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Esercizi sulla circonferenza

In questa lezione verranno svolti due esercizi relativi alla circonferenza, in cui utilizzeremo gran parte dei teoremi classici ottenuti nell’ambito della Geometria Euclidea.  

Primo esercizio

Consideriamo un triangolo equilatero $ABC$ inscritto in una circonferenza di centro $O$. A partire dai vertici $A$ e $B$ condurre le tangenti alla circonferenza: queste due rette si incontrano nel punto $E$.

  1. Quanto misura l’angolo $\widehat{AEB}$?
    L’angolo $\widehat{ACB}$, essendo l’angolo interno di un triangolo equilatero, misura $60^\circ$; inoltre questo angolo insiste sull’arco di circonferenza $\overset{\frown}{AB}$. Per le proprietà degli angoli alla circonferenza, sappiamo che qualunque altro angolo che insista sullo stesso arco ha la stessa ampiezza. Si nota che gli angoli $\widehat{ABE}$ e $\widehat{BAE}$ insistono proprio su $\overset{\frown}{AB}$ e quindi hanno la stessa ampiezza, cioè $60^\circ$. Il triangolo $ABE$ ha quindi due angoli interni di ampiezza $60^\circ$: siccome la somma di tutti gli angoli interni è pari a $180^\circ$ allora necessariamente anche $\widehat{AEB} = 60^\circ$. 
  2. Dimostrare che il quadrilatero $AOBE$ è inscrittibile in una circonferenza.

    Dato che $EB$ e $AE$ sono tangenti alla circonferenza, sappiamo che essi sono perpendicolari rispettivamente ai raggi $OB$ e $AO$: quindi gli angoli $\widehat{OBE}$ e $\widehat{OAE}$ sono retti. Questo è sufficiente per affermare che la loro somma è pari a un angolo piatto: per il criterio di inscrittibilità di un quadrilatero possiamo immediatamente affermare che $AOBE$ è inscrivibile in una circonferenza. 
  3. Dimostrare che $E$, $O$ e $C$ sono allineati.
    Per il teorema delle tangenti sappiamo che $EO$ giace sulla bisettrice di $\widehat{AEB}$, quindi $\widehat{OEB} = 30^\circ$. Visto che la somma degli angoli interni a $OBE$ deve fare $180^\circ$ e che $\widehat{OBE}$ è retto, risulta immediato che $\widehat{EOB} = 60^\circ$. Inoltre, $\widehat{BOC}$ è l’angolo al centro corrispondente all’angolo $\widehat{BAC}$ che misura $60^\circ$: pertanto $\widehat{BOC}$ misura il doppio, cioè $120^\circ$. In sostanza $$\widehat{EOC} = \widehat{EOB}+\widehat{BOC} = 60^\circ + 120^\circ = 180^\circ$$Questo è sufficiente per affermare che $E$, $O$ e $C$ sono allineati. 
  4. Prendiamo un punto $M$ su $EB$ tale per cui $EM \cong OM$, e chiamiamo $N$ l’intersezione tra $OM$ e la circonferenza data. Dimostrare che il segmento $BN$ è il lato del dodecagono regolare inscritto nella circonferenza.

    Il triangolo $MOE$, per costruzione, è isoscele con base $OE$; per quanto abbiamo visto prima $\widehat{MEO} = 30^\circ$ e quindi anche $\widehat{MOE} = 30^\circ$. Dato che $\widehat{EOB} = 60^\circ$ allora necessariamente anche $\widehat{MOB} = 30$, ovvero, l’angolo che sottende la corda $BN$ misura $30^circ$. Questo è sufficiente per affermare che $BN$ è proprio il lato del dodecagono regolare inscritto nella nostra circonferenza. Infatti, dato che angoli al centro congruenti sottendono corde congruenti e che $12 \cdot 30 = 360$, possiamo suddividere la circonferenza in esattamente $12$ settori circolari tutti congruenti al settore $BON$, in modo che ciascuna corda individuata all’interno del settore vada a costituire un lato del dodecagono. 

Secondo esercizio 

Consideriamo una circonferenza di centro $O$ di raggio $r$ e un qualsiasi punto $A$ al suo interno. Prendiamo una qualsiasi corda che passa per $A$, con estremi $B$ e $C$ sulla circonferenza. Dimostrare che la somma tra il quadrato di lato uguale alla distanza di $A$ dal centro $O$ e il rettangolo di dimensioni $BA$ e $BC$ è equivalente al quadrato di lato $r$.

Dimostrazione. Chiamiamo $E$ ed $F$ gli estremi della corda su cui giace il segmento $OA$ (con $\overline{AE}>\overline{AF}$). Possiamo applicare il teorema delle corde ai segmenti $EF$ e $BC$, ottenendo la seguente relazione:$$BA : AF = AE : AC$$o equivalentemente, sfruttando le proprietà delle proporzioni, $$BA \cdot BC = AE \cdot AF$$Per costruzione, inoltre, abbiamo: ##KATEX##\begin{aligned} AE & \cong r + OA; \\ AF & \cong r - OA \end{aligned}##KATEX##Possiamo perciò riscrivere l’uguaglianza ottenuta poco fa: ##KATEX##\begin{aligned} BA \cdot BC & = (r+OA) \cdot (r - OA) \\ BA \cdot BC & = r^2 - OA^2 \\ r^2 & = BA \cdot BC + OA^2 \end{aligned}##KATEX##Questa uguaglianza rappresenta esattamente quello che stavamo cercando di dimostrare; l’esercizio è quindi concluso.