponto do espaço que satisfaz é um ponto do plano mediador, isto é, mostramos que
Isso significa que os conjuntos e têm exatamente os mesmos elementos, ou seja, são conjuntos iguais.
Exercício 5.
A figura representa um octaedro regular de vértices , , , , e . Um octaedro regular é um sólido geométrico que possui 8 faces, que são todas triângulos equiláteros. Mostre que os vértices , , e estão todos no mesmo plano e conclua que é um losango.
Solução: Observe que , logo do Exercício 4, obtemos que pertence ao plano mediador do segmento . Do mesmo modo, , logo . Analogamente, temos que e são pontos de . Assim, todos os pontos , , e pertencem ao plano , logo são coplanares. Portanto, a linha poligonal é um polígono plano com todos os lados iguais, logo é um losango.
Exercício 6.
Mostre que a reta é perpendicular ao plano .
Solução: Como os polígonos , e são losangos (polígono plano com todos os lados iguais), o segmento é perpendicular às retas concorrentes e do plano . Logo é perpendicular ao plano (Proposição 2 da Aula 20).
Exercício 7.
No cubo da figura os pontos , , , , e são pontos médios das arestas , , , , e , respectivamente (veja a figura). Mostre que os pontos , , , , e estão todos num mesmo plano.
Solução: Todos os pontos azuis estão no plano mediador do segmento pois estão à mesma distância de e de (veja a Questão 2). De fato, observe que para temos que tanto como são hipotenusas de triângulos retângulos com catetos de medidas iguais ao lado do cubo e à metade do lado do cubo. Portanto, . A figura a seguir ilustra a situação em que . Os triângulos e são retângulos e possuem catetos respectivamente congruentes, logo as hipotenusas e são iguais. Os outros casos são inteiramente análogos.