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.

  1. a)

    Se duas retas são paralelas entre si e um plano é perpendicular a uma delas, então ele é perpendicular à outra reta.

  2. b)

    Se dois planos distintos são perpendiculares a uma reta, então eles são paralelos entre si.

  3. c)

    Se duas retas distintas são perpendiculares a uma reta do espaço, então elas são paralelas.

  4. d)

    Se duas retas distintas são perpendiculares a um plano, então elas são paralelas.

Solução:

  1. a)

    Verdadeiro.

  2. b)

    Verdadeiro.

  3. c)

    Falso.

  4. d)

    Verdadeiro.

Ilustrações:

Exercício 2.

Seja α\alpha um plano e rr uma reta não perpendicular a α\alpha. Quantos planos contendo rr perpendiculares a α\alpha existem? Justifique sua resposta.

Solução: Apenas um plano. Seja PP, a interseção de rr com α\alpha. Sabemos que existe uma única reta perpendicular a α\alpha passando por PP e que esta reta está contida em qualquer plano perpendicular a α\alpha que passe por PP. Logo qualquer plano perpendicular a α\alpha que contenha rr, também contém a reta ss. Logo o plano procurado é o único plano que contém as retas concorrentes rr e ss.

Exercício 3.

A figura a seguir representa um cubo de aresta 11. Mostre que as retas ECEC e BDBD são perpendiculares.

DDCCGGHHAABBFFEE

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 AECAEC contém a reta ECEC e é perpendicular à reta BDBD. De fato, BDBD é perpendicular às retas concorrentes AEAE e ACAC, ambas contidas em AECAEC, logo BDBD é perpendicular ao plano AECAEC. Assim, BDBD é perpendicular a todas as retas do plano AECAEC, portanto, BDBD é perpendicular a ECEC.

DDCCGGHHAABBFFEE
Definição 1.

Dados dois pontos AA e BB no espaço, o plano mediador do segmento ABAB é o plano perpendicular ao segmento ABAB que passa pelo ponto médio de ABAB.

Exercício 4.

O plano mediador μAB\mu_{AB} de um segmento ABAB 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.

  1. a)

    Considere um ponto PP do plano mediador do segmento ABAB. Mostre que PA=PBPA=PB.

  2. b)

    Seja QQ um ponto do espaço tal que QA=QBQA=QB. Mostre que QQ pertence ao plano mediador do segmento ABAB.

  3. c)

    Conclua dos itens a) e b) que o plano mediador μAB\mu_{AB} do segmento ABAB é o conjunto

    μAB={X/XA=XB}.\mu_{AB}=\{X\;/\;XA=XB\}.

Solução:

  1. a)

    Seja MM o ponto médio do segmento ABAB. Como ABAB é perpendicular ao plano μAB\mu_{AB}, então ABAB é perpendicular a toda reta deste plano. Em particular, ABAB é perpendicular a PMPM. Portanto, a reta PMPM é perpendicular ao segmento ABAB e passa pelo ponto médio de ABAB, ou seja, a reta PMPM é a mediatriz do segmento ABAB no plano PABPAB. Logo, PA=PBPA=PB.

    De outro modo, pode-se justificar que os triângulos PAMPAM e PBMPBM são congruentes pelo caso LAL de congruência de triângulos pois AM=BMAM=BM, AMP^=BMP^=90\widehat{AMP}=\widehat{BMP}=90^{\circ} e PMPM é comum a ambos os triângulos, logo PA=PBPA=PB.

  2. b)

    Considere o plano QABQAB. Como os pontos AA e BB pertencem a este plano, a reta ABAB está contida nele. Logo, o ponto médio MM de ABAB também pertence ao plano QABQAB. Assim o resultado novamente segue do caso plano, pois se QA=QBQA=QB, então QQ pertence à mediatriz do segmento ABAB no plano QABQAB e, portanto, a reta QMQM é perpendicular a ABAB. Conclusão, QQ pertence ao plano mediador de ABAB.

    Caso prefira evitar usar a propriedade da mediatriz como lugar geométrico, pode-se observar que os triângulos QAMQAM e QBMQBM, do plano QABQAB são congruentes pelo caso LLLLLL de congruência de triângulos, donde os ângulos QMAQMA e QMBQMB são iguais e somam 180180^{\circ}, logo são ângulos retos, de onde conclui-se que QQ pertence ao plano mediador de ABAB.

  3. c)

    Justificamos no item a) que todo ponto do plano mediador cumpre a condição PA=PBPA=PB, isto é, que

    μAB{X/XA=XB}.\mu_{AB}\subset\{X\;/\;XA=XB\}.

    No item b) mostramos que todo ponto QQ do espaço que satisfaz QA=QBQA=QB é um ponto do plano mediador, isto é, mostramos que

    μAB{X/XA=XB}.\mu_{AB}\supset\{X\;/\;XA=XB\}.

    Isso significa que os conjuntos μAB\mu_{AB} e {X/XA=XB}\{X\;/\;XA=XB\} têm exatamente os mesmos elementos, ou seja, são conjuntos iguais.

Exercício 5.

A figura representa um octaedro regular de vértices AA, BB, CC, DD, EE e FF. Um octaedro regular é um sólido geométrico que possui 8 faces, que são todas triângulos equiláteros. Mostre que os vértices AA, BB, CC e DD estão todos no mesmo plano e conclua que ABCDABCD é um losango.

AABBCCDDEEFF

Solução: Observe que AE=AFAE=AF, logo do Exercício 4, obtemos que AA pertence ao plano mediador do segmento EFEF. Do mesmo modo, BE=BFBE=BF, logo BμEFB\in\mu_{EF}. Analogamente, temos que CC e DD são pontos de μEF\mu_{EF}. Assim, todos os pontos AA, BB, CC e DD pertencem ao plano μEF\mu_{EF}, logo são coplanares. Portanto, a linha poligonal ABCDABCD é um polígono plano com todos os lados iguais, logo ABCDABCD é um losango.

Exercício 6.

Mostre que a reta EFEF é perpendicular ao plano ABCABC.

Solução: Como os polígonos ABCDABCD, AECFAECF e BFDEBFDE são losangos (polígono plano com todos os lados iguais), o segmento EFEF é perpendicular às retas concorrentes ACAC e BDBD do plano ABCABC. Logo EFEF é perpendicular ao plano ABCABC (Proposição 2 da Aula 20).

Exercício 7.

No cubo da figura os pontos MM, NN, OO, PP, QQ e RR são pontos médios das arestas ABAB, BFBF, FGFG, GHGH, HDHD e DADA, respectivamente (veja a figura). Mostre que os pontos MM, NN, OO, PP, QQ e RR estão todos num mesmo plano.

DDCCGGHHPPQQMMNNAABBFFEEOORR

Solução: Todos os pontos azuis estão no plano mediador do segmento ECEC pois estão à mesma distância de EE e de CC (veja a Questão 2). De fato, observe que para X{M,N,O,P,Q,R}X\in\{M,N,O,P,Q,R\} temos que tanto EXEX como CXCX são hipotenusas de triângulos retângulos com catetos de medidas iguais ao lado do cubo e à metade do lado do cubo. Portanto, EX=CXEX=CX. A figura a seguir ilustra a situação em que X=NX=N. Os triângulos EFNEFN e CBNCBN são retângulos e possuem catetos respectivamente congruentes, logo as hipotenusas ENEN e CNCN são iguais. Os outros casos são inteiramente análogos.

DDCCGGHHPPQQMMNNAABBFFEEOORR